——中国科学院发布A类先导专项“种子精准设计与创造”系统成果
图为李家洋院士在指导学生进行水稻细胞的抗逆实验。 资料图
优质高产的水稻、耐盐碱的小麦、高蛋白的大豆，粮食作物品种不仅高产，还拥有很多优良特性。无肌间刺的异育银鲫，吃鱼时再也不用担心被小刺卡住；在黄河三角洲盐碱地试种的番茄品种，别有一番风味……这些品种或品系，都来源于2019年11月中国科学院启动的A类先导专项“种子精准设计与创造”（以下简称“种子专项”）。针对我国新时期粮食安全、生态安全及农业供给侧结构性改革的重大战略需求，院内22家单位联合院外8家单位开展协同攻关。
“六年来，种子专项在新理论、新技术、新产品三个维度取得了多项突破——挖掘了一批高产优质、氮高效利用、抗逆抗病等关键基因与调控网络，实现了基因组精准编辑、四倍体野生稻快速从头驯化等核心技术创新，创制了37个先导型新品种，切实发挥了战略性先导科技专项在种子创新方面的引领作用。”中国科学院院士、种子专项首席科学家李家洋介绍。
“抢占种业科技制高点，不仅在于拥有一批具有竞争力的当家品种，更在于是否能构建起自主的、引领性的种业科学体系与创新生态，为世界粮食安全和农业可持续发展贡献‘中国方案’。”中国科学院可持续发展科技研究局局长薛强阐述种子专项的战略意义。
以“精准设计”找寻“破局之道”
李家洋介绍，种子专项分为四个项目，“种子精准设计的分子基础”挖掘出一批关键基因，揭示复杂性状形成的调控机制，建立精准设计的“核心元件库”；“种子精准设计的变革技术”在关键核心技术上实现突破；“设计型新品种创造”着重研发“一增两减”（增加产量、提高品质，减少化肥农药使用，减少自然灾害损失）品种；“精准设计育种研究平台”为上述工作提供支撑。
依靠有限的自然资源，怎样生产更多的粮食？产量提升过度依赖化肥投入，困局怎样破解？怎样通过选育新品种，找到克服白粉病、赤霉病等病害的策略？
中国科学院院士、植物研究所研究员种康介绍两项突破——让水稻“减肥”不减产，给小麦装上“免疫盾牌”。
长期以来，育种的首要目标是高产，这导致一些重要基因资源的丢失，以致主栽水稻品种的肥料利用效率普遍较低。
从52个国家（地区）的110份早期水稻农家种中，中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称“遗传所”）研究员储成才团队鉴定到一个关键基因OsTCP19，通过调节水稻分蘖提高氮肥的利用效率。研究组将这一“丢失”的基因重新引入现代水稻品种，在氮肥减少20%至30%的情况下，携带该基因的水稻分蘖数更多，产量保持稳定。
白粉病是一种由真菌引起的病害。近年来，在小麦和大麦中发现一类新型抗病蛋白串联激酶，可使小麦表现出对多种真菌病害的抗性。遗传所研究员刘志勇团队从小麦地方品种“葫芦头”中克隆到编码串联激酶的广谱抗白粉病基因Pm24。研究人员将Pm24基因分子模块导入到多个高产小麦底盘品种，创制的新种质已发放给国内多家单位进行抗病育种。
当前，抗赤霉病的小麦资源有限。遗传所研究员韩方普团队将目光锁定发现的新型赤霉病抗病模块（主效基因非当前已知的抗赤霉病基因）。“把小麦的‘远亲’二倍体长穗偃麦草中具有优异赤霉病抗性的染色体片段导入主栽小麦品种，我们培育出兼具赤霉病抗性和优良农艺性状的小麦新品系‘中科’系列。‘中科166’的推广面积已近150万亩。”种康院士介绍。
“工欲善其事，必先利其器”
如果说基因是生命的代码，那么中国科学家不仅需要拿到打开代码的“钥匙”，还要成为优秀的“程序员”。
病原菌侵染植物需要利用植物自身的“感病基因”。感病基因突变通常能够赋予植物广谱持久的抗病性，因其往往具有重要的生理功能，突变大多给植物生长发育带来多种负面效应。
