当人类深入到以往不可达的微观世界，破解藏在基因里的秘密时，过去一万年的作物驯化育种史，就正式踏入了飞跃式发展的时代。从孟德尔建立经典遗传学至今，一百五十多年的时间，人类在作物育种中取得的进步，远超过去一万年的总和。
在今天，随着生物技术的发展，科学家们育种的水平越来越高，产量、抗逆、品质和口感快速进步，实现了农业历史上难以企及的目标。
中国农科院作科所研究员闫哲在三亚生物育种基地中
从盲盒到精准选择，育种技术变革史
“育种的未来依靠生物育种，生物育种的未来，基因编辑技术将担当主要角色。”2023年3月19日，海南三亚南滨农场，生物育种基地中，中国农科院作物科学研究所研究员谢传晓说。
中国农科院作科所研究员谢传晓
时值三月，正是三亚农作物收获的季节，地里的玉米秆已经焦枯一片，大豆的豆荚变得饱满而干燥，育种家带着工人们，正在分门别类地收获每一颗种子，把它们带回实验室，鉴定、分析之后，等待下一轮的种植。
这片生物育种基地建成刚刚一年，基地中种植着众多育种研究的材料，如耐除草剂的大豆、早熟的水稻、通过分子标记选择的玉米等，这些最新培育的育种材料，向人们展示着最新的生物育种技术和成果。
生物育种是一个俗称，融合了全基因组选择、基因编辑、合成生物、人工智能等种种现代技术，也涵盖了杂交选育等传统的、常规的育种技术，甚至包含了机器学习等未来技术。
“人类的历史有两三百万年，驯化作物的历史只有万年左右，而这万年漫长历史中，绝大多数时间，作物品种的进展缓慢。”谢传晓说。
一直到经典遗传学建立，人类开始有意识地基于遗传的规律去育种，育种技术也开始进入了快速变革的时代。谢传晓说，“在遗传育种出现后，大部分作物的产量、品质等，出现了成倍的增长，杂交优势利用技术出现以后，产量水平再次跨越了一大步，再到现代基因技术、分子辅助选择技术等出现，育种变得更加精准、快捷。”
不论是传统时代的作物驯化，还是遗传育种、杂交育种等，育种家们只是根据田间表型选择，像在盲盒中选择，在成千上万的个体中，寻找那些符合人类需求的有益变异，将它们挑选出来，一代代选育，再固定下来，成为更加优秀的作物。而当人们开始了解基因，一步步解开基因的秘密时，根据基因的生物学机制进行的选择，育种家们可以精准地知道哪一个基因造成了怎样的变化，从而精准选择出更为优异的品种。
“过去的常规育种，需要五到八年，从百万级材料里才能育成一个新的品种，而现代生物育种技术，则可以把时间缩短到两到三年，而且材料规模小，大大提高了育种效率。”中国农科院作科所研究员阎哲说。
寻找“美味基因”，培育“美味水稻”
人类无法直观地感受到微观世界的变化，但人类会创造和使用工具，借助现代技术和高科技设备，人类可以深入到分子、原子的世界，了解它们隐藏起来的一切。
攻读博士学位之后，谢传晓就逐渐进入生物育种的领域，从发现一个个感兴趣的性状开始，一步步探索、假设、求证、推翻、再假设、再求证，从定位到一个基因开始，一步步发现它的功能，探索它发挥作用的原理，利用原理培育新的材料和品种。微观世界向他打开大门，门里那个瑰丽奇幻的世界让人着迷，而用那个世界中的一切，创造一个属于自己的品种，看着它从试验田里走出，走进农民田里，为农民增产增收，“这是我们做农业科技的人，独有的成就感。”
这样的科学家还有很多。2022年，中国农科院作科所所长周文彬团队，在水稻中发现了一个特别的基因，这个基因可以同时提高作物的光合作用效率和氮素利用效率，并促进提前抽穗。用容易理解的表达方式来说，仅这一个基因，就可以让水稻产量提高30%以上，可以让小麦产量提高20%左右，且缩短整个生育周期。
在生物育种基地，水稻正处在抽穗开花的季节，每天中午，中国工程院院士万建民团队成员、中国农科院作科所研究员赵志超，都要带着学生和工人们，一起给水稻去雄、授粉。在这里，他们正在培育具有低血糖生成指数、低蛋白等特点的功能保健水稻品种，而在此之前，他们已经从事多年的“美味水稻”“功能水稻”的培育。
