第19屆國際植物學大會活動之一——2017年國家自然科學基金委員會與國際水稻研究所聯(lián)合研討會日前在深圳舉辦。大會上，來自國內(nèi)外水稻研究領域的百余位高水平專家就進一步挖掘更多產(chǎn)量、株型、抗性、肥水利用、品質(zhì)營養(yǎng)等高效等位基因，創(chuàng)制適宜中國與東南亞地區(qū)的新種質(zhì)，應對氣候變化，開發(fā)可持續(xù)栽培模式等多主題展開交流研討——
水稻養(yǎng)育人類萬年，是當今世界過半人口的主食。水稻種植凝聚著人類的心血與智慧。國際水稻研究所等機構推動“第一次綠色革命”，中國育種學家探索雜交育種，都曾為水稻“高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效”作出巨大貢獻，成果惠及亞非17個國家的幾千萬稻農(nóng)。
基因技術為水稻加速“升級換代”奠定了基礎。1998年,多國科學家啟動了國際水稻基因組測序計劃，2004年繪制完成水稻基因組序列全圖，并相繼在技術平臺、重測序、功能基因的克隆和調(diào)控網(wǎng)絡解析方面取得系列重要成果。近年來，隨著高通量、高精度基因測序技術的發(fā)展，人們已經(jīng)可以一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA分子進行序列測定，并從中篩選出有價值的信息。水稻從傳統(tǒng)“經(jīng)驗育種”向現(xiàn)代“精確育種”躍升，設計“未來水稻”成為可能。
從常規(guī)育種到分子設計育種
以基因技術為核心的分子設計育種，讓水稻育種周期更短、更有針對性，代表了水稻育種的發(fā)展方向
何為“未來水稻”?這得從水稻育種說起。長期以來，水稻育種主要利用常規(guī)育種技術，選用兩個在遺傳上有一定差異、性狀又能互補的水稻品種進行雜交，在后續(xù)世代連續(xù)選擇符合育種目標的品系，或直接選擇具有明顯優(yōu)勢的第一代雜交種用于農(nóng)業(yè)種植。
雜交品種常常比他們的親株單產(chǎn)更高、更耐寒、抗倒伏性更強。這種“雜種優(yōu)勢”在農(nóng)業(yè)中很普遍，在水稻種植中尤為明顯。過去幾十年間，常規(guī)育種技術的進步顯著增加了水稻產(chǎn)量，彰顯“雜種優(yōu)勢”的應用價值。“雜交水稻之父”袁隆平院士近年來相繼推出“Y兩優(yōu)900”“超優(yōu)千號”等“超級雜交稻”品種，不斷刷新單產(chǎn)紀錄，畝產(chǎn)已經(jīng)突破1000公斤。
“雜種優(yōu)勢”由水稻的基因決定，一項分析顯示，與能量代謝和傳輸相關的基因在高產(chǎn)雜交稻品種LYP9中特別活躍，說明這些基因可能在“雜種優(yōu)勢”的研究中特別重要。
水稻的基因有著豐富的多樣性和復雜的作用機制——在不同水肥條件和氣候環(huán)境種植同樣品種的水稻，長出來的稻子從外觀到產(chǎn)量可能相去甚遠。多年來，科學家開展廣泛國際合作，目的就是闡明水稻基因組所有基因的功能及重要農(nóng)業(yè)性狀等位基因的功能多樣性,并將研究成果運用到水稻遺傳改良中。
用基因技術改變水稻育種方式，有更多的現(xiàn)實考量。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，受全球人口增長和可耕地總面積減少的影響，未來20年，水稻產(chǎn)量必須成倍增長才能滿足全球需求。以基因技術為核心的分子設計育種，讓水稻育種周期更短、更有針對性，代表了水稻育種的發(fā)展方向。
除豐產(chǎn)性之外，抗病性、優(yōu)質(zhì)性、廣適性等特性也是水稻育種學家們不懈追求的目標。在分子育種時代，科學家可通過研究、設計不同農(nóng)藝性狀的基因，來改善水稻植株，培育出“超級稻”的升級版——“未來水稻”。在“超級稻”的基礎上，“未來水稻”還將具備高營養(yǎng)、多功能等特點，稻米食用者將有更多細分化、個性化的選擇方案。
基因組數(shù)據(jù)平臺免費開放
3000份水稻核心種質(zhì)基因組原始測序數(shù)據(jù)的開放，為相關研究提供了龐大的數(shù)據(jù)庫，有助于突破相關技術瓶頸，全面提升我國乃至全球水稻基因組研究和分子育種水平
在2017年國家自然科學基金委員會與國際水稻研究所聯(lián)合研討會上，多名科學家就分子設計育種技術、水稻種質(zhì)基因組測序數(shù)據(jù)的利用等主題作了報告。中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員徐建龍在交流中稱，他們從3000份測序的水稻核心種質(zhì)中挖掘抗旱性和耐低氮能力強的親本，通過基因定位、基因聚合、標記追蹤等技術，初步篩選出抗旱性與耐低氮聚合于一體的品種，為水稻抗逆育種創(chuàng)制了中間材料。
