第446期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《育种新说（下）》
讲座题目：透视新科技——育种新说（下）
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：李家洋，中国科学院院士。
种 康，中国科学院院士。
讲座时间：2023年4月10日～4月16日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——育种新说（下）
讲座内容：
各位好，欢迎收看今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。水稻不仅仅是中国人也是世界很多国家和地区人口的主要粮食品种之一。然而很多人知道糖尿病患者由于病情的原因，不得不减少甚至是放弃食用这些主食。但是随着育种科技的不断进步和发展，未来糖尿病人也可以大胆放心地健康地食用主食了。来，关心一下我们今天的节目。水稻是人类重要的主粮。随着生活水平的提高，糖尿病的发病率也越来越高，而富含淀粉的大米却是糖尿病患者餐饮中的大忌。如何让这些特殊人群吃上可口的米饭呢？近年来，李家洋院士和他的团队通过系统性的研究水稻特定性状的分子机制，采用分子设计育种技术，培育出高产优质的水稻新品种，有望解决糖尿病患者不能吃米饭的困境。这项科研成果诞生，将开启水稻人工育种走向定制的新时代。到底分子育种技术可以改变水稻哪些方面的特性？与以往的水稻研究有何不同？
欢迎回到我们的演播室当中来，首先我们给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾。第一位是中国科学院的李家洋院士，欢迎您！主持人好！观众朋友们好！另一位也是我们中科院的院士种康，欢迎您种院士！主持人好！观众朋友，大家好！刚才我们通过短片已经了解了一些内容，其中提到了分子育种，这个分子到底是什么？分子育种是我们基于做基础研究的研究成果，来使我们得到的这个品种的性状更有利于我们所需要的。因为这个分子育种不完全是（针对改变某个）基因，有一些比如代谢产物，有一些比如是一些蛋白质，平常我们是叫分子育种。你比如我们李家洋院士他就克隆到一个基因，在水稻育种上非常关键的叫理想株型基因。那么这个理想株型它就能够使水稻的这个植株的形状，这个是直接和产量是直接有关系的。那么这个有秆子的粗度，分蘖（数）的合适，然后还有种子量比较大，而且籽粒比较大，那么这样这个形状就是理想株型的性状。那么李院士把这一个基因，还有它相关的这个分子网络搞清楚了，那么同时也利用了这个机制做出了品种。因此李家洋院士，袁隆平院士，还有张启发院士在2018年的时候获得了一个大奖，未来科学奖的生命科学大奖。那么这个是非常不容易的，非常了不起。
和其他农作物一样，水稻的产量、品质、抗逆性和特殊营养价值等，各种性状都是由基因控制的。这些基因就像一个个积木，掌握了水稻基因信息和对应的性状，分子育种就像搭积木一样。设计种子，通过最佳的优选将积木搭成想要的结构，搭建好的积木就相当于设计出完美的水稻品种。那李院士也给我们解释一下，分子育种技术我们是从什么时候开始的？就是在1953年发现了DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋（结构）那个时候开始的。那时候应该说是真正的分子生物学大发展的时期，这时候也应运就产生了分子育种的技术。其实分子育种的技术，它最早在很多的微生物当中就应用了，在作物或者动物的运用是比较滞后的。比如说我们现在好多医药产生的一些重要的药物，甚至于早期我们用的人工合成的胰岛素，很多都是通过工程菌株，通过遗传改造的手段获得的。我们今天用的一些很多的生化的这些药类，都是通过这一些分子所谓的分子育种技术，但是它的操作对象是微生物来获得的。那分子与基因之间的关系是什么？基因从我们现在认为它就是一种分子，所以它是属于分子育种这个范畴内的。那分子育种可能包括的东西更多一点点，但是最终所有育种的活动，最终都会追踪到基因这个上面去。都认为把一个基因，把一段DNA（脱氧核糖核酸）进行操作，所育种的这种技术或者得到的品种叫基因育种。但是呢应该说所有的育种无论你是早期的选择还是后来的杂交育种、诱变育种到现在的分子育种，最终反映的都是对基因的选择、改变或者聚合，然后培育（新品种）的这样一个技术。
