一万年太久,只争朝夕 ——李家洋院士谈野生稻如何驯化
2022-02-02   阅读:664   来源:科学网

一株自生自灭的野生稻成为农民伯伯手中的粮食,需要多久? 中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋表示,可能需要经历7000年到1万年。但是,这个时间太久了,如此久的驯化时间不可能满足现实需求。 经历近8年的时间,2021年2月,《细胞》杂志发表了李家洋团队在异源四倍体野生稻快速从头驯化获得新突破的成果,旨在最终培育出新型多倍体水稻作物,从而大幅提升粮食产量并增加环境变化适应性。该成果入选了2021年两院院士评选的“中国十大科技进展新闻”。 1月19日上午,李家洋作客科学网直播间,在接受《中国科学报》独家访谈过程中,分享他的科学研究经历与感悟。 初衷是希望我们“吃得饱、吃得好” 《中国科学报》:您团队是基于一个什么样的背景,开始做这项研究的? 李家洋:初衷还是粮食安全,希望我们能吃得饱、吃得好、吃得营养健康。 作为一名做植物科学的研究人员,我希望在农业方面确保粮食产量和品质,高效利用土壤养分,应对全球气候变化带来的挑战,培育出好的种子,在高产稳产的同时,保护环境和人们的身体健康。 《中国科学报》:一株自生自灭的野生稻需要“驯化”多久变成田间水稻? 李家洋:野生稻,顾名思义它不是生产上能用的,但它有很大的潜力,生物量大、养分高效、适应环境变化能力强。如果这些潜力能被很好的利用起来,它就有可能发展成品质好、产量高,同时对生态环境有更好保护作用的新作物。 野生稻生长在不同区域,我国的江西、云南,以及非洲、南美洲等地都有。我们研究用的野生稻材料是原产于南美洲的异源四倍体野生稻。 目前利用野生稻,主要有两种方式。一是部分利用,将野生稻与栽培稻杂交,把野生稻里抗病抗虫等重要性状基因转到栽培稻里,但这个过程比较漫长,且前提条件是它们能杂交,而事实上,很多野生稻跟栽培稻有生殖隔离,是不能杂交的。而能杂交的,则需要经过科学家漫长的选育才能利用。 另一种方式是完全利用,创造一个新品种,比如异源四倍体野生稻不能跟栽培稻杂交,这就需要人工驯化。自然驯化水稻的过程是7000年到11000年左右,随着科学技术发展,我们可以缩短时间,最短可以不到10年,就看技术发展有多快,它提供的手段有多强。 我补充一句,完全利用野生稻的方式更有潜力,突破性更强。 《中国科学报》:在异源四倍体野生稻驯化过程中,您提出了四步走的“蓝图”,能不能为我们具体解释一下是哪四步? 李家洋:把这一个野生稻变成我们可以种植生产上用的品种,这个过程中会有很多不可预知的因素,需要分阶段实施。 第一步就是找到最基础的材料,我们在数十种野生稻中挑选生物量更大、环境更友好、病虫害抵抗能力更强等指标好的类型,将这一份野生稻资源作为后续研究的基础。 我们在全球范围内收集资源,花了大约3、4年时间,选定了一份高秆野生稻的材料品种,命名为多倍体水稻1号,Polyploid Rice 1,即PPR1。 第二步是比较有挑战性的,建立野生稻驯化的技术体系,包括高质量参考基因组的绘制和基因功能注释、高效遗传转化体系,以及高效基因组编辑技术体系三个方面。 第三步,设计改造野生稻的线路,找到哪些是我们需要的优势性状基因,然后精准改造。同时,做出来的“种子”拿到田间生产上去测试,比如丰产性、自然条件的适应能力、养分的吸收利用能力等。 最后一步则是,生产试验品种审定,示范推广。 目前基本上走到了第三步快结束的时候,我们现在是对优势性状基因进行单个改造,要做成一个可用的品种,需要把诸多优势性状基因同时改造,从丰产性、抗逆性、养分高效利用性等各个方面优化,最终达到一个预想的好品种。 没人做过 不代表做不成 《中国科学报》:科学研究非一日之功,在这个研究中,您也是带领团队用了近4年时间去突破技术瓶颈,能不能请您分享下平时的科研状态?做了哪些努力终于“拨开云雾见月明”了? 李家洋:我们认为,这个工作做好了,就是走出一条新路,对粮食安全保障作出贡献。