中國水稻研究緣何引領世界？

知識 07-31

撰文 | 邸利會

責編 | 李曉明

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

2002年4月5日，《科學》雜誌以封面和14個頁面的罕見體量，介紹了中國科學家完成的秈稻基因組測序工作。回頭看，這一傑出工作不僅在當時贏得了廣泛讚譽，同時也釋放了一個不可忽視的信號：在水稻研究領域，一股強勁的新興力量正迅速崛起。

如今，業內人士已不懷疑這樣的論斷：中國的水稻研究已經引領世界。甚至在整個植物生物學領域，中國科學家的研究也處在了前沿位置。今年2月，《自然·植物》還發表了一篇社論，將這樣的表現稱之為「中國的復興」。

「在重要的農藝性狀研究方面，在主要的基因克隆與功能研究方面，無論是規模上，深入程度上，或者發表論文的檔次上，中國科學家都已走在前列。重要基因及其機理研究，不論是在產量、品質方面，還是在抗病蟲、抗環境脅迫方面，現在基本上最主要的工作都是以中國科學家為主。」植物分子遺傳學家李家洋說。他做水稻研究20年，見證了中國水稻研究的蛻變。

從跟跑，並跑，直至領跑，中國的水稻研究如何走向卓越？

1中國人吃的主糧

1994年，李家洋從美國康乃爾大學湯普遜植物研究所回到了現在的中國科學院遺傳與發育生物學研究所（下文簡稱中科院遺傳發育所）。回國後不久，他從擬南芥的研究轉向了水稻研究。提起這一轉變，他說，這是為了和當時國家的需求相契合。

「用佔世界7%的耕地能否養活22%的人口」，也就是糧食安全，是那時的中國需要首先面對的問題。

李家洋院士（左）與課題組劉貴富副研究員在海南實驗地觀察水稻材料生長情況

水稻是亞洲許多國家的主糧。亞洲水稻的播種面積佔世界的九成，而中國的水稻播種面積佔世界第二。在中國人的口糧中，水稻也佔到六成。

「在美國，玉米、大豆、小麥是主要糧食作物，歐洲除了法國、西班牙、義大利等有一些水稻種植，其他國家幾乎可以忽略。但在亞洲，水稻是很重要的糧食作物。」中科院遺傳發育所研究員儲成才說。他1999年從德國回國，和李家洋一樣，從之前的模式植物研究轉向了水稻。

六年之後，從英國學成歸國的傅向東也在前輩科學家的勸說下，做出同樣的選擇。這一切並非偶然——符合國家的需求是其中的一個重要因素：「引我回來的李家洋老師說，要做基礎研究，如果做符合國家需求的基礎研究不是更好么？」

不過，雖然水稻研究是「國家需求」，但在2000年左右，中國的實驗條件和科研資助都還捉襟見肘。

那時的遺傳發育所還在北京北郊的「917」樓，而不是今日位於奧林匹克公園繁華地段的新樓。「我回來那會，大樓樓道黑乎乎的，連燈都沒有」，儲成才說，「科研人員那時候從國外回來，在包里都會裝兩包小的離心管，洗了重新用，槍頭什麼的，也是一樣。」而經費方面，儲成才申請到的第一個國家自然科學基金，三年的一個項目，總支持額只有8萬元。

早幾年回國的李家洋的情形也好不到哪裡。「當時我的實驗室也不怎麼樣，很小，就幾個人，經費說起來都有點可憐，那時候科學院資助一些，最主要還是國家傑出青年基金，加上其它的，每年最多20、30萬。」他說。

不過，正是在這樣的條件下，李家洋將圖位克隆技術（Map-based cloning）在水稻中成功建立起來。水稻基因克隆技術體系的建立，對於後續的水稻功能基因組研究的蓬勃發展起到了關鍵作用。

圖位克隆也稱定位克隆，目標是在龐大的水稻基因中找到需要的基因。關鍵性的突破發生在2003年。這一年，李家洋領導的研究組分離鑒定出控制水稻分櫱的基因與控制莖稈強度的「脆稈」基因。這兩篇文章不僅應用圖位克隆技術將相關的基因克隆了出來，而且也是我國作物領域做功能基因研究的第一次。

