第580期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《稻米新生》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——稻米新生
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：2024年7月22日～7月28日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——稻米新生
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。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，而水稻又是人类重要的主粮，其中支链淀粉的含量会严重影响糖尿病患者的身体健康。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。分子育种技术还能培育哪些水稻新品种？它与以往的水稻育种有什么不同？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李家洋院士，欢迎您！另一位也是我们中国科学院院士种康，欢迎您种院士！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，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里的。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上面去，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，实际上说是在基因水平上，了解的这样一个技术。因为实际上在研究过程中，我们可以从DNA（脱氧核糖核酸）分子可以从蛋白质分子，或者其他代谢物的分子水平上去了解这个优异这样一个性状，比如说高产、优质、抗病、抗虫、抗干旱，它的作用机制、机理是什么？那从这个水平上去进行改造，培育新的这些品种，我们就统称为分子育种。应该说所有的育种，不论你是早期的选择，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。现在世界上三分之一人们都以稻米作为主食，随着人口面积的增长可耕种面积逐渐减少。几十年来，我国科研人员攻坚克难，采用新的育种方式，不仅极大地提高了水稻的亩产量，也培育出许多新品种水稻，那么我们食用的稻米是从何而来？它又是如何走进百姓餐桌的呢？
平时我们经常说，种瓜得瓜，种豆得豆。那现在我们的水稻这个种子到底是从哪儿来的？人类现在所吃的食物，包括动物类的、植物类的和菌物类的，实际上都是从最早的野生的培育选择过来的，从野生到现在我们种植或者饲养的这个过程，就是驯化和育种。驯化实际上是在人类早期的发展过程当中，对野生的动植物进行选择培育，然后获得的这样一些一定的群体。这个植物的驯化过程是什么样的？那这个植物我们就把它收集起来，然后来年再种，然后再收集起来，挑好的，然后再去种下去，这样一个过程不断地重复，就变成我们现在生产上可以种植的，就变成农作物，就变成作物了。最早的这个水稻，它的特点是什么样的呢？最早的这些野生稻它在驯化过程当中，跟我们今天（的水稻）比其实差别非常大，不像我们今天稻米这么好吃，产量也没有这么高。比如说它容易落粒，它散生，不符合现在的这些高产种植的条件，也更不能适应现在的机械化，但是它的产量（在当时）较高，而且跟别的一些植物来比，它的淀粉含量和经济价值也比较高，而且相对比较稳定容易种植。我们现在能看到各种类的这个稻米、水稻，它们的祖先都是一个吗？
水稻它也是个栽培稻有两个种，一个是亚洲栽培稻，一个是非洲栽培稻。非洲栽培稻这个（种植）面积非常小，现在全世界栽培的绝大部分都是亚洲栽培稻，这个亚洲栽培稻里面有东北的粳米或者我们南方的籼稻、籼米。那么像梗稻，就是它直链淀粉含量低，直就是垂直的这个直线。支链淀粉分支，支链淀粉含量高，因为吃起来有黏的这个感觉，很多人都很喜欢吃。籼稻它是直链淀粉含量高，支链淀粉含量低，因此吃起来是一粒一粒，它适合做米粉，因此不同的栽培稻它有不同地区人的喜欢。最早发现这个稻米的时候，经过驯化之后，这个给人类带来的改变到底是什么？首先在这个过程当中，它是为人类的发展提供了一个稳定的生物来源，这是很重要的能量来源。另外一个就是，我们的生活方式发生变化，过去比如说早期的原始人，他靠狩猎为主。他获得的东西就不是那么稳定，今天你打到野生的动物，你可能就有食物能果腹，如果你打不到你不行，但是作物驯化出来以后，这个生产方式就发生了变化，把我们过去完全靠运气获得的猎物，变成我可以种在那儿，可以定期地定时地去收割。我们有储备了。对，有储备，而且可持续。
