6月初,《科学》杂志刊登了一则来自中国的重大发现——人类首次在水稻中找到挑战孟德尔遗传定律的“自私基因”,突破了长期困扰农业科学界的籼粳稻杂交不育难题。论文由中国农业科学院和南京农业大学合作完成,中国农科院副院长、中国工程院院士万建民为其通讯作者,论文第一作者则是他的学生、南京农业大学博士后余晓文。

小小基因,为何关乎水稻育种根本?粮食安全,为何日益取决于生物技术?近日,半月谈记者采访了万建民院士,听这位一心报国的农业科学家讲一个与中国人“饭碗”有关的奋斗故事。 

吃得好的奥秘要在“自私基因”中找?

“自私的基因”一说由英国生物学家理查德·道金斯提出,大意是基因会尽可能保存并复制自己,从而保持物种基因组的稳定性。然而这与经典的孟德尔遗传定律不符——孟德尔认为,来自生物双亲的基因可以均等地分配给下一代。

在植物界,有这样“孩子更像父母某一方”而不是“一半像爸爸,一半像妈妈”的例子吗?

万建民院士团队找到了。水稻的花粉母细胞有一对“花粉毒性蛋白”和“解毒蛋白”。籼粳稻杂交时,一方释放的“解毒蛋白”会选择性地保护己方配子,导致对方配子在“花粉毒性蛋白”作用下死亡,最终一半花粉不育。万建民说,这一发现对今后寻找水稻“广亲和”品种,提高籼粳杂交稻产量有重大意义。

所谓“广亲和”,是日本学者发现自某印度尼西亚水稻品种,该水稻无论是和籼稻还是和粳稻杂交,都表现出良好的高产特性。1988年,袁隆平提出,可以利用广亲和品种,培育籼粳杂交的“超级稻”。

然而进一步研究发现,“广亲和”是相对的,广亲和品种只有与部分籼稻或粳稻杂交,后代才能正常结实,和其他籼粳稻品种杂交仍存在不育性。这一问题困扰农学界多年。

功夫不负有心人。2014年,万建民团队终于发现了“广亲和基因”的庐山真面目,并开发出相应的分子标记和育种技术,成功培育出籼粳杂交高产稻新品种。

疑云并未散去。水稻广亲和基因和育性性状之间并非简单的对应关系,基因如何调节性状,分子机制尚不明确。让万建民兴奋的是,这一次发表于《科学》的成果,阐明了自私基因在维持植物基因组稳定性、促进新物种形成中的分子机制,为实现籼粳杂种优势的利用打开了大门。 

如何让“吃饱”的中国人“吃好”

万建民的“水稻情结”或许可以追溯到中学时代每月分到手的15斤全国粮票,“那时候很少吃到米饭,能吃饱就是最大的幸福”。

1991年,万建民进入日本京都大学水稻育种实验室攻读博士。“我记得室长煮了两碗米饭,一碗用的是日本人吃的越光米,另一碗是当时我国农民广泛种植的桂朝2号。越光太好吃了,对当时的我刺激很大。”

或许味觉的记忆最为持久,万建民说,他这些年来的工作,就是研究如何改善水稻的产量和品质,不仅要让中国人“吃得饱”,更要“吃得好”。什么米的口感才叫好吃?不同人群适合食用的稻米有哪些不同?这成为万建民团队近年来又一主攻方向。

据万建民介绍,稻米品质主要看两个指标,淀粉和蛋白含量,直链淀粉适度、蛋白含量偏低的稻米口感更佳,更受消费者青睐。

2004年,万建民受任“全球营养强化项目”负责人,针对大米消费的多样化需求,培育适合特殊人群食用的水稻品种。如针对肾脏病人开发低谷蛋白大米,针对糖尿病人研制不容易转化为糖的“高抗性淀粉”大米……此外,项目团队还努力通过优化大米的粘性、弹性和韧性,提升大米中营养元素的含量,更好地适应现代人的主食需求。 

不要遗忘了关乎“饭碗”的“冷学问”

中国数千年文明史上,粮食安全一直被视为国家安全的根本问题。走进中国农业科学院作物科学研究所,首先映入眼帘的就是习近平总书记“中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上”的殷殷嘱托。

“维护粮食安全,任何时候都要坚持独立自主。”万建民认为,中国必须大力发展包括分子育种、转基因、生物合成在内的生物育种技术,在原始创新上不落人后,把技术牢牢掌握在中国人自己手中。

然而,育种研究在当下还是地道的“冷板凳”学问。“与优异基因相遇是可遇不可求的。”在万建民看来,水稻育种是一项漫长的工程,政府对农业科学的考核也应当适当放长周期。“有些基层农科所的工作人员,可能一辈子就培育一个品种,按照现行评价体系,他没有发表论文,是不可能晋升职称的。”

万建民介绍,团队发掘水稻半不育基因PSS1花了18年;找到水稻部分显性矮杆多分蘖基因D53用了25年。发掘一种优异基因,往往需要搜集上万种资源。从余晓文下决心找到“不育因子”,到彻底弄清楚这对基因的运行机制,用了整整9年,攻坚阶段,他连续4个春节没有回老家陪父母。

“国家对于农业科学研究还应进一步加大投入。目前农业研发投入仅占全社会研发投入的1%,这就需要政府站在确保国家粮食安全、生物安全的战略高度,做好相关技术储备。”万建民说,毕竟,这是与中国人的“饭碗”息息相关的技术。(半月谈记者 陈席元)