專訪中國(guó)科學(xué)院院士種康：像設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品那樣設(shè)計(jì)農(nóng)作物品種 分子設(shè)計(jì)育種是育種未來的方向

每經(jīng)記者 李宣璋    每經(jīng)編輯 陳星    

春種一粒粟，秋收萬(wàn)顆子。

多少年來，我們?cè)谠?shī)歌中抒發(fā)著農(nóng)田里的浪漫，如今除了抒懷，我們還多了理性思考——新時(shí)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求是什么？我們到底應(yīng)該如何“端牢飯碗”？

“加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化”“堅(jiān)持藏糧于地、藏糧于技”“推動(dòng)種業(yè)科技自立自強(qiáng)、種源自主可控”……《中共中央關(guān)于黨的百年奮斗重大成就和歷史經(jīng)驗(yàn)的決議》指明方向。

農(nóng)業(yè)要發(fā)展，種子的力量不可忽視。

黨的十八大以來，我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)邁上新臺(tái)階，農(nóng)作物種源自給率超過95%，糧食作物良種基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。

種子，不再只是小小的一粒，它蘊(yùn)含了越來越多的科技元素。這十年間，我國(guó)農(nóng)業(yè)生物育種技術(shù)取得了哪些成就？它又是如何服務(wù)于糧食安全的？

黨的二十大召開前夕，《每日經(jīng)濟(jì)新聞》（以下簡(jiǎn)稱“NBD”）記者專訪了中國(guó)科學(xué)院院士種康，希望在他那里得到答案。

 

種康 圖片來源：受訪者供圖

嘉禾優(yōu)7號(hào)的意義在于技術(shù)路線的成功

NBD：先進(jìn)的生物育種技術(shù)是支撐和推動(dòng)我國(guó)種業(yè)發(fā)展的基石，這十年來，在這一領(lǐng)域，您及團(tuán)隊(duì)取得了哪些進(jìn)展和成就？

種康：進(jìn)展主要有兩個(gè)方面，一是發(fā)現(xiàn)了植物感知溫度的感受器以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。

植物感知溫度依靠細(xì)胞的感受器?，F(xiàn)在，我們能夠看到感受器引起的細(xì)胞里的防御反應(yīng)，這也是植物為什么在一些不利環(huán)境下能夠耐受脅迫的原因，這個(gè)機(jī)制從理論上講也是很重要。

植物感知溫度后，在細(xì)胞里會(huì)引起一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，把外部環(huán)境的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成細(xì)胞里的生化反應(yīng)形成的信號(hào)途徑，最后我們能夠看到植物對(duì)環(huán)境耐受的表現(xiàn)。這應(yīng)該是近十年我們團(tuán)隊(duì)很重要的一個(gè)研究進(jìn)展，主要是在水稻和小麥上完成的。

舉個(gè)例子，亞洲栽培稻有兩個(gè)亞種——秈稻與粳稻，它們也是我國(guó)主要栽培稻品種。溫度是影響水稻品種栽培地域的主要限制因子，粳稻耐低溫，通常在東北、華北等北方地區(qū)種植；而秈稻在南方栽培，主要分布于華南熱帶和淮河以南的亞熱帶地區(qū)，其低溫耐受性較弱。

雖然它們各自“地盤不同”，但南方常出現(xiàn)的倒春寒氣候也要求秈稻具有耐寒性。我們的工作就是通過分子模塊設(shè)計(jì)的方式改良水稻品種，讓它遇到低溫也一樣能夠存活，保持產(chǎn)量穩(wěn)定。這樣既可以解決現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域水稻穩(wěn)產(chǎn)問題，又有可能在高緯度地區(qū)大面積種植水稻，為糧食安全提供保障。

我們另外一個(gè)重要進(jìn)展就是在應(yīng)用方面。理論如何指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，這是我們國(guó)家特別強(qiáng)調(diào)的目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究。

對(duì)于我們團(tuán)隊(duì)而言，就是如何把研究機(jī)制和分子育種、分子設(shè)計(jì)育種結(jié)合起來，使育種技術(shù)升級(jí)換代，加快育種周期。

傳統(tǒng)育種很重要，但是傳統(tǒng)育種有短板，一是周期長(zhǎng)，二是更多的依賴經(jīng)驗(yàn)。那么如何給傳統(tǒng)育種的技術(shù)路線升級(jí)換代？從我們的角度來講，就得做基礎(chǔ)理論研究。我們做了基礎(chǔ)研究，能夠指導(dǎo)育種，縮短原來的育種周期。