第三个，我认为作为水稻来说，可能还有个更重要的一个特点，就是中华民族的一个水稻的文化，因为种水稻它一定要解决水利问题，在必要的时候能够去灌溉，水稻才能长得好。那这个水利在早期的时候，我们是建渠道，然后我们把水给囤起来，在干旱的时候，我们要发明工具，比如说水车等等，把水给提上来，然后去浇灌。那这个时候就不是靠一家一户要建水渠、建水利，那需要一个大集体，因为只有集体才能克服，那些个人小群体无法做的事，所以我觉得水稻的驯化，和一些农作物的驯化，对于人类的发展进程，是有重大影响的。那最早人类种植水稻应该是一个自然繁育的过程，这样的一个过程，它的局限性体现在哪些方面呢？首先就获得的这些材料能不能是一个比较稳定的，第二这些材料它会不会有很好的生产性状。比如说在某一个地区，把这个驯化出来的（作物），换到另一个地区，它很可能就长不好，那这样的话，这也是对它有很大的一个限制。随着以后的科学技术这种发展进去以后，我们慢慢就打破了这个过程，就要把这一个早期育种的选育为主的这样一个方式，就进化到有组织的大规模的科学研究，培育更好的品种。
在人类漫长的发展史上，水稻从散生颗粒容易掉落，不高产，口感差的野生稻，经过无数次的自然选育，发展到相对稳定适用种植的栽培稻。随着人口逐年的大幅增加，自然选育的方式已满足不了农业生产发展的需要，从此，水稻从野生驯化的时代便逐步进入到有组织、大规模的人工育种时代。我们平时经常听到育种这个词，这育种是什么概念？这个育种实际上就是从字面上讲，“育”实际上就是培育的意思，就是我们最早的时候，从野生驯化成农家品种，然后从农家品种，我们再到现在这个品种。“种”那就是最早源头，那怎么样从一粒种子或者很小的种子，然后扩大，这样就是形成育种，这样子可以理解。我们国家的水稻育种来看，就是在世界上水稻生物学和水稻育种应该在世界上是领先的。我们都知道北方是一季稻，可南方还多几季，一年一季稻，每年找它的规律，这个人工育种具体都有哪些技术？这个过程大概可以分成，第一个在这之前就是靠自然变异，人工选择为主。人工育种在早期的时候，主要是靠选择，选优就是你种在地里，你可以去看它，比如说水稻穗子大，长得好，长得壮，那这样的话，你就把它给选择下来，留下来，然后再去种。这个选择的基础是自然变异，就是天然的紫外线或者是其他的因素造成的偶尔的一点点变化，我们的术语叫突变。那这种偶然的基因突变，这个过程是非常漫长的。
那第二个阶段，主要就是靠人为地增加遗传变异，然后进行选择进行组合，但是遗传学介入之后，我们就有的通过遗传学的这些知识处理这些材料，让它产生更多的变异。变异多了，然后就选择，所以后来的育种我们通常都加一个词，叫遗传育种，就是通过遗传学增加它的更多的变异，然后去选择。在水稻发展史上，经过无数次的自然选育，才发展到相对稳定适用种植的栽培稻，从野生驯化逐步进入到有组织、大规模的人工育种，从选优育种到杂交育种，再到分子育种，都是为了培育出更加高质优产的水稻。那么水稻的分子育种技术和杂交育种技术之间，又有哪些不同的地方呢？那说到分子育种技术，跟我们谈到的这个杂交之间，它的异同之处在哪里？杂交技术其实在育种学上是比较早，大概在上个世纪二三十年代，在玉米这一方面，这个技术已经就发展起来了，也慢慢走向成熟，然后在不同的作物上，比如像高粱或者是其他的一些作物上，包括蔬菜等等之类都会有应用。你比如说玉米，它本身雄性和雌性是分开的，就是说它长在上面的是产生雄花，它雌花这个穗子是长在叶腋里面，它本身是分开的，我们有个专门术语叫异花授粉。就是说自己一朵花里面雄的和雌的，它不能不在一起，那这样杂交就很容易。另一个植株是雄性的，很容易这个花粉就飘到另一个植株的雌性的上面去，然后让它产生杂种。很多这一类的作物最先完成了杂交育种的技术体系建立，水稻是比较严格的自花授粉，95%或者95%以上的水稻都是靠自己一朵花里面自己就授粉了，所以水稻的杂交就比较困难。
简单地说，杂交育种就是人工选用两个在遗传上有一定差异，同时它们的优良性状又能互补的品种进行繁殖，生产出具有杂种优势的第一代杂交品种。然而，水稻属于自花授粉作物，雌雄同体，水稻的每朵花里面都有雄蕊和雌蕊，所以很难实现异交授粉。要培育出具有杂交优势的水稻，就希望母本植株，它雄性部分是不育的，这样它不能给自己授粉，同时还得找到一颗性状优良的父本植株，给母本植株授粉，才能产生杂种一代。即使这样，杂种一代不一定就有希望成为水稻繁育的种子。寻找雄性不育的母本和优良植株的父本，不断地杂交和选择，最终才有可能培育出优良的杂交水稻。那说到这儿的时候，说这个育种的难，我们特别想问一个问题，通过这个杂交技术，是需要时间的，它培育出一个成功的种子大概需要多长时间？就是你选亲本、选不育系、选恢复系，这个是要花很长时间，那么这个配好了以后，你要能够拿出来比较稳定的F1代，就是每一次种这个F1代，它都可以有高产的性状。那么你才能够去审定成品种，第一个就叫区试，区域实验，你就先种两年，看看是不是能够稳定。然后区域试验完了以后，还有一个试验，那么你必须要经过三年的时间的试验，然后你才能够变成品种。后面就是一个我们审定的一个过程，那这个是也不可少的，因此你要从一个真正杂交品种能够推广，大概也得十几年时间。
目前我们的杂交技术，它的局限性体现在哪些方面？其实还是有很多的局限，首先这个杂交是建立在杂种优势的这个基础上，就是要找到合适的父母本。第二个问题就是说有了父母本还不行，还要知道父本和母本它们之间在配对之后，就是它俩杂交以后产生的后代，就是我们所谓叫杂种一代，这个杂种一代要性状特别好。并不是说任何一个父本和母本有着一个杂种优势，有这样一个基础的杂交之后，就一准会有很好的后代，不是这样的，这需要成千上万不同尝试，我们叫杂交组合。一个育种专家，一年可能要做几千到几万个杂交组合，有可能才找到一对两对的杂交组合，这两个配合起来，有很强大的生产效益。第三个最大的局限性，就是杂种当中产生的这个不育的母本，它的生产，它的纯度的保持，这是很难的。你想一想，我们现在这个杂交一定要有一个母本，它自己是雄性不育的，但你想如果它自己是雄性不育，它怎么保持下去，所以这是困难很大的。第四个杂种优势，杂交那一定要杂种一代产生，那杂种一代的种子产生技术比较复杂，所以至少这四个方面来说，是我们杂种优势的一个比较大的局限性和限制因素。
