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撰文 | 鄧興旺（北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院教授，美國科學院院士）

責編 | 程莉

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農(nóng)作物為人類在地球上的生存繁衍提供了最基本的保障，是人類長期的經(jīng)驗積累和智慧的結(jié)晶。然而，農(nóng)作物是如何被人類從自然界推上餐桌的呢？從生物學角度上來看，這些農(nóng)作物究竟是怎么來的？它們和其祖先有哪些不同？又是什么東西決定它們變成了現(xiàn)在的樣子？我們現(xiàn)在又如何把它們變成我們更喜歡、更需要的樣子呢？

在回答這些問題之前，讓我們先來了解一下“馴化”這個概念。

通俗地講，馴化就是我們的老祖宗從山上或者草地里看到合適的、心儀的野生植物，把它們帶回住地去人工栽培繁殖，隨著時間的推移，老祖宗們不斷地選擇他們喜好的那些植物（好吃的、產(chǎn)量高的等）保留下來，下一年接著種。這樣，最開始的野生植物就慢慢變化成為了我們今天栽培的作物。

世界主糧作物主要有三大類：玉米、水稻和小麥。據(jù)考證，其中水稻起源于中國。約9000多年到約1萬年前，中國人的祖先就已經(jīng)開始種植水稻了，在水稻的馴化上為全世界作出了巨大的貢獻。玉米起源于南美州的墨西哥，準確地說是墨西哥西南部的一個盆地。而小麥則起源于亞洲西部目前依然戰(zhàn)亂頻發(fā)的地方，包括伊拉克、敘利亞、黎巴嫩等，可以說兩河流域文明孕育了麥類。到現(xiàn)在這三大主糧在全球種植和食用，人類的祖先對這些作物進行了幾千上萬年的馴化，這實際上就是一個有意識和無意識的農(nóng)作物品種培育過程。在這個過程中，基因起著決定性作用，基因的變化決定了農(nóng)作物從古到今的變化。

那么，基因是什么？專業(yè)地講，基因是具有遺傳效應的DNA（即“脫氧核糖核酸”的英文首字母縮寫）片段，而DNA是由包含腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（分別以A、G、C和T表示）四種堿基的脫氧核苷酸通過堿基之間互補配對的方式，按一定的順序排列連接而成的螺旋狀雙鏈大分子物質(zhì)。通俗地說，基因就是生物體中決定這種生物體長成什么樣子、具有什么樣的特性，而且還能把這些樣子和特性傳遞給它的后代的一種物質(zhì)。不同基因中上述四種堿基（A、G、C、T）排列順序的差別就決定了各個基因控制的特性不一樣。

了解基因的概念后，作物馴化育種的過程就好理解了。

?圖1.左：玉米的祖先墨西哥類蜀黍（又名大芻草）；右：現(xiàn)代玉米（圖片來源：Doebley, 2014, Annu. Rev. Genet. 38:37–5）。

先來看看玉米的馴化。

玉米，在我國又被稱為玉蜀黍、包谷、苞米、棒子等等，從這多樣的中文名中就知道玉米傳入我國后廣受各地區(qū)百姓的喜愛。但你可知道玉米的祖先是怎樣一個容貌？圖1左邊顯示的就是玉米的祖先，右邊則是現(xiàn)代玉米（圖1）。

現(xiàn)在的玉米大同小異，而和它的祖先相比變化就非常大，要是沒有科學研究驗證那就是玉米的祖先的話，幾乎沒人能猜出來，其差別堪比變魔術。

首先，祖先玉米分很多杈，分出很多桿，而現(xiàn)代玉米只有一個桿。

其次，現(xiàn)在的玉米一般只長一個棒子，而祖先玉米就能結(jié)出多個棒子。

此外，現(xiàn)代玉米的玉米粒就長在一個玉米棒上，而且外面是沒有殼的，摳下來直接就可以吃，而祖先玉米的玉米粒外面有一個很硬的殼，不能直接吃（圖2）。

祖先玉米在馴化過程中是怎么變成現(xiàn)在的這個樣子呢？這就要提到美國著名遺傳學家喬治·比德爾（George Beadle），他因發(fā)現(xiàn)基因的跳躍性而獲得1958年諾貝爾獎。