在過去的十年中，我們和錢前院士研究組合作，利用分子模塊的育種理念，培育成功一個(gè)新品種——嘉禾優(yōu)7號(hào)。

嘉禾優(yōu)7號(hào)的重要性并不只是多培育了一個(gè)品種，它的重要性體現(xiàn)在技術(shù)路線上。我們以這個(gè)品種為載體告訴大家，可以用分子模塊的理念，在較短的周期內(nèi)，育成一個(gè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，同時(shí)又對(duì)環(huán)境溫度耐受、抗病蟲害的品種。

這能給傳統(tǒng)育種的同仁們一個(gè)示范，就是可以把基礎(chǔ)研究、把我們做的模塊直接體現(xiàn)在品種上，而且用時(shí)很短。

我國(guó)水稻種子審定數(shù)量有較大規(guī)模增長(zhǎng) 數(shù)據(jù)來源：同花順iFinD

用分子模塊設(shè)計(jì)理念使育種技術(shù)升級(jí)換代

NBD：生物育種是農(nóng)業(yè)核心技術(shù)之一，我國(guó)水稻生物育種領(lǐng)域在全球處于什么水平，近年來還有哪些新進(jìn)展？

種康：可以說我國(guó)水稻育種在國(guó)際上是處于引領(lǐng)地位的。大家都知道袁隆平的雜交水稻，這就是利用一種很重要的生物學(xué)現(xiàn)象——雜種優(yōu)勢(shì)。兩個(gè)親本親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，它的子代優(yōu)勢(shì)越強(qiáng)。對(duì)于水稻來說，我們希望得到的“優(yōu)勢(shì)”是什么呢？就是產(chǎn)量的增加。

在過去幾十年里，我們?cè)谟N中追求的第一個(gè)重要性狀就是產(chǎn)量。近些年來，我們開始考慮培育的品種是否優(yōu)質(zhì)，是不是“綠色”，對(duì)環(huán)境有沒有影響？從這幾方面來看，我認(rèn)為我國(guó)都處于領(lǐng)先地位。

至于新的變化，最明顯的是從以前強(qiáng)調(diào)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)變到除了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，還要講綠色。“綠色”就是在生產(chǎn)過程中，把對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響減到最低。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響主要是兩方面：農(nóng)藥和化肥。如果化肥施得過多，超過了植物的吸收極限，就會(huì)排放到江河里，這就是對(duì)環(huán)境造成的污染。農(nóng)藥更是如此，如果不注意，會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境都產(chǎn)生很大影響。

我們現(xiàn)在追求既要少打農(nóng)藥、少施化肥，也要保證高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，我想這就是近些年的新變化。

NBD：生物育種技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個(gè)時(shí)期，在分子育種技術(shù)方面，您及團(tuán)隊(duì)開展了哪些重點(diǎn)研究，目前有何進(jìn)展？

種康：生物育種技術(shù)大概可以分為四個(gè)階段：第一個(gè)階段是馴化和選擇，就是從野生到栽培的過程，通常需要幾千年甚至上萬(wàn)年的時(shí)間。比如大家餐桌上常見的黃瓜，野生黃瓜是圓的，而且有苦味，如今我們吃到的黃瓜是長(zhǎng)條狀的，并且去掉了苦味，這就是馴化的結(jié)果。

第二個(gè)階段是雜交育種，主要是由遺傳學(xué)理論指導(dǎo)的，即我們選擇親本，通過雜交找到性狀較好的子代。

第三個(gè)階段是分子育種，可以通過特定的辦法來改變一些簡(jiǎn)單的性狀，或者用分子標(biāo)記的方法輔助育種。

第四個(gè)階段叫設(shè)計(jì)育種或者分子設(shè)計(jì)育種，就是像工業(yè)產(chǎn)品那樣去設(shè)計(jì)農(nóng)作物品種，每個(gè)分子模塊控制一種類型或一種性狀，我們希望獲得什么性狀就用相應(yīng)的分子模塊。分子設(shè)計(jì)育種可以說是4.0版，是育種的未來方向。

我們團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)就是希望用分子模塊設(shè)計(jì)的理念使育種技術(shù)升級(jí)換代。我們現(xiàn)在能夠用這種方法成功培育出品種，就說明這個(gè)技術(shù)路線是能走通的，這是可以實(shí)現(xiàn)的。