这个工作别人没做过,但是并不表示就做不成。因此,大家不只是有热情,真的是很有激情。 在工作中,大家脚踏实地一步一个脚印往前走,同时非常重要的是我们的合作者,他们很愿意参加这个项目。 当前田间的栽培稻由“祖先”二倍体野生稻经过数千年的人工驯化而来,好多重要的关键基因已经丢失了,现在用一个新办法把有巨大潜力的野生稻直接改造,留住那些重要的基因,想想的确令人激动。 《中国科学报》:在您的科研生涯中,有哪些您觉得特别难跨越的“坎儿”或是失败?当时您是怎么解决的? 李家洋:科学研究一个连续不断的过程,一个好的科学研究,首先要有一个很好的想法,就像是远处的“一束光”,但也许一开始并不知道路径该怎么走,需要不断摸索,这条路走不通,就要换一种思路走。 我们在做研究当中很多情况都是如此,就像第二步建立技术体系的过程,为了得到高效的组织培养、高效的遗传转化,每一步都反复试验,走了很长时间,有很多次失败,最后能找到一条路。 当然,找不到也有可能,我当时想,如果我们不能做精准编辑,这个课题就做不下去了。幸好,我们坚持努力了几年,打通了技术体系,接下来就是投入经费、人力和物力。 眼界很重要 《中国科学报》:当前,科技发展到了一定阶段,从0到1的原创科学突破是不是更难了? 李家洋:确实是这样。 做从0到1的研究,关键是要有眼界、有科学的洞察力。不仅要想到过去别人从来没有做过的东西,更重要的是你要想到它的解决方法。只有这样,真正的科学设想才能变成现实,否则就只是空想。 眼界和洞察力的养成,源自广博的科学知识,对不同的领域有比较多的了解,能够看到未来科学的发展方向,走一步,能看到下一步,然后攻关,这样才能不断地做出有突破性的工作。 跟“热点”有好处,工作能被认可,发文章也比较容易,但很难成为科学引领者,也很难有真正的科学突破。 要鼓励科研人员有创新精神,要不畏艰难,挑战别人没做过或者做不成的事。其次,营造宽松环境,允许失败,允许他们花时间克服困难。再者,要提供一定的条件,包括资金、设备等。 从0到1的原创工作来自于全社会各方面的支持。 《中国科学报》:您领衔的研究成果几乎每一次都是重要的创新突破,对团队中的研究人员,您对他们有着怎样的要求,才有了这些高质量的创新? 李家洋:我常常告诉团队成员,科学研究是一个创造性的劳动,没有明确时间节点、也不清楚遇到的困难,更不知道哪种方法能解决它,需要探索。 因此,研究人员要有好的心态,不能轻易放弃。在我们实验室,没有要求上下班“打卡”,时间相对宽松自由,遇到困难能够互相合作解决问题,充分发挥主观能动性。 中科院遗传所也对研究生毕业也不要求发表多少文章,影响因子要多高,只要导师许可,答辩通过就行。我们希望大家是真正为了一个科学问题、原创研究写论文,而不是为了完成任务。 《中国科学报》:对于刚步入科学大道的青年人来说,您觉得做科学研究最重要的是什么?您有什么建议想跟他们分享? 李家洋:做科学研究,要具备几个特性。首先是雄心壮志,敢于选择有挑战性的课题去做,而不是保险系数比较高的课题。 第二,要有奉献、勤奋精神。科学研究做成了,会非常高兴,但背后的过程是很辛苦的,比如遇到一个困难会很焦虑,有时候做实验还需要无数次的重复和体力劳动。另外,需要白天、晚上,甚至周末节假日,把心思、时间放在科学上。这么多年了,我基本没进过电影院。有所得就有所失。 第三,合作精神很重要,实验科学可能涉及到很多领域,要善于跟别人去合作,真诚对待合作者。 第四,眼界和胸怀,尤其对于刚刚建立实验室的青年科学家,博士与博士后非常重要,眼界在一定程度上决定了你选择课题的创新性、重要性、可行性。有眼界,你才能找到恰如其分的项目,既有创新性,同时很大可能性能够做成,对国家和社会有一定的贡献。眼界需要不断的修炼。 第五,追求完美的精神,也许一开始,你追求把这个事情初步实现,当实现了就尽可能尽善尽美。
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