這3000份已測序的水稻核心種質(zhì)基因組，來自由中國農(nóng)業(yè)科學院、國際水稻研究所和華大基因共同完成的“3000份水稻基因組”項目成果。這是迄今為止全世界最大的植物基因組測序項目，包括來源于中國的500份代表性材料，以及國際水稻研究所收集的來源于89個國家的2500份材料，代表了全球25萬份水稻種質(zhì)基因的多樣性。這些材料的基因組序列等信息，通過國際水稻信息學聯(lián)盟和“云之稻”平臺免費向國內(nèi)外研究者開放。
中國科學院院士、水稻分子育種專家李家洋認為，“3000份水稻核心種質(zhì)基因組原始測序數(shù)據(jù)的開放，為水稻基因組研究提供了龐大的數(shù)據(jù)庫，有助于突破水稻復雜性狀分子改良的技術瓶頸，全面提升我國乃至全球水稻基因組研究和分子育種水平”。
基因組測序數(shù)據(jù)庫相當于為研發(fā)服務的標準化公共基礎設施。未來，更多領域、更深入、更精細的基因重測序，將圍繞具體水稻科研項目持續(xù)展開。
人工智能為研發(fā)提速
定向設計水稻品種可又好又快地實現(xiàn)新品種培育，還能為米飯在“主食”之外增加“營養(yǎng)品”的身份……高新科技對整個農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的顛覆式改造將指日可待
不久前，一項歷時16年的科研深耕結出碩果。李家洋和中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所所長錢前帶領的團隊利用基因技術對水稻進行分子標記設計育種，培育出“既有南方秈稻產(chǎn)量，又有北方粳稻品質(zhì)”的秈粳稻雜交新品種。
分子設計育種已經(jīng)讓水稻實現(xiàn)高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)得兼。錢前認為，定向設計水稻品種可又好又快地實現(xiàn)新品種培育，能夠大規(guī)模增加水稻品種。“大米口感好不好主要取決于兩個基因。弄明白這一點,我們就可以對不同品種進行相應的置換和改造,得到想要的口味。”
“去年底，我們找到了某個基因,用它可以培育出高產(chǎn)高抗性淀粉的水稻,適合糖尿病人食用。”李家洋說，“在不久的將來，這個技術會有重大突破，我國1億多位糖尿病患者將因此受益”。
定向設計還將為米飯在“主食”之外增加“營養(yǎng)品”的身份。未來，彩色米、富含特定營養(yǎng)元素的“功能水稻”也將走出實驗室，擺上百姓餐桌，創(chuàng)造并引領人們對水稻的顏色、形狀、品質(zhì)、營養(yǎng)等方面的個性化需求，提高人們健康水平。
在長年累月的研究中，我國科學家已經(jīng)確認水稻大量農(nóng)藝性狀的功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡。有統(tǒng)計顯示，近5年來，《細胞》《自然》《科學》等國際頂級學術期刊發(fā)表的水稻基因文章，有40%來自于中國科學家，反映了我國在水稻基因組學領域的大幅進步。
在我國唯一專門從事農(nóng)業(yè)基因組學研究的國家級研究所——中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，多個研究團隊在植株分蘗數(shù)調(diào)控網(wǎng)絡、二代基因組測序的重要算法等項目取得多項國際領先成果。這個研究所配備了一個高性能計算中心作為硬件支撐——可同時組裝10個農(nóng)業(yè)大基因組，同時運行500個重測序計算，存儲5000套基因組數(shù)據(jù)，實現(xiàn)超大規(guī)模農(nóng)業(yè)生物信息學計算。
不過，從實驗室研究成果到商業(yè)化產(chǎn)品，需要經(jīng)過中間試驗、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗、安全證書申請等環(huán)節(jié)，這一過程至少需要10年以上。
在國際上，已有公司超前性地引入人工智能技術，為“未來水稻”產(chǎn)品研發(fā)加速。美國Atomwise公司開發(fā)的技術能夠通過強大的深度學習算法和超級計算機，在數(shù)百萬個潛在目標中分析、預測并找出可能會對病蟲害控制產(chǎn)生積極影響的分子。該技術還通過識別分子間相互作用模式進行深度自我學習，提高預測準確度。
高新科技對整個農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的顛覆式改造將指日可待。農(nóng)民將通過移動設備指揮傳感器、機器人、衛(wèi)星和航空成像等設備，通過大數(shù)據(jù)分析及人工智能開發(fā)出最新技術耕地種田;一線大都市將工業(yè)化、大規(guī)模地推進立體農(nóng)業(yè)，使城市空間成為未來食物的主要來源地之一;農(nóng)業(yè)與餐飲、休閑、科研、教育等領域跨界融合的新業(yè)態(tài)將愈發(fā)豐富，農(nóng)民將通過提升服務獲得超額回報，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和消費者之間的信息隔閡將逐步消除……
