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中国实验室2 李家洋:未来大米可个性化定制,不再只是主食

中国粮油2017-11-08 来源:澎湃新闻

  60%的中国人以大米为主食。天天吃的白米饭如果可以个性定制,你想要什么样的?

  未来,彩色米、富含特定营养元素的“功能稻米”将走出实验室,摆上百姓餐桌,满足人们对稻米颜色、形状、品质、营养等方面的个性化需求,提高生活与健康水平。

  中国水稻育种技术近十年来突飞猛进,育种家实现从传统“经验育种”向高效设计的“精确育种”转变。在《中国实验室》第二季拍摄期间,中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者创想了分子设计育种技术在未来的广泛应用——如何因地制宜,通过基因设计培育出适合不同人群需求的产品,为大米在“主食”之外增加“营养品”的身份。

  李家洋认为,水稻的个性化育种是未来趋势,其迅猛发展得益于中国地域辽阔、地理条件丰富多样,为研究和生产创造了优越条件。同时,科技发展大大加速了新品种的创制过程。过去三十年,中国水稻基础研究经历了从向国际先进水平学习、与其并驾齐驱到现今领先国际的三个发展阶段,这是中国科学发展的缩影,未来其它作物育种甚至整个生物育种都会再现这一过程,逐步走向世界前沿。

  从经验育种到精确育种

  澎湃新闻:您从事的分子设计育种研究是通过什么方式提升水稻品质?

  李家洋:水稻和其它农作物一样,其重要农艺性状都是由一些重要的基因来控制的,基因是控制着产量、品质、抗逆性和特殊营养价值等各个方面的主要因素,你需要了解这些控制基因的作用机理,事前进行设计。就像我们做手机,你把重要的零件组合起来得到一个产品,就能满足不同人的需要。我们的农产品也是这样,基因就像一个个零件,你知道这些基因的作用及其机理,把不同的基因组合起来,协调在一起就能得到你想要的品种,这就叫做设计育种。这个设计不仅仅是产量品质,更包括适应土地的状况、气候的变化、当地的生物状况,比如病虫害情况,进行一些优化组合,得到你想要的最理想的状态。

  澎湃新闻:中国水稻研究多年来一直引领世界,相较于之前应用的育种技术,比如超级稻,分子设计育种有何不同?

  李家洋:大家都为了一个共同的目标在努力做,但所采取的途径有所不同,基础有所不同。育种在过去是一门艺术,不知道哪个基因控制哪个性状,只能靠经验,通过最后的结果说明哪些基因组合是好的,这个过程非常漫长。从分子水平上了解水稻高产、优质、抗性,这个过程是最近十多年才突飞猛进地发展。新一代的分子育种家知道每个材料是什么基因在控制什么性状,有什么差别,它在什么材料品种里面有这些基因,然后我们有意识地明确地去选择它们进行杂交,在很早期的时候就进行鉴定选择,用高通量分析一次可以选择成百上千的目标基因,选出来之后再放到地里去种,再去观察鉴定评价,验证它们是不是高产、优质,是不是抗病,是不是你喜欢的香型等等。

  过去是被动地或者凭运气地进行,是一种艺术,而现在是事先知道蓝图,然后按照我们的意愿组合设计出来。这是科学进步的结果。

  基因操控却非转基因

  澎湃新闻:说到农作物的基因操控不免让人联想到颇有争议的转基因话题,分子设计育种与转基因的区别在哪里?

  李家洋:转基因关键是个转字。所有生物都是有基因的,这是第一。第二,转基因跟正常育种都是在操作基因,但为什么不一样?转基因是指把外源的基因放进来,比如说水稻,我可能是把小麦的、玉米的,也可能把细菌的,甚至动物的一些基因通过特殊的无性的方法放到水稻里去,让它起作用,这个过程叫转基因。而我们做水稻本身的基因研究,它不存在转,它本身就在水稻里面,我们只是对基因做一些修改或改变,这个修改或者改变它不涉及把外面的基因给搬进来。

  未来主食变身营养品

  澎湃新闻:根据不同需求培育水稻是分子设计育种的优势之一,听说您正在研究针对糖尿病人的水稻品种,这项技术未来有怎样的应用前景?

