对话植物分子遗传学家李家洋：希望在未来5年内，让更多的人吃上优质大米

李家洋表示，植物的性状从来不是单个基因决定的，一棵水稻的高矮、穗粒大小，可能由数十个基因共同控制，所以他们要找出控制关键性状“主效基因”，也要摸清那些“辅助基因”，更要破解它们之间复杂的关系网络。

他以粮食作物水稻和模式植物拟南芥为材料，研究植物激素的合成途径与作用机理，解释这些植物株型形成的分子机理。他还致力于水稻分子品种的设计，培育高产、优质、高抗、高效的新品种，像“中科发5号”“中科发早粳1号”和“中科发早粳23”都是出自他的手笔。

在李家洋看来，育种家最大的贡献就是用最少的资源创造出最高产最优质的品种，并且能够适应环境变化，未来还要适应不同的人群。现在他们已经有针对糖尿病人士设计出的低GI（升糖指数）的品种了。

谈及未来的目标时，他表示：“未来育种是自动化、机械化、信息化和专业化加在一起的，我们实验室在未来5-10年内最重要的目标和使命，就是建立智能智造体系，培育智能品种。”

以下为对话实录（经整理编辑）

媒体：您可否科普一下，植物分子遗传学这个学科在研究什么？

李家洋：我们常说的“种瓜得瓜，种豆得豆”，“像”，说明是遗传的，“不像”，就是变异。植物遗传学研究的就是从上代到下代的遗传的规律是什么？物质基础是什么？有什么机理？不同的地方是什么？为什么有变化？

比如：有的玉米棒很大，有的特别小，可以炒菜用；西红柿有大的，也有小的，它虽然小但它还是西红柿，这就是遗传“像”的一部分，“不像”的是从大果子变成了小果子。我们的研究探讨是怎么发生变化的，如何让产量更高、品质更好，营养价值更高。

媒体：可以举例讲讲您的研究技术或者方法吗？

李家洋：现代生命科学的发展不论是植物、微生物，还是人类，最核心的、可以看到的东西用一个词来讲是“表现型”，这是由基因决定的。基因决定所有的性状，比如植物的高矮、分支的多少、大小、根系深浅等。

像水稻、玉米、大豆，或小麦，每一个物种都有几万甚至几十万的基因，每一个基因控制什么性状我们都想要搞清楚，有时是很多基因控制一个性状，一个基因也能影响很多性状。

比如我们想让玉米的穗更大一点、结的多一点，那我们就要找出哪些是控制穗子大小的主效基因，哪些是次要基因。有时候一个基因不只影响穗子的大小，可能还会影响植株的高矮、病虫、干旱的响应等，我们要弄清楚其中的相互关系，这也是植物学家、植物理论学家要解决的所有问题。

媒体：有些植物周期很长，那要怎么研究其中的关系呢？

李家洋：有各种各样的方法。因为不同的物种都有相似性，我们可以找一个生长周期短的，大致性状都包括了的“模式材料”，比如拟南芥，生长周期6周比较短，如果把光、温、营养再调整一下，可能三个星期就可以了。

像水稻一般来说要种100多天，（生长周期）是120天到150天，但在特别好的光温水热条件下，60天就能收获，这样一年就可以收割5至6次。

媒体：我们改变种子的时候，改变的是什么？

李家洋：实际上是要改变基因本身的结构，就是基因编码。所有的物种都有基因组，脱氧核糖核酸，也就是DNA是构成基因组的基本单位，碱基对是形成 DNA 、RNA单体以及编码遗传信息的化学结构。

我们要搞清楚那一段DNA它到底起什么作用，是确定蛋白质，还是决定其他辅助基因，这里就涉及到基因的表达调控，形成一个复杂且精准的生命调控系统，要研究从种子萌芽开始到生长、开花、结果整个周期，每一段DNA起到怎样的作用，怎么被表达出来，从而展示它的意义。

