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未来大米可个性化定制,不再只是主食

黑龙江大米招商网 发布日期:2017-11-14 浏览次数:18

60%的中国人以大米为主食。天天吃的白米饭如果可以个性定制,你想要什么样的?未来,彩色米、富含特定营养元素的“功能稻米”将走出实验室,摆上百姓餐桌,满足人们对稻米颜色、形状、品质、营养等方面的个性化需求,提高生活与健康水平。

中国水稻育种技术近十年来突飞猛进,育种家实现从传统“经验育种”向高效设计的“精确育种”转变。在《中国实验室》第二季拍摄期间,中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士向记者创想了分子设计育种技术在未来的广泛应用——如何因地制宜,通过基因设计培育出适合不同人群需求的产品,为大米在“主食”之外增加“营养品”的身份。

李家洋认为,水稻的个性化育种是未来趋势,其迅猛发展得益于中国地域辽阔、地理条件丰富多样,为研究和生产创造了优越条件。同时,科技发展大大加速了新品种的创制过程。过去三十年,中国水稻基础研究经历了从向国际先进水平学习、与其并驾齐驱到现今领先国际的三个发展阶段,这是中国科学发展的缩影,未来其它作物育种甚至整个生物育种都会再现这一过程,逐步走向世界前沿。

从经验育种到精确育种

您从事的分子设计育种研究是通过什么方式提升水稻品质?李家洋:水稻和其它农作物一样,其重要农艺性状都是由一些重要的基因来控制的,基因是控制着产量、品质、抗逆性和特殊营养价值等各个方面的主要因素,你需要了解这些控制基因的作用机理,事前进行设计。就像我们做手机,你把重要的零件组合起来得到一个产品,就能满足不同人的需要。我们的农产品也是这样,基因就像一个个零件,你知道这些基因的作用及其机理,把不同的基因组合起来,协调在一起就能得到你想要的品种,这就叫做设计育种。这个设计不仅仅是产量品质,更包括适应土地的状况、气候的变化、当地的生物状况,比如病虫害情况,进行一些优化组合,得到你想要的最理想的状态。

中国水稻研究多年来一直引领世界,相较于之前应用的育种技术,比如超级稻,分子设计育种有何不同?

李家洋:大家都为了一个共同的目标在努力做,但所采取的途径有所不同,基础有所不同。育种在过去是一门艺术,不知道哪个基因控制哪个性状,只能靠经验,通过最后的结果说明哪些基因组合是好的,这个过程非常漫长。从分子水平上了解水稻高产、优质、抗性,这个过程是最近十多年才突飞猛进地发展。新一代的分子育种家知道每个材料是什么基因在控制什么性状,有什么差别,它在什么材料品种里面有这些基因,然后我们有意识地明确地去选择它们进行杂交,在很早期的时候就进行鉴定选择,用高通量分析一次可以选择成百上千的目标基因,选出来之后再放到地里去种,再去观察鉴定评价,验证它们是不是高产、优质,是不是抗病,是不是你喜欢的香型等等。

过去是被动地或者凭运气地进行,是一种艺术,而现在是事先知道蓝图,然后按照我们的意愿组合设计出来。这是科学进步的结果。

基因操控却非转基因

说到农作物的基因操控不免让人联想到颇有争议的转基因话题,分子设计育种与转基因的区别在哪里?

李家洋:转基因关键是个转字。所有生物都是有基因的,这是第一。第二,转基因跟正常育种都是在操作基因,但为什么不一样?转基因是指把外源的基因放进来,比如说水稻,我可能是把小麦的、玉米的,也可能把细菌的,甚至动物的一些基因通过特殊的无性的方法放到水稻里去,让它起作用,这个过程叫转基因。而我们做水稻本身的基因研究,它不存在转,它本身就在水稻里面,我们只是对基因做一些修改或改变,这个修改或者改变它不涉及把外面的基因给搬进来。

未来主食变身营养品

根据不同需求培育水稻是分子设计育种的优势之一,听说您正在研究针对糖尿病人的水稻品种,这项技术未来有怎样的应用前景?