退休以后，喬治就到農(nóng)場做了一個很有意思的實驗。這個實驗的規(guī)模很大，要用很多畝地，一般的教授用不起，他因為是諾貝爾獎獲得者，沒有資金的問題，就能做這個實驗了。經(jīng)過實驗以后他提出了一個假說，認為從祖先玉米到現(xiàn)代玉米只有約五個基因發(fā)生了變化。這在當時是很有爭議的一件事，很多人并不相信其可能性。1998年，這個假說被另外一位科學家約翰·多布利（John Doebley）證明。他證明了從祖先玉米到現(xiàn)代玉米的轉(zhuǎn)變可能就只是幾個基因的作用，當然不一定是五個。

玉米棒子從古代到現(xiàn)代慢慢演變的過程，從不同年代的化石中都能找到證據(jù)?？茖W家最關鍵的實驗最后證明，祖先玉米和現(xiàn)代玉米主要的性狀（指生物體所表現(xiàn)的形態(tài)結(jié)構、生理生化特征和行為方式的統(tǒng)稱，簡單來講是植物易于觀察和測量的特征）差異和6個基因有關，也就是說這6個基因的變化使得祖先玉米變成了我們現(xiàn)在看到的玉米的樣子。

每一個基因的變化都非常小，但其帶來的總體影響卻是很大的。一個基因能夠把玉米的多個分杈變成一個分杈，準確地說，那個基因并沒丟失也沒有被破壞，只是活性被稍微調(diào)低了。這就像踩油門，以前踩得比較重，現(xiàn)在踩得輕一點，結(jié)果就不一樣了。活性調(diào)低一點點就使分杈的玉米變成了我們現(xiàn)在一直種植的玉米。

另外，祖先玉米粒外有個很硬的殼，砸開殼后玉米粒才能出來。13年前，科學家搞清楚了玉米粒由硬殼到無殼的演變是由一個基因tga1的變化導致的（圖2）。

?圖2.玉米tga1基因突變把玉米粒從果殼里解放出來（圖片來源：https://teosinte.wisc.edu/images.html；Wang et al., 2005, Nature436:714–719）。

大家要是在戶外，特別是南方比較潮濕的草地上走路，一不留意就可能踩到野生水稻。野生水稻和草在外形上沒什么區(qū)別，都是趴在地上長的，有很多性狀和栽培稻（即我們現(xiàn)在的水稻）不一樣（圖3）。

栽培稻是我們的祖宗根據(jù)自己的需要反復選擇而保留下來的，它和野生稻祖先的差別非常大，一個是匍匐生長（野生稻），一個是直立生長（栽培稻）。這就像我們?nèi)祟惖倪M化一樣，從趴在地上四肢爬行逐漸演變成直立行走。水稻從原始到現(xiàn)代，也有一個從趴著到站著的轉(zhuǎn)化過程，科學家最近的研究發(fā)現(xiàn)，從野生稻趴在地上生長變成栽培稻直立生長，實際上也是由于一個基因活性的改變造成的，卻是水稻的一個非常重要的性狀改變。

?圖3.水稻PROG1基因的改變使野生稻（左）的匍匐生長變成了現(xiàn)代栽培稻（右）的直立生長（圖片來源：Tan et al., 2008, Nat. Genet. 40:1360–1364）。

水稻站起來的過程，還伴隨著許多其它性狀的改變。

原始的野生水稻籽粒成熟一粒掉一粒，仔細想想這實際上對一個物種是有利的，水稻生長在地球上，其目的不是被我們吃，而是作為一個物種繁衍后代。我們把水稻作為糧食來專門填飽我們的肚子，目標改變了，所以對它的要求也不一樣，我們要求它變成現(xiàn)在的這個樣子：直立生長，不易落粒，還要產(chǎn)量高，穗要緊湊，穗太散了不利于高產(chǎn)?，F(xiàn)在的栽培水稻籽粒，單純觸碰它是掉不下來的，還需要收割后人工脫粒，這樣收糧食時才不會損失。從落粒到不落粒，這完全是為了解決人類的吃飯問題?？茖W家發(fā)現(xiàn)，這個性狀的轉(zhuǎn)變也是由于一個基因中的一個堿基的變化造成的，這個變化在自然界中偶然巧合地發(fā)生，造成了性狀的改變后我們的祖先便把它收留并傳下來了。

在穗型方面，很發(fā)散的穗型要高產(chǎn)是不可能的。這跟舉重運動員似的，平著胳膊舉和彎起胳膊舉是不一樣的。所以穗就要變成緊湊型，每一個穗上面的承重量要提高，這樣才能高產(chǎn)。穗型從發(fā)散到緊湊的原因也被研究清楚了，同樣是因為一個基因里面的一個堿基發(fā)生了變化。

