張啟發(fā)：水稻育種的研究、思考以及變革 | NSR專欄
?華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士張啟發(fā)
撰文 | 馬子頌
責(zé)編 | 陳曉雪
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去年六月，100多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者聯(lián)名要求綠色和平組織停止反對(duì)基因修飾作物（GMO）。隨著對(duì)食品需求的不斷增長(zhǎng)，中國(guó)也將面臨著同樣的問(wèn)題：是該重新考慮和評(píng)估基因修飾作物了嗎？水稻是中國(guó)乃至世界最重要的糧食作物之一。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家在水稻功能基因組學(xué)研究領(lǐng)域取得了一系列的重要進(jìn)展，包括基因和調(diào)控機(jī)制的研究以及育種平臺(tái)和技術(shù)的開(kāi)發(fā)。然而，與科學(xué)研究的進(jìn)展相反，基因修飾作物在商業(yè)化、社會(huì)推廣和政策框架方面仍有一些問(wèn)題?！秶?guó)家科學(xué)評(píng)論》（NSR）采訪了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士張啟發(fā)。關(guān)于水稻前沿研究以及轉(zhuǎn)基因水稻的商業(yè)化，他與我們分享了自己的一些看法和見(jiàn)解。
中國(guó)在水稻基因組學(xué)領(lǐng)域取得大幅進(jìn)步
NSR：請(qǐng)介紹一下近幾年水稻研究及育種的重要進(jìn)展。
張啟發(fā)：水稻是第一個(gè)完成全基因組測(cè)序的作物，是功能基因組研究的模式植物。隨著高通量技術(shù)手段的發(fā)展，近幾年我們?cè)谒窘M學(xué)資源和技術(shù)平臺(tái)、重測(cè)序、功能基因的克隆和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析方面取得了系列重要成果。
（1）建立了水稻飽和突變體庫(kù)。國(guó)際上各種類型的插入突變體超過(guò)67萬(wàn)份，大約30萬(wàn)個(gè)插入可定位于基因組上，根據(jù)目前的基因組注釋，水稻有56797個(gè)基因位點(diǎn)，按每個(gè)基因至少有1個(gè)插入點(diǎn)來(lái)計(jì)，這些突變體已標(biāo)記了70%以上的水稻基因。
（2）開(kāi)發(fā)了基于新一代測(cè)序技術(shù)的高通量功能基因組研究平臺(tái)。獲得了來(lái)自446個(gè)普通野生稻品種和1083個(gè)栽培秈稻和粳稻品種的基因組序列，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了農(nóng)藝性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定出大量與性狀相關(guān)的基因位點(diǎn)；中國(guó)農(nóng)科院、華大基因和國(guó)際水稻研究所合作完成了全球3500份水稻核心種質(zhì)的重測(cè)序工作，發(fā)現(xiàn)了數(shù)十億記的SNP位點(diǎn)。
（3）建立了一個(gè)代謝組分析方法和代謝組平臺(tái)。我國(guó)科學(xué)家建立了基于廣泛定向代謝組分析的作物代謝組學(xué)研究平臺(tái)，利用全基因組關(guān)聯(lián)分析，定位了數(shù)百個(gè)控制代謝物含量自然變異的位點(diǎn)，獲得了一批重要代謝物的候選基因，在此基礎(chǔ)上通過(guò)遺傳及生化分析，鑒定了部分基因的功能、解析并重構(gòu)了水稻逆境抗性及營(yíng)養(yǎng)成分相關(guān)的重要代謝途徑。
（4）建立了高通量數(shù)值化表型觀測(cè)平臺(tái)。我國(guó)科學(xué)家研制了一種高通量水稻表型測(cè)量平臺(tái)，可以自動(dòng)獲取水稻株高、葉面積、分蘗數(shù)等15個(gè)表型數(shù)據(jù)。按45秒測(cè)量一個(gè)植株計(jì)算，1天24小時(shí)可以測(cè)量1920個(gè)單株，填補(bǔ)了國(guó)際上水稻表型測(cè)量手段的空白。
（5）開(kāi)發(fā)出水稻全基因組選擇育種芯片?；诨蚪M測(cè)序和功能基因組研究的成果，研制出三個(gè)不同密度（RICE 6K、60K和90K）的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水稻全基因組育種芯片，已經(jīng)成功地應(yīng)用于水稻雜交群體分析、品種鑒定、定向改良以及分子設(shè)計(jì)育種實(shí)踐等，在水稻遺傳研究及育種應(yīng)用中具有非常好的應(yīng)用前景。
