如果告訴你，水稻可以少施30%的化肥卻不減產(chǎn)，小麥自帶“免疫盾牌”可大幅減少農(nóng)藥用量，甚至魚肉里煩人的小刺都可能消失——這聽起來是否像農(nóng)業(yè)的“科幻小說”？
但這正是中國科學(xué)家交出的現(xiàn)實答卷。12月22日，中國科學(xué)院在北京舉行A類先導(dǎo)專項“種子精準(zhǔn)設(shè)計與創(chuàng)造”（以下簡稱種子專項）系列科研成果新聞發(fā)布會，系統(tǒng)展示了專項通過創(chuàng)建精準(zhǔn)設(shè)計育種新范式，在打造種業(yè)振興的“中國芯”方面取得的系列突破。
“經(jīng)過六年攻關(guān)，專項取得了覆蓋理論、技術(shù)、產(chǎn)品的全鏈條體系化突破，實現(xiàn)了‘三新’——新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品。”種子專項首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士李家洋介紹。
六年攻關(guān)，實現(xiàn)全鏈條突破
據(jù)介紹，種子專項于2019年11月啟動，針對我國新時期糧食安全、生態(tài)安全及農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的重大戰(zhàn)略需求，中國科學(xué)院聯(lián)合院內(nèi)外30家優(yōu)勢單位協(xié)同攻關(guān)，聚焦水稻、小麥等主要農(nóng)作物和魚等動物，以實現(xiàn)“一增二減”——增產(chǎn)提質(zhì)、減投提效、減損促穩(wěn)為核心目標(biāo)，最終實現(xiàn)精準(zhǔn)創(chuàng)造增產(chǎn)10%~20%、減投15%~20%和減損15%~20%的動植物品種。
李家洋表示，六年來，種子專項挖掘了一批高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、氮高效利用、抗逆抗病等關(guān)鍵基因與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了基因組精準(zhǔn)編輯、四倍體野生稻快速從頭馴化等核心技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)制了37個“一增二減”先導(dǎo)型品種，累計推廣先導(dǎo)型作物新品種1448萬畝，取得了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，獲得“中國十大科技進(jìn)展新聞”等多項榮譽，切實發(fā)揮了戰(zhàn)略先導(dǎo)專項的引領(lǐng)作用。
中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展科技研究局局長薛強表示，未來這場搶占種業(yè)科技制高點的勝利標(biāo)志，不僅在于我們是否擁有“備份”的種源，更在于我們是否構(gòu)建起自主的、引領(lǐng)性的種業(yè)科學(xué)體系與創(chuàng)新生態(tài)，要培育更高產(chǎn)、更營養(yǎng)、更節(jié)水、更抗災(zāi)的“智慧種子”，為早日實現(xiàn)種業(yè)科技高水平自立自強，建設(shè)農(nóng)業(yè)強國貢獻(xiàn)力量，為全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)“中國方案”。
硬核突破，讓種子擁有“智慧”
面對化肥過量、病蟲害頻發(fā)、資源約束趨緊等農(nóng)業(yè)“痛點”，種子專項的科學(xué)家們以“精準(zhǔn)設(shè)計”為路徑，找到了破局的關(guān)鍵“鑰匙“，在新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品三個維度取得的多項“硬核”突破，讓種子能夠“更智慧”地應(yīng)對現(xiàn)有挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院院士、植物研究所研究員種康介紹了兩項直擊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)痛點的理論突破。其一是讓水稻“減肥”不減產(chǎn)，種康介紹，研究團(tuán)隊克隆了氮高效基因OsTCP19，使水稻在氮肥減少20%~30%的情況下產(chǎn)量保持穩(wěn)定，為破解化肥過量使用難題提供了“基因鑰匙”，有助于實現(xiàn)水稻“綠色革命”。
其二是給小麥裝上“免疫盾牌”。種康表示，面對白粉病、赤霉病等農(nóng)業(yè)“殺手”，研究團(tuán)隊不僅挖掘出我國地方品種特有的廣譜抗白粉病且兼具麥瘟病抗性的Pm24基因，還利用新型赤霉病抗病模塊成功培育出抗赤霉病的高產(chǎn)小麥新品種“中科166”，讓農(nóng)藥用量大幅下降，推廣面積已近150萬畝，筑牢了主糧安全“防護(hù)網(wǎng)”。
