科學家解讀水稻高產基因

日期：2010-06-03 10:40:58

5月26日下午，匆匆趕回中國科學院遺傳與發育生物學研究所實驗室的中國科學院院士李家洋，顧不上吃晚飯，即向其團隊成員布置了一項新的工作內容——立即安排一次國內有關育種專家參加的研討會，討論如何將新發現的水稻理想株型基因盡快應用于水稻農業生產，發揮其在培育我國新型高產水稻新品種中的作用。

3天前，國際著名學術期刊英國《自然—遺傳學》雜志和美國《科學》雜志相繼報道了由中日科學家共同發現的被稱為OsSPL14基因(又稱IPA1基因)的重要成果，這是一個影響諸多農藝性狀、可有效控制水稻理想株型、進一步提高產量的關鍵基因。

李家洋的緊密部署讓他的團隊成員再次感到壓力。“李老師的工作總是具有前瞻性的，這是一項一開始就針對水稻生產的基礎性研究。”一位團隊成員對《科學時報》記者說。

株型是決定作物產量的關鍵因素，理想的水稻株型應該具有分蘗少、無無效分蘗、穗大粒多、莖稈粗壯等特征。針對這一關鍵因素，李家洋和他的團隊開展了長期的基礎研究，而IPA1(Ideal Plant Architecture 1，即理想株型1號)基因的成功克隆，為塑造水稻理想株型的分子育種提供了有重要應用價值的新基因。在水稻的生產方面，早在3年前，李家洋團隊的長期合作者、中國農業科學院中國水稻研究所研究員錢前，就開始通過雜交方式將IPA1基因導入主要水稻品種，進行培育新品種的工作，目前已經得到一些很有前途的中間材料。

基因育種引發的綠色革命

回溯水稻育種史，每一次重大突破無不與某個關鍵基因的發現與大規模應用有關：半矮稈水稻基因的發現，導致了水稻生產上的第一次綠色革命；袁隆平在海南島發現的一株野敗不育水稻，經多年努力，在全國大協作下將三系雜交稻配套成功，再次大幅提升水稻產量。

這次發現的IPA1基因突變后能使水稻植株具有粗稈、抗倒伏、分蘗少等優越性狀，更適合未來農業的發展趨勢，如能很好地利用，將會大幅度提高水稻產量。“我們通過一定面積的田間比對試驗，得出增產10%左右的結果。但這個結果還不精細，如果在種植條件進一步優化的情況下，增產幅度還會提高。”李家洋說。

過去，在基礎研究領域，科學家們更多地關注所研究水稻材料的新穎性，對綜合性狀的聚合、對其應用的關注較少，對水稻理想株型和產量形成的分子調控機制的認識非常有限。然而，株型改良在水稻產量的提高中發揮著重要作用，無論是雜交水稻育種，還是超級稻研究，其核心就在于借助水稻株型的改良來實現水稻單產的躍升。

此前，李家洋課題組通過與錢前的合作，曾發現并克隆了控制水稻分蘗的重要基因。但這個基因卻很難用于提高水稻產量，因為它在減少分蘗的同時，也導致了稻穗變小。于是，課題組開始考慮如何獲得對產量有綜合正效應性狀的材料，如穗子大一些、千粒重多一些，更強壯一些(不易倒伏)，但具備上述性狀的水稻材料很難在生產中找到，而且這種性狀通常是由多個基因控制的。

2003年，他們在田間實驗里偶然發現了一個具有理想株型特征的水稻材料，并分離出控制理想株型的主效數量性狀基因。該基因的突變能夠在生產上得到科學家所夢想的諸多優良性狀，因而被命名為“理想株型1號”(即IPA1)。

如果能夠把IPA1基因用于我國目前已有的高產水稻品種上，有望使高產水稻更高產。李家洋指出，過去育種學家也可能發現過具有這種理想性狀的材料，但由于不清楚其形成的機理，很難應用于高產新品種的培育。現在對該基因的作用機理了解清楚后，就能夠對其加以應用，使其在實際生產中發揮作用。

據介紹，近年來我國水稻單位產量提升緩慢，重要原因就在于水稻產量受多基因控制、性狀復雜，而傳統育種技術難以對水稻產量相關基因進行有效選擇和聚合，只有通過分子育種技術加以解決。在目前技術條件下，理想株型水稻有可能達到畝產1000公斤。中國現在的水稻平均畝產為400多公斤，如果產量增加50%將達到畝產近700公斤，中國的糧食問題就能得到有效解決。而要達到這一目標，在發揮常規育種技術的基礎上，必須通過現代基因育種技術，把抗病蟲、高產、優質、廣適、高效等優良性狀聚合起來，培育出新的優異品種。而IPA1基因的發現，為這一目標的實現提供了堅實的基礎。

