高產優(yōu)質的水稻品種，高產抗病的小麥品種、耐鹽抗旱的小麥品種、高產抗病的玉米品種、擁有理想株型的高產油菜品種、高產高蛋白的大豆品種……擁有各類優(yōu)異特性的糧油作物品種令人大開眼界。還有無肌間刺的異育銀鯽，吃魚時再也不用擔心被小刺卡住；瞄準沿海近400萬畝日曬鹽田，“渤海1號”對蝦可在鹽度高達50以上的水域養(yǎng)殖；在黃河三角洲鹽堿地試種的番茄品種，別有一番風味；破解新型產膠作物橡膠草基因密碼，將路邊野草改造為國家亟需戰(zhàn)略物資的生產工廠……

這些五花八門的品種或品系，都來源于中國科學院于2019年11月啟動的A類先導專項“種子精準設計與創(chuàng)造”（以下簡稱“種子專項”）。針對我國新時期糧食安全、生態(tài)安全及農業(yè)供給側結構性改革的重大戰(zhàn)略需求，院內22家單位聯(lián)合院外8家單位開展協(xié)同攻關。

“六年來，種子專項在新理論、新技術、新產品三個維度取得了多項‘硬核’突破——挖掘了一批高產優(yōu)質、氮高效利用、抗逆抗病等關鍵基因與調控網絡，實現(xiàn)了基因組精準編輯、四倍體野生稻快速從頭馴化等核心技術創(chuàng)新，創(chuàng)制了37個先導型新品種，切實發(fā)揮了戰(zhàn)略性先導科技專項在種子創(chuàng)新方面的引領作用?！敝袊茖W院院士、種子專項首席科學家李家洋介紹。

“搶占種業(yè)科技制高點，不僅在于擁有一批具有競爭力的當家品種，更在于是否能構建起自主的、引領性的種業(yè)科學體系與創(chuàng)新生態(tài)。我們不僅要讓中國人的飯碗里裝滿中國糧，早日實現(xiàn)種業(yè)科技高水平自立自強，還要為世界糧食安全和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻‘中國方案’，從而在未來農業(yè)科技版圖中占據(jù)一席之地?！敝袊茖W院可持續(xù)發(fā)展科技研究局局長薛強闡述種子專項的戰(zhàn)略意義。

以“精準設計”找尋“破局之道”

曾經，育種主要通過一代代雜交，在漫長的時間里篩選出擁有理想性狀的品種。選育出好的品種，主要依靠育種者的經驗、運氣和長達數(shù)年的堅守。而今天，在中國科學家手中，育種已蛻變?yōu)橐婚T可預測、可編程、可定制的精密科學。

2013年8月，中國科學院啟動戰(zhàn)略性先導科技專項“分子模塊設計育種創(chuàng)新體系”，提出的“分子模塊設計”育種理念，讓中國育種從“經驗”走向“設計”，也將中國的育種技術理念推向了世界前沿。作為“分子模塊設計育種創(chuàng)新體系”的新階段，種子專項讓我國在精準設計育種領域建立起自主可控的完整技術體系，并進入從“跟跑”“并跑”到部分“領跑”的新階段。

李家洋介紹，種子專項分為四個項目，“種子精準設計的分子基礎”挖掘出高產優(yōu)質、氮高效利用、耐寒、抗病、抗倒伏等一批關鍵基因，揭示復雜性狀形成的調控機制，建立精準設計的“核心元件庫”；“種子精準設計的變革技術”在基因組編輯、基因組分型、從頭馴化快速育種等關鍵核心技術實現(xiàn)突破；“設計型新品種創(chuàng)造”著重研發(fā)“一增兩減”（增加產量、提高品質，減少化肥農藥使用，減少自然災害損失）品種，目前已有37個“一增二減”先導型品種通過審定，累計推廣種植面積達1448萬畝；“精準設計育種研究平臺”為上述工作提供支撐，完成庫容達10.5萬份的智能化基因資源保藏庫（種質庫）研制，建成數(shù)據(jù)處理分析能力達10.5PB的智能生物育種大數(shù)據(jù)平臺，建成1個包括9個功能性數(shù)碼農場的研究基地網絡。

