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分子育种技术让水稻更高产

①米饭是中国人餐桌上最常见的主食，但是我们今天习以为常的能吃饱饭，是在最近几十年才得以实现的。

②水稻增产与育种、水利、肥料、农药等诸多因素有关，而起到核心作用的是育种。据中国科学院院士李家洋介绍，育种对我国农业增产的贡献率约为40%。

③育种的目标，是希望获得各种特征都符合种植者与消费者需求的作物。作物具备的与农业生产相关的特征，被称作农艺性状。而所有的农艺性状，归根结底都是由其遗传物质DNA上的特定碱基序列——基因决定的。

④认识到这一点后，育种学家开始有意识地运用诱变和杂交这两大武器来改造作物。诱变是通过运用物理或化学的办法来处理种子，提高作物基因改变的概率。将这些基因突变的种子种植下去后，再观察挑选其中的有益变异并逐步培育出新品种。而杂交则是将两个亲缘关系较远的品种进行人工授粉交配，再将其后代中发生了基因重组并具备某种优良性状的植株挑选出来，经过多代自交，最终培育出性状优良、遗传性状稳定的新品种。

⑤尽管诱变和人工杂交技术让人们摆脱了对自然界中缓慢发生的变异和杂交的依赖，但无论是自然变异还是人工诱变，基因的变异都是随机发生的。而杂交育种则需要经过多代的筛选、会交和自交，耗费的时间常常要以十年计。显而易见，要想进一步提高育种的效率，精准改变基因是其关键。

⑥在育种学家看来，高效精准育种的第一步，就是需要找到调控关键农艺性状的基因。不过水稻有4万多个基因，几乎是人类基因数量的两倍，一个一个基因去研究费时费力。加之基因和性状不是一一对应，而是既存在多个基因调控同一个性状，也存在一个基因影响多个性状的情况，基因和性状之间构成复杂的调控网络。为了解决这一难题，李家洋团队与合作者在水稻中率先应用了全基因组关联分析的方法。

⑦全基因组关联分析方法是指：首先，记录大量不同品种植株的各种性状；随后，对这些植株开展基因组测序；接下来，对比不同品种间的差异，寻找其中的规律。假如若干植株均具有株高较高这一特征，而它们的某个基因又有着相同的变化，这个基因的作用很可能就是调控株高。

⑧确定了控制性状的关键基因（对性状影响较大的基因，也称主效基因）后，下一步就是将这些基因按照育种学家的设计进行组合。传统的杂交技术不变，但是筛选不再是大海捞针，因为基因已经确定。当杂交的植株在实验室中刚出苗的时候，利用基因组测序或者利用对特定基因的标记追踪，就能很方便地找到具有理想组合的植株。通过对特定基因的分子标记追踪，能够获得将多种位于不同品种植株的优异基因集于一身的新品种，将传统育种不可能达到的目标变为可能。这就是李家洋提出并首先实践的“分子设计育种”。

⑨那么，分子设计育种如何提高产量呢？这需要先确定哪种农艺性状与产量关系密切，然后寻找控制这种农艺性状的基因。

⑩育种学家认为，与产量关系最为密切的农艺性状是水稻的株型。具体而言，就是水稻的茎秆基部分枝（称为分蘖）的数目和角度、植株的高度、叶片和穗的形态等。

⑪意识到了株型对产量的意义后，育种学家提出来水稻“理想株型”或“新株型”的概念。即认为育种的目标之一是让作物具有最合适的株型，来最大限度地提高光合作用的效率，增加经济产量。李家洋解释道：“理想株型应当具备株高1.2米左右，4～7个分蘖，具有一定的分蘖角度、茎秆粗壮倒伏、根系发达、穗大粒重等特征。”

⑫在接下来的十多年里，李家洋团队接连发现了多个与分蘖相关的基因。其中，于2010年发现的IPAI最为关键。李家洋表示：“通过调控IPAI的表达量，不但能够让水稻具有合适的分蘖，还让茎秆粗壮、根系发达。它甚至还能提高水稻的抗病能力，影响穗和粒的形态。”

⑬李家洋团队很快将IPAI用于分子设计育种。通过杂交将具有IPAI优异变异的基因导入其他水稻中，可以让水稻获得理想株型状态，使产量提高约20%。基于这一进展，IPAI被誉为“新一代绿色革命基因”。

⑭“农业已经进入了高速发展的基因组时代，育种科学正在发生翻天覆地的变化。”李家洋院士说。

（选自2021年第11期《科学世界》，有删改）