搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第123期，對話植物分子遺傳學家，崖州灣國家實驗室主任李家洋。

嘉賓簡介：

李家洋，植物分子遺傳學家，崖州灣國家實驗室主任， 2018未來科學大獎-生命科學獎獲獎者。

• 育種家最大的貢獻就是用最少的資源投入創造出最高產、最優質的品種，并且能夠適應環境變化。
  

• 未來育種五代技術是智能智造技術，能夠主動響應環境。
  

• 我希望未來可以創造出大家所需要的新產品，吃著好吃，吃著健康，價格也合理。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

“我希望未來可以創造出大家所需要的新產品，吃著好吃，吃著健康，價格也合理。”這是植物分子遺傳學家李家洋樸素的愿望。

然而，想要實現這個愿望，卻沒有那么簡單……

一碗香噴噴的米飯的背后可能蘊藏著成千上萬個基因的“協同作戰”，凝結著李家洋和團隊對光照、溫度的精準調控。從實驗室進行基因測序，再到田間地頭進行試驗，李家洋正一步步揭開植物性狀背后的遺傳奧秘，勾畫著未來智能育種的新圖景。

在未來科學大獎十周年的慶典期間，搜狐科技對話了李家洋教授，聽他深入探討了植物分子遺傳學的新進展、基因編輯如何讓“設計作物”走向現實以及如何從解決糧食安全問題到滿足個性化需求的。

李家洋表示，植物的性狀從來不是單個基因決定的，一棵水稻的高矮、穗粒大小，可能由數十個基因共同控制，所以他們要找出控制關鍵性狀“主效基因”，也要摸清那些“輔助基因”，更要破解它們之間復雜的關系網絡。

他以糧食作物水稻和模式植物擬南芥為材料，研究植物激素的合成途徑與作用機理，解釋這些植物株型形成的分子機理。他還致力于水稻分子品種的設計，培育高產、優質、高抗、高效的新品種，像“中科發5號”“中科發早粳1號”和“中科發早粳23”都是出自他的手筆。

在李家洋看來，育種家最大的貢獻就是用最少的資源創造出最高產最優質的品種，并且能夠適應環境變化，未來還要適應不同的人群。現在他們已經有針對糖尿病人士設計出的低GI（升糖指數）的品種了。

談及未來的目標時，他表示：“未來育種是自動化、機械化、信息化和專業化加在一起的，我們實驗室在未來5-10年內最重要的目標和使命，就是建立智能智造體系，培育智能品種。”

以下為對話實錄（經整理編輯）

媒體：您可否科普一下，植物分子遺傳學這個學科在研究什么？

李家洋：我們常說的“種瓜得瓜，種豆得豆”，“像”，說明是遺傳的，“不像”，就是變異。植物遺傳學研究的就是從上代到下代的遺傳的規律是什么？物質基礎是什么？有什么機理？不同的地方是什么？為什么有變化？

比如：有的玉米棒很大，有的特別小，可以炒菜用；西紅柿有大的，也有小的，它雖然小但它還是西紅柿，這就是遺傳“像”的一部分，“不像”的是從大果子變成了小果子。我們的研究探討是怎么發生變化的，如何讓產量更高、品質更好，營養價值更高。

媒體：可以舉例講講您的研究技術或者方法嗎？

李家洋：現代生命科學的發展不論是植物、微生物，還是人類，最核心的、可以看到的東西用一個詞來講是“表現型”，這是由基因決定的。基因決定所有的性狀，比如植物的高矮、分支的多少、大小、根系深淺等。

像水稻、玉米、大豆，或小麥，每一個物種都有幾萬甚至幾十萬的基因，每一個基因控制什么性狀我們都想要搞清楚，有時是很多基因控制一個性狀，一個基因也能影響很多性狀。

比如我們想讓玉米的穗更大一點、結的多一點，那我們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。有時候一個基因不只影響穗子的大小，可能還會影響植株的高矮、病蟲、干旱的響應等，我們要弄清楚其中的相互關系，這也是植物學家、植物理論學家要解決的所有問題。

媒體：有些植物周期很長，那要怎么研究其中的關系呢？

李家洋：有各種各樣的方法。因為不同的物種都有相似性，我們可以找一個生長周期短的，大致性狀都包括了的“模式材料”，比如擬南芥，生長周期6周比較短，如果把光、溫、營養再調整一下，可能三個星期就可以了。

