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院士科普|从实验室到餐桌:让育种更精准,让粮食更安全

来源:光明网-科普中国2025-08-02 10:05
百度 根据国家统计局北京调查总队昨天发布的2018年2月份北京房价数据显示,上个月北京新建住宅价格比1月份全面下滑,其中144平方米以上大户型价格跌幅最大,达到%;其次是90至144平方米的中户型价格环比下滑了%,90平方米以上小户型相对保值,但也下滑了%。

??从事植物分子遗传学研究几十年,常有人问我:“您天天跟植物基因打交道,到底在研究些啥?”其实这个问题的答案,就藏在我们日常的餐桌里。

??我们中国人常说“种瓜得瓜,种豆得豆”,这背后藏着遗传学最本质的规律。我常跟学生讲,“像”就是遗传,“不像”就是变异。我们的研究就是要弄明白:植物从上一代传到下一代,哪些特征会保留?哪些会改变?如何有效利用好这些变化与保留?

院士科普|从实验室到餐桌:让育种更精准,让粮食更安全

植物分子遗传学家,崖州湾国家实验室主任,2018未来科学大奖-生命科学奖获奖者李家洋

??就拿大家熟悉的作物来说,玉米棒有的粗如手臂,有的细似手指;西红柿有拳头大的,也有樱桃般小的。它们再怎么变,还是玉米和西红柿——这就是遗传的“像”;但大小、口感的差异,就是变异的“不像”。我们团队的工作,就是破解这些变异的密码:为什么会有这些变化?如何让它们变得产量更高、品质更好、营养更丰富?

??在现代生命科学里,这些看得见的特征叫“表现型”,本质是由基因决定的。“基因决定所有的性状,比如植物的高矮、分支的多少、大小、根系深浅等。”每种作物都有几万甚至几十万个基因,我们的任务就是给这些基因“分工”:哪个管产量?哪个管口感?有时多个基因共同控制一个性状,有时一个基因能影响好几个特征,就像一个多面手。

院士科普|从实验室到餐桌:让育种更精准,让粮食更安全

拟南芥(图片来自网络)

??面对这么多基因,研究该从何下手?我们有个“省时法宝”——模式植物。“不同的物种都有相似性,我们可以找一个生长周期短的‘模式材料’。”比如拟南芥,正常4周就能完成一个生长周期,调整光温后甚至3周就行,堪称植物研究的“小白鼠”。

??对水稻这种生长周期较长的作物,我们也有办法。在光温水热营养适宜的条件下,水稻60天就能收获,一年能种5-6代,大大加快了研究进度。我回国初期,就是从拟南芥起步,后来转向水稻——毕竟解决粮食问题,才是我的初心。

??找到基因后,怎么“改造”它们?核心技术是基因诱变与基因编辑。“实际上是要改变基因本身的结构,就是改变基因密码。”这就像改文章,换几个字,表达的意思就不同了。不过植物基因编辑比动物难,“植物细胞有‘钢筋混凝土’做的细胞壁,像坚硬的外壳,很难把外来基因打进去,DNA的高效递送系统很困难。”而且植物要进行光合作用,有叶绿体这套特殊的“能量工厂”,这也让研究更复杂。

院士科普|从实验室到餐桌:让育种更精准,让粮食更安全

李家洋院士在田间

??上个世纪90年代我从美国回国时,国内植物分子遗传学还在起步阶段。我当时定下三个目标:建立找基因的方法、弄清基因的功能、提出分子设计育种的概念。

??2003年,我们团队在《自然》杂志发表了首个水稻生长发育基因的研究,建立了成熟高效的水稻基因克隆体系。这一步很关键——就像给基因编了一本“字典”,大家想找哪个基因,都能按图索骥。在此基础上,我们提出分子设计育种:想要高产就强化产量相关基因,想要优质就调控品质基因,8-10年就搭建起了初步系统。

??现在这些研究已经走进生活:我们培育的低GI水稻,适合糖尿病人群;双季早粳稻测产亩产超600公斤,又抗逆又好吃。“育种家最大的贡献就是用最少的资源创造出最高产最优质的品种,并且能够适应环境变化。”这不仅是基础科学,更是国家战略。

??未来,我们想实现“智能作物智能培育”。比如让水稻遇到高温时,抗高温基因自动“打开”;平时则专心生长发育增产量。这种“基因智能开关”,能解决过去高产不抗病、抗病不高产的矛盾。我预计“10年左右就会有先导性的智能品种出来,5年基本框架就能搭建成功。”

??从事科研几十年,我最深的感受是:“农业的发展是无上限的。”未来的农民可能是懂人工智能的“农业工程师”,未来的餐桌会有更多量身定制的健康食材。而这一切,都始于我们对那微小基因的不懈探索——毕竟,谁能想到,改变几粒种子,就能改变亿万人的生活呢?

??(作者:植物分子遗传学家,崖州湾国家实验室主任,2018未来科学大奖-生命科学奖获奖者李家洋;光明网记者宋雅娟蔡琳采访整理)

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