由于传统育种存在着大量无可预测的问题，近年来随着基因组测序等技术的日渐成熟，分子育种应运而生。科研人员根据育种的目标，通过研究作物特定性状的分子机制，在分子水平上对生物性状的遗传基因直接进行设计组合，从而培育出符合人类需求的新品种。那么分子育种都有具体哪些形式？它培育出的种子是否安全呢？说到这个分子育种技术，目前有哪些种形式？可以讲比如说转基因，这也是一种类型的分子育种。实际上转基因这个育种技术，它解决的主要的问题，实际上就是一个我们讲是简单性状的（基因改造），比如抗虫抗病的。转基因现在我们最成功的一个例子，是（在）生产上现在转基因棉花。我们现在全国有90%以上的棉花都是转型的棉花，它可以抗虫，那么在生产上得到大规模的使用。这样使用的效果就是能够抗虫，同时不用打农药或者少打农药，这样就是对环境保护起很大的一个促进作用。在粮食生产上呢？在粮食生产上，现在我们国家就是对于主粮我们现在有非常谨慎的去做这个释放到（大田）。那么这个有一套农业部发布的（农业）转基因生物安全（管理）条例，那么根据这个条例可以去审定，但是对主粮作物，我们还是非常谨慎的。为什么那么多人去关注转基因的产品？那这项技术在我们科研领域里还有哪些不确定性？转基因为什么大家这么关注？转基因说的简单一点，就是在那个生物体里面，本身它没有的一个基因从外源的把它转进去，这大概就是一个转基因技术。比如说棉花的抗棉铃虫的这个技术，那就是把这一个杀死棉铃虫的这一个目标基因是产生了一个蛋白，这个蛋白（基因）转到这个棉花去，它就对这个虫子有特殊的抗性，但是对其他的人畜没有害处，所以这一套的技术就叫转基因。
但转基因为什么过来了以后，这个这么好的一个技术会产生这么大的这个影响和关注呢？我的理解主要有几个大的方面，第一个大的方面，实际上大家是关心它的安全性。就是说在物种这一个漫长的驯化、进化过程当中没有那一个功能，你人为的加过来，加过来了以后，这一个它对人类的食用会不会安全。第二，如果人类的食用安全性没有问题，那它对生态环境的这一个系列它有没有影响？第三个关注的可能是国际上的贸易。就是发达的国家，它可以利用这个技术，它可以把劳动生产力大大的提高。比如说把一个除草剂的基因转进去之后，它就不用再用人工除草了，它就非常快把杂草的东西就有效的控制住。那这样的话，你的国家有这个技术，我没有，那你就可以生产非常有竞争力的产品出口到我们国家，就能把我们国家的农业这个体系给摧毁，所以这是一个国际贸易的问题。第四个很重要的一个问题，那就是宗教。宗教很多人认为物种是上帝创造的。现在你人类随便的把一个基因给放进去以后，你就能把它创造出一个新的东西出来，你扮演了一个上帝的角色。很多宗教思想比较严格的一些人，他是对这个事是有很大的反感，或者是有很大的不接受性。第五个很重要的就是世界不同的公司利益是不同的，他们之间也有很大的竞争关系。比如说我是抗虫的，我卖的农药的这个大公司。我的产品就不被需要。对，比如说你一年是几百万的农药，你要去销售，但是如果你用了这个以后，它这一些生产农药的企业就不行。它另外一个生产种子的这些企业利益就特别好。那这些它们的任务也不一样，它也会造势，也会去宣传，对吧？还有一个原因，那就是对传统育种这个技术欣赏的一些人，他认为纯天然食品是最好的。各个方面的原因加在一起就造成了全社会的关注。
刚才您提到了分子育种的几种形式，一是转基因，还有哪些？比如我们的分子模块（育种），转基因它解决的问题就是所谓我们简单性状，刚才我们举到比如抗虫棉的。这就是你只要转了这一个基因，它就能够抗虫，那其他性状它不影响，这就叫简单性状。另外一个复杂性状，就比如我们讲高产，它是这一个性状，它（是由）多个基因控制的。它这个性状一改变又影响其他性状，比如优质的性状。因此这些形状这就需要我们用分子模块育种，就是我们可以用遗传操作来控制的一个功能基因单元。相当于我们一台计算机有显卡，有声卡，有内存，那我原来不知道这个显卡是干什么时候，我把它拔掉不显示了，我知道这个模块是干这个。那么我要在显卡上面解决问题，最后我们就能够看到一个完整的东西了。这样就是能够非常精准的对某一个基因元件发现它有什么样的功能，然后我们再利用它这种功能在我们在育种上去应用。还有一个新的技术，现在技术基本成熟但是还在快速发展之中，那就叫基因编辑技术，未来也有可能发展出更先进更好的（育种）技术。那说到分子育种技术，跟我们上一期节目当中谈到的这个（杂交）育种之间，它的异同之处在哪里？杂交育种首先让父母本去结合，然后有很多的基因的变化，这是相当于一个全谱性质的。然后你是选择你想要的那些，所以它必然是效率低，它过程比较慢，而且耗费比较大，但分子育种恰恰就是为了弥补它这个缺点。我们通过基础研究，知道哪些基因是控制哪个性状，那些性状是你想改变的。那我就把这些基因的本质搞清楚，然后用一种技术把它给识别出来，这个识别出来你同时都可以做，比如说杂交，那我就可以很快的把它选出来。分子育种实际上是在诱变杂交，选择基础上更精准的育种。