「這些工作的意義在於，在方法學上打開了前進的道路。這個方法建立之後，在隨後幾年裡，中國在水稻功能基因方面的研究工作就突飛猛進，應該說（這些工作）起到了一個關鍵的引領作用」，李家洋說。

除了圖位克隆技術本身對整個水稻研究產生的巨大影響，在當時相對窘迫的科研環境下，這一成功在心理上也給其他的中國水稻研究者以很大的激勵。「在那樣簡陋的條件下，我們能把基因克隆出來，讓國內的其他實驗室覺得也都可以做。現在，克隆一個基因簡直就是很簡單的一件事。」李家洋說。

不過，對於基礎研究來說，投入不足顯然無法保證科研工作的持續進行，更遑論作出一流的成績。好在，國家的重視，及時的投入扭轉了這一切。

對糧食安全的擔憂以及水稻持續增產的壓力促使中國在上世紀90年代末，抓住機遇，參與了「國際水稻基因組計劃」。

1998年2月啟動，2002年12月結束，由日本主導，中、英、韓、美五國參與的「國際水稻基因組計劃」，中國承擔了第4號染色體的測序工作，貢獻了10%的工作量。這一計劃選取主要栽培粳稻品種「日本晴」為研究材料。按照協議，所有參與國家和地區均可共享數據以及相關的技術和成果。

兩年之後，中國主導，華大基因為主的「中國超級雜交水稻基因組」計劃啟動。2001年，後來居上的中國聯合研究組完成了秈稻基因組工作框架圖的繪製，並免費公布資料庫。如前所述，這一工作獲得了國內外的廣泛讚譽。

「這兩項測序工作，正好一個是秈稻，一個是粳稻，使得圖位克隆基因的方法如虎添翼。」李家洋說。

隨後中國啟動的各項作物研究計劃，包括1999年倡議的「水稻重要農藝性狀功能基因組學研究」973計劃，2002年啟動的「功能基因組和生物晶元」重大項目（863計劃）都為後續的水稻研究奠定了基礎。

當然，水稻能吸引大量的研究者，也與它自身的一些優勢有關。在科研人員眼中，水稻不僅是非常重要的作物，而且也是非常理想的單子葉模式植物。水稻的基因組較小，在作物中第一個完成了測序，加之較容易轉化（無論是用農桿菌侵染，還是最近的CRISPR基因編輯技術），一大批優秀的中青年科學家進入了這一領域。

「我想水稻的成功和這一領域擁有非常強大的科學家群體是分不開的。」李家洋說，「像以袁隆平先生為代表的老一輩水稻育種家，到張啟發和韓斌為代表的中青年優秀科學家，燦若群星，人數眾多。特別是最近一、二十年回國的以及我國自己培養的水稻研究科學家，他們都有非常傑出的工作」。

2與育種家的聯姻

初看起來，育種家負責培育新品種，水稻的基礎研究者負責了解機理，這兩者各有側重。但實際上，要做「有用」且「有趣」的研究，二者不可能是「兩張皮」。

作為水稻原產地的中國，地域遼闊，環境各異，水稻自然資源十分豐富。農民在長期種植實踐中，也在不斷地人工選擇適應當地環境的「農家種」。而職業的水稻育種人員幾十年的選育工作，也創製了大量水稻突變體材料。僅從農科院系統來說，從中國農科院，到省級農科院，到市級農科院，甚至縣農科院，整個的育種隊伍十分龐大。

中國職業化的育種工作不僅由來已久，而且也在近代綠色革命[注]中扮演了重要角色。1959年，廣東省稻改進所工作的黃耀祥，育成了中國第一個矮稈秈稻品種「廣場矮」。半矮稈抗倒伏品種的育成與隨後的綠色革命緊密相關。此外，雜交稻的育成也被譽為綠色革命的重要突破。

今年2月，《自然·植物》發表了題為「中國的復興」的社論

大量的水稻突變體材料無疑為水稻基礎研究提供了便利。而以品種培育為目標的育種家通常也會自然而然地從生產角度提出需要解決的問題。「育種家的問題就是我們的課題。」在經歷了十幾年的水稻研究後，儲成才這樣總結道。