“随着生活水平的提高，人们对于味道的追求越来越高，过去那种只为饱腹、满足植物蛋白摄入需求的时代一去不返了，在食物极大丰富的时候，人们对粮食的需求也逐渐转向了风味，味道不好的粮食，就算别的性状好，也很难被人们接受。”赵志超说。
水稻中存在着“美味基因”，也就是调控风味的基因，找到它们，利用他们，正是科学家们培育“美味水稻”的关键。
进化与适应，惊心动魄的物种战争
人类对作物的驯化和选育，永远都有新的需求，而与病虫害的战争，是永恒的主题之一。
生物基地的一角，一片特别的水稻肆意生长，和普通农田中行列分明的水稻不同，这里的水稻密集而凌乱，这里是水稻高抗新材料的试验田。试验田的负责人、中国农科院作科所副研究员纪志远介绍，他们在野生稻中挖掘到了一个抗白叶枯病的基因，可以有效控制水稻的重要病害白叶枯病，如今正在培育抗病的育种材料。
水稻田里，工人正在给水稻去雄
“与病虫害的斗争中，生物技术有着广阔的空间。”纪志远说。
优秀的基因不仅仅来自于野生稻，也有可能出现在人们种植已久的栽培稻中。
在中国农科院作科所副研究员郑天清负责的稻田中，同样种植着一片抗白叶枯病的育种材料。郑天清是中国农业科学院水稻分子设计技术与应用创新团队的一员，他所在的团队长期从事生物育种工作，在过去很多年中，团队开展了基于高代回交育种技术体系和全球3000份测序水稻资源数据库的基因挖掘和种质创新工作。他告诉记者，“我们从栽培稻高代回交育种材料中，挖掘到了一个广谱抗白叶枯病的基因，有趣的是，它的双亲并不抗病，但它们的后代中却出现了抗病性，我们正是在这个抗病的后代中，找到了这个基因；类似的还有双亲迟熟但是后代显性早熟、双亲早熟但后代超亲感光等众多案例。”
怎样确认作物中那些优异基因？科学家们利用生物技术，对测序资源进行鉴定和挖掘，找到真正起作用的那个基因，这样的工作，在无数个实验室和田间进行。
郑天清介绍，他所在的团队，基于全球3000份测序水稻资源的基因组信息，辅以生物技术手段，还联合挖掘出了抗水稻二化螟的基因。在验证过程中，他们用基因编辑技术，敲除了该基因，结果发现，原本抗虫的栽培水稻地方品种材料，变得感虫了，这正好证明，该基因正是水稻自身在长期驯化过程中获得的对抗二化螟这一重大害虫的重要武器。
一次重大的转折，让精准育种成为可能
基因编辑技术梦想的萌芽，出现于二十世纪八十年代，在当时，人们猜测，可能通过人为手段对基因进行精准的操作干预，实现某些原本不能实现的目标，比如治疗某些原本无法治疗的疾病。
二十世纪九十年代，锌指核酸酶等第一代基因编辑技术正式出现，人们发现，真的可以人工定点干预某些基因，但技术系统难度大，应用性受到限制。
到二十世纪九十年代末期，效应物核酸酶技术出现，解决了基因编辑的关键性难题，使得基因编辑变得可控。2012年，从古细菌适应性免疫原理与机制研发CRISPR/Cas基因编辑技术，彻底改变了基因编辑的技术进程，基因编辑得以大范围进入植物、动物、微生物与人类医学与健康等各个研究领域。而发明该技术的科学家，在八年后的2020年获得了诺贝尔奖。
“自此之后，我们不仅可以认识基因，了解基因，还能够按人的意志来精准写入和修改基因，这是以前想都不敢想的事情。”谢传晓说。
在作物育种中，基因编辑技术的出现，使得育种技术得以实现迭代性进步，成为当前技术发展潮流中主流技术，“除了少数抗虫、小部分抗除草剂之外，基因编辑能够做到大部分事情，而且还能做过去那些技术根本无法做到的事情。”谢传晓说，“比如袁隆平先生曾经提出过第五代杂交技术的设想，即一系法，育成性状不会分离的第一代杂交种，把杂种优势固定下来。但传统的方法完全不可能实现。一系法要成功，就要在同一个植株中，同时创造四个变异，这四个变异其实在自然界中都有，但常规方法无法把它们同时聚合在一起，基因编辑技术为这一设想的实现，提供了技术基础。事实上，已经有国内国外的科学家，通过基因编辑同时把四个基因改变了，再通过引入无融合生殖基因，基本实现了一系法的技术梦想。”
