編者按:習(xí)近平總書記指出,“科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作。”為助力高水平科技自立自強(qiáng),中國科協(xié)科普部聯(lián)合光明網(wǎng)推出“院士高端科普”欄目,邀請各領(lǐng)域院士就我國當(dāng)下熱點(diǎn)科技問題給予權(quán)威解答,服務(wù)引導(dǎo)更多科技工作者提升科研科普能力,促進(jìn)全民科學(xué)素質(zhì)提升,為科技強(qiáng)國建設(shè)貢獻(xiàn)科普力量。
植物是人類食物的主要提供者。盡管全球約有3萬種可食用的植物,但人類僅用了30種養(yǎng)育了這個(gè)世界。其中,五類谷物水稻、小麥、玉米、高粱和粟類(如谷子、黍),為全球人口提供了總能量的60%;10種作物為人和家養(yǎng)動物提供了所消耗食物的95%。
中國科學(xué)院院士種康
怎么高效地利用自然界給我們提供的這些物種?從原始社會到農(nóng)耕社會,再到現(xiàn)代社會,不同時(shí)代對自然界的植物資源利用是不同的。原始社會,自然界有什么物種資源,我們就直接采集食用什么資源。到了農(nóng)耕社會,人類開始馴化物種。
比如,栽培水稻就是由野生稻馴化而來的。野生稻具有較強(qiáng)的落粒性,而且芒長、殼硬、蛻殼困難等性狀,不利于人類利用。經(jīng)過上萬年的馴化和篩選,才有了栽培水稻谷粒大、芒變短甚至無芒,產(chǎn)量高等特性。
從野生植物變成栽培作物,這個(gè)過程就是馴化育種。變成栽培作物以后會形成一些品種,稱之為“農(nóng)家品種”。在缺乏生物遺傳學(xué)知識的時(shí)代,野生植物的馴化以及繁種,完全靠經(jīng)驗(yàn),屬于育種1.0時(shí)代。
從十九世紀(jì)開始,生命科學(xué)的發(fā)展推動著育種技術(shù)不斷升級。二十世紀(jì)初,遺傳學(xué)理論得到發(fā)展,科學(xué)家開始深入探究遺傳和變異的奧秘。最典型的育種技術(shù)就是雜交技術(shù),比如,上世紀(jì)三十年代的雜交玉米。直到現(xiàn)在一些作物還主要通過遺傳雜交培育品種,這種遺傳育種技術(shù)的應(yīng)用被稱為育種2.0。它的缺點(diǎn)是效率低,新品種培育一般需要10年以上,而且很難選出突破性品種。
種康院士在實(shí)驗(yàn)室
分子生物學(xué)發(fā)展以后,科學(xué)家開始知道,育種的背后實(shí)際上是基因控制的。基因決定生物體長成什么樣子、具有什么樣的特性,而且還能把這些樣子和特性傳遞給它的后代。于是,一些分子生物學(xué)技術(shù),比如轉(zhuǎn)基因技術(shù),被應(yīng)用于育種領(lǐng)域,即用某一個(gè)基因或者某些基因片段作為輔助的育種,我們稱之為分子育種3.0時(shí)代。
基于分子生物學(xué)的分子育種,大大提高了育種水平和效率。分子生物學(xué)技術(shù)可以快速獲知“哪些基因是正控制作物性狀,哪些基因是負(fù)控制,以及它們之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系”??茖W(xué)家通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯等手段,從而能夠在短短幾年內(nèi)將野生品種快速“馴化”成能滿足現(xiàn)代人類需求的全新品種。
盡管現(xiàn)在我們的很多作物仍處于育種2.0和3.0階段,但是進(jìn)入二十一世紀(jì)后,基因組編輯技術(shù)已經(jīng)將作物育種推向了4.0階段——設(shè)計(jì)育種,即基于基因模塊及其非線性耦合理論,以及合成生物學(xué)思路,借助計(jì)算生物學(xué)和人工智能設(shè)計(jì)出理想的品種,大大縮短了育種周期,提高了育種效率。比如,現(xiàn)在我們希望水稻作物長成什么樣子,就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)了。因?yàn)槲覀冃枰男誀钪忻恳粋€(gè)都由某一個(gè)基因的狀態(tài)決定,把這幾個(gè)基因有機(jī)地整合起來,從而在一個(gè)植株里面同時(shí)實(shí)現(xiàn)我們所需要的各個(gè)性狀,這個(gè)作物就是我們想要的品種。目前,我國水稻育種在國際上處于領(lǐng)先水平,已經(jīng)能夠做到運(yùn)用基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)去設(shè)計(jì)品種。
種康院士在飼草育種加速器實(shí)驗(yàn)室調(diào)研苜蓿生長情況
當(dāng)前,國家提倡“大食物觀”,不僅僅是主糧,還包括我們吃的蔬菜水果,喝的茶等等,這些作物改良和我們植物科學(xué)工作者都密不可分。植物科學(xué)家們利用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)推動育種技術(shù)的飛速發(fā)展,不僅豐富了作物的品類,也創(chuàng)造性地改善了作物的營養(yǎng)成分,為保障糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定供給提供了有力支撐。
隨著計(jì)算生物學(xué)和合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,設(shè)計(jì)育種將成為未來競爭的新趨勢,并會向智能化、精準(zhǔn)化進(jìn)一步發(fā)展。為此,科學(xué)家要積極探索新現(xiàn)象、揭示新機(jī)制、構(gòu)建新載體、研發(fā)新技術(shù)、創(chuàng)立新研究體系,全面推動植物科學(xué)發(fā)展,為糧食安全與大食物觀貢獻(xiàn)力量。
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