如果說基因是生命的代碼，那么中國科學(xué)家不僅需要拿到打開代碼的“鑰匙”，還要成為優(yōu)秀的“程序員”。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員高彩霞團(tuán)隊自主研發(fā)的多重基因組編輯技術(shù)，一舉打破“抗病不高產(chǎn)”的育種魔咒，創(chuàng)制出既抗白粉病又高產(chǎn)的小麥新種質(zhì)。2024年，這項成果拿下我國首個口糧作物基因編輯生產(chǎn)應(yīng)用安全證書——是通行證，更是里程碑。
李家洋團(tuán)隊的另一項技術(shù)開辟了全新的育種路徑。團(tuán)隊首次提出并實踐了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新路徑。他們像“農(nóng)業(yè)工程師”一樣，從零開始改造野生稻，攻克野生稻遺傳轉(zhuǎn)化、基因組注釋等重重難關(guān)，成功創(chuàng)制出新型四倍體水稻材料，被國際同行贊譽“啟動了人類農(nóng)業(yè)新文明”，為全球糧食安全提供了前瞻戰(zhàn)略性技術(shù)儲備。
從田間到餐桌，從作物到水產(chǎn)，不同產(chǎn)業(yè)中，都能看到精準(zhǔn)設(shè)計振興種業(yè)的力量。
面對我國大豆進(jìn)口量大，生產(chǎn)力不足的難題，研究團(tuán)隊繪制了全球領(lǐng)先的大豆圖形結(jié)構(gòu)泛基因組圖譜，開發(fā)了多維組學(xué)數(shù)據(jù)庫SoyOmics，精準(zhǔn)聚合優(yōu)良性狀，成功培育出“科豆”“東生”系列等10個高產(chǎn)高營養(yǎng)大豆新品種。
專項還引領(lǐng)了“水產(chǎn)”設(shè)計育種的新浪潮。中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院水生生物研究所研究員桂建芳團(tuán)隊首次提出“雙三倍體”概念，創(chuàng)建了基于生殖方式轉(zhuǎn)換的設(shè)計育種技術(shù)體系，培育出具有高產(chǎn)、抗病、節(jié)糧三大優(yōu)勢性狀的異育銀鯽“中科6號”候選新品系；相較于底盤品種異育銀鯽“中科3號”，“中科6號”生長速度平均提升25.0%，養(yǎng)殖存活率平均提升66.5%，飼料效率平均提升20.1%。
值得一提的是，桂建芳團(tuán)隊還將“非減數(shù)融合”生殖與基因編輯相結(jié)合創(chuàng)建育性可控設(shè)計育種技術(shù)體系，創(chuàng)制出既“無肌間刺”又不育的可用于養(yǎng)殖的無肌間刺異育銀鯽。這意味著，這種鯽魚天生沒有那些煩人的“小刺”，食用體驗有望得到顯著改善。
從“跟跑”到“領(lǐng)跑”，邁向種業(yè)強國
“作為中國科學(xué)院A類先導(dǎo)專項，種子專項始終踐行‘目標(biāo)清、可考核、用得上、有影響’的十二字要求。”李家洋說。
李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)的“中科發(fā)”系列水稻新品種，生動詮釋了從理論到產(chǎn)業(yè)的貫通之力。針對我國東北稻區(qū)及南方雙季稻區(qū)的重大需求，研究團(tuán)隊通過“分子設(shè)計育種”理念，精準(zhǔn)聚合了粒型、產(chǎn)量、抗病、抗倒伏、耐鹽堿等一系列優(yōu)良基因，培育的“中科發(fā)”系列水稻已經(jīng)成為“明星品種”。
在東北稻區(qū)，“中科發(fā)5號”比當(dāng)?shù)刂髟詢?yōu)質(zhì)品種增產(chǎn)超20%，鹽堿地畝產(chǎn)突破600公斤，還拿下全國優(yōu)質(zhì)稻食味品質(zhì)鑒評金獎，2024年躋身全國常規(guī)水稻推廣面積第五位；在南方稻區(qū)，“中科發(fā)早粳1號”實現(xiàn)我國雙季早粳稻品種“零的突破”，將優(yōu)質(zhì)新米上市期提前2~3個月，讓老百姓更早吃上當(dāng)年的新米。
曾幾何時，育種靠的是經(jīng)驗、運氣和一次次等待；傳統(tǒng)育種工作者如同在黑暗中摸索，不知哪個基因控制哪個性狀，只能通過一代代雜交選育，周期長達(dá)8-10年，且難有突破性進(jìn)展。而今天，在中國科學(xué)家手中，育種已蛻變?yōu)橐婚T可預(yù)測、可編程、可定制的精密科學(xué)。
這場變革的重要引擎，正是分子設(shè)計育種理念的提出與實踐。2013年8月，中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”，掀起了一場育種革命。該專項提出的“分子設(shè)計”育種理念，讓中國育種從“經(jīng)驗”走向“設(shè)計”，也將中國的育種技術(shù)理念推向了世界前沿，獲得國家自然科學(xué)獎一等獎。
種子專項為“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”的新階段，讓我國在精準(zhǔn)設(shè)計育種領(lǐng)域建立起自主可控的完整技術(shù)體系，并進(jìn)入從“跟跑”“并跑”到部分“領(lǐng)跑”的新階段。該專項的成功實施，是面向國家重大需求、發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢、搶占農(nóng)業(yè)科技制高點的成功實踐，為我國從種業(yè)大國邁向種業(yè)強國奠定了堅實的科技基礎(chǔ)。