媒体：我们如果想在一个环节“做手脚”，该怎么操作？

李家洋：在DNA这部分进行基因编辑，像转基因也都是在这个环节做的，它是根本。就像文章一样，改变了里面的字，表达的意义就会不一样。当然也可以在其他环节去改变，比如把影响基因表达的物质放进去，可能不一定会遗传下去，但可以改变当代基因组里基因表达的顺序和强度，现在在人类的基因治疗上已经做到这一点了。

媒体：改变植物、动物或者人的遗传基因的方法技术有什么不同？

李家洋：人和动物、植物，其实站在规律这个角度来说是一样的。但是里面有非常大的不一样。比如从结构上来说，人的细胞是动物细胞，动物细胞没有细胞壁，但植物细胞有“钢筋混凝土”做的细胞壁，像坚硬的外壳，很难改变形式，如果要进行改变，把外来的基因打进去是很大的困难，DNA的递送系统很困难。

还有一个不同就是植物需要光合作用，它有叶绿体，叶绿体有一套色素系统，能够接受光能，但人没有，我们需要食物来获取营养，这是本质上的不同。

媒体：那植物之间的差别会小一些吗？

李家洋：说起来小，其实也很大。比如大豆、向日葵是双子叶植物，而小麦、水稻是单子叶植物。区别就是种子在胚中发育是二片子叶还是一片子叶。从遗传角度来说双子叶植物和单子叶植物就有巨大的不同。比如水稻做根系的遗传转化可以做的很好，小麦就很难，大豆特别难。

媒体：您的研究带来了哪些重要成果？

李家洋：我回国的时候，植物分子遗传学还处在早期的发展阶段，那我就要解决学科发展的几个关键问题。第一个问题，基因是决定农作物性状的根本，那用什么方法能让大家都找到基因呢？我当时研究的是拟南芥，拟南芥当时在国际上基本成熟，但国内没有，在2000年的时候，国际上完成了拟南芥基因组全序列完全测定并公开发表，这也是第一个经完全测序的开花植物。

但这不是我的目标，我的方向是粮食安全，不过一开始就做水稻难度太大了，根本做不起来。所以我用了几年的时间，在96、97年的时候开始做水稻，建立最有效成熟的水稻基因克隆体系，说白了就是把复杂的农作物基因找到，第一个水稻基因于2003年在自然杂志发表，在国际上影响是非常大的。

第二个，光找到基因不行，还要知道基因是干嘛的，控制哪些性状机理。比如说之前水稻不好吃，什么基因控制的影响了口感是一个复杂的“网”，我们都不知道，所以要把基因找到，我也在开发一些新方法，把高产、优质的品种做出来。这是个例子，那以后玉米，包括蔬菜都可以按照这个思路来研究。

第三个是我提出了分子设计育种的概念，最后我们用了8-10年的时间，把这个系统做出来了，我们也提出了一个新设想，希望未来可以实现智能作物智能培育。

媒体：想达到理想的品种有哪些困难？

李家洋：育种和基础研究不太一样，基础研究是把机制搞清楚可能就会影响很大，甚至获得诺贝尔奖，但育种是做产品，产品是多重因素决定的，要综合性状好，比如光穗大不行，能不能抗旱、抗低温、抗虫，好不好吃，都决定这个品种能不能推广出去，所以要考虑产量、品质再加上环境的影响等等。

媒体：您觉得水稻培养在理想状态下最终会达到怎样的效果？解决多大的问题？

李家洋：这是国家的战略。育种家最大的贡献就是用最少的资源创造出最高产最优质的品种，并且能够适应环境变化。而且未来还要适应不同的人群，比如针对糖尿病人士，我们要推广低GI的品种，我们现在已经有这样的产品了。

媒体：您当时选择研究的方向是非常有预见性的，您怎么回看当时的选择？

李家洋：每一个时代对科学发展都要有一定的预见性、洞察性。我大学开始接触的是树木，后来在中国科学院遗传所做硕士的时候研究植物分子遗传学，这就上升到DNA水平，那时大家都在梦想什么时候我们才知道植物的基因控制着什么呢。后来我去美国正好赶上植物分子遗传学大发展的时期，理论上证明了基因可以控制作物性状，但不知道具体是怎样的，大概在90年代初大家突然间发现科学技术可以把基因找到，并跟性状联系起来，大家都很激动。