此外，栽培稻的演化過程中，還有一個性狀發(fā)生了明顯的改變?，F(xiàn)在的水稻沒有芒或者芒很短，而野生稻的芒是現(xiàn)代栽培稻的幾十倍長，芒上面還有很多刺（圖4）。野生稻為什么有這么多芒？首先，有了芒，鳥就不敢吃了，因為吃了以后芒會扎它的脖子和喉嚨。同一個地方一邊種野生稻，另一邊種現(xiàn)代栽培稻，鳥只會吃沒有芒的栽培稻。其次，一個帶芒的籽種掉下地就像炸彈落地一樣，有一個頭、一個尾，就知道哪一頭先著地，而且每一次情況都相同，這樣它在土里扎的深，不容易水一淹就漂走了。芒還有一個好處，就是幫助籽粒粘附在動物身上被動物帶走，從而廣泛傳播，所以野生稻的這種性狀是有利于其傳宗接代的。而現(xiàn)代栽培稻無芒或短芒的特征卻有利于種子的收獲、儲藏和加工，從而提高了稻米產(chǎn)量。

?圖4. 水稻芒的馴化。A和C中左、B中上為野生稻，A和C中右、B中下為栽培稻（圖片來源：Mach,2015, Plant Cell 27:1818）。

上世紀五六十年代，在農(nóng)作物育種歷史進程中發(fā)生了一件對人類生存影響深遠的大事情，那就是眾所周知的“綠色革命”。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，整個世界進入了相對和平的時期，大家不打仗，都回家生孩子去了，于是出現(xiàn)了所謂的“二戰(zhàn)嬰兒潮”，導致世界人口急劇增長，直接結(jié)果就是糧食供應跟不上了。綠色革命就是在那一段時間內(nèi)為了解決人們的吃飯問題而發(fā)生的一場農(nóng)業(yè)科技革命。

在這場革命中，美國著名育種家諾曼·布勞格（Norman Borlaug）起到了非常重要的作用。當時，墨西哥種植的小麥植株都比較高，把營養(yǎng)都消耗在了長高上，用在結(jié)種上的營養(yǎng)必然減少，也就必然會影響產(chǎn)量。小麥個子高除了消耗額外的能量外，更不利的是植株過高會頭重腳輕，作物立足不穩(wěn)，較容易發(fā)生倒伏，造成產(chǎn)量嚴重損失。1953年，諾曼·布勞格培育出了矮桿、半矮桿小麥（圖5），這些矮個子小麥莖稈粗壯，植株在比較矮的時候就進入開花結(jié)實的階段，可以使植株把更多的營養(yǎng)用在結(jié)籽上，高度降低也不易發(fā)生倒伏，產(chǎn)量得到了大大的提高。

隨后，國際水稻研究所也進行了矮桿水稻的培育和種植。這些矮桿作物被逐漸推廣到世界許多國家和地區(qū)后，幾十年內(nèi)，世界糧食產(chǎn)量因此翻番，從根本上扭轉(zhuǎn)了上世紀后半時期全球饑荒的局面，拯救了許多人的生命。這個過程因此被稱為“綠色革命”，諾曼·布勞格也被稱為“綠色革命之父”，他因此于1970年拿到諾貝爾和平獎。

從高桿到矮桿的變化原因現(xiàn)在也搞清楚了，不同作物演變過程中產(chǎn)生的株高差異都是由于單個基因的活性改變造成的，這表明一個基因活性的改變就能夠產(chǎn)生翻天覆地的變化。

?圖5. 諾曼·布勞格和他培育的矮個子小麥（圖片來源：https://politikon.es/）。

除了上面所提到的主糧作物的馴化與育種外，其它作物的馴化過程也和基因的改變密切相關。

我們在世界各地的超市中見到各式各樣的西紅柿，它們具有不同顏色、不同形狀和不同大小（圖6）。而實際上，所有的西紅柿都是從同一個祖先進化過來的?？赡茉谖覀冏嫦鹊呐嘤^程中，西紅柿的某一個基因稍微改變了，它的某一個地方就又不一樣了。和祖先西紅柿相比，現(xiàn)在的西紅柿有很多不一樣的性狀，有圓的、有葫蘆樣的，有大的、有小的，有黃色的、有橙色的，還有葉子不一樣的，有的可以幾年不死，一直生長，有的植株長到某一個階段頂端就沒了，就成熟了，等等。每一個重要的變化都是由一個或者幾個基因造成的——記住這點非常重要。

