高产优质的水稻品种，高产抗病的小麦品种、耐盐抗旱的小麦品种、高产抗病的玉米品种、拥有理想株型的高产油菜品种、高产高蛋白的大豆品种……拥有各类优异特性的粮油作物品种令人大开眼界。还有无肌间刺的异育银鲫，吃鱼时再也不用担心被小刺卡住；瞄准沿海近400万亩日晒盐田，“渤海1号”对虾可在盐度高达50以上的水域养殖；在黄河三角洲盐碱地试种的番茄品种，别有一番风味；破解新型产胶作物橡胶草基因密码，将路边野草改造为国家亟需战略物资的生产工厂……
这些五花八门的品种或品系，都来源于中国科学院于2019年11月启动的A类先导专项“种子精准设计与创造”（以下简称“种子专项”）。针对我国新时期粮食安全、生态安全及农业供给侧结构性改革的重大战略需求，院内22家单位联合院外8家单位开展协同攻关。
“六年来，种子专项在新理论、新技术、新产品三个维度取得了多项‘硬核’突破——挖掘了一批高产优质、氮高效利用、抗逆抗病等关键基因与调控网络，实现了基因组精准编辑、四倍体野生稻快速从头驯化等核心技术创新，创制了37个先导型新品种，切实发挥了战略性先导科技专项在种子创新方面的引领作用。”中国科学院院士、种子专项首席科学家李家洋介绍。
“抢占种业科技制高点，不仅在于拥有一批具有竞争力的当家品种，更在于是否能构建起自主的、引领性的种业科学体系与创新生态。我们不仅要让中国人的饭碗里装满中国粮，早日实现种业科技高水平自立自强，还要为世界粮食安全和农业可持续发展贡献‘中国方案’，从而在未来农业科技版图中占据一席之地。”中国科学院可持续发展科技研究局局长薛强阐述种子专项的战略意义。
以“精准设计”找寻“破局之道”
曾经，育种主要通过一代代杂交，在漫长的时间里筛选出拥有理想性状的品种。选育出好的品种，主要依靠育种者的经验、运气和长达数年的坚守。而今天，在中国科学家手中，育种已蜕变为一门可预测、可编程、可定制的精密科学。
2013年8月，中国科学院启动战略性先导科技专项“分子模块设计育种创新体系”，提出的“分子模块设计”育种理念，让中国育种从“经验”走向“设计”，也将中国的育种技术理念推向了世界前沿。作为“分子模块设计育种创新体系”的新阶段，种子专项让我国在精准设计育种领域建立起自主可控的完整技术体系，并进入从“跟跑”“并跑”到部分“领跑”的新阶段。
李家洋介绍，种子专项分为四个项目，“种子精准设计的分子基础”挖掘出高产优质、氮高效利用、耐寒、抗病、抗倒伏等一批关键基因，揭示复杂性状形成的调控机制，建立精准设计的“核心元件库”；“种子精准设计的变革技术”在基因组编辑、基因组分型、从头驯化快速育种等关键核心技术实现突破；“设计型新品种创造”着重研发“一增两减”（增加产量、提高品质，减少化肥农药使用，减少自然灾害损失）品种，目前已有37个“一增二减”先导型品种通过审定，累计推广种植面积达1448万亩；“精准设计育种研究平台”为上述工作提供支撑，完成库容达10.5万份的智能化基因资源保藏库（种质库）研制，建成数据处理分析能力达10.5PB的智能生物育种大数据平台，建成1个包括9个功能性数码农场的研究基地网络。
“种子专项既要在基础前沿领域深入研究，又要在关键问题上勇当开路先锋，研究成果还要广泛应用于产业中。”李家洋评价道，“技术的进步带来育种的变革，我们找到控制相关理想性状的基因，可以将多个优良性状‘聚合’到一起进行协同改良，可在短时间内培育出先导型品种。”
为农业绿色可持续发展贡献解决方案
依靠有限的耕地、水资源等自然资源，怎样生产出更多的粮食？产量提升过度依赖化肥投入，这一困境怎样破解？面对白粉病、赤霉病等植物病害，怎样通过选育和推广新品种，找到经济、有效、环境友好的策略？
中国科学院院士、种子专项“种子精准设计的分子基础”项目总师、植物研究所研究员种康介绍了两项直击农业生产痛点的理论突破——一是让水稻“减肥”不减产，二是给小麦装上“免疫盾牌”。
长期以来，育种的首要目标是高产，使水稻能在大量施用化肥情况下，获得较高产量。这也导致一些重要基因资源的丢失，以致主栽水稻品种的肥料利用效率普遍较低。
中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员储成才团队对过去100年间收集于全球不同地理区域52个国家（地区）的110份早期水稻农家种进行了全面的农艺性状鉴定，并利用复杂性状精准解析技术，鉴定到一个关键基因OsTCP19，可以通过调节水稻分蘖提高氮肥的利用效率。研究组将这一“丢失”的基因重新引入现代水稻品种，在氮肥减少20%~30%的情况下，携带OsTCP19的水稻分蘖数更多，产量依然保持稳定，目前氮高效基因已在浙江、湖南、广东等多个育种单位进行了应用推广，表现出“减肥不减产”的优良特性。