  李家洋:一般育种家都希望能有大面积、高产量的品种,做特殊的小品种很难,但如果我们知道这个控制特殊功能的基因,知道它的作用机理,就可以很方便地培养出一些特殊的品种,就能够实现个性化的订制育种。比如说糖尿病人,国际上有个标准,就是说一个人每天吃20克抗性淀粉对糖尿病人非常有利,血糖比较平缓。那就定向培育一个让大米里面含有10%或者更高的抗性淀粉的大米。你在一天吃的大米量里有20克抗性淀粉,这对病人比较好。

  比如说儿童生长发育缺锌,那我就把一些含有高锌的水稻品种培育出来,这对缺锌的儿童期发育可能非常重要。再比如金色大米,它富含胡萝卜素,可转换为维生素A。维生素A的缺乏会导致失明和免疫水平的低下。原来的金色大米,大家争议比较大,因为是用转基因方式做的,这个大家很担心。它产生的物质是原来在胡萝卜或者西红柿里大量产生的,不在水稻的稻米里产生的。但是水稻里面本身有没有?有,它不在米粒里,主要在叶子里。那能不能通过一些分子设计的思路,改变一下基因的表达方式和强度,让它在米粒里大量产生,这样就能够解决一些儿童早期发育中失明的问题。缺铁也是一样,我们有很多人缺铁,也可以把一些高铁的大米培育出来,然后你就可以进行定制。培育的品种尽管消费量较少,但是只要能满足这些特殊人群的需求就够了。分子设计育种是未来的技术,现在大家正在努力推进,有些根据大众需求定制的大米已经可以做到了,比如口感比较好、优质、长粒的大米。这个大米有几个技术指标,包括直链淀粉含量是多少,糊化温度是多少,长宽比是多少等等,现在已经开始推广这些大米。在未来当我们把所有的性状与基因的关系都搞清楚的情况下,就可以根据所有人的要求,把比较小众需求的东西生产出来,而且都能生产的非常好。

  澎湃新闻:个性化定制的大米价格会很高吗?消费者什么时候可以在市场上见到?

  李家洋:一般要七八年左右,因为它要通过一步一步的新品种审定程序,批准后才能生产。一般来说新产品价格会高些。实际上现在市场上也有一些糖尿病人能用的大米,它的产量也还可以,但它的品质、效果可以再提高。另一方面需要综合其它的一些好的性状,需要进行综合改善。价格肯定要高一些,但等到整个技术体系都建立起来了,那时候价格就应该比较合理了。

  科技助力寻找最佳设计

  澎湃新闻:未来分子设计育种研究工作中,信息科学技术起到多大的作用?

  李家洋:刚才说的这些听起来好像很简单,实际上极其复杂,这里面的信息量是巨大的,如果没有超级计算机,没有大数据做不了。水稻,现在大家公认大约有4万多个编码蛋白质的基因,它还有大量不编码蛋白质的基因,每个基因的差异都会造成因生长环境不同而产生不同的农艺性状,产量品质也就不同。不是一个基因就一种差别,一个基因可能有成百上千种不同的改变方式,而且多个基因还可以有不同的组合方式,所以尽管全世界有那么多的科学家在做,总是有新的发现。

  现在不论是公共科学家或者是企业都在向设计育种的方向努力,按照各自的意愿去培育品种,而这个方向的进展会比我们预想要快,现在人类的技术发展大大加速了新品种创制的过程。

  水稻研究是中国科学发展缩影

  澎湃新闻:近年来中国在水稻基因组学领域取得杰出成果,过去五年《细胞》《自然》《科学》等国际顶级学术期刊发表的水稻基因文章中有40%来自于中国科学家,这对未来中国科学发展有什么意义?

  李家洋:我觉得水稻对于我们国家作物育种甚至对整个生物育种都是个范例。水稻的发展经历了三个阶段:上世纪90年代,那时我们育种水平很不错,成千上万的育种家凭借经验艺术性地选择育种,可是水稻基础研究还是跟着国际先进水平走。到了上世纪90年代后期,我们有一些领域走到国际前沿上了,更多的领域还在跟国际学习。但近十年来,我们在很多领域是国际领先的,是非常值得骄傲自豪的。我认为这是中国科学发展的一个缩影,未来很多工作,比如说小麦、玉米、油菜、大豆都会再现这样的过程,特别是对于一些大动物的育种可能更会再现这个过程。

  水稻有很多优势,它的基因组比较小,繁殖系数大,容易做各种研究的材料,再说中国的区域比较广泛,东西南北跨度很大,各种环境都有,你要做研究就需要各种环境,高温的低温的。在冬天比如说在北方很多地方不能繁殖,但中国有海南岛,有大量的地,你可以到海南岛,再种一季两季。但在很多国家,这些是很难做得到的。其它作物也一样。棉花、玉米、小麦、油菜、大豆,还有其它各种各样的蔬菜,我认为都会按照水稻研究的发展轨迹,逐步成为世界研究的领先者。

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