在育种的过程当中，分子育种技术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，那就按《（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，你关键是前面，前面比如分子育种，可以从十几年我们变到五六年。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，让育种科学家掌握了水稻所有基因密码，这也为分子育种技术的发展提供了帮助，从此分子育种应运而生。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。那么分子育种都具有哪些形式？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？可以讲比如转基因，这也是一种类型的分子育种,转基因它解决的问题，就是所谓我们简单性状，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，这个叫简单性状。
另外一个复杂性状，就比如说我们讲高产，它是这一个性状，它多个基因控制的，它这个性状一改变，又影响其他性状，比如优质的性状，因此这些性状，这就需要我们用分子模块育种，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的时候，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地对某一个基因元件发现它有什么样的功能，然后我们再利用它的功能在我们育种上去应用。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、更好的技术。说到这个分子育种技术，可能我们最关心的一个问题是安全，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能够减少一些无效的杂交，但是怎么样实现设计的这个蓝图？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。科学家通过水稻关键基因所表达出的性状和功能的认识，采用分子模块设计对水稻的产量、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，掌握了水稻的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。
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，我们国家的创新体现在哪些方面？比如像我们李院士，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，但是它的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，它的关键是收获前经常会有下雨，一下雨就一倒，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办法也在解决，但是李院士他用刚才提到的理想株型的基因，拿这个作为一个主干，还有其他的分子模块去解决它这个品种这个问题，因此很快地我们就得到这个中科发5号，它这个米质也很好，产量也比较高的，而且不倒伏，稻瘟病也解决了，那么这个就是一个很鲜明的一个例子。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，他们就做的一个高抗的抗性淀粉。它这个淀粉吃了以后，它这个人的这吸收是非常少的，而且它降解非常慢，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，我就一定要培养高抗性淀粉，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，我可能他需要一些高锌高铁（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，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。
平常像高血压的，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上面可以用，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，你比如说现在就是我们这环境污染，其中一个途径，就是农田里面氮肥施得太多，真正作物它吸收没有那么多，那其他干嘛去了，它都污染了，污染了河流，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，今天也非常感谢两位院士来到我们演播室当中，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。