比如说关于育种，这里有克隆技术，转基因技术，包括我们刚才提到的分子育种技术等等。那这些不同时代产生的不同的技术它的特点都是什么？又解决了哪些问题？克隆技术那就是我们比如在一个物种里面，比如我们水稻里头，它的基因组里面有很多很多基因大概有几万个这样的基因。那么怎么样能够把某一个我现在知道它这个功能的基因拿出来（进行扩增），这个技术我们就叫克隆技术。这就为什么后面我们做比如做转基因，或者做其他的基因工程，我们作为一个元件。有了这个克隆技术的基础，才会有后面这个转基因的发展，包括分子（育种）技术的发展。对。分子育种核心的就是以基因组为基础，相当于一个导航系统，原来就像我们做研究的时候，瞎子摸象，然后摸到哪儿说哪儿的事。现在有基因组了，（通过分析全基因组）我们就可以知道这个基因有什么功能，它这个基因动了以后会影响那个基因怎么样，这就像我们讲育种上的一个导航系统。你就像我们，比如从中关村到我们电视台来我可以走三环，也可以走四环，还可以直接走。那你原来没有导航系统的时候，我走一条路，这条路不堵那就来了。那现在有导航系统了，我知道哪一条是最佳的。那么育种现在也是有全基因组的这样一个导航系统，我就会避免走很多的弯路。实际上在杂交和诱变的基础之上，又加上全基因组的技术或者知识，那就可以进行我们现在说的设计育种或者叫分子育种，有的又叫基因工程。就是说总之是在分子水平上，对影响不同性状的那些基因模块或者基因网络进行操作。它的基础还是杂交，但是它的选择技术很强，可以高通大量规模的进行高效率的选择，这样一个产品出来。
说到这个分子育种技术，可能我们最关心的一个问题，安全。这个安全性怎么保障呢？就是这个分子设计（育种）它这个基本过程，这个分子设计更重要的是在前面的设计，以及在操作过程中怎么样减少一些无效的杂交。但是怎么样实现设计的蓝图，还是基本的手段就是杂交，这也就是说为什么我们不避开杂交过程。因为按照现在我们国家这个法律，你要通过这个过程，那就是按常规品种去审定。因此这就是安全性，也是没有问题的。基于对关键基因所表达出的性状和功能的认识，科学家利用分子育种技术预先设定育种目标，采用分子模块设计等多种手段研发出新的水稻品种。这种先进的育种技术目前有哪些实际应用？未来又将会给我们的生活带来什么样的影响呢？说到这方面技术的研究也好，我们国家的创新体现在哪些方面？你比如说像我们李院士，他做的一个品种就是叫中科804还有中科发5号。东北米大家都喜欢吃，很香。但是它在生产上有两个重大的问题，一个问题就是这个倒伏。果实太重了之后支撑不了。支撑不了，它关键是收获前经常会有下雨，一下雨就倒，倒了以后稻米的品质、什么收获产量影响非常大，这是一个问题，另外一个是稻瘟病。这两个问题那么育种学家用传统的方法也在解决。但是李院士他用刚才提到的理想株型（相关）的基因，拿这个作为一个主干，还有其它的分子模块去解决它这个品种的问题。因此很快的我们就得到这个中科发5号，它米质也很好，产量也是比较高的，而且不倒伏，稻温病也解决了，那么这个就是一个很鲜明的例子。
其实我们还有一个问题，就是在育种的过程当中，它的程序是怎样的？时间是一个什么样的概念？不同的途径，你需要的时间是不一样的。特别是你现在我们用分子育种，这样的一个途径获得的这个品种，那么这就大大地缩短了这个时间。你原来一般的我们不管从辐射育种，还是做一些杂交选择的，一般都得十多年时间。那么后面的审定就按《（中华人民共和国）种子法》的这个审定，我们一般都需要三年或者四年的时间。那这个是不管是哪一个途径，得到这个品种那都是一样的，这是法律规定的。关键是前面，前面比如分子育种可以从几十年我们变成五六年。所以2008年的时候，我用了一个星期在东北（黑龙江省）农科院的一些专家领导的陪同下，了解到东北所要解决的水稻现在一些主要问题，比如说它的粒形，需要从圆粒的变成一个长粒的。第二，它需要抗倒伏，有很多品种不抗倒伏。第三是稻瘟病，稻瘟病是东北稻米一个重要病害。