?圖6. 基因的變異導致大小、形態(tài)和顏色各異的西紅柿（圖片來源：自照及網(wǎng)絡共享圖片）。

上面這些例子總結(jié)起來說明了什么？

植物（包括農(nóng)作物）有3萬到十幾萬個基因，比人的基因還多（人只有2萬多個基因）。遺傳學的規(guī)律就是基因決定性狀，因此“種瓜得瓜、種豆得豆”，這是我們祖先幾千年來總結(jié)出的規(guī)律?，F(xiàn)在世界上很多奇特的植物，無論是漂亮的或者難看的，它的性狀都是由它的基因決定的，很多個基因的組合就決定了它們的樣子，而且這些基因傳給下一代，下一代還是長成這個樣子，也就是說，它能記住自己的樣子。

然而，基因的一個很小很簡單的的改變，就可能產(chǎn)生我們?nèi)庋劭吹降木薮笞兓?。所以，基因在農(nóng)作物馴化過程中起著決定性作用。作物最初的育種是從馴化開始的，馴化就是我們的老祖宗挑自己喜歡的作物，每年這么挑，但是不知道作物為什么會這么變?，F(xiàn)在，我們對作物就有了各種要求，需要什么？想找什么？育種逐漸變成職業(yè)性的工作。而且我們知道了不管性狀怎么變，都是基因改變的結(jié)果。所以，我們要做的所有這些事情本質(zhì)上都是對基因進行一些改變。當然，改變基因有不同的方法，對應的就有不同的育種方式（圖7），隨著科學技術的進步，人類通過改變基因來改造作物的方式也在不斷改進。

?圖7. 農(nóng)作物育種方式的變化。

早在1761年，有些科學家就開始把屬于同一個物種但是性狀不同的植物品系通過雌蕊、雄蕊進行雜交，從雜交后代中尋找性狀不同的作物，這個方式叫作常規(guī)雜交育種。也就是說，這個品系有一個好的性狀，那個品系有另一個好的性狀，把它們拿來雜交以后形成一個新的品種，里面兼具了這兩個品系好性狀的優(yōu)勢。這種育種方式只有親本原來分別具有不同的優(yōu)良性狀時才可行，而且育種時間長，下一代是否符合要求也是隨機的，因此很有局限性。

依靠自然的變化太慢了，我們祖先經(jīng)過幾千上萬年，才把水稻產(chǎn)量提高到畝產(chǎn)100多斤。到了上世紀30年代，一種叫做誘變育種的育種方式開始出現(xiàn)。通過誘變育種，現(xiàn)在的育種家?guī)资昃桶阉井a(chǎn)量從100多斤提高到了1000多斤，有的還達到了1000多公斤。

這個加速的過程，說白了就是基因加速變化的過程。先用一個辦法讓基因高倍變化，百萬倍或者億萬倍地變化，基因變完之后，育種家們在這些因基因而改變了的眾多性狀中選我們所需要的，這樣就把可選性狀的范圍大大提高了。這點對我們現(xiàn)在的育種非常重要，因為有很多誘變后新出現(xiàn)的性狀是以前沒有的，例如剛才看到的西紅柿，在自然界中實際沒有那么多種類，現(xiàn)在都有了。

轉(zhuǎn)基因育種是上世紀70年代末80年代初出現(xiàn)的一種新的育種方式。前面兩種育種方式都是利用現(xiàn)有的植物中的基因，而轉(zhuǎn)基因育種是我們可以引入一個植物中本來沒有的基因。除了在植物之間進行轉(zhuǎn)基因外，我們甚至可以把動物或者細菌中對人類有利的基因轉(zhuǎn)到植物里面，從而可以跨物種利用基因。

那么，轉(zhuǎn)基因究竟是個什么東西，它是怎么實現(xiàn)的？

這首先得從一種細菌——農(nóng)桿菌說起。農(nóng)桿菌實際是上個世紀初期有人開始研究植物腫瘤時發(fā)現(xiàn)的。植物在根和莖交界的地方經(jīng)常長瘤子，和人的癌癥一樣，是細胞沒有控制地分裂的結(jié)果，稱為植物根瘤，即植物癌癥（圖8）。

