“仰望星空，回歸稻田”，在11月17日北京舉行的未來科學(xué)論壇青年對話上，主持人這樣形容中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員、中國科學(xué)院院士李家洋。
李家洋1956年7月出生于安徽省。1982年李家洋在安徽農(nóng)學(xué)院（現(xiàn)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)）取得學(xué)士學(xué)位，隨后進(jìn)入中國科學(xué)院遺傳所攻讀碩士。一次偶然讓他獲得了去美國留學(xué)的機(jī)會，在導(dǎo)師的支持下，他赴美留學(xué)并取得了博士學(xué)位，后進(jìn)入康奈爾大學(xué)湯普遜植物研究所進(jìn)行博士后研究工作。1994年李家洋回國進(jìn)入中科院，從事水稻研究至今。
李家洋通過圖位克隆的方法，分離鑒定了決定水稻理想株型的主效基因IPA1，為系統(tǒng)性地研究水稻特定性狀的分子機(jī)制做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。2018年他與水稻育種專家袁隆平和張啟發(fā)，共同獲得了未來科學(xué)大獎的生命科學(xué)獎。
分子育種是指分子水平上的遺傳育種，是傳統(tǒng)育種與基因工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。分子育種的主要領(lǐng)域包括，基因定位、分子標(biāo)記輔助育種、全基因組選擇、基因工程和遺傳轉(zhuǎn)化。
同屬于基因工程領(lǐng)域，目前李家洋聚焦的是水稻這一作物中不同品種的基因研究，過程中涉及對基因的修改或改變，不涉及引入外源基因。
水稻田里的“大俠夢”
“歷史機(jī)遇很重要。我小學(xué)的時候碰上了文化大革命，但后來我趕上了高考改革和改革開放?！崩罴已蟊硎?，“我們有機(jī)會上大學(xué)、出去留學(xué)，接觸到了世界的先進(jìn)技術(shù)水平和其他發(fā)展?fàn)顩r，知道了自己國家的差距。而這個差距歸根到底，還是技術(shù)發(fā)展的落后?！?/p>
1991年博士畢業(yè)后，李家洋拒絕了哈佛醫(yī)學(xué)院的錄取，選擇繼續(xù)鉆研分子植物學(xué)。李家洋回憶道，畢業(yè)之前他在中國留學(xué)生的一個聚會上，遇到了一個前輩跟他分享了“不太成功的”歸國經(jīng)驗(yàn)，并告誡他需要慎重考慮，因?yàn)閲鴥?nèi)還沒有做分子植物學(xué)這些先進(jìn)科學(xué)的條件。
“既然這樣我就告訴自己，不要有太高的期望，回國后要做一塊鋪路石。不管是在大道上的，還是掉在一個小溝里的?！?994年李家洋回國進(jìn)入中科院，踏上水稻研究之路，至今已24年。
盡管到目前為止，李家洋帶領(lǐng)的團(tuán)隊培育出的20多個水稻新品種廣受農(nóng)民認(rèn)可，但他本人卻很少在媒體和公眾場合公開露面。相比起在水稻田里檢查一株株作物，在上百人的會議現(xiàn)場作報告對他而言則陌生許多。在與年輕人交流的整個過程中，李家洋顯得有些緊張，甚至對拿話筒的方式都很生疏。他夾著胳膊，有時候甚至將話筒靠在了胸前，并時不時用左手撐住自己拿話筒的右手。李家洋的講話聲音很輕，每一次停頓似乎都能感到他在努力想下一段話要怎么開頭。只有在講到植物激素、理想性狀、調(diào)控基因時，他才放松了一些，表達(dá)也更為流利。直到坐在位子上與青年對談時，他還會時而左右晃晃膝蓋，似乎是在排解緊張。
李家洋向在場的年輕人分享了自己科研之外的業(yè)余生活——看武俠小說。他說自己最喜歡武俠人物有三個，均來自金庸筆下。一個是《射雕英雄傳》中的郭靖，郭靖總是被大家認(rèn)為天資不是最聰穎的，但有“俠之大者為國為民”的決心，又很努力，哪怕自己受到損失也在所不辭。其次是《神雕俠侶》中的楊過，楊過變成大俠是因?yàn)樗敢鉃槿伺艖n解難。兩個人物做事的態(tài)度都是他非常欣賞的。
