把“農(nóng)業(yè)芯片”緊緊攥在我們手中
令水稻在氮肥減少三成的情況下依然穩(wěn)產(chǎn)；給小麥裝上抗白粉病和赤霉病的“免疫盾牌”；讓鯽魚更抗病、長得更快，還可能徹底消除惱人的小刺……
這些突破，出自中國科學院A類先導專項“種子精準設計與創(chuàng)造”(以下簡稱“種子專項”)。
“我們實現(xiàn)了全鏈條的突破，可以概括為‘三新’——新理論、新技術、新產(chǎn)品?！敝袊茖W院院士、種子專項首席科學家李家洋介紹，種子專項始于2019年11月，由中國科學院聯(lián)合院內(nèi)外30家優(yōu)勢單位協(xié)同攻關，聚焦水稻、小麥等主要農(nóng)作物和魚等動物，目標是解決我國糧食安全與農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵問題——讓新品種增產(chǎn)10%至20%，減少化肥、農(nóng)藥等投入15%至20%，減少損失15%至20%(以下簡稱“一增二減”)。
種子是“農(nóng)業(yè)芯片”。精準設計育種這盤大棋，在科技工作者手中，正下得風生水起。
減“肥”水稻 “免疫”小麥
種子，變“聰明”了
面對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥過量、病蟲害頻發(fā)等現(xiàn)實挑戰(zhàn)，種子專項科學家的首要任務是找到問題根源，即從生命的最底層——基因中尋找答案。
“我們的目標是讓水稻‘少吃多產(chǎn)’。”中國科學院院士、中國科學院植物研究所研究員種康向記者解釋。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員儲成才團隊克隆了一個名為OsTCP19的關鍵基因——用這把“基因鑰匙”，能顯著提高水稻對氮肥的利用效率。
實踐中，這意味著什么？
“‘減肥’不減產(chǎn)！”種康給出數(shù)據(jù)，“使用了該基因的水稻，在氮肥施用量減少20%至30%的情況下，產(chǎn)量能夠保持穩(wěn)定。”
“這項理論突破，為破解我國農(nóng)業(yè)長期面臨的化肥過量使用難題提供了一條切實可行的生物學路徑?！敝袊茖W院院士、福建省農(nóng)業(yè)科學院研究員謝華安評價道。
小麥的白粉病和赤霉病，被稱為“沉默的殺手”，常導致嚴重減產(chǎn)。尋找有效的抗病基因，一直是育種界的難題。如何破題？科技工作者把目光投向我國豐富的地方品種資源。
“我們從地方品種中挖掘出一個廣譜抗白粉病且兼具麥瘟病抗性的珍貴基因Pm24?！敝袊茖W院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員劉志勇告訴記者，團隊利用Pm24基因創(chuàng)制高產(chǎn)抗病新種質(zhì)，分發(fā)給相關育種單位，為小麥主產(chǎn)區(qū)構(gòu)建前瞻病害屏障。
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員韓方普團隊則利用新型的赤霉病抗病模塊，成功培育出抗赤霉病的高產(chǎn)小麥新品種“中科166”。該品種的推廣效果非常直觀：因為抗病性強，田間農(nóng)藥用量得以大幅下降。截至目前，“中科166”的累計推廣面積已接近150萬畝，為主糧安全織密了一道防護網(wǎng)。
基因編輯 “從頭馴化”
育種，有了“導航”
找到了優(yōu)良基因，如何精準、高效地將它們組合在一起，創(chuàng)制出理想的新品種？這需要全新的育種技術。
在現(xiàn)實育種過程中，抗病和高產(chǎn)這兩個優(yōu)良性狀往往難以兼得，“抗病不高產(chǎn)”曾被稱作育種魔咒。為此，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員高彩霞團隊自主研發(fā)了多重基因組編輯技術。利用這套精密的“分子剪刀”，該團隊快速創(chuàng)制出既高抗白粉病又高產(chǎn)的小麥新種質(zhì)。
“這項技術的意義在于，它讓我們能夠直接對基因進行精準修改，而不再僅僅依賴傳統(tǒng)的雜交和運氣。”高彩霞表示。