和常规育种及过去的生物育种技术相比，基因编辑更加精准。谢传晓介绍，当人们发现了一个变异，想要利用它育成更好的品种时，通过杂交等常规方法也可以实现，但这是一个漫长的过程，要经过多代的选育才有可能成功，且仍存在连锁累赘引入不育性状基因的问题，而基因编辑则可以精准地进行修饰操作，极大地缩短了育种的进程，在更快的时间内得到同样的结果，且能克服连锁累赘难题。“一个是盲盒中摸索，一个是瞄准目标，精准施策，结果一样或更好，但效率完全不同。”谢传晓说。
种业翻身仗，生物技术是关键
往年三月，在三亚进行南繁加代的育种家们，已经开始逐渐回程。中国农科院作科所研究员邱丽娟团队的老师和学生们，也是如此。但今年，他们还要在这里继续工作很久。
生物育种基地中，收获的大豆被晾晒在院子里，工人们正在仔细挑出那些没有长好的豆荚，把成熟健康的豆子挑出来。收获后大豆地里，新的一代已经早早种上，团队成员、中国农科院作科所研究员阎哲还要在这里等待新一轮的收获。
中国农科院作科所研究员闫哲
我国是粮食进口大国，尤其是大豆，我国的大豆需求常年在1.2亿吨以上，进口量接近亿吨。近年来，我国一直在推动大豆等油料作物产能的提升。尤其是2021年以来，在全国推广玉米大豆带状复合种植模式，提高大豆的自给率。
然而，由于缺乏耐除草剂品种，无论是带状复合种植模式，还是轮作模式，都需要投入更大的人力物力进行田间管理。
晾晒的大豆种子
在生物基地，一种名为中黄6106的大豆材料正在进行规模化试种，它是利用生物育种技术育成的耐除草剂大豆材料。阎哲介绍，在规模化试种中，中黄6106的除草效果可以达到95%左右。可以帮助大豆生产实现现代化、机械化生产。
在距离大豆种植区不远的另外一块地里，同样耐除草剂的玉米也正在收获，这些玉米是谢传晓团队的成果。这里还进行着各种不同的实验，玉米地的负责人掰开一个玉米外面的叶子，露出红黄相间的玉米粒，这是分子标记的痕迹，红色的玉米粒，是标记成功的，它们将再一次进入实验室，进行分析、鉴定，而黄色的是未成功的。
小小的标牌中，显示着这株玉米从开始培育到现在四个世代的记录
和大豆类似，我国玉米的生产缺口同样巨大，近年来，每年进口的数量达到了两三千万吨，粮食安全警钟长鸣，而种业起着至关重要的作用。
“生物育种是打赢种业翻身仗的关键。”在一次公开采访中，中国工程院院士万建民说。
生物育种的未来，是否会重新进入盲盒
现代社会中，科技的更新迭代正在变得越来越快，育种技术也是如此，谢传晓团队几年前研发的技术，如今已经有了更进一步的提升。
而新的技术也已经出现，他们甚至可以在田间操作中，完成基因编辑的工作，“做生物育种，有大量实验室的工作，在过去，我们时常想，能不能在种地的过程中就把实验室的工作给做了？我们为此做了大量的攻关，现在这个目标实现了，在田间授粉就可以实现基因编辑的效果了。”谢传晓介绍。
更多的技术在不断进入育种技术中，如人工智能、机器学习等，这些未来技术将会给育种带来怎样的改变，值得期待。
“和大多数技术一样，育种技术也有螺旋式上升的问题。”谢传晓说，“在杂交时代，育种家们宛如在盲盒中摸索，根据性状选择，部分解决了问题。基因编辑技术的出现，使得我们可以精准育种。但新的技术出现后，可能又会回到那个黑箱子里，不过这一回是通过人工智能、机器去选择。如果接着发展，再往后的技术，是不是可以使机器更加高效地做到精准育种，我想，这是可以实现的。”
谢传晓相信，未来的育种，会更快捷，更准确，而这些都要依赖于生物育种技术的进一步发展。