像水稻一般來說要種100多天，（生長周期）是120天到150天，但在特別好的光溫水熱條件下，60天就能收獲，這樣一年就可以收割5至6次。

媒體：我們改變種子的時候，改變的是什么？

李家洋：實際上是要改變基因本身的結構，就是基因編碼。所有的物種都有基因組，脫氧核糖核酸，也就是DNA是構成基因組的基本單位，堿基對是形成 DNA 、RNA單體以及編碼遺傳信息的化學結構。

我們要搞清楚那一段DNA它到底起什么作用，是確定蛋白質，還是決定其他輔助基因，這里就涉及到基因的表達調控，形成一個復雜且精準的生命調控系統，要研究從種子萌芽開始到生長、開花、結果整個周期，每一段DNA起到怎樣的作用，怎么被表達出來，從而展示它的意義。

媒體：我們如果想在一個環節“做手腳”，該怎么操作？

李家洋：在DNA這部分進行基因編輯，像轉基因也都是在這個環節做的，它是根本。就像文章一樣，改變了里面的字，表達的意義就會不一樣。當然也可以在其他環節去改變，比如把影響基因表達的物質放進去，可能不一定會遺傳下去，但可以改變當代基因組里基因表達的順序和強度，現在在人類的基因治療上已經做到這一點了。

媒體：改變植物、動物或者人的遺傳基因的方法技術有什么不同？

李家洋：人和動物、植物，其實站在規律這個角度來說是一樣的。但是里面有非常大的不一樣。比如從結構上來說，人的細胞是動物細胞，動物細胞沒有細胞壁，但植物細胞有“鋼筋混凝土”做的細胞壁，像堅硬的外殼，很難改變形式，如果要進行改變，把外來的基因打進去是很大的困難，DNA的遞送系統很困難。

還有一個不同就是植物需要光合作用，它有葉綠體，葉綠體有一套色素系統，能夠接受光能，但人沒有，我們需要食物來獲取營養，這是本質上的不同。

媒體：那植物之間的差別會小一些嗎？

李家洋：說起來小，其實也很大。比如大豆、向日葵是雙子葉植物，而小麥、水稻是單子葉植物。區別就是種子在胚中發育是二片子葉還是一片子葉。從遺傳角度來說雙子葉植物和單子葉植物就有巨大的不同。比如水稻做根系的遺傳轉化可以做的很好，小麥就很難，大豆特別難。

媒體：您的研究帶來了哪些重要成果？

李家洋：我回國的時候，植物分子遺傳學還處在早期的發展階段，那我就要解決學科發展的幾個關鍵問題。第一個問題，基因是決定農作物性狀的根本，那用什么方法能讓大家都找到基因呢？我當時研究的是擬南芥，擬南芥當時在國際上基本成熟，但國內沒有，在2000年的時候，國際上完成了擬南芥基因組全序列完全測定并公開發表，這也是第一個經完全測序的開花植物。

但這不是我的目標，我的方向是糧食安全，不過一開始就做水稻難度太大了，根本做不起來。所以我用了幾年的時間，在96、97年的時候開始做水稻，建立最有效成熟的水稻基因克隆體系，說白了就是把復雜的農作物基因找到，第一個水稻基因于2003年在自然雜志發表，在國際上影響是非常大的。

第二個，光找到基因不行，還要知道基因是干嘛的，控制哪些性狀機理。比如說之前水稻不好吃，什么基因控制的影響了口感是一個復雜的“網”，我們都不知道，所以要把基因找到，我也在開發一些新方法，把高產、優質的品種做出來。這是個例子，那以后玉米，包括蔬菜都可以按照這個思路來研究。

第三個是我提出了分子設計育種的概念，最后我們用了8-10年的時間，把這個系統做出來了，我們也提出了一個新設想，希望未來可以實現智能作物智能培育。

媒體：想達到理想的品種有哪些困難？

李家洋：育種和基礎研究不太一樣，基礎研究是把機制搞清楚可能就會影響很大，甚至獲得諾貝爾獎，但育種是做產品，產品是多重因素決定的，要綜合性狀好，比如光穗大不行，能不能抗旱、抗低溫、抗蟲，好不好吃，都決定這個品種能不能推廣出去，所以要考慮產量、品質再加上環境的影響等等。

媒體：您覺得水稻培養在理想狀態下最終會達到怎樣的效果？解決多大的問題？

李家洋：這是國家的戰略。育種家最大的貢獻就是用最少的資源創造出最高產最優質的品種，并且能夠適應環境變化。而且未來還要適應不同的人群，比如針對糖尿病人士，我們要推廣低GI的品種，我們現在已經有這樣的產品了。