2024年，基于該技術培育的產(chǎn)品獲得我國首個口糧作物基因編輯生產(chǎn)應用安全證書，標志著這一技術從研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化應用邁出了關鍵一步。
如果說基因編輯是對現(xiàn)有品種的改良，那么李家洋團隊做的則是一件更富開創(chuàng)性的事——“從頭馴化”。
該團隊選擇了一種異源四倍體野生稻，它蘊含大量抗逆、抗病的優(yōu)異基因，但由于種粒小、易脫落、花期短，無法適應農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
“野生稻是巨大的抗逆抗病基因?qū)殠?，直接利用難如登天?！崩罴已蠼榻B，他們從零開始設計馴化路線，攻克了遺傳轉(zhuǎn)化、基因組注釋等一系列技術難關，在短短數(shù)年內(nèi)走完大自然數(shù)千年的馴化之路，最終成功創(chuàng)制出新型四倍體水稻新材料。
國際同行贊譽這項技術“啟動了人類農(nóng)業(yè)新文明”，為全球糧食安全提供了前瞻戰(zhàn)略性技術儲備。
“未來，這場搶占種業(yè)科技制高點的勝利標志，不僅在于我們是否擁有備份的種源，更在于我們是否構(gòu)建起自主的、引領性的種業(yè)科學體系與創(chuàng)新生態(tài)?！敝袊茖W院可持續(xù)發(fā)展科技研究局局長薛強道出種子專項成果的戰(zhàn)略意義。
糧倉豐盈 餐桌多元
新品種，走向餐桌
一項項技術突破，最終要落到田間地頭。
在湖南的稻田里，種植大戶對“中科發(fā)早粳”系列水稻贊不絕口：“不僅產(chǎn)量高，米質(zhì)還好，賣得上價?！?/p>
在湖北的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，負責人看著池塘里快速成長的“中科6號”鯽魚苗算起了賬：“長得快、病害少、省飼料，收益還增加了?！?/p>
可喜的是，種子專項實施6年來，已創(chuàng)制出37個符合“一增二減”目標的先導型品種。
李家洋團隊培育的“中科發(fā)”系列水稻，正是精準設計育種實踐的典型代表。
在東北稻區(qū)，“中科發(fā)5號”的表現(xiàn)令人矚目：相比當?shù)刂髟缘膬?yōu)質(zhì)品種，它可實現(xiàn)增產(chǎn)超過20%；在條件較差的鹽堿地上，畝產(chǎn)突破600公斤；此外，它不僅產(chǎn)量高，米質(zhì)也好，曾獲得全國優(yōu)質(zhì)稻食味品質(zhì)鑒評金獎。
市場給出了真實反饋：2024年，“中科發(fā)5號”已躋身全國常規(guī)水稻推廣面積的前五位。
在南方雙季稻區(qū)，“中科發(fā)早粳1號”則解決了另一個痛點——實現(xiàn)我國雙季早粳稻品種零的突破，將優(yōu)質(zhì)新米的上市時間提前2到3個月，讓消費者能更早吃上當年的新粳米。
當然，種子專項的成果并不局限于主糧。
針對我國大豆進口依存度高的產(chǎn)業(yè)痛點，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員田志喜團隊繪制了全球領先的大豆圖形結(jié)構(gòu)泛基因組圖譜，并開發(fā)多維組學數(shù)據(jù)庫SoyOmics。借助這些工具輔助精準設計，種子專項團隊成功培育出“科豆”“東生”等10個高產(chǎn)高營養(yǎng)大豆新品種。
在水產(chǎn)領域，精準設計育種也展現(xiàn)出巨大潛力。中國科學院院士、中國科學院水生生物研究所研究員桂建芳團隊首次在魚類中提出“雙三倍體”概念，并建立設計育種技術體系。該團隊培育的異育銀鯽“中科6號”候選新品種，與廣泛養(yǎng)殖的“中科3號”相比，生長速度平均提升25.0%，養(yǎng)殖存活率平均提升66.5%，飼料效率平均提升20.1%。
“經(jīng)過多年攻關，我們實現(xiàn)了從‘跟跑’‘并跑’到部分‘領跑’的跨越。但這只是一個開始，未來的種子將更高產(chǎn)、更營養(yǎng)、更節(jié)水、更抗災?！崩罴已笳f。
如此創(chuàng)新，將帶領中國種業(yè)走向怎樣的未來？答案，就在下一粒更加智慧的“農(nóng)業(yè)芯片”中。
作者：本報記者 崔興毅
《光明日報》( 2025年12月23日 08版)