李家洋院士：如何制造一颗种子？

李家洋

中国科学院院士、植物分子遗传学家

2021年12月26日第六届中国制造日演讲

大家好！我是来自中国科学院遗传与发育分子生物学研究所的李家洋。很高兴参加百年雄心“第六届中国制造日”活动。我想和大家谈谈关于种子制造的故事。如何科学育种，保障我们吃得饱、吃得好、吃得健康。

我们的世界面临着各种各样的挑战，其中一个重要的挑战就是如何为全世界人民提供足够的食物。

我国的人口与耕地占世界的比例

现在的世界人口已经达到75亿，据估计到2050年世界人口将达到92亿。如果考虑到我们中国的情况，这个挑战就更为严峻。因为我们中国有世界19%的人口，但是我们的可耕地仅占世界的8%。这就意味着我们面临着更大的挑战——怎么样生产出足够的粮食？

毫无疑问，需要发达强大的农业。农业不仅为我们提供主要的粮食，提供足够的、可口的、有营养的产品。同时农业也为我们的工业提供很多的重要原料，有些是不可替代的。比如说天然橡胶，我们今天的汽车、航空飞机，如果没有天然橡胶，我真不敢想象会是什么情况。我们国家80%的天然橡胶都依赖于进口，保障供给的挑战也是很大的。同时，农业还跟我们的健康息息相关，它可以给我们提供很多医药原料。

更为重要的是，农业也为我们生态环境提供了很好的保障。如果我们在少打农药、少施肥的情况下，单产还可以继续增加，我们就会有足够的土地去种树、种草使得环境更为优美，同时也对环境更少污染，能够得到净土碧水。

农业如此重要，它的核心是什么？什么因素是最重要的？

种子是农业的核心

其实在上个世纪50年代，我们的农业科技工业者和亿万农民的生产实践已经总结出影响农业生产最重要的八个方面，那就是：土、肥、水、种、密、保、管、工，称为农业八字宪法。 其中种子是活的，是内因；而种子又与任何其他七个因素直接相关。好的种子可以在贫瘠的土壤上得到高产，可以抵抗病虫害，抵抗环境的胁迫，更便于管理等等。总之，种子是一个关键，是核心。

种子选育的世代进程

种子如此重要，它是怎么产生的，是怎么制造出来的？其实在人类的早期，种子是通过上万年的缓慢过程培育出来的，这个过程叫做 驯化 。就是我们把野生植物的种子收集起来，然后一代一代地种，并把好的种子留下来再去种。这样产生种子的过程叫一代的种子技术，有几千年上万年的历史。

在遗传学、科学技术发展之后，育种技术就得到进一步的提升，产生了二代种子技术。二代种子技术最主要的是了解到影响所有农艺性状都是由基因调控的，而这些基因可随时进行变化、组合，这样的话我们就可以通过 诱变 或者 杂交 ，让这些基因产生变化或重新组合，然后进行人工选择，再产生我们需要的种子，这些是二代种子技术。

随着分子生物学的产生和发展，我们不仅知道哪个基因在控制哪个重要的性状，比如种子大小、好吃不好吃等等，我们更能知道基因的本质是什么，并根据基因的特点确定它的特征，即 分子标记 。然后我们通过追踪这个标记，就能够找到这个基因，进行选择，这产生了三代育种技术。在二代育种技术当中，我们知道有基因这个概念，但并不知道基因是什么东西，所以它效率低；三代育种技术可以明确基因，并对其进行追踪与操作，育种效率大大提高。

现在世界上的育种技术已经进入到第四代，叫做 设计育种 ，又叫精准育种。就是我们可以对每个生物的基因组信息进行分析，然后种子可以像工业品一样去进行设计，哪些亲本可以进行杂交，就一定得到高产、优质、抗病虫的后代，这是世界上正在进行的创新研究。非常欣慰的是，中国科学家在分子设计育种国际前沿上取得了很好的成果。

育种需要考虑综合性状，为了很好地说明，我分几个小的部分讲一讲。

科学育种保障高产：穗数、穗粒数、粒大小

首先是 高产 。高产取决于单位面积上有多少穗；穗子有多大，即穗的粒数；还涉及到粒的大小，就是穗粒的千粒重或者百粒重。 单位产量就是穗数、穗粒数和粒重的乘积。 

通过改良株型、利用杂种优势所培育的新品种（从左至右：绿色革命前、绿色革命后、理想株型）

育种家就是要找到影响这些性状的各个基因，以及它们的最佳组合和平衡。比如说早期的矮化育种，它可以防止倒伏，能够机械化作业，能够用化肥使产量潜力得到发挥，这就产生了第一次“绿色革命”，这个成就在1970年获得了诺贝尔和平奖。 

袁隆平（左）与李振声（右）

同时，我们也知道通过杂交和选择去改变基因的组合，也能达到高产。在上个世纪，杂交玉米、杂交水稻和远缘杂交的小麦都为产量提高作出了重大贡献。 袁隆平先生和李振声先生都代表我们国家农业方面获得了国家最高科技奖和其他的一系列殊荣。

