為主糧增產插上科技的翅膀

糧食安全是“國之大者”。提高水稻、玉米、小麥等主糧作物的產量，是保障國家重大需求——口糧安全的關鍵所在。

為進一步提高我國主糧作物的產量，過去10 年間，在國家自然科學基金重大研究計劃“主要農作物產量性狀的遺傳調控網絡解析”持續資助下，科學家圍繞水稻、玉米和小麥產量性狀的分子遺傳機理開展了科研攻關。

10年來，面向我國糧食安全的重大需求和生命科學的前沿領域，在該重大研究計劃的支持下，科學家解析了影響主要農作物產量性狀的生長發育重要生物學過程的分子遺傳及生理生化調控網絡，創制了一批新的遺傳種質，利用新育種方法培育出若干個新品種，為我國主要農作物高產品種培育提供了理論和技術支撐。

指導專家組及管理工作組研討會現場。（研究團隊供圖）

古老的農耕文明時代，人們歷經幾千年甚至上萬年時間，將水稻、玉米、小麥等主糧作物從野生品種馴化成農家品種。現代農業興起后，專職農業科技工作者則通過數十年時間，從傳統的農家品種中選育出現代品種。無論是馴化還是選育，人們的目標都集中在提高農作物產量上。現代生物育種理論和技術的飛速發展，則有望使育種家們在更短時間內改良目標性狀。

糧食安全歷來是“國之大者”，提高水稻、玉米、小麥等主糧作物的產量是保障口糧安全的國家重大需求。

自2013年以來，在國家自然科學基金重大研究計劃“主要農作物產量性狀的遺傳調控網絡解析”支持下，我國科學家實現了系列育種科技創新，為主糧增產插上了科技的翅膀。

近期，該重大研究計劃已完成評估。該重大研究計劃指導專家組組長、中國科學院院士武維華在接受《中國科學報》采訪時表示：“科研人員解析了主要農作物株型發育和籽粒形成這兩個影響作物產量性狀并且密切相關的重要生物學過程的分子遺傳及生理生化調控網絡，建立了主要農作物產量性狀分子設計育種理論，為我國主要農作物高產品種培育提供理論和技術支撐。”

突破——從論文到田間

提高農作物產量一直是世代耕種者孜孜不倦的追求。2012年前后，一組沉甸甸的數據讓作物科學研究者倍感責任與使命之重大：全球人口持續增長，糧食的總需求急劇增加；我國耕地面積僅占全球的8%，但要保證占世界19%人口的糧食需求；2012年我國糧食進口8024.6萬噸，同比增加25.9%。

“只有提高水稻、玉米、小麥等主要農作物的單產，才能保障口糧安全的國家重大需求。”武維華和幾位作物科學領域專家的共識是，育種科技創新勢在必行，要不斷加大對農業基礎科學研究的支持力度。

水稻、玉米和小麥三大糧食作物的單位面積產量等于單位面積穗數乘以穗粒數，再乘以單粒重。“產量構成因素包括穗數、穗粒數、粒重等，株型決定穗數和穗粒數，籽粒發育決定粒重。”該重大研究計劃指導專家組副組長、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員薛勇彪介紹說。

那么，從微觀的基因層次上來看，找到決定農作物株型和籽粒這兩個宏觀性狀的關鍵基因，并弄清這些基因是如何運作的，就有希望提高農作物產量。

科學家將由控制復雜性狀的主效基因或由多個基因構成并可進行遺傳操作的功能單元定義為“遺傳網絡”，并提出發現和利用產量相關的關鍵基因，解析主要產量構成性狀的復雜遺傳網絡，能夠進一步挖掘作物產量遺傳潛力，最終獲得突破產量潛力的新的育種途徑和方法。

然而，由于多個基因組成的網絡變量過多，尋找、確認這些基因并厘清其相互作用在很長一段時間里都是科學難題。隨著基因組學、測序技術的不斷進步，作物性狀遺傳網絡的研究工具日益成熟。

2012年，當學科發展的契機與國家重大需求同時擺在面前時，武維華、萬建民、韓斌等一批長期從事農作物遺傳性狀改良的科學家共同向國家自然科學基金委員會提出該重大研究計劃。2013年，該重大研究計劃啟動，科學目標為全面解析主要農作物生長發育重要生物學過程的分子遺傳及生理生化調控網絡，為我國主要農作物高產品種培育提供理論和技術支撐。

面向我國糧食安全的重大需求和生命科學的前沿領域是該重大研究計劃的出發點，也是落腳點。10年來，科學家取得了豐碩的科研成果，完成了228個調控株型和籽粒發育相關的關鍵新基因的克隆與功能解析，發現了株型和籽粒發育等產量性狀形成的新機制，創建了分子設計育種的新方法。“如今，我國水稻、玉米株型和籽粒發育等方面研究的國際影響力顯著提升，相關研究實現了由‘并跑’到‘部分領跑’。”武維華表示。