?圖8.農(nóng)桿菌誘發(fā)碧根果根部腫瘤（圖片來源：https://ca.wikipedia.org/wiki/Agrobacterium_tumefaciens）。

當時，美國研究植物癌癥、動物癌癥、人的癌癥的科學家都是在一個癌癥協(xié)會——美國癌癥協(xié)會，主席是研究植物癌癥的。科學家在研究過程中發(fā)現(xiàn)了很多有意思的現(xiàn)象。例如，植物根瘤腫塊是由一種叫農(nóng)桿菌的細菌引起的，有意思的是，植物的腫塊長出來后細菌就不見了，但是沒有細菌后腫塊自身還可以長。這是怎么回事？原來，農(nóng)桿菌個子長長的，像桿子一樣，它有一個神奇的功能，就是它能把自己的一小段環(huán)形DNA從自身一個細胞里面轉(zhuǎn)移出來，然后轉(zhuǎn)入植物細胞，經(jīng)過植物細胞的細胞壁、細胞膜，一直送到植物的細胞核里面，最后把這段DNA整合到植物的基因組里面，也就是植物的染色體DNA上面去。

這是一個非常艱難的過程，你想象不出來它是怎么才能實現(xiàn)的。因為這個過程一旦啟動就不能逆轉(zhuǎn)了。所以在它啟動時，要在該段DNA上面包裹很多蛋白質(zhì)，每一種蛋白質(zhì)都有不同的功能，DNA轉(zhuǎn)運的每一步都需要一個蛋白質(zhì)機器運轉(zhuǎn)。就像我們的載人火箭，所有設備都齊全后先發(fā)射，然后丟一節(jié)火箭，然后又要丟這個艙那個艙，而不是說等到需要時再臨時制造一個。所以說DNA轉(zhuǎn)運是個很復雜的過程，最后實現(xiàn)的目的就是把農(nóng)桿菌的DNA轉(zhuǎn)到植物里面去，而且是很準確的轉(zhuǎn)移。

農(nóng)桿菌干這么復雜的工程是為了什么？其實，農(nóng)桿菌做的這件事是很自私的事。它轉(zhuǎn)移到植物中的DNA里面大概有三個基因，這些基因讓植物細胞玩命地分裂，長成癌癥。分裂以后讓植物細胞同時分泌一種特殊的氨基酸，這種氨基酸是一個正常氨基酸加一個特殊的修飾，別的植物、細菌都不能利用這種特殊的氨基酸，唯獨這種農(nóng)桿菌本身可以利用。植物細胞分泌以后該氨基酸就滲透到土里面，其他農(nóng)桿菌就在土里面等著用這個東西。上面這整個過程相當于細菌通過很高超的技術把它的一段DNA送到植物里面，植物就玩命地給它生產(chǎn)它需要的東西，相當于這個細菌有了自己專屬的制造工廠。順便提一句，農(nóng)桿菌只能特定地感染植物，將它的DNA轉(zhuǎn)移到植物中去，而對于動物，它是不能感染的，更不能將它的DNA轉(zhuǎn)移到動物中去。

弄清楚農(nóng)桿菌向植物轉(zhuǎn)移基因的原理后，科學家們就想怎么把這個技術用在育種上。既然細菌把一段DNA送到植物里面去就可以讓植物干那段DNA中基因干的事，那么，在那段DNA上換上我們需要的基因，再利用上面的運送系統(tǒng)送到植物里面去，那不就是轉(zhuǎn)基因植物了嗎？所以我們說的轉(zhuǎn)基因植物，就是利用這個原理把一個基因放到植物里面去?，F(xiàn)在應該說大部分的轉(zhuǎn)基因植物的產(chǎn)生都是用這個方法。

還有別的比較低等的轉(zhuǎn)基因方法，例如基因槍法，其相當于把基因裝在子彈上，然后打到植物里面去。雖然也可以用，但原理講不清楚，沒有技術含量。

上世紀80年代初，經(jīng)過多方面合作，成功實現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化，抗除草劑大豆是第一個真正大面積推廣的轉(zhuǎn)基因作物。后來，抗蟲轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆和轉(zhuǎn)基因馬鈴薯也成功開發(fā)并得到推廣利用，使殺蟲劑的使用量大大減少（圖9-圖11）?？瓜x是利用了蘇云金桿菌的一種蛋白質(zhì)——Bt蛋白，這種蛋白質(zhì)被鱗翅目昆蟲吃后卻不被消化，蟲子吃著吃著就餓死了，而對非鱗翅目之外的生物比如人類，不會有這樣的危害。