作物单产与总产稳步增长保障我国粮食安全

正是由于我们国内农业科学家们的贡献和努力，我们国家的粮食产量从新中国建立以后一直都在稳定地增加，现在已经连续18年丰收，基本保证了我们国家粮食的供给，在口粮上是绝对的安全。

上：稻瘟病、稻曲病、稻飞虱、下：小麦锈病、小麦赤霉病、棉花黄萎病

除了高产之外， 稳产 也非常重要。病虫害、自然灾害这些都会造成大量甚至巨大的农业损失。 

左：抗病品种培育右：抗虫品种培育

比如说水稻稻瘟病，如果有好的抗稻瘟病品种材料，如左图所示，有这个抗病的基因在里面，它会正常生长、会高产。如右图中所示，有抗虫基因的品种就会在虫子严重的状态下依然获得高产。 

科学育种提升品质：口感、味觉、色泽、外观

品质 也是一样，这可能跟我们日常生活息息相关。我们吃的比如米饭，有的硬一些，有的软一些，有的人可能要吃糯米，比如端午节和元宵节吃的粽子和元宵可能是糯米，这是它的品质决定的。品质有口感、有味觉、有色泽、有外观，这些都是由基因决定的。

调控网络的解析，解决了“高产不优质”的难题

以淀粉合成为例，我们知道淀粉如何合成，就可以去研究它如何影响口感，这个工作就解决了怎么样去培育口感好的品种出来。 

高抗性淀粉食物的益处

 另一方面是 营养 。比如说现在有糖尿病人，还有很多需要减肥的老年人和青年人，如果他们能够食用高抗性淀粉的食物，那就大大有利。

富含营养成分的新品种培育

其基础是对合成途径与合成模式的解析 抗性淀粉的机制是什么？它是怎么合成的？怎么样培育它的品种？通过我们的研究了解清楚，就可以把这个成果运用到育种上，从而培育出新的品种。当然利用它的原理，我们还可以培养高锌的、高铁的、高维生素的品种等，让特殊的人群去食用。反之，比如说低蛋白质的稻米，可以让肾脏病人很好地食用。 

左：农田遭到破坏

右：环境受到污染

在品种培育方面，还涉到 环保 。如果我们用的化肥太多，就会造成环境的污染。

利用养分利用效率调控基因培育新品种能够减少化肥使用量

如果我们植物里面有高效吸收的基因，就可以让这个品种具有高效利用土壤里面营养成分的能力，在少施肥或者不施肥的情况下，依然有很高的产量。在这种情况下，我们就能够防止农业面源的污染。从上图就可以看到，这些高效利用养分的品种，它长得又绿又大又好。 

科学育种促进机械化：全程机械化、直播

同时，育种也能够使我们的农业生产方式发生改变，它可以实现机械化，实现自动化的植物工厂生产等。

育种是个系统性工程，我下面举两个例子。

育种是一项系统工程

品种要求高产、稳产、高效、适合机械化等等方面，这怎么去做？我们就用自然研究的基础知识，像产品设计一样的去设计，然后去培育出来。 

嘉优中科系列品种示范

一个是我们在长江中下游的例子，是利用了籼稻跟粳稻超强的杂种优势，同时它有抗病和优质的基因。我们把它们聚合起来所培育的品种，在江苏连续两到三年， 在大面积农民种植情况下亩产都达到800多公斤，甚至于几百亩面积上能达到上千公斤，达到既高产又优质又抗病的目的 。 

中科发系列水稻品种示范，抗倒伏效果显著（右）

另一个在东北地区，我们要解决的是抗倒伏、抗稻瘟病、优质和整精米率的问题。可以看到，中科发的品种就符合这些要求。 我们有没有其他的方式来培育生产潜力大、环境友好、抗逆性强、营养品质好这样更好的品种出来？ 

野生资源具有抗逆、抗病虫、生物量超大的优势， 是培育未来作物的宝库

我们就采取利用野生稻的方法，从自然界当中存在的野生稻入手。我们通过现在分子生物学的技术，可以进行快速的人工驯化。前面说过，早期的驯化是要通过几千年上万年的时间。我们现在可以用现代的科学技术，在几年时间当中就使它变成一个新类型的水稻。这个水稻它会高产，同时抗病虫，而且有高效利用养分的能力。这样对我们农业文明的进展，对保障世界人口的食物供给会有重要的作用。 

科学育种：未来超级品种的培育

未来，我们可能要利用各种科学技术，把重要的农艺性状，比如高产超高产，把抗病虫抗高温低温，把高效氮磷钾利用和机械化的管理，当然很重要的是我们的品质性状如好吃、好看、有营养，聚合起来，培育出新的超级品种。 这样，保证我们农业能为所有的消费者提供丰富优质的食物，从而能保障我们吃得饱、吃得好、吃得安全、也吃得健康。

最后我要感谢我们团队的余泓、王冰、刘贵富研究员，也谢谢大家。