“還有一個人物我也很喜歡，可能比較有爭議，就是令狐沖?！崩罴已笳f，令狐沖有一個很好的特質(zhì)，就是他認(rèn)為是應(yīng)該做的事他就會去做；當(dāng)他認(rèn)為這件事沒有錯也沒有危害社會，他就會繼續(xù)做下去。自己很欣賞這份執(zhí)著的“俠氣”。分享自己喜愛的武俠時，李家洋的神情不再緊張，聊起天來也更加放松。
在未來科學(xué)論壇前一天的學(xué)術(shù)報告會上，李家洋還詳細(xì)介紹了自己的獲獎研究。他指出，水稻的產(chǎn)量由有效的穗數(shù)、每個穗子上產(chǎn)的粒數(shù)和粒重等要素決定。因此，為提高水稻的產(chǎn)量潛力，水稻育種學(xué)家曾提出理想株型的新概念，特征包括分蘗適中、沒有無效分蘗、穗大、稈粗、根系發(fā)達(dá)等。李家洋通過圖位克隆的方法分離鑒定了決定理想株型的主效基因IPA1，IPA1 是半顯性基因。在理想株型材料ipa1中，IPA1發(fā)生突變后影響了其表觀遺傳調(diào)控位點(diǎn)，形成了ipa1品系的優(yōu)良農(nóng)藝性狀。
常規(guī)株型與理想株型比較
李家洋在學(xué)術(shù)報告最后表示，未來擁有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗倒伏等特性的水稻將引領(lǐng)“第二次綠色革命”。
第一次綠色革命始于上世紀(jì)60年代，“第二次綠色革命”的基本出發(fā)點(diǎn)主要是逆轉(zhuǎn)第一次綠色革命所帶來的負(fù)效應(yīng)。1998年，中國科學(xué)院院士李振聲提出農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域的主要目標(biāo)之一，是為“第二次綠色革命”準(zhǔn)備基因資源。2001年，農(nóng)業(yè)部“948”重大專項(xiàng)“參與全球水稻分子育種計劃研究”啟動。項(xiàng)目實(shí)施過程中，培育抗病、抗蟲、抗逆、營養(yǎng)高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等性狀于一體的“綠色超級稻”的想法初具雛形，通過具有新的優(yōu)良性狀的品種培育和技術(shù)推廣，減少化肥、農(nóng)藥、水及勞動力的投入，做到資源節(jié)約，環(huán)境友好，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的根本轉(zhuǎn)變。
在第一次綠色革命時，多種高產(chǎn)小麥和水稻品種的栽培，使得傳統(tǒng)植物育種理論和各種農(nóng)業(yè)措施在作物改良中的應(yīng)用達(dá)到了頂點(diǎn)，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。1950年至1984年墨西哥的小麥產(chǎn)量增加了400％，同期印度尼西亞的稻米產(chǎn)量翻了一番。而中國從1982年到1991 年10年間農(nóng)業(yè)產(chǎn)量每年增長8％，成為世界上最大糧食生產(chǎn)國。人們用“綠色革命”這個詞，來描述稻米和小麥產(chǎn)量2～3倍的增長對社會、經(jīng)濟(jì)以及營養(yǎng)等多方面產(chǎn)生的巨大影響。但這場“綠色革命”在為人稱道的同時也被人批評。新品種在亞洲的應(yīng)用迅速擴(kuò)大，但新品種比傳統(tǒng)作物需要更多的化肥和灌溉，對水和肥變化的反應(yīng)也更敏感。由于這些特點(diǎn)，不良的氣候、大量能源的消耗和全球性的經(jīng)濟(jì)不景氣，顯著減緩了綠色革命前進(jìn)和步伐。
分子植物的未來：定制化育種，大數(shù)據(jù)監(jiān)控
“在我們那個年代，最重要的問題就是吃飽?，F(xiàn)在吃飽已經(jīng)不是主要問題了，但是很多人依然面臨著‘隱性饑餓’的問題?！崩罴已笤趯W(xué)術(shù)報告會上展望水稻育種之后的發(fā)展方向，向大家介紹了“Harvest plus（收獲 ）”的概念。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員、中國科學(xué)院院士曹曉風(fēng)也表示，在座的年輕人沒有體會過挨餓的感受，但是現(xiàn)在譬如營養(yǎng)過剩、營養(yǎng)不均衡等新問題也逐漸顯現(xiàn)了出來。