糧食安全要從種子入手

NBD：糧食安全非常重要，從您的專業(yè)入手，該怎樣確保我國(guó)的糧食安全？

種康：從我的專業(yè)來講，就是要從種子入手。當(dāng)你有了自主的品種，才能夠?qū)崿F(xiàn)自由生產(chǎn)。如果我們的品種受制于人，就等于在源頭被別人卡住。一旦進(jìn)入這種境地，即便種植環(huán)節(jié)的土壤條件、栽培條件等再好，也無(wú)法保證糧食安全。

那么，該怎么解決種源的問題呢？我認(rèn)為要挖掘我們已有的野生資源和豐富的種質(zhì)資源，同時(shí)也要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，這是保證我國(guó)糧食持續(xù)安全、永久安全很重要的基礎(chǔ)。

NBD：在您看來，為什么說推進(jìn)草牧業(yè)是解決我國(guó)飼料糧缺口的重要途徑？在牧草育種方面，如何突破品種少、質(zhì)量低的瓶頸？

種康：現(xiàn)在我們把飼草提到了很重要的位置上，這和我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展到現(xiàn)有階段、人民群眾的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生變化緊密相關(guān)。我們不光研究人吃的糧食，還要研究牛羊吃的糧草。我國(guó)牧草、乳肉進(jìn)口需求增加，國(guó)內(nèi)供給不足，牧草種業(yè)是保證我國(guó)食物供應(yīng)安全的上游。

在過去的30年里，我們的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，主糧攝入量降低約20%，城市居民可能更多。肉蛋占比大大增加，約增加18%，也就是說蛋白質(zhì)的需求量提升了。那么問題來了，蛋白質(zhì)的供應(yīng)主要靠牛羊肉、奶制品、水產(chǎn)、畜禽等,飼料飼草是個(gè)新的大問題。

而我國(guó)糧食作物中的大豆、玉米等，很大一部分都用于飼料。當(dāng)前，糧食安全的主要壓力在飼料糧，促進(jìn)飼料糧減量的一個(gè)重要渠道就是增加優(yōu)質(zhì)飼草供應(yīng)，減少牛羊養(yǎng)殖精飼料用量。如果我們能提高飼草或牧草的品質(zhì)，就可以間接解決一部分糧食問題。

目前我國(guó)牧草種業(yè)存在三大問題，一是育成品種少，二是品種環(huán)境適應(yīng)性不突出，三是豐富的牧草資源未得到充分發(fā)掘。牧草育種在我國(guó)過去幾十年里有長(zhǎng)足的進(jìn)步，但無(wú)論是研究隊(duì)伍還是研究水平，都不能和作物育種業(yè)相比，仍停留在較低的發(fā)展階段。

如何突破這一瓶頸，我們的基本思路是用分子育種的理念實(shí)現(xiàn)飼草或牧草育種的跨越式發(fā)展。用一個(gè)高的起點(diǎn)，吸引新一代、有現(xiàn)代生物學(xué)知識(shí)背景和育種學(xué)背景的年輕人加入進(jìn)來，提升這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展模式。

有了優(yōu)質(zhì)的牧草種子，我們可以用更少的草地飼養(yǎng)更多的牛羊。讓更多的天然草原恢復(fù)生態(tài)功能，有效解決草場(chǎng)退化問題，種植業(yè)與草牧業(yè)的比例也能更加合理優(yōu)化。這種發(fā)展模式方精云院士總結(jié)為“以小保大”模式。

NBD：您認(rèn)為生態(tài)草牧業(yè)如何服務(wù)國(guó)家“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”？

種康：生態(tài)草牧業(yè)這一概念是2015年提出來的，包括三個(gè)行業(yè)——生態(tài)、草業(yè)、畜牧業(yè)。在我看來，它的重要意義就是把“草”和“牧”用產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)合起來，這不僅有應(yīng)用上的意義，而且在指導(dǎo)生產(chǎn)方面也具有一定意義。

生態(tài)草牧業(yè)服務(wù)“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”有很多科學(xué)問題，比如不同類型的草原適合的載畜量是多少，如果能科學(xué)地解答這個(gè)問題并指導(dǎo)生產(chǎn)，那這就是服務(wù)的一種方式。