有人會問，現(xiàn)在我們的常規(guī)育種手段為什么不能達到抗蟲目的，而一定要通過轉(zhuǎn)基因手段才能實現(xiàn)呢？實際上，作物的一些蟲害，用傳統(tǒng)的方法也可以對抗，但是對某些蟲害，不一定能找到一個好的方法解決。有些蟲害是在農(nóng)作物大面積種植過程中產(chǎn)生的。野生植物例如野生小麥、野生水稻可能根本就沒有那種害蟲，因為長的面積小，害蟲也繁殖不起來。但如果每年都種，有一些蟲子專門喜歡人工種植的玉米或者小麥，它們就有了一個非常好的繁殖方式和場所，所以慢慢就變成作物最大的蟲害了。有的時候你會在另外一個地方找到一株能很好地抗這個蟲的植物，你就可以把它挪過來種植。但是大多時候是找不到的，這種情況下我們可以做誘變育種，隨便誘變出一大堆植物材料，說不定其中就有抗這種蟲的植物。但這種辦法隨機性太強，不容易成功。

更好的方法是找一個蟲子，看什么東西能夠讓它吃了就生病，然后就用那個東西來對付蟲子。那具體怎么來對付呢？在轉(zhuǎn)基因抗蟲之前有一個辦法，就是把蘇云金桿菌發(fā)酵，發(fā)酵以后產(chǎn)生蟲子吃了會生病的蛋白質(zhì)，再把這種蛋白質(zhì)制成粉末，最后把粉末噴灑在植物上面，這樣也能產(chǎn)生抗蟲效果，這個辦法叫生物農(nóng)藥抗蟲。但對付蟲子最好的辦法是直接把那種蟲子害怕的東西放到植物里面去，植物就抗這個蟲了，這就是轉(zhuǎn)基因抗蟲的道理——把抗蟲基因轉(zhuǎn)到植物里，讓植物自己產(chǎn)生抗蟲蛋白，蟲子吃了就活不下去了。

所以，有的時候生物農(nóng)藥抗蟲和轉(zhuǎn)基因抗蟲用的是同一個東西，只是生產(chǎn)或者是產(chǎn)生這個東西的方法不一樣。但是“授人以魚不如授人以漁”，讓植物自身直接生產(chǎn)最省心省事，一次性辦好就不用再管了，畢竟每年噴灑生物農(nóng)藥也挺麻煩的。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因技術發(fā)展到在一個轉(zhuǎn)基因植物里面同時放進十幾個甚至幾十個基因都沒問題的程度，這樣可以使一種轉(zhuǎn)基因植物具有各方面優(yōu)點，例如既抗蟲又抗病還耐除草劑。目前，美國本土耕地上種植的轉(zhuǎn)基因大豆和玉米種植面積占每個作物總面積的百分比分別達到了94%和96%。實際上美國人自己吃的和出口的大豆和玉米基本上都是轉(zhuǎn)基因，美國人自己不吃是做不到的。

?圖9. 轉(zhuǎn)基因玉米能有效抵御歐洲玉米螟的侵害，圖中上為轉(zhuǎn)基因玉米，下為非轉(zhuǎn)基因玉米（圖片來源：網(wǎng)絡共享圖片）。

?圖10. 轉(zhuǎn)基因馬鈴薯能有效抵御科羅拉多馬鈴薯甲蟲的侵害（圖片來源：網(wǎng)絡共享圖片）。

?圖11.種植轉(zhuǎn)基因玉米能大大減少殺蟲劑的使用量（圖片來源：Science 2013, 341:731）。

2013年又出現(xiàn)了一個重大的科學技術進步，導致一個全新育種方式即基因編輯育種的出現(xiàn)。

之前誘變育種中的基因誘變都是隨機的，有數(shù)以兆計的堿基變化，哪個變哪個不變控制不了，而2013年以后就可以控制了。推測某一個基因的作用后，就可以用基因編輯的方法精準調(diào)控，讓這個基因的特定堿基發(fā)生改變，向著我們需要的性狀的方向改變，這就叫基因編輯育種。這樣的育種方式的改變是翻天覆地的，而且用起來更簡單，比轉(zhuǎn)基因育種用起來還簡單一些，而且用完以后不留下任何痕跡，只是某個基因或者某一個堿基變了，沒有任何別的東西在新的品種中留下來，是非常安全的。