“種子專項既要在基礎前沿領域深入研究，又要在關鍵問題上勇當開路先鋒，研究成果還要廣泛應用于產業(yè)中?！崩罴已笤u價道，“技術的進步帶來育種的變革，我們找到控制相關理想性狀的基因，可以將多個優(yōu)良性狀‘聚合’到一起進行協(xié)同改良，可在短時間內培育出先導型品種?！?/p>

為農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展貢獻解決方案

依靠有限的耕地、水資源等自然資源，怎樣生產出更多的糧食？產量提升過度依賴化肥投入，這一困境怎樣破解？面對白粉病、赤霉病等植物病害，怎樣通過選育和推廣新品種，找到經濟、有效、環(huán)境友好的策略？

中國科學院院士、種子專項“種子精準設計的分子基礎”項目總師、植物研究所研究員種康介紹了兩項直擊農業(yè)生產痛點的理論突破——一是讓水稻“減肥”不減產，二是給小麥裝上“免疫盾牌”。

長期以來，育種的首要目標是高產，使水稻能在大量施用化肥情況下，獲得較高產量。這也導致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種的肥料利用效率普遍較低。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員儲成才團隊對過去100年間收集于全球不同地理區(qū)域52個國家（地區(qū)）的110份早期水稻農家種進行了全面的農藝性狀鑒定，并利用復雜性狀精準解析技術，鑒定到一個關鍵基因OsTCP19，可以通過調節(jié)水稻分蘗提高氮肥的利用效率。研究組將這一“丟失”的基因重新引入現(xiàn)代水稻品種，在氮肥減少20%~30%的情況下，攜帶OsTCP19的水稻分蘗數(shù)更多，產量依然保持穩(wěn)定，目前氮高效基因已在浙江、湖南、廣東等多個育種單位進行了應用推廣，表現(xiàn)出“減肥不減產”的優(yōu)良特性。

在世界范圍內，白粉病是一種由真菌引起的危害小麥生產的重要病害。近年來，在小麥和大麥中發(fā)現(xiàn)一類新型抗病蛋白串聯(lián)激酶，可使小麥表現(xiàn)出對條銹病、葉銹病、稈銹病、白粉病、麥瘟病和黑粉病等真菌病害的抗性。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員劉志勇團隊從中國小麥地方品種“葫蘆頭”中克隆到編碼新型串聯(lián)激酶的廣譜抗白粉病基因Pm24，可以識別出多種病原菌釋放的“攻擊信號”，當植株感知到病原菌入侵后，召喚另一個“搭檔”抗病蛋白協(xié)同工作，激活超敏反應和細胞程序化死亡，從而兼抗白粉病和麥瘟病。經過多年的回交轉育和分子標記輔助選擇，研究人員已將Pm24基因分子模塊導入到多個高產小麥底盤品種，創(chuàng)制的抗病新種質已發(fā)放給國內多家單位進行抗病育種。

近年小麥赤霉病不斷從南向北擴展，不僅導致減產，病原菌產生的毒素還威脅食品安全。小麥赤霉病可防不可治，防治投入所需人力財力成本巨大。針對目前小麥對赤霉病抗性資源有限的情況，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員韓方普團隊將目光鎖定發(fā)現(xiàn)的新型赤霉病抗病模塊（主效基因非當前已知的抗赤霉病基因）。“把小麥的‘遠親’二倍體長穗偃麥草中具有優(yōu)異赤霉病抗性的染色體片段導入主栽小麥品種，我們培育出兼具赤霉病抗性和優(yōu)良農藝性狀的小麥新品系‘中科’系列。‘中科166’的推廣面積已近150萬畝，筑牢了主糧安全‘防護網’?！狈N康院士介紹。

“工欲善其事，必先利其器”

如果說基因是生命的代碼，那么中國科學家不僅需要拿到打開代碼的“鑰匙”，還要成為優(yōu)秀的“程序員”。

病原菌的成功侵染植物，需要利用植物自身的“感病基因”。感病基因的突變通常能夠賦予植物廣譜持久的抗病性。然而，感病基因具有重要的生理功能，其突變大多給植物生長發(fā)育帶來多種負面效應，極大地限制了感病基因在植物抗病育種中的應用。多年來，科學家們一直在尋找打開這一重要抗性遺傳資源寶庫的“金鑰匙”。

