李家洋：未来大米可个性化定制，不再只是主食

2017 年 11 月 8 日 中国生物技术网 澎湃新闻

【编者按】

60%的中国人以大米为主食。天天吃的白米饭如果可以个性定制，你想要什么样的？

未来，彩色米、富含特定营养元素的“功能稻米”将走出实验室，摆上百姓餐桌，满足人们对稻米颜色、形状、品质、营养等方面的个性化需求，提高生活与健康水平。

中国水稻育种技术近十年来突飞猛进，育种家实现从传统“经验育种”向高效设计的“精确育种”转变。在《中国实验室》第二季拍摄期间，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士向澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者创想了分子设计育种技术在未来的广泛应用——如何因地制宜，通过基因设计培育出适合不同人群需求的产品，为大米在“主食”之外增加“营养品”的身份。

李家洋认为，水稻的个性化育种是未来趋势，其迅猛发展得益于中国地域辽阔、地理条件丰富多样，为研究和生产创造了优越条件。同时，科技发展大大加速了新品种的创制过程。过去三十年，中国水稻基础研究经历了从向国际先进水平学习、与其并驾齐驱到现今领先国际的三个发展阶段，这是中国科学发展的缩影，未来其它作物育种甚至整个生物育种都会再现这一过程，逐步走向世界前沿。

从经验育种到精确育种

澎湃新闻：您从事的分子设计育种研究是通过什么方式提升水稻品质？

李家洋：水稻和其它农作物一样，其重要农艺性状都是由一些重要的基因来控制的，基因是控制着产量、品质、抗逆性和特殊营养价值等各个方面的主要因素，你需要了解这些控制基因的作用机理，事前进行设计。就像我们做手机，你把重要的零件组合起来得到一个产品，就能满足不同人的需要。我们的农产品也是这样，基因就像一个个零件，你知道这些基因的作用及其机理，把不同的基因组合起来，协调在一起就能得到你想要的品种，这就叫做设计育种。这个设计不仅仅是产量品质，更包括适应土地的状况、气候的变化、当地的生物状况，比如病虫害情况，进行一些优化组合，得到你想要的最理想的状态。

澎湃新闻：中国水稻研究多年来一直引领世界，相较于之前应用的育种技术，比如超级稻，分子设计育种有何不同？

李家洋：大家都为了一个共同的目标在努力做，但所采取的途径有所不同，基础有所不同。育种在过去是一门艺术，不知道哪个基因控制哪个性状，只能靠经验，通过最后的结果说明哪些基因组合是好的，这个过程非常漫长。从分子水平上了解水稻高产、优质、抗性，这个过程是最近十多年才突飞猛进地发展。新一代的分子育种家知道每个材料是什么基因在控制什么性状，有什么差别，它在什么材料品种里面有这些基因，然后我们有意识地明确地去选择它们进行杂交，在很早期的时候就进行鉴定选择，用高通量分析一次可以选择成百上千的目标基因，选出来之后再放到地里去种，再去观察鉴定评价，验证它们是不是高产、优质，是不是抗病，是不是你喜欢的香型等等。

过去是被动地或者凭运气地进行，是一种艺术，而现在是事先知道蓝图，然后按照我们的意愿组合设计出来。这是科学进步的结果。

基因操控却非转基因

澎湃新闻：说到农作物的基因操控不免让人联想到颇有争议的转基因话题，分子设计育种与转基因的区别在哪里？

李家洋：转基因关键是个转字。所有生物都是有基因的，这是第一。第二，转基因跟正常育种都是在操作基因，但为什么不一样？转基因是指把外源的基因放进来，比如说水稻，我可能是把小麦的、玉米的，也可能把细菌的，甚至动物的一些基因通过特殊的无性的方法放到水稻里去，让它起作用，这个过程叫转基因。而我们做水稻本身的基因研究，它不存在转，它本身就在水稻里面，我们只是对基因做一些修改或改变，这个修改或者改变它不涉及把外面的基因给搬进来。

未来主食变身营养品

澎湃新闻：根据不同需求培育水稻是分子设计育种的优势之一，听说您正在研究针对糖尿病人的水稻品种，这项技术未来有怎样的应用前景？

李家洋：一般育种家都希望能有大面积、高产量的品种，做特殊的小品种很难，但如果我们知道这个控制特殊功能的基因，知道它的作用机理，就可以很方便地培养出一些特殊的品种，就能够实现个性化的订制育种。比如说糖尿病人，国际上有个标准，就是说一个人每天吃20克抗性淀粉对糖尿病人非常有利，血糖比较平缓。那就定向培育一个让大米里面含有10%或者更高的抗性淀粉的大米。你在一天吃的大米量里有20克抗性淀粉，这对病人比较好。