在他的印象中，海南冬日裡的水稻田是一個天然的大溫室。而育種家就像是候鳥，每年的這個時候總會無一例外「遷徙」到這裡。當然，他們可不是為了躲避北方的嚴寒來度假的。

「北方的冬天已經不適合繁育水稻，如果不到南方再繁育一代，就必須等待來年的五月。」儲成才繼續說，「既然都來，我們就趁機組織個會，大家一起探討下如何把基礎研究和應用研究結合起來。」省去了舟車勞頓，這樣的「順帶」開會更是受到了大夥的歡迎。

傅向東也是一樣，與育種家的緊密合作貫穿在他的水稻基礎研究中。先前做擬南芥的他回國後並不清楚如何以水稻為材料開展研究。這個時候，育種家為他提供了所需要的材料以及問題的方向。

四年之後，他的第一篇關於水稻的研究發表在《自然·遺傳學》上。在這篇文章中，他帶領的研究組克隆了一個與水稻增產相關的基因。這篇文章由位於杭州的中國水稻所、上海植物生理生態研究所以及山東大學生命科學學院的研究者一起合作完成。

而在2014年的另外一項研究中，這個先前克隆出來的基因被證明是編碼了植物特有的G蛋白γ亞基，參與植物氮素信號傳導途徑，調控水稻的氮響應。G蛋白介導的信號轉導途徑在激素、糖等響應過程中發揮著精細的調控作用。這在一定程度上說明，「有用」的研究也可以是「有趣」的基本科學問題，二者並不矛盾。

所有的這些研究都離不開合作者的參與。

「我們和各個層級的農科院都有合作，和農業大學的老師也有合作。他們懂生產和問題，我們懂理論和技術。和他們結合，我們就知道，針對哪些問題去做可能帶來更大的貢獻，或者帶來的科學問題會有大的影響力。做基礎的和育種家的有機組合，是水稻研究走在前列的一個非常重要的原因。」傅向東說。

3科研的積累與耐心

雖然與育種家合作，創製優質水稻品種，進而推動生產能帶來極大回饋，但儲成才認為，在基礎研究領域，不宜片面強調應用和產業化目標。因為，沒有基礎研究，應用研究也就無從談起。

不過，基礎研究常常需要耐心，研究結果的產生需要積累。就拿儲成才認為自己「最有用」的一項關於粳稻氮肥利用效率的研究來說，前前後後也經歷很長時間。

大約在十年前的一次會議上，儲成才注意到了一個有意思的現象。

一般來說，秈稻產自南方，粳稻產自北方，但幾乎在同一緯度的安徽和江蘇卻是一個種秈稻，一個種粳稻。儲成才問在場的育種學家，為什麼會這樣？「這個簡單，安徽窮，江蘇富唄。」一位育種學家答道。原來，截然不同的種植結構反映的是兩地經濟水平的差距。那個時候，江蘇的GDP是安徽的兩倍多，為保證口感好，江蘇人寧願種產量低、需肥多的粳稻。可育種學家並不清楚，為什麼好吃的粳稻卻需要更多的化肥。

在隨後的實驗中，儲成才領導的研究組首先確定了秈粳稻之間硝態氮的利用率有很大差別，接著他們克隆了背後起作用的基因，揭示出該基因一個鹼基的自然變異導致了秈粳稻間氮肥利用效率的差異。隨後，他們通過在北京、上海、長沙的田間實驗表明，含有秈稻該基因的粳稻在一半施肥情況下，比對照氮肥利用效率能提高30%。

在水稻基礎研究領域，這樣長時段的研究並不少見。

中科院遺傳發育所聚集了一批頂尖水稻基因研究專家

另一個例子是最近四川農業大學陳學偉研究組關於「稻瘟病」的研究。由於在《細胞》雜誌刊登水稻的文章並不多見，該文章一發表就引起了媒體的注意。不過，這一成績的取得也經歷了十多年的時間。追溯起來，陳學偉最早分離兩個抗稻瘟病的受體基因還是在中科院遺傳發育所的學生時代，也是在那時，他就對廣譜抗病品種「地谷」開展了研究。

