科学家解读水稻高产基因

　　

      5月26日下午，匆匆赶回中国科学院遗传与发育生物学研究所实验室的中国科学院院士李家洋，顾不上吃晚饭，即向其团队成员布置了一项新的工作内容——立即安排一次国内有关育种专家参加的研讨会，讨论如何将新发现的水稻理想株型基因尽快应用于水稻农业生产，发挥其在培育我国新型高产水稻新品种中的作用。

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        3天前，国际著名学术期刊英国《自然—遗传学》杂志和美国《科学》杂志相继报道了由中日科学家共同发现的被称为OsSPL14基因(又称IPA1基因)的重要成果，这是一个影响诸多农艺性状、可有效控制水稻理想株型、进一步提高产量的关键基因。

 

        李家洋的紧密部署让他的团队成员再次感到压力。“李老师的工作总是具有前瞻性的，这是一项一开始就针对水稻生产的基础性研究。”一位团队成员对《科学时报》记者说。

 

        株型是决定作物产量的关键因素，理想的水稻株型应该具有分蘖少、无无效分蘖、穗大粒多、茎秆粗壮等特征。针对这一关键因素，李家洋和他的团队开展了长期的基础研究，而IPA1(Ideal  Plant  Architecture  1，即理想株型1号)基因的成功克隆，为塑造水稻理想株型的分子育种提供了有重要应用价值的新基因。在水稻的生产方面，早在3年前，李家洋团队的长期合作者、中国农业科学院中国水稻研究所研究员钱前，就开始通过杂交方式将IPA1基因导入主要水稻品种，进行培育新品种的工作，目前已经得到一些很有前途的中间材料。

 

        基因育种引发的绿色革命

 

        回溯水稻育种史，每一次重大突破无不与某个关键基因的发现与大规模应用有关：半矮秆水稻基因的发现，导致了水稻生产上的第一次绿色革命；袁隆平在海南岛发现的一株野败不育水稻，经多年努力，在全国大协作下将三系杂交稻配套成功，再次大幅提升水稻产量。

 

        这次发现的IPA1基因突变后能使水稻植株具有粗秆、抗倒伏、分蘖少等优越性状，更适合未来农业的发展趋势，如能很好地利用，将会大幅度提高水稻产量。“我们通过一定面积的田间比对试验，得出增产10%左右的结果。但这个结果还不精细，如果在种植条件进一步优化的情况下，增产幅度还会提高。”李家洋说。

 

        过去，在基础研究领域，科学家们更多地关注所研究水稻材料的新颖性，对综合性状的聚合、对其应用的关注较少，对水稻理想株型和产量形成的分子调控机制的认识非常有限。然而，株型改良在水稻产量的提高中发挥着重要作用，无论是杂交水稻育种，还是超级稻研究，其核心就在于借助水稻株型的改良来实现水稻单产的跃升。

 

        此前，李家洋课题组通过与钱前的合作，曾发现并克隆了控制水稻分蘖的重要基因。但这个基因却很难用于提高水稻产量，因为它在减少分蘖的同时，也导致了稻穗变小。于是，课题组开始考虑如何获得对产量有综合正效应性状的材料，如穗子大一些、千粒重多一些，更强壮一些(不易倒伏)，但具备上述性状的水稻材料很难在生产中找到，而且这种性状通常是由多个基因控制的。

 

        2003年，他们在田间实验里偶然发现了一个具有理想株型特征的水稻材料，并分离出控制理想株型的主效数量性状基因。该基因的突变能够在生产上得到科学家所梦想的诸多优良性状，因而被命名为“理想株型1号”(即IPA1)。

 

        如果能够把IPA1基因用于我国目前已有的高产水稻品种上，有望使高产水稻更高产。李家洋指出，过去育种学家也可能发现过具有这种理想性状的材料，但由于不清楚其形成的机理，很难应用于高产新品种的培育。现在对该基因的作用机理了解清楚后，就能够对其加以应用，使其在实际生产中发挥作用。

 

        据介绍，近年来我国水稻单位产量提升缓慢，重要原因就在于水稻产量受多基因控制、性状复杂，而传统育种技术难以对水稻产量相关基因进行有效选择和聚合，只有通过分子育种技术加以解决。在目前技术条件下，理想株型水稻有可能达到亩产1000公斤。中国现在的水稻平均亩产为400多公斤，如果产量增加50%将达到亩产近700公斤，中国的粮食问题就能得到有效解决。而要达到这一目标，在发挥常规育种技术的基础上，必须通过现代基因育种技术，把抗病虫、高产、优质、广适、高效等优良性状聚合起来，培育出新的优异品种。而IPA1基因的发现，为这一目标的实现提供了坚实的基础。

 