早在2014年，中國科學院的研究人員就定向突變小麥的感病基因MLO，獲得了對白粉病具有廣譜持久抗性的材料，卻也出現(xiàn)了早衰、植株變矮、產量下降等現(xiàn)象，可能限制其在生產上的廣泛應用。

怎樣實現(xiàn)“魚與熊掌可以兼得”，打破“抗病不高產”的“育種魔咒”？研究發(fā)現(xiàn)，進一步將小麥B基因組上感病基因MLO位點附近的一個304Kb片段刪除，就可以使小麥表現(xiàn)出對致病菌的抗性，同時植株的生長發(fā)育和產量正常。

然而，小麥是六倍體作物，對六個等位基因同時實現(xiàn)基因突變絕非易事。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員高彩霞團隊和微生物研究所邱金龍團隊合作，自主研發(fā)了多重基因組編輯技術，實現(xiàn)了對MLO的六個等位基因進行精準操控，僅2個多月就成功在多個小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性，且生長和產量均不受影響的小麥新種質。2024年，該小麥新種質拿下我國首個口糧作物基因編輯生產應用安全證書——是通行證，更是里程碑。

“這一工作是利用感病基因進行植物抗病育種研究的重要理論和技術突破。相比于傳統(tǒng)育種方法，基因組編輯育種極大縮短了育種進程，展現(xiàn)出巨大的應用前景。”高彩霞介紹。

李家洋院士團隊首次提出并實踐的“異源四倍體野生稻快速從頭馴化”新策略，開辟了全新的育種路徑。人類將野生植物馴化為作物經歷了上萬年，而采用這一全新策略，可將馴化時間縮短至數(shù)年。

目前，全球僅有約250個物種被完全馴化。在自然界中，仍存在大量優(yōu)異野生植物未被人類使用。利用這些野生資源，目前仍然缺乏有效技術手段。以水稻為例，目前廣泛種植的是二倍體栽培稻，稻屬還有其他25種野生植物。其中起源于南美洲的異源四倍體野生稻具有生物量大、環(huán)境適應能力強等優(yōu)勢，但同時也具有非馴化特征，無法進行農業(yè)生產。

對此，研究團隊像“農業(yè)工程師”一樣，攻克了種質資源篩選、野生稻高效遺傳轉化、基因組組裝注釋等重重難關，成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時間不同程度縮短的各種基因編輯源四倍體野生稻材料，首次證明了從頭馴化策略培育新型作物的可行性，為全球糧食安全提供了前瞻戰(zhàn)略性技術儲備。

貫通從理論到產業(yè)全鏈條

種子專項中，精準創(chuàng)制出的新品種令人目不暇接。

當下，我國大豆產業(yè)面臨進口量大、生產力不足的難題。種質資源遺傳變異不清，整合數(shù)據(jù)平臺缺位，限制了大豆精準設計育種的發(fā)展。

中國科學院院士、種子專項“設計型新品種創(chuàng)造”項目總師、水生生物研究所研究員桂建芳介紹，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員田志喜團隊應用數(shù)學圖論方法，創(chuàng)新基因組分析方法，構建首個植物（大豆）圖形結構泛基因組圖譜。開發(fā)了多維組學數(shù)據(jù)庫SoyOmics，提供了種質資源、表型變異、泛基因組、遺傳變異、同源分析、基因表達等多個“一站式”分析模塊。在此基礎上，專項研究團隊精準聚合優(yōu)良性狀，成功培育出“科豆”“東生”系列等10個高產高營養(yǎng)大豆新品種。

專項還引領了“水產”設計育種的新浪潮。桂建芳院士團隊首次提出“雙三倍體”概念，創(chuàng)建了基于生殖方式轉換導致基因組重構產生優(yōu)勢克隆系的設計育種技術體系，培育出具有高產、抗病、節(jié)糧三大優(yōu)勢性狀的待審品種異育銀鯽“中科6號”；相較于底盤品種異育銀鯽“中科3號”，“中科6號”生長速度平均提升25.0%，養(yǎng)殖存活率平均提升66.5%，飼料效率平均提升20.1%。同時研究團隊還將“非減數(shù)融合”生殖與基因編輯相結合創(chuàng)建育性可控設計育種技術體系，創(chuàng)制出既“無肌間刺”又不育的可用于養(yǎng)殖的無肌間刺異育銀鯽。