李家洋:一般育种家都希望能有大面积、高产量的品种,做特殊的小品种很难,但如果我们知道这个控制特殊功能的基因,知道它的作用机理,就可以很方便地培养出一些特殊的品种,就能够实现个性化的订制育种。比如说糖尿病人,国际上有个标准,就是说一个人每天吃20克抗性淀粉对糖尿病人非常有利,血糖比较平缓。那就定向培育一个让大米里面含有10%或者更高的抗性淀粉的大米。你在一天吃的大米量里有20克抗性淀粉,这对病人比较好。

比如说儿童生长发育缺锌,那我就把一些含有高锌的水稻品种培育出来,这对缺锌的儿童期发育可能非常重要。再比如金色大米,它富含胡萝卜素,可转换为维生素A。维生素A的缺乏会导致失明和免疫水平的低下。原来的金色大米,大家争议比较大,因为是用转基因方式做的,这个大家很担心。它产生的物质是原来在胡萝卜或者西红柿里大量产生的,不在水稻的稻米里产生的。但是水稻里面本身有没有?有,它不在米粒里,主要在叶子里。那能不能通过一些分子设计的思路,改变一下基因的表达方式和强度,让它在米粒里大量产生,这样就能够解决一些儿童早期发育中失明的问题。缺铁也是一样,我们有很多人缺铁,也可以把一些高铁的大米培育出来,然后你就可以进行定制。培育的品种尽管消费量较少,但是只要能满足这些特殊人群的需求就够了。

分子设计育种是未来的技术,现在大家正在努力推进,有些根据大众需求定制的大米已经可以做到了,比如口感比较好、优质、长粒的大米。这个大米有几个技术指标,包括直链淀粉含量是多少,糊化温度是多少,长宽比是多少等等,现在已经开始推广这些大米。在未来当我们把所有的性状与基因的关系都搞清楚的情况下,就可以根据所有人的要求,把比较小众需求的东西生产出来,而且都能生产的非常好。

个性化定制的大米价格会很高吗?消费者什么时候可以在市场上见到?李家洋:一般要七八年左右,因为它要通过一步一步的新品种审定程序,批准后才能生产。一般来说新产品价格会高些。实际上现在市场上也有一些糖尿病人能用的大米,它的产量也还可以,但它的品质、效果可以再提高。另一方面需要综合其它的一些好的性状,需要进行综合改善。价格肯定要高一些,但等到整个技术体系都建立起来了,那时候价格就应该比较合理了。

科技助力寻找最佳设计

未来分子设计育种研究工作中,信息科学技术起到多大的作用?李家洋:刚才说的这些听起来好像很简单,实际上极其复杂,这里面的信息量是巨大的,如果没有超级计算机,没有大数据做不了。水稻,现在大家公认大约有4万多个编码蛋白质的基因,它还有大量不编码蛋白质的基因,每个基因的差异都会造成因生长环境不同而产生不同的农艺性状,产量品质也就不同。不是一个基因就一种差别,一个基因可能有成百上千种不同的改变方式,而且多个基因还可以有不同的组合方式,所以尽管全世界有那么多的科学家在做,总是有新的发现。

现在不论是公共科学家或者是企业都在向设计育种的方向努力,按照各自的意愿去培育品种,而这个方向的进展会比我们预想要快,现在人类的技术发展大大加速了新品种创制的过程。

水稻研究是中国科学发展缩影

近年来中国在水稻基因组学领域取得杰出成果,过去五年《细胞》《自然》《科学》等国际顶级学术期刊发表的水稻基因文章中有40%来自于中国科学家,这对未来中国科学发展有什么意义?

李家洋: 我觉得水稻对于我们国家作物育种甚至对整个生物育种都是个范例。水稻的发展经历了三个阶段:上世纪90年代,那时我们育种水平很不错,成千上万的育种家凭借经验艺术性地选择育种,可是水稻基础研究还是跟着国际先进水平走。到了上世纪90年代后期,我们有一些领域走到国际前沿上了,更多的领域还在跟国际学习。但近十年来,我们在很多领域是国际领先的,是非常值得骄傲自豪的。我认为这是中国科学发展的一个缩影,未来很多工作,比如说小麦、玉米、油菜、大豆都会再现这样的过程,特别是对于一些大动物的育种可能更会再现这个过程。

水稻有很多优势,它的基因组比较小,繁殖系数大,容易做各种研究的材料,再说中国的区域比较广泛,东西南北跨度很大,各种环境都有,你要做研究就需要各种环境,高温的低温的。在冬天比如说在北方很多地方不能繁殖,但中国有海南岛,有大量的地,你可以到海南岛,再种一季两季。但在很多国家,这些是很难做得到的。其它作物也一样。棉花、玉米、小麦、油菜、大豆,还有其它各种各样的蔬菜,我认为都会按照水稻研究的发展轨迹,逐步成为世界研究的领先者。

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