（6）確認(rèn)了大量農(nóng)藝性狀的功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在水稻重要農(nóng)藝性狀基因克隆和調(diào)控機(jī)理方面取得了一些重要進(jìn)展。國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)超表達(dá)OsglHAT1基因增加粒重和產(chǎn)量，抗逆相關(guān)基因DRO1和HYR在干旱脅迫下也能提高水稻產(chǎn)量。OsFIE2參與形成水稻的多梳復(fù)合物，調(diào)控水稻種子灌漿。同時(shí)，克隆了調(diào)控根系結(jié)構(gòu)的基因SPIKE和調(diào)控光合碳代謝路徑的基因TGW6，這些都是影響水稻產(chǎn)量性狀的基因。在抗逆基因方面，發(fā)現(xiàn)了光敏色素互作蛋白OsPIL1參與調(diào)控水稻節(jié)間伸長(zhǎng)以及干旱脅迫下的反應(yīng)，蛋白激酶PSTOL1維持水稻在低磷條件下的正常生長(zhǎng)發(fā)育，RSS1蛋白參與逆境條件下細(xì)胞周期的調(diào)控并維持分生組織的活性。成功培育出了耐鹽水稻品種Kaijin。在探究水稻體內(nèi)金屬元素及微量元素的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及基因克隆也取得了重要進(jìn)展。
我國(guó)科學(xué)家在水稻產(chǎn)量、株型、育性、抗逆等重要性狀的功能基因克隆和分子機(jī)理方面的研究成果豐碩，發(fā)現(xiàn)了一大批具有重要應(yīng)用前景的功能基因。尤其是：揭示了獨(dú)角金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的“去抑制化激活”機(jī)制，為調(diào)控分蘗特性培育理想株型水稻建立了分子網(wǎng)絡(luò)。從分子水平對(duì)水稻秈粳雜種不育和廣親和性基因S5的作用機(jī)理進(jìn)行了比較完善的闡述，揭示了水稻秈粳雜種育性調(diào)控的分子機(jī)制，為水稻亞種間雜種優(yōu)勢(shì)奠定了基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)了一個(gè)控制水稻耐冷的基因組位點(diǎn)，揭示了來(lái)源于粳稻的等位基因較為耐冷的機(jī)理，或可應(yīng)用于水稻耐冷性的改良。這三項(xiàng)成果分別發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）、《自然》（Nature）和《科學(xué)》（Science）上，代表了其研究領(lǐng)域的最高成就。
（7）轉(zhuǎn)基因水稻的培育。我國(guó)培育的轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)水稻Bt汕優(yōu)63和華恢1號(hào)于2009年獲得“農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全證書（生產(chǎn)應(yīng)用）”，該安全證書的有效期為5年。2014年，農(nóng)業(yè)部再次頒發(fā)了轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)水稻的安全證書。
近五年來(lái)，《細(xì)胞》、《自然》、《科學(xué)》、《自然-遺傳學(xué)》（Nature Genetics）、《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）、《植物細(xì)胞》（Plant Cell）和《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）等高質(zhì)量期刊發(fā)表的水稻基因的文章，有40%來(lái)自于中國(guó)科學(xué)家，反映了我國(guó)在水稻基因組學(xué)領(lǐng)域的大幅進(jìn)步。
水稻單位產(chǎn)量有上限
NSR：如你提到的，基因修飾可以提高水稻產(chǎn)量。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下能得到的水稻最高產(chǎn)量是多少？單位產(chǎn)量有沒(méi)有一個(gè)理論上的最高上限值？
張啟發(fā)：過(guò)去十多年，關(guān)于單個(gè)基因在特定的遺傳背景下能大幅度提高產(chǎn)量的例子很多，國(guó)內(nèi)克隆的多個(gè)基因（如Ghd7、Ghd8）都有這樣的特點(diǎn)，但要使本已很優(yōu)良的品種進(jìn)一步提高產(chǎn)量就不容易了。