媒體：您當時選擇研究的方向是非常有預見性的，您怎么回看當時的選擇？

李家洋：每一個時代對科學發展都要有一定的預見性、洞察性。我大學開始接觸的是樹木，后來在中國科學院遺傳所做碩士的時候研究植物分子遺傳學，這就上升到DNA水平，那時大家都在夢想什么時候我們才知道植物的基因控制著什么呢。后來我去美國正好趕上植物分子遺傳學大發展的時期，理論上證明了基因可以控制作物性狀，但不知道具體是怎樣的，大概在90年代初大家突然間發現科學技術可以把基因找到，并跟性狀聯系起來，大家都很激動。

那我就想如果要解決糧食問題，是不是基因改造主要糧食作物就能實現了，所以我一定要回國。我想擬南芥的基因組測序早晚都會出來，因為那時人類的基因組測序也啟動了，雖然也有很好的機會留在美國，但我還是想回到科學院工作。

媒體：您覺得國內育種達到怎樣的水平了？

李家洋：育種階段的分法不一樣，大家不是達成共識全部接受，但大致是可以理解的。1.0時代，主要是漫長的人類馴化階段，2.0是1930年美國雜交玉米成功之后，到我們國內雜交水稻、小麥等技術的發展，雜交育種是主流技術，二代時間很長。現在有三代四代，或者未來有五代技術，但二代技術還是要用，高一代對低一代是兼容的。

三代是轉基因分子標記技術，四代是我們提出來的分子設計育種技術，現在國際上已經都認可了，我們也在水稻上也實現了，做出了很多品種，步子相對來說比較快，也比較好。未來五代技術是我曾經提出的智能品種智能智造技術，又叫“雙智”。

雖然跟四代關系密切，但很不一樣，因為四代以前不是智能的，到五代能夠主動響應環境，比如高溫來了，能夠主動抗高溫打開這個基因，但平時這個基因是關閉的。過去高產不能兼容抗病的，高抗病的又不高產，我認為現在解決這個問題最大的出路就是基因要有自己的智能開關，需要的時候打開，不需要的時候關閉。

這個是很難的，現在還在探索階段。我們有一點成果證明這是可以的，我在2018年合作做水稻協同抗病與高產的研究，我們總結這是智能成果的雛形。五代技術的技術手段也是智能的，比如有人工智能、大數據、生物技術，有監測收集系統，還有就是物種種植時間也會變短。

媒體：您覺得中國的農業科技，可以為世界解決糧食問題貢獻哪些“中國方案”？

李家洋：智能育種就是一個非常基本的方案，種子的科技貢獻率一般在40%-60、70%，其他包括機械、水利、化肥、農藥也都有貢獻，我們至少要在種子方面在國際科學技術上起到引領和引導的作用，在應對高低溫、病蟲害方面提供一個基本的、樸實的方案。

媒體：作為崖州灣國家實驗室主任，您對實驗室未來的發展有著怎樣的規劃和期望？

李家洋：做到“雙智”是我們實驗室在未來5-10年內最重要的目標和使命，建立智能智造體系，培育智能品種。

媒體：您覺得實現后，老百姓的感受會是怎樣的？多久能實現？

李家洋：水稻的個性化品種會短時間內提供給消費者，這個技術5年基本框架是沒問題的，我覺得大概10年就會有先導性的品種出來，我在2000年左右提出這個想法的時候，可能覺得有點“天方夜譚”，但實際上我們第一個設計的育種品種出來就是在2017年，現在做的還會更快一點。因為現在的技術手段更高。

媒體：您覺得農業科學有前途嗎？

李家洋：農業的發展是無上限的。未來對農業工人的要求也不一樣，他們不再是傳統意義上的農民了，是農業工人，有產業的分工。比如我十年前到以色列農場去，不到100平米的農場里98%都是大學畢業生，會跟我談抗病調控、營養品質，他們做出來的產品附加值很高，像圣誕節前后還會出口歐洲這些“高大上”的農產品。

我想未來肯定是這樣的，是自動化、機械化、信息化和專業化加在一起的，比如會設計程序自動監測，看什么時間需要打藥、施肥等等。

媒體：所以未來學農的，以后可能要跟學人工智能的一樣了？

李家洋：肯定要懂人工智能，不懂人工智能怎么行？到未來就不只是現在的這種關注植物的生長、開花這種簡單的技術了，未來你一定要緊跟科學技術發展。

媒體：您接下來的小目標是什么？

李家洋：希望未來可以創造出大家所需要的新產品，讓大家吃著好吃，吃著健康，價格也合理。比如，我們選育成功了雙季早粳稻，平均畝產在500公斤以上，具有抗逆性強、株型優、米質優、食味佳等優點，我們希望在未來5年內，讓更多的人可以早點吃上優質大米。

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