        虽然IPA1基因具有巨大的应用价值，但广泛应用到生产上还有很长的路要走。如果把该基因导入一个主要的水稻品种中，其增产潜力有多大？不同的水稻品种具有不同的遗传背景，这些背景对该基因优异性状的表现会产生怎样的影响？这些十分实际但又非常关键的问题目前还没有答案。

 

        通常，一个水稻新品种的培育需要5～10年时间，然而在激烈的竞争形势下，各国科学家都在努力缩短育种周期，特别是在发现了一个控制水稻高产基因的时候。因此，对李家洋团队来说，加快众多优良基因的聚合、培育新品种的任务尤为紧迫。  

 

        避免在基础研究与应用之间“徘徊”

 

        1994年李家洋从美国留学回国，就职于中科院遗传发育所。李家洋与钱前的合作也随后开始。当时，钱前做水稻研究，李家洋做模式植物拟南芥研究。后来，李家洋根据国家需求把研究重心转向了水稻育种关键基因的功能研究与利用。

 

        李家洋课题组成员、研究员王永红告诉《科学时报》记者，李家洋与钱前很早就开始谋划双方团队的研究方向，并始终保持了一种“高姿态的合作”。正是这种持久有效的合作机制，为后来的研究成果搭建了平台，李家洋团队做基因克隆、功能分析等上游工作，钱前团队主要做遗传材料与育种相关的工作。

 

        然而，如何准确定位自身的研究方向，对于科研人员而言并非一件易事。王永红说，做基础研究的要有文章发表，做应用研究的需要出品种，很多人在两者之间“徘徊”，研究方向时常发生改变，这与科学家对科学的认识及实际环境条件有很大关系。

 

        李家洋认为，解决科学家“徘徊”的最好办法，就是让科学家到涉及重大应用的生产领域去寻找基本的科学问题：不抗虫，就专门解决抗虫问题；不抗病，就专门攻克抗病问题。这样的问题每解决掉一个，都是应用领域的重大突破，也必然是科学上的重大进展。“我希望这个基因能够尽快被应用到生产上，这样也能给做基础研究的同行一个示范，就是在从事深入基础研究的同时，也能为国家的经济社会发展作出直接的贡献。”李家洋说，这是他回国十几年来一直在追求的理想。

 

        发挥上游引领作用加强转移转化

 

        回顾我国农业生产及粮食安全保障的历史，中科院曾作出突出贡献。上世纪80年代，由中科院主导的农业科技黄淮海战役取得了辉煌成绩，受到中央的充分肯定和全国人民的赞扬。20多年后的今天，中科院对中国农业发展的主要贡献在哪里？这个问题既像拷问，也像鞭策，一直萦绕在李家洋的心头，这是作为主管中国科学院生命科学与农业的副院长所必须思考与回答的。

 

        李家洋表示，过去“黄淮海战役”(指黄淮海中低产田改造——编者)以土、水、盐碱的治理改造为主，未来这些方面依然是重要内容；但从世界农业增产及发展趋势来看，最主要的还是优异品种的培育。因此，大力发展上游种业刻不容缓。

 

        生物技术是未来全球经济发展的动力之一，也是中国战略性新兴产业之一，分子设计育种则是未来农业动植物新品种培育的必然方向。因此，种业的发展事关未来中国农业的发展和粮食安全。中科院要为国家农业继续作出贡献，必须在种业发展上有所突破，这是中科院及整个国家必争的核心领域。

 

        李家洋认为，种子产业非常复杂，涉及研究、生产、推广体系，其价值链贯穿于农业产业的上中下游。中国育种过去注重下游，但对上游重视不够。虽然现在的情况已经发生了很大变化，中科院仍需要进一步加强上游育种的研究与布局，同时加强对中下游产业化的引领示范作用。

 

        今后，中科院将重点发展种质创新和新品种培育等关键核心技术，如中国科学院院士李振声选育的“小偃6号”，后来诞生出数百个小麦新品种；同时，利用分子生物学的手段加快基因克隆、作用机理的研究，推进成果向下游转移转化；加强与企业、农科院的合作，组建产业联盟，或成立院属种业公司或中心，这些措施将成为中科院加快成果转化的必要途径。

 

        据介绍，“十二五”期间，中科院将加大对重要农作物性状的关键基因的克隆以及机理研究，并快速把这些成果转移转化为新品种。同时，中科院还将进一步加强生物农药、新型化肥、生物杀虫剂、土壤、抗旱、节水等方面的研究工作；培育具有抗病虫能力强、生长期短、光合作用强等性状的新品种；加强动物遗传育种的研究；推进农业同工业生物技术的不断结合，从而为新时期我国农业生产的进步发挥关键性示范引领作用。