不過，在該論文發表後，輿論的關注點卻隨著該校發表的一則新聞轉移到1350萬元的獎金上。梳理輿論的聲音，有多少之爭，也有褒貶之論，但其實在這1350萬的獎勵中，只有50萬是給團隊的獎金；其餘1300萬，刨去一次性資助的50萬，剩下的1250萬是分五年資助的科研經費。

「其實，大多數科學工作者更看中的是這五年的穩定支持。可以做自己想做的事情，不用忙著申請經費了。經費申請花費了科研人員太多的精力。」儲成才接著說，對於基礎研究來說，長期穩定的支持十分必要。

4「酸葡萄」心理？

不過，也有評論認為，水稻研究的成功是因為「別的國家的研究者不怎麼做」。

李家洋說，這可能有點酸葡萄心理，但更要緊的是，如果了解了中國水稻研究發展的歷史，就不會發生這樣的誤解。

「別人不做，這個就不真實」，他進一步解釋說，「過去做水稻，中國是跟著國外去做的。國際上有專門的水稻所。從水稻基因組測序來說，是日本人、美國人先發起的。對於水稻基因克隆，最早是美國與日本在做，那時候我們是跟在別人後面學習。甚至在菲律賓的國際水稻研究所，他們經常引以自豪並對外宣傳的一個巨大成績，就是培訓了多少中國科學家。但那是在早期，中國的水稻研究還沒有起來的時候。隨後，我們從跟著學，發展到現在的引領與超越。對於科學來說，只有第一，沒有第二，你做得好，別人自然就不做了。你做得越好，別人就做得越少（不包括新興的熱點領域）。所以，不是說別人不做，而是在競爭當中失去了優勢。最初日本在基因組測序上花了很多錢做，功能基因組也是投入了很多經費，為什麼後來慢慢就式微了？是因為和中國比，沒有優勢了。這是一個競爭之後的自然結果。」

從事植物生物學研究的周儉民也不同意類似的評論。「現在國際上的頂尖雜誌比較注重公眾的關注度，所以其實很多植物學方面的工作已經非常出色，但發表難度相比就大。再加上現在的評估指標化，如果數文章，做植物學的只會更吃虧。」他進一步說，「但實際上，在植物生物學領域，中國的植物學家已經做到非常前沿，而相應的其他生物學領域，可能有個別的前沿，但整體實力還是差別大」。

5新的挑戰

不過，已經引領世界的中國水稻研究，前方的道路並不平坦。

據2015年的數據，中國的水稻平均單產為每畝454公斤，過去的15年，僅僅增加了7.1%。由於農業的成本投入居高不下，國外相對便宜的農產品也在衝擊著國內的農業市場。進一步降低生產成本，環境成本，提升品質依然是中國水稻研究需要長期努力的目標。

就拿能否有效地利用氮肥來說，中國的水稻種植遠不能達到令人滿意的程度。中國7%的耕地面積卻消耗了世界35%的化肥。化肥的生產和使用不僅增加了成本，而且造成了土壤酸化、水體富營養化，空氣污染等問題，要實現中國國務院制定的2020年農藥化肥零增長需要依靠科技的進步。

未來的水稻研究也離不開各個方向研究人員的通力合作。「種康（中科院植物所研究員）他們主要是做植物低溫響應的，何祖華（上海植物生理生態研究所研究員）和陳學偉是做植物抗病機制的，一般來說，抗病、耐逆性狀與產量是負相關，這些優異性狀之間如何組合在一起又是一個新的挑戰。」傅向東說。

不過，新生研究力量的加入，讓他們對未來感到樂觀：「現在從國外回來的年輕人非常厲害，他們的培訓非常全面，回來之後就能上路，幾年之內就能做出非常好的成績。」

當然，無論是從個人待遇，實驗條件，經費支持，一切都已今非昔比。如果正常發展，其他作物的研究，乃至一般的植物生物學領域，水稻的成功將不難複製。

註：前美國國際開發署主任威廉·高德第一次使用了「綠色革命」這個詞，形容農業領域的技術發展推廣造就的一場新的革命。

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