在世界范围内，白粉病是一种由真菌引起的危害小麦生产的重要病害。近年来，在小麦和大麦中发现一类新型抗病蛋白串联激酶，可使小麦表现出对条锈病、叶锈病、秆锈病、白粉病、麦瘟病和黑粉病等真菌病害的抗性。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员刘志勇团队从中国小麦地方品种“葫芦头”中克隆到编码新型串联激酶的广谱抗白粉病基因Pm24，可以识别出多种病原菌释放的“攻击信号”，当植株感知到病原菌入侵后，召唤另一个“搭档”抗病蛋白协同工作，激活超敏反应和细胞程序化死亡，从而兼抗白粉病和麦瘟病。经过多年的回交转育和分子标记辅助选择，研究人员已将Pm24基因分子模块导入到多个高产小麦底盘品种，创制的抗病新种质已发放给国内多家单位进行抗病育种。
近年小麦赤霉病不断从南向北扩展，不仅导致减产，病原菌产生的毒素还威胁食品安全。小麦赤霉病可防不可治，防治投入所需人力财力成本巨大。针对目前小麦对赤霉病抗性资源有限的情况，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员韩方普团队将目光锁定发现的新型赤霉病抗病模块（主效基因非当前已知的抗赤霉病基因）。“把小麦的‘远亲’二倍体长穗偃麦草中具有优异赤霉病抗性的染色体片段导入主栽小麦品种，我们培育出兼具赤霉病抗性和优良农艺性状的小麦新品系‘中科’系列。‘中科166’的推广面积已近150万亩，筑牢了主粮安全‘防护网’。”种康院士介绍。
“工欲善其事，必先利其器”
如果说基因是生命的代码，那么中国科学家不仅需要拿到打开代码的“钥匙”，还要成为优秀的“程序员”。
病原菌的成功侵染植物，需要利用植物自身的“感病基因”。感病基因的突变通常能够赋予植物广谱持久的抗病性。然而，感病基因具有重要的生理功能，其突变大多给植物生长发育带来多种负面效应，极大地限制了感病基因在植物抗病育种中的应用。多年来，科学家们一直在寻找打开这一重要抗性遗传资源宝库的“金钥匙”。
早在2014年，中国科学院的研究人员就定向突变小麦的感病基因MLO，获得了对白粉病具有广谱持久抗性的材料，却也出现了早衰、植株变矮、产量下降等现象，可能限制其在生产上的广泛应用。
怎样实现“鱼与熊掌可以兼得”，打破“抗病不高产”的“育种魔咒”？研究发现，进一步将小麦B基因组上感病基因MLO位点附近的一个304Kb片段删除，就可以使小麦表现出对致病菌的抗性，同时植株的生长发育和产量正常。
然而，小麦是六倍体作物，对六个等位基因同时实现基因突变绝非易事。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞团队和微生物研究所邱金龙团队合作，自主研发了多重基因组编辑技术，实现了对MLO的六个等位基因进行精准操控，仅2个多月就成功在多个小麦主栽品种中获得了具有广谱白粉病抗性，且生长和产量均不受影响的小麦新种质。2024年，该小麦新种质拿下我国首个口粮作物基因编辑生产应用安全证书——是通行证，更是里程碑。
“这一工作是利用感病基因进行植物抗病育种研究的重要理论和技术突破。相比于传统育种方法，基因组编辑育种极大缩短了育种进程，展现出巨大的应用前景。”高彩霞介绍。
李家洋院士团队首次提出并实践的“异源四倍体野生稻快速从头驯化”新策略，开辟了全新的育种路径。人类将野生植物驯化为作物经历了上万年，而采用这一全新策略，可将驯化时间缩短至数年。
目前，全球仅有约250个物种被完全驯化。在自然界中，仍存在大量优异野生植物未被人类使用。利用这些野生资源，目前仍然缺乏有效技术手段。以水稻为例，目前广泛种植的是二倍体栽培稻，稻属还有其他25种野生植物。其中起源于南美洲的异源四倍体野生稻具有生物量大、环境适应能力强等优势，但同时也具有非驯化特征，无法进行农业生产。
对此，研究团队像“农业工程师”一样，攻克了种质资源筛选、野生稻高效遗传转化、基因组组装注释等重重难关，成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的各种基因编辑源四倍体野生稻材料，首次证明了从头驯化策略培育新型作物的可行性，为全球粮食安全提供了前瞻战略性技术储备。
贯通从理论到产业全链条
种子专项中，精准创制出的新品种令人目不暇接。