從1998年開始，隨著對基因的了解增多，出現(xiàn)了分子輔助育種。以前我們看到一個新的性狀要等植物開花結(jié)果了才知道它好不好，現(xiàn)在通過分子標記，在種子階段或者苗期階段就能知道性狀的好壞，就能進行育種了，這樣節(jié)省了很多時間。

十多年前，科學家又提出分子設計育種的設想。我們知道關于植物和基因一定的知識以后，現(xiàn)在我們想要什么東西，希望作物（例如水稻）長成什么樣子，就可以進行設計了。因為我們需要的性狀中每一個都由某一個基因的狀態(tài)決定，把這幾個基因組合起來，從而在一個作物里面同時實現(xiàn)我們所需要的各個性狀，這個作物就是我們想要的品種。

我們現(xiàn)在對事物的認識理解多了，所以有能力針對農(nóng)民的實際需求專門做一些事情來解決一個問題。這也是分子設計育種的體現(xiàn)。

十年前我組建了一個水稻研究團隊來解決一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的實際問題。

在南方江浙、長江下游、廣東、福建、江西、湖南、廣西等水稻種植面積大的省，直播稻非常多，因為年輕的人都打工去了，留在家里的都是老弱婦幼。因為種水稻挪秧、插秧太累，所以現(xiàn)在種水稻的農(nóng)民特別喜歡把種子撒在地里，三個月后收稻子就行了，這樣做簡單，所以直播稻越來越多，廣東有的直播地已經(jīng)用了近20年了。但是后果是雜草多了，產(chǎn)量也就降低了。直播稻用的年份太長，現(xiàn)有的除草技術已經(jīng)不行了。在水稻田里，對于和水稻長得差不多的雜草，我們找不到一種農(nóng)藥只把它打死，有的農(nóng)藥把草打死的同時把水稻也打死了。

于是，我們就想了一個辦法，通過剛才提到的誘變育種培育出一個抗某一種除草劑的水稻，我們把它稱為“潔田稻”，然后你只要種這種水稻，再用那種除草劑一噴，就可以達到除去雜草而不傷害水稻的目的（圖12）。而且這個方法可以節(jié)省很多成本，農(nóng)民自己除草一年每畝大概花200到300元。這個技術從2014年開始推廣，現(xiàn)在在全國多個省份推廣。農(nóng)民對這個事情還是非常感興趣的，因為農(nóng)民只有看到鄰居用了后確實有效果才會感興趣，光跟他說是沒有用的。我們連續(xù)推廣了好幾年，2018年6月份還做了成果鑒定，都認為是挺好的事。到目前為止，在全國除了青海和西藏以外的其它省份里都在示范推廣（那兩個地方估計極少種植水稻）。2018年示范已達近千個地點，參與的農(nóng)民特別喜歡，他們很愿意接受這件事情。

?圖12. 應用于水稻直播的潔田稻（圖中左上），將潔田稻與專用除草劑配套使用，既能降低化學除草的風險，又能降低用藥成本（減少化學除草劑的使用量和施用次數(shù)），有效防止雜草和“落田谷”，避免雜草對水稻的危害，并能提高稻谷的商品性（無雜谷）。（圖片作者提供）

通過上面的介紹，我們知道，作物馴化的過程實際上是一個作物中基因改變的過程，這個過程貫穿在人類千萬年的農(nóng)作物育種中。以前我們的祖先只能采用傳統(tǒng)的育種方式，只看到了改變的結(jié)果，不知道改變的原因?，F(xiàn)在，我們知道改變控制性狀的基因后，就有了許多新的育種技術，這些建立在現(xiàn)代生物技術之上的育種方法是一個大的趨勢。但是，這些育種新技術都是建立在老技術基礎上的，所做的還是同一件事，還是在育種，實施過程中還需要在田里進行篩選、雜交——這些事情和我們從幾個世紀前就開始的雜交育種是同一個套路。只是那個時候我們也不知道什么能成，就試一下，碰到了找到了就成名致富了，找不到就被別人遺忘了。而現(xiàn)在我們有很多新手段新方法，獲得新的、好的農(nóng)作物品種的時間大大縮短了。

我們期待科學技術進步所引導的作物育種的進步，在不久的將來能為人類帶來新的革命性的變化。 

（感謝北京大學的何光明，郝宸，張靈鳳的修改建議。 2018-10-22）              

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