科学家们致力于改良当今世界最普及的粮食作物。
国际水稻研究所的成员，该机构曾为“3 000株水稻基因组项目”提交数据
在世界不同区域的两位农民可以种植同样品种的水稻，但他们的庄稼可能会看起来截然不同。水稻有着广泛的基因多样性，科学家们目前正在研究，提升充分利用基因多样性的能力。2014年5月，来自中国农业科学院、深圳华大基因，以及菲律宾国际水稻研究所的专家们发表了从89个国家搜集到的3 000株水稻的基因组序列。
该研究名为“3 000株水稻基因组项目”，科学家们确认了在水稻生长过程中最重要的控制其特征的特异基因。毋庸置疑，他们的发现在水稻栽培史上将引领新的思路，而更重要的是，他们为进一步改良世界最重要农作物之一的水稻研究提供了清晰的目标。
改良，迫在眉睫。过去几十年间，水稻培育和耕种的进步已经大大增加了产量，但科学家们也提出警告，如果保持目前的人口发展趋势，到2050年将没有足够的稻米满足全球的需求。除此以外，愈演愈烈的城市化、水源短缺、土壤侵蚀以及气候变化引起的极端天气都可能威胁到水稻生产，从而抵消了之前来之不易的研究成果。水稻研究者们明白，如果他们保持研究速度，保证水稻在未来仍然是世界主要粮食的地位，他们将推动遗传学上一个台阶。他们也明白，除了分子遗传学和生物技术的进步，无论是培植株还是野生株，都可以进行杂交培育。
旧学派的进步
数千年以来，稻农们一直使用一种形式的杂交水稻种植，但目前这仍是水稻生产中的前沿。2013年9月，全世界的水稻研究者们为“现代杂交水稻之父”袁隆平庆祝，他和他在中国长沙，国家杂交水稻研究发展中心的团队发现了他们最新的“超级水稻”杂交品种。新研发的品种，Y两优900，每公顷产量达到14.8吨，创下水稻亩产新纪录，是中国稻田平均产量的两倍。在实地实验中，水稻比之前创下的记录多产6.6%的稻米。新品种的诞生，令全世界最大的稻米生产国，中国，在2015年保持示范田每公顷15吨的产量，到2020年这一技术则可在全国范围内推广。
Y两优900，达到了40年来水稻精心杂交培育研究的顶峰，具备了超产水稻品系的特征。该品种的水稻根粗，圆锥花序（穗部）大（次生枝），播种密度高，谷粒饱满，抗各种压力（如干旱、虫害）。更令袁隆平骄傲的是，所有这些优点，都是用传统的杂交方式培育出来的。
过去几十年中，袁隆平已经向世人展示了灵活应用杂交技术会有的丰厚回报。1973年，他研制出他的第一个杂交品种，籼稻（长颗粒米）三系杂交，比传统水稻品种增产20%-30%。从那以后，每年在中国，水稻年均产量都有所增加。如今，现代的杂交品种增产达57%，占全国稻米出口量的65%。
很多杂交水稻的品种比他们的亲株更耐寒，长势更优，但至今还无法解释其中的缘由。这种现象，叫做“杂交优势”，在农业中很普遍，而在水稻种植中尤为明显。2009年发表的一项分析显示，与能量代谢和传输相关的基因在杂交品种LYP9中特别活跃，说明这些基因可能在杂交优势的研究中特别重要。
基因革命
尽管各种进步明显，科学家们明白单靠杂交无法满足未来世界对粮食的需求。他们需要明确能控制特殊有益属性的基因，并使用生物技术来改善植株。3 000株水稻基因序列组的公布确有帮助，但即使是在所有的信息为人所知之前，科学家们已经发现了一些基因，它们在其中扭转乾坤。
上世纪六十年代初期，大多数水稻植株很高，在稻谷饱满时会因为其重量而出现倒伏。改良方法是使植株更矮更结实的IR8号，该品种减少了植株倒伏的现象，仍能保持原有的水稻产量。大面积使用该新品种推动了六十年代亚洲水稻种植的“绿色革命”。
2002年，日本名古屋大学的遗传学家松冈信领导的团队发现，IR8品种的植株矮，是归于功能丧失型突变基因，半矮株基因sd1。研究小组发现，基因损伤会造成生物合成和赤霉素信号通道的缺损，赤霉素是可以控制细胞延长的植物激素。细胞变得更短，但在其他方面的功能保持不变。
水稻遗传学的研究开始展望微效基因，研发如何利用它们进一步提高产量。
科学家们把目标放在遗传基础上，以研究水稻生产中其他关键的方面。中国农业科学院项目总监李家洋是3 000株水稻基因项目的推动者，他说：“影响粮食产量有三个关键要素：圆锥花序（穗株）、颗粒数和颗粒大小。如果一个水稻植株具备了这三点，一定是可以高产的。”
2003年，李家洋和他的团队找到一种基因，叫做MOC1，主要控制水稻的分蘖。他们发现，过度表达MOC1的水稻植株会从主茎生出更多辅助茎秆，而那些功能丧失型突变的MOC1的植株则只有一个结实的单茎。李家洋目前正在努力寻找MOC1的正确表达水平，以减少茎秆的数量，同时增加结种的枝干，以提升更高产量。他说：“谷物颗粒会更饱满，分量更重，产量会进一步提高。”
理论上说，科学家们可以利用基因工程，以确保水稻品种携带最有效最高产的基因突变。但实际没有那么简单。一个潜在的阻碍是公众普遍反对转基因作物，同时也要面对很多技术挑战。MOC1基因就是一个很好的例子：功能丧失型突变不仅损伤茎的增殖，同时增加植株的高度并减少穗数的量。这些意想不到的后果在提醒我们，粮食产量是一个复杂的农艺性状，由DNA的一个甚至多个区域控制。此外，大多数目前所知对产量产生有益影响的基因已经有了它们的品种，这样就限制了他们进一步增产的能力。
如果科学家们要彻底地改变水稻的生产，他们可能需要寻找带有罕见基因变异的野生品种。这一方法已有先例。1996年，加州大学遗传学家帕梅拉·罗纳德(Pamela Ronald)和国际水稻研究所的戴维·麦克尔（David Mackill）一起去找耐洪水的野生稻米品种。十年之后，他们找到了包含三个基因的簇，具有浸没耐性，即在水淹环境下可以存活两周。罗纳德使用精准育种将基因簇中的关键基因引入孟加拉国的水稻品种，因为那里的水稻田容易发生洪水。前期的实验表明，耐涝基因在某些地区可以提高六倍的产量。改良后的植株已经在包括印度和印度尼西亚等容易发生洪涝的国家广泛种植。
微效基因及其优势
大多数对于水稻生产的基因调查主要集中在研究对生产力有影响的基因上。但如此身价不菲的基因无法囊括所有问题。中国科学院国家基因研究中心的遗传学家韩斌说：“尽管这些基因中的每一个都能提高3%-5%的产量，但还有数以百计的微效基因可以更小规模地增加产量，大概0.5%吧。”
识别这些微效基因需要新一代测序技术和全基因组关联研究。然而一旦这一进展完成，微效基因的叠加就可以在多种环境下改良产量。韩斌说：“突破性技术在未来十年会出现，我们可以开始使用这些微效基因提高粮食产量。”
按照韩斌的观点，治理这些微效基因是达到未来高产的下一步。就像六十年代的植株如果按照现在的标准似乎脆弱、低产，那么未来几十年的作物可以远远超越今天任何的作物，“我想，我们正走在未来绿色革命的边缘。”
资料来源 Nature
责任编辑 彦 隐