雖然IPA1基因具有巨大的應用價值，但廣泛應用到生產上還有很長的路要走。如果把該基因導入一個主要的水稻品種中，其增產潛力有多大？不同的水稻品種具有不同的遺傳背景，這些背景對該基因優異性狀的表現會產生怎樣的影響？這些十分實際但又非常關鍵的問題目前還沒有答案。

通常，一個水稻新品種的培育需要5～10年時間，然而在激烈的競爭形勢下，各國科學家都在努力縮短育種周期，特別是在發現了一個控制水稻高產基因的時候。因此，對李家洋團隊來說，加快眾多優良基因的聚合、培育新品種的任務尤為緊迫。

避免在基礎研究與應用之間“徘徊”

1994年李家洋從美國留學回國，就職于中科院遺傳發育所。李家洋與錢前的合作也隨后開始。當時，錢前做水稻研究，李家洋做模式植物擬南芥研究。后來，李家洋根據國家需求把研究重心轉向了水稻育種關鍵基因的功能研究與利用。

李家洋課題組成員、研究員王永紅告訴《科學時報》記者，李家洋與錢前很早就開始謀劃雙方團隊的研究方向，并始終保持了一種“高姿態的合作”。正是這種持久有效的合作機制，為后來的研究成果搭建了平臺，李家洋團隊做基因克隆、功能分析等上游工作，錢前團隊主要做遺傳材料與育種相關的工作。

然而，如何準確定位自身的研究方向，對于科研人員而言并非一件易事。王永紅說，做基礎研究的要有文章發表，做應用研究的需要出品種，很多人在兩者之間“徘徊”，研究方向時常發生改變，這與科學家對科學的認識及實際環境條件有很大關系。

李家洋認為，解決科學家“徘徊”的最好辦法，就是讓科學家到涉及重大應用的生產領域去尋找基本的科學問題：不抗蟲，就專門解決抗蟲問題；不抗病，就專門攻克抗病問題。這樣的問題每解決掉一個，都是應用領域的重大突破，也必然是科學上的重大進展。“我希望這個基因能夠盡快被應用到生產上，這樣也能給做基礎研究的同行一個示范，就是在從事深入基礎研究的同時，也能為國家的經濟社會發展作出直接的貢獻。”李家洋說，這是他回國十幾年來一直在追求的理想。

發揮上游引領作用加強轉移轉化

回顧我國農業生產及糧食安全保障的歷史，中科院曾作出突出貢獻。上世紀80年代，由中科院主導的農業科技黃淮海戰役取得了輝煌成績，受到中央的充分肯定和全國人民的贊揚。20多年后的今天，中科院對中國農業發展的主要貢獻在哪里？這個問題既像拷問，也像鞭策，一直縈繞在李家洋的心頭，這是作為主管中國科學院生命科學與農業的副院長所必須思考與回答的。

李家洋表示，過去“黃淮海戰役”(指黃淮海中低產田改造——編者)以土、水、鹽堿的治理改造為主，未來這些方面依然是重要內容；但從世界農業增產及發展趨勢來看，最主要的還是優異品種的培育。因此，大力發展上游種業刻不容緩。

生物技術是未來全球經濟發展的動力之一，也是中國戰略性新興產業之一，分子設計育種則是未來農業動植物新品種培育的必然方向。因此，種業的發展事關未來中國農業的發展和糧食安全。中科院要為國家農業繼續作出貢獻，必須在種業發展上有所突破，這是中科院及整個國家必爭的核心領域。

李家洋認為，種子產業非常復雜，涉及研究、生產、推廣體系，其價值鏈貫穿于農業產業的上中下游。中國育種過去注重下游，但對上游重視不夠。雖然現在的情況已經發生了很大變化，中科院仍需要進一步加強上游育種的研究與布局，同時加強對中下游產業化的引領示范作用。

今后，中科院將重點發展種質創新和新品種培育等關鍵核心技術，如中國科學院院士李振聲選育的“小偃6號”，后來誕生出數百個小麥新品種；同時，利用分子生物學的手段加快基因克隆、作用機理的研究，推進成果向下游轉移轉化；加強與企業、農科院的合作，組建產業聯盟，或成立院屬種業公司或中心，這些措施將成為中科院加快成果轉化的必要途徑。

據介紹，“十二五”期間，中科院將加大對重要農作物性狀的關鍵基因的克隆以及機理研究，并快速把這些成果轉移轉化為新品種。同時，中科院還將進一步加強生物農藥、新型化肥、生物殺蟲劑、土壤、抗旱、節水等方面的研究工作；培育具有抗病蟲能力強、生長期短、光合作用強等性狀的新品種；加強動物遺傳育種的研究；推進農業同工業生物技術的不斷結合，從而為新時期我國農業生產的進步發揮關鍵性示范引領作用。