一粒種子可以改變世界，然而如何才能“多快好省”地培育出高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)的“黃金”種子？

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋課題組、中國科學院上海生命科學研究院韓斌課題組和中國農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所錢前課題組經(jīng)過了20多年的密切合作、協(xié)同創(chuàng)新，給出了答案——這粒種子可以在“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機理及品種設計”項目中找到。

2018年伊始，這一李家洋團隊完成的項目被授予2017年度國家自然科學獎一等獎。

育種學家站在農(nóng)業(yè)科技的最前沿。在水稻領域，為了突破產(chǎn)量瓶頸，育種學家提出了理想株型的概念。

“對水稻來說，高產(chǎn)往往帶來品質(zhì)差、抗病蟲害能力低的問題，但有些性狀好的水稻卻常常不會太高產(chǎn)。‘秈稻的產(chǎn)量，粳稻的品質(zhì)’，即培育出分蘗數(shù)適宜、莖稈強壯、穗大粒多的高產(chǎn)理想株型品種，同時又具有優(yōu)良的食用品質(zhì),這就是我們團隊夢寐以求的‘理想型’水稻。”李家洋說。

而傳統(tǒng)的雜交育種方式周期長，育成一個新品種往往需要10年以上，并面臨著品種間遺傳多樣性狹窄、效率低等問題。遺傳學、分子生物學和基因組學的發(fā)展為育種學家用“魔術之手”變出“理想型”水稻帶來了希望。

在20年間，李家洋團隊采用了一種和轉(zhuǎn)基因技術不相同的育種路線——通過品種設計進行多基因復雜性狀的定向改良，達到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標。

“轉(zhuǎn)基因技術是將外源基因轉(zhuǎn)到待改良的目標材料中，而品種設計育種中所需要的所有基因都是水稻基因，通過分子技術手段進行檢測，來決定哪些基因是我們需要的、哪些基因是不需要的。”韓斌說，這就像搭積木，他們有針對性地選擇需要的“積木”，更快更好地搭建出需要的“建筑”。

具體來看，李家洋團隊育種路線是這樣的：高效發(fā)掘利用水稻優(yōu)異種質(zhì)資源，搞清楚水稻產(chǎn)量和品質(zhì)等復雜農(nóng)藝性狀形成的分子基礎與調(diào)控網(wǎng)絡、繼而進行水稻分子設計育種，在此基礎上建立了分子設計育種的理論與技術體系。

這些理論和技術體系讓團隊走在了世界育種前列，并找到了一個理想株型形成的關鍵基因——IPA1。這項成果在水稻株型研究領域中引起震動，入選“2010年度中國科學十大進展”。

“此后，我們挖掘了多個有應用價值的IPA1優(yōu)異等位變異，利用分子標記輔助選擇等方法，將理想株型基因?qū)雰?yōu)質(zhì)秈稻和粳稻骨干親本，向國內(nèi)水稻育種單位發(fā)放理想株型種質(zhì)2000余份次。”錢前說。

夢想照進了現(xiàn)實。團隊實現(xiàn)了水稻質(zhì)與量的“完美協(xié)調(diào)”后，終于育成了“理想型”水稻——“嘉優(yōu)中科”系列水稻新品種。

這些品種具有株高適宜、分蘗適中、無效分蘗很少、莖稈粗壯、根系發(fā)達等明顯的理想株型特征，且熟期早，抗逆性強，增產(chǎn)效果顯著，萬畝示范平均產(chǎn)量比當?shù)刂髟云贩N增產(chǎn)20%以上，且適合機械化或直播等高效、輕簡的栽培方式。這既是水稻超高產(chǎn)和抗性提升的完美結合，又實現(xiàn)了水稻種植區(qū)域北移，在長江中下游地區(qū)有著廣闊的推廣前景。

“與發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)育種技術還有明顯差距。但是，我國在現(xiàn)代育種理論上已經(jīng)走在世界前列，未來我們將繼續(xù)致力于育種實踐，要把這種先進育種理念變成更多產(chǎn)品，保障我國糧食安全。”李家洋說。