种康院士：分子设计育种打造“六边形”农作物

      中国之声、央视频携手中国科协青少年科技中心，推出全媒体科普栏目——大师课堂《科学家讲科学》。20位院士名家畅谈热点事件，为公众科普答疑。

      本期中国科学院院士、中国植物学会理事长种康带我们走近神奇农作物。

      科学技术让驯化周期大大缩短

      人类按照自己的生存需求对野生植物进行控制并开发利用，这个过程就是对植物的驯化。比如，栽培番茄由野生醋栗番茄驯化而来，在驯化和培育过程中，其果实增大了百倍。FW2.2是让其果实变大的主要基因之一。

      原本的驯化基本是以千年的时间跨度来计，而遗传学等科学技术的发展，大大缩短了植物的驯化周期。种康院士介绍：“我们知道了控制性状的一些关键因子，而且能够操作这些因子，所以，能够很快达成驯化的目标。原来驯化需要几千年的时间，现在几年就可以做到。”

      当然，在对不同植物的驯化过程中，人类所遇到的问题不尽相同。但是，种康院士表示，如今，人类基本能够驯化所有植物。

      对于这个过程，科普作者“植物人”史军认为，它并不是单向的，人类同时也被植物所塑造。“比如，很多时候人类用火实际上是为了解除植物的防御性武装。而且，把种子烹饪后食用更易消化。植物也偷偷操控着人类的行为。”史军进一步解释。

      在人类想尽办法驯化野生植物的同时，有人却“怀念”野生的味道，比如，野菜在很多人看来是新鲜又够味儿的代表。

      对此，种康院士介绍，野生植物除了甜之外的风味大都是其次生代谢产物。而在追求高产的育种过程中，可能会使其次生代谢降低，造成一些风味的减少。而如今的育种已经不再只追求高产了。“过去几十年育种的目标主要是高产，但随着社会的发展，育种目标也开始转向，在追求高产的同时，也要追求好吃和健康。”

      对于偏爱野菜、野果的人，史军也提醒：“这些风味很多都是野生植物为对抗恶劣环境，特别是防止被食用而产生的。野生的不一定就好。”

      “ 地里直接长出“地三鲜”？

      最近两年，预制菜的概念大火。其实，在过去对农作物的科学幻想中，人们就憧憬过更前端形态的“预制菜”。比如，在一株植物上，地上部分结茄子，地下部分长土豆，距离一盘“地三鲜”只差青椒了。如今，这样的幻想正在一步步走进现实。

      种康院士介绍，近期研究表明一个关键酶（β-1,4-葡聚糖酶）活性能够促使亲缘关系较远的物种成功嫁接。“现在已经可以做到地上结茄子，地下结土豆了。在技术思路上，更进一步的结辣椒等其他作物也是可行的。”不过，他也指出，要能产业化，和市场相关联则还要走比较长的路。

      转基因技术是重要育种手段

      育种是通过创造遗传变异、改良遗传特性，来培育优良动植物新品种的技术。广义上讲，生物育种技术的发展经历三个主要时期：原始驯化选育(1.0版)、杂交育种(2.0版)、分子育种(3.0版)。智能分子设计育种（4.0版）则是育种的未来方向。

      种康院士介绍，转基因技术，包括基因编辑技术，是很重要的育种手段，而且，在分子设计育种中也是很重要的工具。

      1983年世界首例转基因植物问世。自1996年转基因作物产业化种植以来，全球累计种植转基因作物超过400亿亩。截至2021年2月，有40多个国家和地区进口转基因农产品。不过，仍有消费者对其安全性有担忧。

      对于人们对转基因农产品安全性的顾虑，种康院士介绍，全世界现在种转基因粮食作物的地区很多，目前为止，没有一例报道称其与某种疾病直接关联的严密实验证据或论文。“人工驯化和育种的过程实际上就是一个转基因的过程。宏观来讲，远缘杂交就是把一个物种的基因放在另一个物种里，成百上千个基因就过去了，然后看能够得到什么样的性状。”种康院士解释道。

      有人也将杂交称为“转基因的前世”。相比之下，在使用转基因技术时，人们能够精确地知道某个基因可以实现什么效果，也只对该基因进行操作。种康介绍，番木瓜环斑病毒可以在10年内就让全球番木瓜产量减少90%。目前，99%以上的番木瓜是转基因抗病毒番木瓜，转的是病毒的外壳蛋白基因。

      甚至，野生的植物中就有天然“转基因”的。2017年发表的一项研究数据显示，研究人员在291个栽培红薯（六倍体）的样品中，都发现了有4个基因与农杆菌（Agrobacterium）的基因同源，而这些基因在红薯的野生祖先那里却没有出现。也就是说，在红薯的起源演化过程中，大自然通过农杆菌给它进行了转基因。“正是这些包含细胞分裂素、生长素的基因才让红薯的块根膨大，变成红薯。”种康介绍。

      分子设计育种打造“六边形”农作物

      种康院士及其团队的研究重点之一是通过分子设计的方式改良水稻品种，使其遇到低温也一样能够存活，不影响产量。目前，已发现水稻耐低温关键基因COLD1在籼、粳稻之间存在明显差异，COLD1中单个核苷酸变化能明显改变水稻的耐寒性。并且，与钱前院士合作，基于分子模块设计技术路线，将COLD1分子模块组装培育出了杂交稻品种嘉禾优7号，于2020年通过国家稻品种审定。据介绍，这一品种不光有较好的耐寒性，还同时保留了高产、抗病等其他优异性状。种康表示：“育种要全能冠军，而不是一个单项冠军。单项冠军没用，要找到多个性状的一个最佳平衡状态，综合能力才强。”　

      分子设计育种是当前育种技术发展的一个重要方向，种康院士表示，分子设计育种必须和计算机科学、人工智能和数学紧密结合起来。

      不过，寻找唯一的最优品种并不是分子设计育种的目标。种康院士表示，保护、保存基因组多样性和本土品种同样十分重要。“从育种策略上讲，‘鸡蛋放一个篮子’是最危险的，一旦遇到不可预测的病害，可能危及整个品种。”