另外，對(duì)一些退化草原，或者鹽堿地等種不了糧食的土地，我們可以種草，以草通過牛羊獲得我們需要的蛋白食物。利用這些土地，生產(chǎn)出來的草就能替代退化草原生產(chǎn)的牧業(yè)用草，這也是一種方式。這些都可以服務(wù)“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的目標(biāo)。

要加大基礎(chǔ)研究投入力度

NBD：您如何理解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，在這一環(huán)境下該怎么實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品高質(zhì)量、高產(chǎn)化？

種康：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境核心的問題就是把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)做一個(gè)很好的平衡，不能顧此失彼。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言的，主要是指將自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、AI技術(shù)、基因組技術(shù)等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。不僅如此，環(huán)境保護(hù)、環(huán)境修復(fù)的一些技術(shù)也可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，它們可以相互促進(jìn)。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展到現(xiàn)階段，越來越依靠科學(xué)技術(shù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也不例外。農(nóng)產(chǎn)品高質(zhì)量的核心就是科技。在這里我要特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，這是技術(shù)的源頭，沒有科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，就不可能有新的技術(shù)。只有發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，依靠技術(shù)創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展。

你提的高產(chǎn)化也是同樣道理。就像剛才說到的作物育種高產(chǎn)，這是我們想要獲得的很重要的一個(gè)性狀。如何挖掘這些性狀控制分子模塊，就要利用不同時(shí)期我們所掌握的基礎(chǔ)理論，去指導(dǎo)品種培育工作，從而讓作物產(chǎn)量更高、質(zhì)量更好。

NBD：我們知道，基礎(chǔ)研究和原創(chuàng)性工作對(duì)于科研來說非常重要，您認(rèn)為我國(guó)在這方面的現(xiàn)狀如何？未來的發(fā)展方向又是什么？

種康：基礎(chǔ)研究，特別是原創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究工作是新技術(shù)或新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源頭。我們現(xiàn)在一些行業(yè)被別人卡脖子，其中很大一部分原因就是基礎(chǔ)研究做得不夠，導(dǎo)致由此產(chǎn)生的技術(shù)被壟斷。因此，要想很好地解決這些問題，就要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。

作為科學(xué)研究，我們需要有一部分人去做完全自由的探索，但更需要有國(guó)家目標(biāo)的國(guó)家戰(zhàn)略研究力量，圍繞國(guó)家產(chǎn)業(yè)重大需求中的科學(xué)問題，去做基礎(chǔ)性研究。

在研究中，我們要強(qiáng)調(diào)對(duì)失敗的寬容，只許成功不許失敗，這不現(xiàn)實(shí)，也不科學(xué)。

此外，我認(rèn)為國(guó)家應(yīng)該加大對(duì)基礎(chǔ)研究的投入力度，包括目標(biāo)導(dǎo)向型的基礎(chǔ)研究和完全自由探索的基礎(chǔ)研究。

NBD：在求學(xué)階段，您為何會(huì)選擇植物生理專業(yè)，對(duì)這一專業(yè)的學(xué)子，您有何寄語(yǔ)？

種康：其實(shí)我的中學(xué)階段是沒有學(xué)過生物的，受我父親的指點(diǎn)，我在大學(xué)進(jìn)入生物系。植物生理專業(yè)實(shí)際上是老師給我做的選擇，但是我覺得這個(gè)專業(yè)有一些神秘感，我挺向往。

至于給年輕人的建議，我有一點(diǎn)想法。以前我們的大學(xué)教育理念，是要培養(yǎng)專門人才，專業(yè)劃分非常細(xì)?，F(xiàn)在從科學(xué)發(fā)展和社會(huì)需求以及高等教育的發(fā)展趨勢(shì)來看，越來越需要復(fù)合型人才，要有多學(xué)科知識(shí)背景，因此現(xiàn)在沒有這么細(xì)的專業(yè)。

我覺得對(duì)于植物科學(xué)的學(xué)生來說，核心課程很重要，它們是基礎(chǔ)。地基挖的多深，決定了樓能蓋多高。這對(duì)學(xué)術(shù)生涯或職業(yè)發(fā)展非常重要。

但在打好專業(yè)基礎(chǔ)的同時(shí)更要強(qiáng)調(diào)數(shù)理化的學(xué)習(xí)，尤其是數(shù)學(xué)，這對(duì)于生物學(xué)、基因組學(xué)很有益處，不可或缺。

封面圖片來源：每日經(jīng)濟(jì)新聞 劉國(guó)梅 攝