在特定的實(shí)驗(yàn)條件下高產(chǎn)的記錄很多，而且不斷被刷新，如馬達(dá)加斯加有過(guò)每公頃21噸的記錄，我國(guó)云南永勝多年前就達(dá)到每公頃18噸的產(chǎn)量。
水稻單位面積產(chǎn)量的上限值是科學(xué)家們多年來(lái)一直在探討的問(wèn)題。我個(gè)人認(rèn)為是有上限的，這里涉及的因素很多?，F(xiàn)在人們談得較多的有光能利用效率，認(rèn)為提高光能利用效率就能提高產(chǎn)量潛力。在一定階段可能是這樣。但隨著育種水平的提高，最大的制約因素可能在于田間容納量，即田間的群體結(jié)構(gòu)及與之相適應(yīng)的株型。對(duì)一個(gè)特定的地區(qū)，群體結(jié)構(gòu)和株型何以能最大限度地利用光能，何以支撐最高的產(chǎn)量，目前大家都在講的“設(shè)計(jì)育種”應(yīng)該進(jìn)行這方面的模擬和測(cè)算。
中國(guó)水稻育種的目標(biāo)
NSR：提高產(chǎn)量是育種的目標(biāo)之一，然而不同國(guó)家，甚至不同地區(qū)的水稻育種目標(biāo)也不一樣。中國(guó)水稻育種的目標(biāo)和計(jì)劃是什么？
張啟發(fā)：長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)水稻生產(chǎn)面臨一些重要問(wèn)題，如：1）水稻單產(chǎn)持續(xù)徘徊不前；2）病蟲(chóng)害頻發(fā)、化學(xué)農(nóng)藥過(guò)度施用、增產(chǎn)的壓力和化學(xué)肥料的濫用，導(dǎo)致了資源環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的尖銳矛盾；3）水資源匱乏與干旱；4）極端天氣（如高溫、冷害），等。這些問(wèn)題對(duì)水稻生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
目前中國(guó)強(qiáng)調(diào)綠色發(fā)展作為長(zhǎng)期目標(biāo)，我們倡導(dǎo)培育綠色超級(jí)稻，要求新品種抗多種病蟲(chóng)，實(shí)現(xiàn)少打或不打農(nóng)藥；要提高品種對(duì)肥料的吸收和利用效率，大量減少化肥的施用；品種應(yīng)具備節(jié)水抗旱的性狀，減少水資源的使用和干旱造成的損失。
同時(shí)，通過(guò)水稻育種，我們應(yīng)該致力于滿足各類人群對(duì)稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的需求，稻米中還應(yīng)有提高人類健康水平的功能成分，這是目前稻米中所稀缺的。此外，水稻品種還應(yīng)適應(yīng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型、機(jī)械化耕作、輕簡(jiǎn)栽培的需求。上述需求在不同的時(shí)期會(huì)賦予不同的內(nèi)容，這就要求我們的育種目標(biāo)和育種技術(shù)不斷調(diào)整。在政府層面上，品種審定的辦法也要不斷地適應(yīng)新形勢(shì)。
基因編輯技術(shù)在作物育種上有巨大應(yīng)用潛力
NSR：近年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步（如CRISPR基因編輯技術(shù)），對(duì)水稻等作物的研究和育種有著什么樣的意義？
張啟發(fā)：隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，新型基因操作技術(shù)不斷涌現(xiàn)，近年來(lái)興起的以CRISPR為代表的基因（基因組）編輯技術(shù)接近成熟，顯示出強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用潛力，將對(duì)作物的研究和育種帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。具體來(lái)說(shuō)，在基礎(chǔ)研究方面，以CRISPR為代表的基因（基因組）編輯技術(shù)可以很簡(jiǎn)便地徹底失活或開(kāi)啟任意內(nèi)源基因，從而可以廣泛應(yīng)用于基因功能研究。在育種方面，基因編輯技術(shù)產(chǎn)生的基因變異與傳統(tǒng)育種技術(shù)利用的基因變異在分子水平上沒(méi)有差異，現(xiàn)有的技術(shù)手段也不能對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，可以達(dá)到使用轉(zhuǎn)基因方法培育“非轉(zhuǎn)基因”產(chǎn)品的效果。目前大家都看到了基因組編輯技術(shù)在育種上的巨大應(yīng)用潛力，但大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用還要一定時(shí)間。