“目標清、可考核、用得上、有影響、推得開、留得下”，這是種子專項的十八字要求，強調把理論探索、關鍵技術、產業(yè)應用融合為一體，培育出真正面向產業(yè)需求的突破性新品種。其中最有代表性的要數(shù)李家洋院士針對我國東北稻區(qū)及南方雙季稻區(qū)的重大需求，帶領團隊研發(fā)的“中科發(fā)”系列水稻新品種。

在東北稻區(qū)，“中科發(fā)5號”比當?shù)刂髟詢?yōu)質品種增產超20%，鹽堿地畝產突破600公斤，還拿下全國優(yōu)質稻食味品質鑒評金獎，2024年躋身全國常規(guī)水稻推廣面積第五位。在南方雙季稻區(qū)，“中科發(fā)早粳1號”實現(xiàn)我國雙季早粳稻品種零的突破，將優(yōu)質新粳米上市期提前2至3個月，通過提高早稻米的品質和商業(yè)價值，帶動農民增收。

走向育種創(chuàng)新的“深?！?/p>

未來的育種競逐的賽道在哪里？種子專項“品種重新設計與快速馴化”課題負責人、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所許操研究員總結出三個“賽跑”：與氣候變化和農業(yè)災害賽跑；與資源消耗速度和農業(yè)生產成本提升賽跑；與人工智能等新技術帶來的生產方式變革賽跑。

許操研究員用“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭”形容新技術領域的激烈競爭。種子專項的實施也為未來育種研究指明了方向——發(fā)展智能育種，包括兩個方面智能品種智能培育：培育“智慧種子”，它不但更高產、更營養(yǎng)、更節(jié)水、更抗災，還能主動響應環(huán)境變化優(yōu)化分配資源；智能的育種技術手段，采用人工智能、大數(shù)據(jù)等與先進生物技術深度融合的方式快速培育品種?！昂唵蝸碚f，就是以更聰明的方式培育更聰明的作物，從而實現(xiàn)育種技術的迭代?！痹S操說。

“BT筑基+AI賦能+機器人勞作”智能育種模式的探索已取得標志性新成果。

番茄藤蔓間，智能育種機器人“吉兒”行走其中。精準地識別出花朵，機械臂伸出，輕輕觸碰雌蕊的柱頭，僅需十幾秒，一次雜交授粉就完成了。這是將BT（生物技術）+AI（人工智能）深度融合，作物—機器人協(xié)同設計理念的“首秀”。

番茄、大豆等作物的花型閉合，雜交育種只能依賴人工，育種和制種成本高。許操研究團隊運用基因編輯重新設計番茄花型，快速精準創(chuàng)制雄蕊花粉敗育、柱頭無須伸長便可自然外露的結構型雄性不育系，使得植株擁有“機器人友好”的花型。再運用深度學習和人工智能成功研制世界首臺可自動巡航雜交授粉的智能育種機器人“吉兒”GEAIR，打破雜交育種和制種瓶頸，大幅降低育種成本、縮短育種周期、提高育種效率。

李家洋表示，育種研究要從“五個新”發(fā)力，即新現(xiàn)象、新機制、新載體、新技術、新方法體系。他特別強調了“新載體”的重要性，指出一些生命現(xiàn)象只存在于獨特的物種中，這些獨特物種應當作為關鍵研究載體得到高度重視，這是中國基礎科學研究走出自主發(fā)展道路的重要切入點。此外，他還指出，復雜性狀模塊耦合機制——即高產、高效、抗病、優(yōu)質等優(yōu)良性狀如何融合，物種擁有廣泛環(huán)境適應性的內在機制原理，以及遺傳轉化技術對受體基因型依賴的問題等，其深層機制尚不明晰，均是未來育種研究的重要方向。（楊久棟）