隱性饑餓是指由于營養(yǎng)不平衡或者缺乏某種維生素及人體必需的礦物質(zhì)，同時在其他營養(yǎng)成分上過度攝入，從而產(chǎn)生隱蔽性營養(yǎng)需求的饑餓癥狀。2015年，中國約有3億人口面臨隱性饑餓問題。
在李家洋看來，這一問題為分子育種未來的發(fā)展指了一個方向——以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)為基礎(chǔ)的定制化設(shè)計育種。他認(rèn)為，分子設(shè)計育種是未來的技術(shù)。實(shí)際上有些根據(jù)大眾需求定制的大米已經(jīng)做到了，比如口感比較好、優(yōu)質(zhì)、長粒的大米。目前他的團(tuán)隊正考慮設(shè)計研究抗性淀粉含量合適的水稻品種，可以讓糖尿病人安心吃米飯。根據(jù)國際上的一些標(biāo)準(zhǔn)，糖尿病人每天吃20克抗性淀粉對身體非常有利，血糖比較平緩。那么就可以通過設(shè)計育種讓人們吃這種糧食時既能有飽腹感，對血糖的影響也比較平緩穩(wěn)定。
“我們就可以定向培育一個含有約10%的抗性淀粉的大米。你在一天吃的大米量里有20克抗性淀粉?！崩罴已蟊硎尽?/p>
除了在營養(yǎng)上需要“定制化”，水稻還面臨著客觀生長環(huán)境的問題。上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所所長、中國科學(xué)院院士韓斌介紹，全球氣候變暖使得極端天氣增多，植物“來不及”通過古老的方式慢慢適應(yīng)。
“過去我們的植物都是經(jīng)過千年萬年逐漸適應(yīng)環(huán)境的，”韓斌表示，“但從這幾十年的變化來看，一會兒來個炎熱、干旱，一會兒來個蟲害，將來的水稻必須要有新的（品種）。”
韓斌表示，過去靠育種學(xué)家傳統(tǒng)的方法在實(shí)踐上需要的時間很長，現(xiàn)在有基礎(chǔ)輔助生產(chǎn)的辦法，可以有目的地把不同的優(yōu)良性狀聚在一起，比如就抗熱抗旱等問題，是否有可能通過克隆耐熱基因的辦法獲得新品種。
智能化的育種設(shè)計還需要有智能化的技術(shù)支撐。談起現(xiàn)在包括人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)，育種專家們
“未來我們要加速進(jìn)行品種的智能化設(shè)計，就需要一個高通量的篩選手段?！表n斌表示，現(xiàn)在育種家們在田間考察時還是習(xí)慣帶一把尺子用自己的肉眼去看，畢竟現(xiàn)在的無人機(jī)如果都用在田間進(jìn)行近距離拍攝，從環(huán)境上和成本上暫時還不太現(xiàn)實(shí)。如果未來先進(jìn)的儀器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高程度的自動化感應(yīng)，同時將單位面積里不同單株的性狀快速全面地考察出來，將對育種家鑒定優(yōu)良基因起到很大的幫助。
曹曉風(fēng)則提出智能化技術(shù)也許可以實(shí)現(xiàn)“智能化種植”，她認(rèn)為每一塊土地所含的離子和養(yǎng)分都是不一樣的，就像一把鑰匙開一把鎖，理論上是可以找出一塊土地最適合種什么樣的作物。應(yīng)當(dāng)通過計算機(jī)將土地和環(huán)境的所有數(shù)據(jù)、信息和理論通過大數(shù)據(jù)整合起來。長遠(yuǎn)來說，她看到的理想狀態(tài)是，假如有一塊地缺水了，智能技術(shù)可以把這一信息反饋回（終端），農(nóng)民在家就能從電子設(shè)備上接收到反饋，并下達(dá)指令進(jìn)行自動化澆水。
“目前我們還要在基礎(chǔ)科學(xué)上進(jìn)行大量研究，并且和其他學(xué)科實(shí)現(xiàn)交叉，”曹曉風(fēng)表示，“最終我們希望能夠讓農(nóng)民在家里享受到高科技帶來的便利?！?/p>