應(yīng)積極促進(jìn)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
NSR：從實(shí)驗(yàn)室研究成果到商業(yè)化產(chǎn)品需要經(jīng)歷一個(gè)怎樣的過(guò)程？
張啟發(fā)：以轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化為例，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培育出轉(zhuǎn)基因材料之后，還需要經(jīng)過(guò)中間試驗(yàn)、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗(yàn)、安全證書申請(qǐng)等環(huán)節(jié)，在此期間還必須完成環(huán)境安全和食用飼用安全的充分評(píng)價(jià)。獲得了安全證書之后，轉(zhuǎn)基因作物還需要進(jìn)入作物品種審定程序，還需要獲得轉(zhuǎn)基因種子的生產(chǎn)許可和經(jīng)營(yíng)許可，最后才能進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。在順利的情況下，完成這個(gè)過(guò)程需要10年以上。
2009年農(nóng)業(yè)部給我們研發(fā)的轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)水稻“華恢1號(hào)”及“Bt汕優(yōu)63”頒發(fā)了安全證書，事實(shí)上，該轉(zhuǎn)基因材料1988年就已培育成功，1999年通過(guò)農(nóng)業(yè)部組織的專家鑒定，顯示出非常優(yōu)良的抗蟲(chóng)效果。目前，我們與全國(guó)主要水稻產(chǎn)區(qū)的育種單位緊密協(xié)作，以“華恢1號(hào)”為親本通過(guò)回交轉(zhuǎn)育的方法，培育了一批抗蟲(chóng)性好，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的雜交水稻組合，隨時(shí)可以推向市場(chǎng)。雖然農(nóng)業(yè)部給轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)水稻頒發(fā)了安全證書，但至今卻沒(méi)有出臺(tái)配套的轉(zhuǎn)基因水稻品種審定管理辦法，這是目前的問(wèn)題。
美國(guó)農(nóng)業(yè)部2014年發(fā)表的數(shù)據(jù)表明，美國(guó)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)玉米的產(chǎn)業(yè)化，使得近年來(lái)美國(guó)的玉米生產(chǎn)減少農(nóng)藥用量90%以上。如果我國(guó)抗蟲(chóng)水稻能產(chǎn)業(yè)化，也應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生類似的效果。美國(guó)的FDA近一年來(lái)先后批準(zhǔn)了轉(zhuǎn)基因蘋果和轉(zhuǎn)基因三文魚(yú)的上市，雖然在世界上引起了不小的轟動(dòng)，但并沒(méi)有引起社會(huì)問(wèn)題。因此，我們應(yīng)該在中國(guó)社會(huì)澄清對(duì)基因修飾生物的擔(dān)憂，積極促進(jìn)我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，不僅可克服作物改良的技術(shù)瓶頸，還將解決我們所面臨的食品安全問(wèn)題的挑戰(zhàn)。
英文原文2016年10月14日發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR），原標(biāo)題為“Research, rethink and revolutionize rice breeding: an interview with Qifa Zhang”。NSR是科學(xué)出版社旗下期刊，與牛津大學(xué)出版社聯(lián)合出版。《知識(shí)分子》獲NSR和牛津大學(xué)出版社授權(quán)刊發(fā)該文中文翻譯。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nww056
制版編輯：陳曉雪丨