当下，我国大豆产业面临进口量大、生产力不足的难题。种质资源遗传变异不清，整合数据平台缺位，限制了大豆精准设计育种的发展。
中国科学院院士、种子专项“设计型新品种创造”项目总师、水生生物研究所研究员桂建芳介绍，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员田志喜团队应用数学图论方法，创新基因组分析方法，构建首个植物（大豆）图形结构泛基因组图谱。开发了多维组学数据库SoyOmics，提供了种质资源、表型变异、泛基因组、遗传变异、同源分析、基因表达等多个“一站式”分析模块。在此基础上，专项研究团队精准聚合优良性状，成功培育出“科豆”“东生”系列等10个高产高营养大豆新品种。
专项还引领了“水产”设计育种的新浪潮。桂建芳院士团队首次提出“双三倍体”概念，创建了基于生殖方式转换导致基因组重构产生优势克隆系的设计育种技术体系，培育出具有高产、抗病、节粮三大优势性状的待审品种异育银鲫“中科6号”；相较于底盘品种异育银鲫“中科3号”，“中科6号”生长速度平均提升25.0%，养殖存活率平均提升66.5%，饲料效率平均提升20.1%。同时研究团队还将“非减数融合”生殖与基因编辑相结合创建育性可控设计育种技术体系，创制出既“无肌间刺”又不育的可用于养殖的无肌间刺异育银鲫。
“目标清、可考核、用得上、有影响、推得开、留得下”，这是种子专项的十八字要求，强调把理论探索、关键技术、产业应用融合为一体，培育出真正面向产业需求的突破性新品种。其中最有代表性的要数李家洋院士针对我国东北稻区及南方双季稻区的重大需求，带领团队研发的“中科发”系列水稻新品种。
在东北稻区，“中科发5号”比当地主栽优质品种增产超20%，盐碱地亩产突破600公斤，还拿下全国优质稻食味品质鉴评金奖，2024年跻身全国常规水稻推广面积第五位。在南方双季稻区，“中科发早粳1号”实现我国双季早粳稻品种零的突破，将优质新粳米上市期提前2至3个月，通过提高早稻米的品质和商业价值，带动农民增收。
走向育种创新的“深海”
未来的育种竞逐的赛道在哪里？种子专项“品种重新设计与快速驯化”课题负责人、中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员总结出三个“赛跑”：与气候变化和农业灾害赛跑；与资源消耗速度和农业生产成本提升赛跑；与人工智能等新技术带来的生产方式变革赛跑。
许操研究员用“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头”形容新技术领域的激烈竞争。种子专项的实施也为未来育种研究指明了方向——发展智能育种，包括两个方面智能品种智能培育：培育“智慧种子”，它不但更高产、更营养、更节水、更抗灾，还能主动响应环境变化优化分配资源；智能的育种技术手段，采用人工智能、大数据等与先进生物技术深度融合的方式快速培育品种。“简单来说，就是以更聪明的方式培育更聪明的作物，从而实现育种技术的迭代。”许操说。
“BT筑基+AI赋能+机器人劳作”智能育种模式的探索已取得标志性新成果。
番茄藤蔓间，智能育种机器人“吉儿”行走其中。精准地识别出花朵，机械臂伸出，轻轻触碰雌蕊的柱头，仅需十几秒，一次杂交授粉就完成了。这是将BT（生物技术）+AI（人工智能）深度融合，作物—机器人协同设计理念的“首秀”。
番茄、大豆等作物的花型闭合，杂交育种只能依赖人工，育种和制种成本高。许操研究团队运用基因编辑重新设计番茄花型，快速精准创制雄蕊花粉败育、柱头无须伸长便可自然外露的结构型雄性不育系，使得植株拥有“机器人友好”的花型。再运用深度学习和人工智能成功研制世界首台可自动巡航杂交授粉的智能育种机器人“吉儿”GEAIR，打破杂交育种和制种瓶颈，大幅降低育种成本、缩短育种周期、提高育种效率。
李家洋表示，育种研究要从“五个新”发力，即新现象、新机制、新载体、新技术、新方法体系。他特别强调了“新载体”的重要性，指出一些生命现象只存在于独特的物种中，这些独特物种应当作为关键研究载体得到高度重视，这是中国基础科学研究走出自主发展道路的重要切入点。此外，他还指出，复杂性状模块耦合机制——即高产、高效、抗病、优质等优良性状如何融合，物种拥有广泛环境适应性的内在机制原理，以及遗传转化技术对受体基因型依赖的问题等，其深层机制尚不明晰，均是未来育种研究的重要方向。（杨久栋）
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