第四，从好多消费者来说，他需要更好吃，口感要更好。第五，米业加工的企业，他们希望这个出米率要高。当地有很多的主要的品种，它的（整）精米率比较低，比如说50%或50%多一点。但如果你能提高一个八个到十个百分点的话，它的利润就大大高了。所以我们当时了解这些情况以后，在这个做之前把一些相对的这些品种在东北地区的一些主要的品种，甚至东北之外的品种，它还有哪些有益的基因，然后看一看这两个亲本两株杂交，或者几个不同的亲本去杂交之后，它能够把这些最有益的基因分别对什么抗倒伏，对这个粒形都能够一一的解决。然后你就把这些有目的地把这些基因放到一起来。那这些就是材料，这些材料你要不知道过去就不清楚，你就瞎杂交，盲目地杂交。然后再盲目地选，现在我们就知道从材料就一定知道有这个重要的好的基因。这样你可以用最少的杂交技术，最短的时间就得到你想要的，所谓这些优良性状的这样一个混合体的这样一个品种。
那说到目前这些新型的育种技术，它具体除了农作物之外，还有应用在哪些植物上？比如说我们在主要农作物当中，可能水稻走在前面，这跟我们国家在上个世纪90年代做水稻基因组的支持研究是有关的。因为水稻基因组的这个研究，它在本世纪初的时候就有一次重大的进展。它基础好，所以它走的快，另外一些作物它可能走的慢一点，但是现在也是发展速度非常快。包括像玉米、高粱、油菜还有大豆，还有各种各样的蔬菜水果都在全面的利用现代的科学生物技术在往前发展。那目前我们就分子育种技术，它的研究和应用方面还遇到了哪些挑战？实际挑战，刚才李院士讲了水稻的例子，因为我们国家水稻的基础研究就是水稻生物学，这个是在国际上是领先的。但是实际上就是其它作物里头也做的很好，但是因为作物的特性的差别，它的难度就是比较大。比如说小麦，也是我们的最主要的主粮作物，但是它的基因组是比较复杂，它的基因组大小是水稻的40倍。因此它的基因组在基因组测序，也是近几年才开始去完成了这个测序的工作。因此后续的就是怎么样发掘这些复杂基因组的这些作物里面它的一些模块，以及实现这些模块在育种上的这个应用，这个是对我们的一个很大的一个挑战。二十一世纪，随着人们生活方式和饮食习惯的改变，糖尿病已成为危害人类健康的三大杀手之一。而我国十四亿人口中，有近10%的人是糖尿病患者。水稻中支链淀粉的含量，会严重影响糖尿病患者的身体健康。分子设计育种技术能否解决特殊人群进食水稻的问题呢？未来还会有什么样的水稻品种诞生呢？
两位可以给我们畅想一下未来，当分子育种技术不断地推广，对未来我们国家农业的生产以及百姓的生活会带来怎样的改变？比如现在我们糖尿病人吃这个米饭，吃这个馒头，要很谨慎。因为害怕血糖，吃完以后马上上升。那么我们李院士他们就做了高抗的抗性淀粉，它这个淀粉吃了以后，它这个人的吸收是非常少的。而且它降解非常慢，最后体现出来（血糖）吃完以后并不高。我要让你糖尿病人能够适合的，我就一定要培养（育）高抗性淀粉（大米）。那高抗性淀粉怎么样去做？那我就要知道这些基因是哪些基因所产生的，这样一些东西。我首先要找到这些基因然后去进行一些改造，然后去培育它，那这样培育出来的这一些品种，糖尿病人吃了之后，它就让你血糖比较稳定，人就比较健康。这是一种方式，我可以定制。第二种定制我是家里有小孩，我可能需要他一些高锌高铁（饮食）。那我能不能从生产角度上我培育一些品种，这些品种有高的维生素含量，我高的锌的含量或者高铁的啥。说白了，影响我们吃的东西，影响我们食物的结构营养，甚至我们的感官，比如说好看不好看等等之类都受到影响。它是对我们未来人的健康生长发育，和我们的这个对美食的这种享受都有影响。实际上像高血压（患者）的现在我们也有科学家在去做，利用水稻去做。也许可能在将来，在高血压（患者）上面也可以用，但是现在在动物实验里面正在做是成功的。那么另外一个是这样还对环境，你比如说现在我们这环境污染其中一个途径就是农田里面氮肥施的太多，真正作物它吸收没有那么多，那其它干嘛去了？它都污染了，污染河流了。我们怎么样能够让少施氮肥，这样也是我们分子设计育种的一个非常重要的目标，就是环境友好型的，那么这就是为人类造福的一个基因改变。
好，今天也是非常感谢两位院士来到我们演播室当中，共同跟我们聊关于育种的这样一个话题。同时为了了解我们更多的节目内容，您也可以下载央视频。好，感谢您收看我们今天的《透视新科技》！我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
