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【锚定2035·院士谈科学报国】作物育种进化史:从野生驯化到智能设计

来源:光明网-科普中国2024-11-25 10:06

  编者按:习近平总书记指出,“科学普及是实现创新发展的重要基础性工作。”为助力高水平科技自立自强,中国科协科普部联合光明网推出“院士高端科普”栏目,邀请各领域院士就我国当下热点科技问题给予权威解答,服务引导更多科技工作者提升科研科普能力,促进全民科学素质提升,为科技强国建设贡献科普力量。#千万IP创科普

  植物是人类食物的主要提供者。尽管全球约有3万种可食用的植物,但人类仅用了30种养育了这个世界。其中,五类谷物水稻、小麦、玉米、高粱和粟类(如谷子、黍),为全球人口提供了总能量的60%;10种作物为人和家养动物提供了所消耗食物的95%。

【锚定2035·院士谈科学报国】作物育种进化史:从野生驯化到智能设计

中国科学院院士种康

  怎么高效地利用自然界给我们提供的这些物种?从原始社会到农耕社会,再到现代社会,不同时代对自然界的植物资源利用是不同的。原始社会,自然界有什么物种资源,我们就直接采集食用什么资源。到了农耕社会,人类开始驯化物种。

  比如,栽培水稻就是由野生稻驯化而来的。野生稻具有较强的落粒性,而且芒长、壳硬、蜕壳困难等性状,不利于人类利用。经过上万年的驯化和筛选,才有了栽培水稻谷粒大、芒变短甚至无芒,产量高等特性。

  从野生植物变成栽培作物,这个过程就是驯化育种。变成栽培作物以后会形成一些品种,称之为“农家品种”。在缺乏生物遗传学知识的时代,野生植物的驯化以及繁种,完全靠经验,属于育种1.0时代。

  从十九世纪开始,生命科学的发展推动着育种技术不断升级。二十世纪初,遗传学理论得到发展,科学家开始深入探究遗传和变异的奥秘。最典型的育种技术就是杂交技术,比如,上世纪三十年代的杂交玉米。直到现在一些作物还主要通过遗传杂交培育品种,这种遗传育种技术的应用被称为育种2.0。它的缺点是效率低,新品种培育一般需要10年以上,而且很难选出突破性品种。

【锚定2035·院士谈科学报国】作物育种进化史:从野生驯化到智能设计

种康院士在实验室

  分子生物学发展以后,科学家开始知道,育种的背后实际上是基因控制的。基因决定生物体长成什么样子、具有什么样的特性,而且还能把这些样子和特性传递给它的后代。于是,一些分子生物学技术,比如转基因技术,被应用于育种领域,即用某一个基因或者某些基因片段作为辅助的育种,我们称之为分子育种3.0时代。

  基于分子生物学的分子育种,大大提高了育种水平和效率。分子生物学技术可以快速获知“哪些基因是正控制作物性状,哪些基因是负控制,以及它们之间的网络关系”。科学家通过转基因技术和基因编辑等手段,从而能够在短短几年内将野生品种快速“驯化”成能满足现代人类需求的全新品种。

  尽管现在我们的很多作物仍处于育种2.0和3.0阶段,但是进入二十一世纪后,基因组编辑技术已经将作物育种推向了4.0阶段——设计育种,即基于基因模块及其非线性耦合理论,以及合成生物学思路,借助计算生物学和人工智能设计出理想的品种,大大缩短了育种周期,提高了育种效率。比如,现在我们希望水稻作物长成什么样子,就可以进行设计了。因为我们需要的性状中每一个都由某一个基因的状态决定,把这几个基因有机地整合起来,从而在一个植株里面同时实现我们所需要的各个性状,这个作物就是我们想要的品种。目前,我国水稻育种在国际上处于领先水平,已经能够做到运用基因组学和系统生物学去设计品种。

【锚定2035·院士谈科学报国】作物育种进化史:从野生驯化到智能设计

种康院士在饲草育种加速器实验室调研苜蓿生长情况

  当前,国家提倡“大食物观”,不仅仅是主粮,还包括我们吃的蔬菜水果,喝的茶等等,这些作物改良和我们植物科学工作者都密不可分。植物科学家们利用现代生物学技术推动育种技术的飞速发展,不仅丰富了作物的品类,也创造性地改善了作物的营养成分,为保障粮食安全和重要农产品稳定供给提供了有力支撑。

  随着计算生物学和合成生物学技术的快速发展,设计育种将成为未来竞争的新趋势,并会向智能化、精准化进一步发展。为此,科学家要积极探索新现象、揭示新机制、构建新载体、研发新技术、创立新研究体系,全面推动植物科学发展,为粮食安全与大食物观贡献力量。

  (文章系中国科学院院士种康在“中国细胞生物学学会科普大师校园行”活动中的分享,光明网记者肖春芳、武玥彤整理)

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