那我就想如果要解决粮食问题，是不是基因改造主要粮食作物就能实现了，所以我一定要回国。我想拟南芥的基因组测序早晚都会出来，因为那时人类的基因组测序也启动了，虽然也有很好的机会留在美国，但我还是想回到科学院工作。

媒体：您觉得国内育种达到怎样的水平了？

李家洋：育种阶段的分法不一样，大家不是达成共识全部接受，但大致是可以理解的。1.0时代，主要是漫长的人类驯化阶段，2.0是1930年美国杂交玉米成功之后，到我们国内杂交水稻、小麦等技术的发展，杂交育种是主流技术，二代时间很长。现在有三代四代，或者未来有五代技术，但二代技术还是要用，高一代对低一代是兼容的。

三代是转基因分子标记技术，四代是我们提出来的分子设计育种技术，现在国际上已经都认可了，我们也在水稻上也实现了，做出了很多品种，步子相对来说比较快，也比较好。未来五代技术是我曾经提出的智能品种智能智造技术，又叫“双智”。

虽然跟四代关系密切，但很不一样，因为四代以前不是智能的，到五代能够主动响应环境，比如高温来了，能够主动抗高温打开这个基因，但平时这个基因是关闭的。过去高产不能兼容抗病的，高抗病的又不高产，我认为现在解决这个问题最大的出路就是基因要有自己的智能开关，需要的时候打开，不需要的时候关闭。

这个是很难的，现在还在探索阶段。我们有一点成果证明这是可以的，我在2018年合作做水稻协同抗病与高产的研究，我们总结这是智能成果的雏形。五代技术的技术手段也是智能的，比如有人工智能、大数据、生物技术，有监测收集系统，还有就是物种种植时间也会变短。

媒体：您觉得中国的农业科技，可以为世界解决粮食问题贡献哪些“中国方案”？

李家洋：智能育种就是一个非常基本的方案，种子的科技贡献率一般在40%-60、70%，其他包括机械、水利、化肥、农药也都有贡献，我们至少要在种子方面在国际科学技术上起到引领和引导的作用，在应对高低温、病虫害方面提供一个基本的、朴实的方案。

媒体：作为崖州湾国家实验室主任，您对实验室未来的发展有着怎样的规划和期望？

李家洋：做到“双智”是我们实验室在未来5-10年内最重要的目标和使命，建立智能智造体系，培育智能品种。

媒体：您觉得实现后，老百姓的感受会是怎样的？多久能实现？

李家洋：水稻的个性化品种会短时间内提供给消费者，这个技术5年基本框架是没问题的，我觉得大概10年就会有先导性的品种出来，我在2000年左右提出这个想法的时候，可能觉得有点“天方夜谭”，但实际上我们第一个设计的育种品种出来就是在2017年，现在做的还会更快一点。因为现在的技术手段更高。

媒体：您觉得农业科学有前途吗？

李家洋：农业的发展是无上限的。未来对农业工人的要求也不一样，他们不再是传统意义上的农民了，是农业工人，有产业的分工。比如我十年前到以色列农场去，不到100平米的农场里98%都是大学毕业生，会跟我谈抗病调控、营养品质，他们做出来的产品附加值很高，像圣诞节前后还会出口欧洲这些“高大上”的农产品。

我想未来肯定是这样的，是自动化、机械化、信息化和专业化加在一起的，比如会设计程序自动监测，看什么时间需要打药、施肥等等。

媒体：所以未来学农的，以后可能要跟学人工智能的一样了？

李家洋：肯定要懂人工智能，不懂人工智能怎么行？到未来就不只是现在的这种关注植物的生长、开花这种简单的技术了，未来你一定要紧跟科学技术发展。

媒体：您接下来的小目标是什么？

李家洋：希望未来可以创造出大家所需要的新产品，让大家吃着好吃，吃着健康，价格也合理。比如，我们选育成功了双季早粳稻，平均亩产在500公斤以上，具有抗逆性强、株型优、米质优、食味佳等优点，我们希望在未来5年内，让更多的人可以早点吃上优质大米。