這些科學突破不僅寫進了700多篇論文中，也寫在了田間地頭。據介紹，通過實施該重大研究計劃，科學家利用分子設計育種的新方法已培育出25個國審和省審新品種。

求實——“科學”說了算

在該重大研究計劃實施過程中，指導專家組和項目科學家體會最深的是“求實”二字。“自然科學基金委聽取并且尊重專家的意見，而我們專家組把握大方向，進行‘粗中有細’的管理，科學家則踏踏實實埋頭做研究。”薛勇彪說，“一切都是‘科學’說了算。”

該重大研究計劃在2018年中期評估時做了兩個重要調整。

第一個調整是關于實施周期。該重大研究計劃的實施周期原定為8年。在2016年的一次指導專家組會議上，專家在討論科研進展時提出實施周期延長1年的想法。“當時，我們主要是考慮農作物生長周期長、容易受氣候等不確定因素的影響。”薛勇彪說。因此，中期評估時，指導專家組向評估綜合組提出這一想法，并獲得通過。

第二個調整是關于科學研究內容。原計劃是以我國最重要的作物水稻和研究程度相對落后的玉米為研究對象，前5年以自由探索為主的立項階段按這一計劃進行。中期評估時，評估綜合組建議，小麥也是我國重要的糧食作物，考慮到我國已具有較好的研究基礎，建議將小麥納入該項目研究范疇。此外，中期評估后的集成項目也針對小麥產量、品質的遺傳調控網絡構建及分子設計育種作了安排部署。此外，還提出了在主要關注“產量性狀”的同時，支持部分研究課題開展提升“品質性狀”研究工作的建議。

在項目科學家看來，中期評估對研究計劃及時作出的調整方案，都是實事求是地基于作物科學本身的規律，為后階段項目的集成奠定了基礎。

遵循科學的規律，該重大研究計劃還在科研范式變革上進行了有益探索。在實施過程中，指導專家組注意到，生物學的測序技術和信息學的前沿焦點發生了變化。測序技術由轉錄組測序發展到單細胞測序，信息學的前沿焦點則從大數據轉向人工智能。對此，薛勇彪介紹說：“我們及時跟進科學研究的安排部署，在單細胞數據解析方法、深度學習等前沿技術方向布局，利用生物學和信息學的前沿交叉手段，指導分子育種和水稻、玉米、小麥重要性狀的分子解析。”

“分子導航育種”便是上述前瞻部署的產物。研究人員利用生物信息學技術將水稻關鍵功能變異位點逐一錨定到水稻基因組的精確位置，并利用遺傳群體對其效應強弱進行了精準評估，首次繪制出一張完整的水稻基因關鍵變異電子圖譜。研究人員進而基于該圖譜開發出水稻“地圖導航”系統RiceNavi，初步實現了水稻育種的智能化。

據上海師范大學教授黃學輝介紹，借助于RiceNavi的選配指導和路線優化，研究人員僅用兩年半時間就實現了既定育種目標，獲得了株型緊湊、生育期略短、有香味的新品系“導航1號”。目前，該成果已正式轉讓給我國大型種業集團進行推廣應用，將為水稻新品種的快速培育提供技術支持。

在指導專家組看來，生物學和信息學交叉研究已經是這一領域的發展趨勢，該重大研究計劃在這一方面的探索才剛剛開始。

當然，“科學”說了算，還體現在維護項目評審過程的公正性方面。“只有科研做得好，項目才能上。”無論在前期的自由探索階段，還是在后期的集成階段，這都是指導專家組所堅守的學術生命線。

合作——形成強有力團隊

回顧該重大研究計劃實施歷程，令指導專家組感到欣慰的是，除了取得豐碩的科研成果，他們還“收獲”了一支強有力的人才隊伍。

薛勇彪表示，通過專家組的“引導”和“牽線”，各課題組之間加強了協作配合，實現了優勢互補，通過10年的長期磨合，在作物科學領域形成了一支相對穩定的人才團隊。其中，項目承擔人劉耀光和錢前當選中國科學院院士，宋任濤、李云海、黃學輝、巫永睿、田豐、姚穎垠、譚祿賓和楊小紅等8位學者獲國家杰出青年科學基金項目資助，巫永睿、李一博、王少奎、楊小紅、童紅寧、李林、肖英杰、胡斌、楊寧等9位學者獲優秀青年科學基金項目資助。在該重大研究計劃實施期間，培養博士后33名、博士研究生105名、碩士研究生108名。

有了這支強有力的人才隊伍，專家們對未來充滿信心。他們的設想是，繼續以國家糧食安全和“大食物觀”的重大需求為導向，聚焦重要農作物基礎理論創新與前沿技術開展研究，系統挖掘和闡明作物高產優質抗病耐逆的分子調控網絡，更深入、系統地闡明作物復雜性狀分子調控機制，建立智能化的設計育種體系，實現作物育種范式的跨越式發展。