比如说儿童生长发育缺锌，那我就把一些含有高锌的水稻品种培育出来，这对缺锌的儿童期发育可能非常重要。再比如金色大米，它富含胡萝卜素，可转换为维生素A。维生素A的缺乏会导致失明和免疫水平的低下。原来的金色大米，大家争议比较大，因为是用转基因方式做的，这个大家很担心。它产生的物质是原来在胡萝卜或者西红柿里大量产生的，不在水稻的稻米里产生的。但是水稻里面本身有没有？有，它不在米粒里，主要在叶子里。那能不能通过一些分子设计的思路，改变一下基因的表达方式和强度，让它在米粒里大量产生，这样就能够解决一些儿童早期发育中失明的问题。缺铁也是一样，我们有很多人缺铁，也可以把一些高铁的大米培育出来，然后你就可以进行定制。培育的品种尽管消费量较少，但是只要能满足这些特殊人群的需求就够了。

分子设计育种是未来的技术，现在大家正在努力推进，有些根据大众需求定制的大米已经可以做到了，比如口感比较好、优质、长粒的大米。这个大米有几个技术指标，包括直链淀粉含量是多少，糊化温度是多少，长宽比是多少等等，现在已经开始推广这些大米。在未来当我们把所有的性状与基因的关系都搞清楚的情况下，就可以根据所有人的要求，把比较小众需求的东西生产出来，而且都能生产的非常好。

澎湃新闻：个性化定制的大米价格会很高吗？消费者什么时候可以在市场上见到？

李家洋：一般要七八年左右，因为它要通过一步一步的新品种审定程序，批准后才能生产。一般来说新产品价格会高些。实际上现在市场上也有一些糖尿病人能用的大米，它的产量也还可以，但它的品质、效果可以再提高。另一方面需要综合其它的一些好的性状，需要进行综合改善。价格肯定要高一些，但等到整个技术体系都建立起来了，那时候价格就应该比较合理了。

科技助力寻找最佳设计

澎湃新闻：未来分子设计育种研究工作中，信息科学技术起到多大的作用？

李家洋：刚才说的这些听起来好像很简单，实际上极其复杂，这里面的信息量是巨大的，如果没有超级计算机，没有大数据做不了。水稻，现在大家公认大约有4万多个编码蛋白质的基因，它还有大量不编码蛋白质的基因，每个基因的差异都会造成因生长环境不同而产生不同的农艺性状，产量品质也就不同。不是一个基因就一种差别，一个基因可能有成百上千种不同的改变方式，而且多个基因还可以有不同的组合方式，所以尽管全世界有那么多的科学家在做，总是有新的发现。

现在不论是公共科学家或者是企业都在向设计育种的方向努力，按照各自的意愿去培育品种，而这个方向的进展会比我们预想要快，现在人类的技术发展大大加速了新品种创制的过程。

水稻研究是中国科学发展缩影

澎湃新闻：近年来中国在水稻基因组学领域取得杰出成果，过去五年《细胞》《自然》《科学》等国际顶级学术期刊发表的水稻基因文章中有40%来自于中国科学家，这对未来中国科学发展有什么意义？

李家洋： 我觉得水稻对于我们国家作物育种甚至对整个生物育种都是个范例。水稻的发展经历了三个阶段：上世纪90年代，那时我们育种水平很不错，成千上万的育种家凭借经验艺术性地选择育种，可是水稻基础研究还是跟着国际先进水平走。到了上世纪90年代后期，我们有一些领域走到国际前沿上了，更多的领域还在跟国际学习。但近十年来，我们在很多领域是国际领先的，是非常值得骄傲自豪的。我认为这是中国科学发展的一个缩影，未来很多工作，比如说小麦、玉米、油菜、大豆都会再现这样的过程，特别是对于一些大动物的育种可能更会再现这个过程。

水稻有很多优势，它的基因组比较小，繁殖系数大，容易做各种研究的材料，再说中国的区域比较广泛，东西南北跨度很大，各种环境都有，你要做研究就需要各种环境，高温的低温的。在冬天比如说在北方很多地方不能繁殖，但中国有海南岛，有大量的地，你可以到海南岛，再种一季两季。但在很多国家，这些是很难做得到的。其它作物也一样。棉花、玉米、小麦、油菜、大豆，还有其它各种各样的蔬菜，我认为都会按照水稻研究的发展轨迹，逐步成为世界研究的领先者。

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