早在2014年，中国科学院的研究人员就定向突变小麦的感病基因MLO，获得对白粉病具有广谱持久抗性的材料，却也出现早衰、植株变矮、产量下降等现象。
怎样实现“鱼与熊掌兼得”？研究发现，将小麦感病基因MLO位点附近的一个304Kb片段删除，就可以使小麦表现出对致病菌的抗性，同时植株的生长发育和产量正常。然而，小麦是六倍体作物，对六个等位基因同时实现基因突变绝非易事。
遗传所研究员高彩霞团队和微生物研究所邱金龙团队合作，自主研发的多重基因组编辑技术发挥了关键作用。采用这项技术，对MLO的六个等位基因进行精准操控，仅2个多月就成功在多个小麦主栽品种中获得具有广谱白粉病抗性的小麦新种质。2024年，该小麦新种质拿到我国首个口粮作物基因编辑生产应用安全证书。
人类将野生植物驯化为作物经历了上万年。李家洋院士团队首次提出并实践的“异源四倍体野生稻快速从头驯化”新策略，可将驯化时间缩短至数年，开辟了全新的育种路径。
在自然界中，仍存在大量优异野生植物未被人类使用。以水稻为例，目前广泛种植的是二倍体栽培稻，稻属还有25种野生植物，起源于南美洲的异源四倍体野生稻具有生物量大、环境适应能力强等优势，同时也具有非驯化特征，无法进行农业生产。
种质资源筛选、野生稻高效遗传转化、基因组组装注释……研究团队攻克了重重难关，成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的各种基因编辑源四倍体野生稻材料，首次证明了从头驯化策略培育新型作物的可行性，为粮食安全提供战略性技术储备。
延展创新的广度与深度
“目标清、可考核、用得上、有影响、推得开、留得下”，这是种子专项的十八字要求，强调把理论探索、关键技术、产业应用融合为一体，培育出真正面向产业需求的突破性新品种。
种质资源遗传变异不清、整合数据平台缺位，限制了大豆精准设计育种的发展。遗传所田志喜研究员团队应用数学图论方法，创新基因组分析方法，构建首个植物（大豆）图形结构泛基因组图谱。开发了多维组学数据库SoyOmics。在此基础上，研究团队精准聚合优良性状，成功培育出“科豆”“东生”系列等10个高产高营养大豆新品种。
在水产设计育种领域，中国科学院水生生物研究所桂建芳院士团队首次提出“双三倍体”概念，创建了基于生殖方式转换导致基因组重构产生优势克隆系的设计育种技术体系。同时研究团队还将“非减数融合”生殖与基因编辑相结合，创建育性可控设计育种技术体系，创制出既“无肌间刺”又不育的可用于养殖的异育银鲫。
东北稻区，李家洋院士团队研发的“中科发5号”在盐碱地亩产突破600公斤。南方双季稻区，“中科发早粳1号”实现我国双季早粳稻品种零的突破，通过提高早稻米的品质和商业价值，带动农民增收。
未来育种竞逐的赛道在哪里？种子专项“品种重新设计与快速驯化”课题负责人、遗传所研究员许操总结出三个“赛跑”：与气候变化和农业灾害赛跑；与资源消耗速度和农业生产成本提升赛跑；与人工智能等新技术带来的生产方式变革赛跑。
种子专项设置了智能育种方向——智能品种，能主动响应环境变化优化分配资源；智能培育，采用人工智能、大数据等与先进生物技术深度融合的方式快速培育品种。
李家洋表示，育种研究要从“五个新”发力，即新现象、新机制、新载体、新技术、新方法体系。特别是“新载体”，一些生命现象只存在于独特的物种中，这些独特物种应当作为关键研究载体得到高度重视，这是中国基础科学研究走出自主发展道路的重要切入点。此外，复杂性状模块耦合机制——即高产、高效、抗病、优质等优良性状如何融合，物种拥有广泛环境适应性的内在机制原理，以及遗传转化技术对受体基因型依赖的问题等，其深层机制尚不明晰，均是未来育种研究的重要方向。
