從事植物分子遺傳學研究幾十年，常有人問我：“您天天跟植物基因打交道，到底在研究些啥？”其實這個問題的答案，就藏在我們日常的餐桌里。

      我們中國人常說“種瓜得瓜，種豆得豆”，這背后藏著遺傳學最本質的規律。我常跟學生講，“像”就是遺傳，“不像”就是變異。我們的研究就是要弄明白：植物從上一代傳到下一代，哪些特征會保留？哪些會改變？如何有效利用好這些變化與保留？

李家洋院士

      就拿大家熟悉的作物來說，玉米棒有的粗如手臂，有的細似手指；西紅柿有拳頭大的，也有櫻桃般小的。它們再怎么變，還是玉米和西紅柿——這就是遺傳的“像”；但大小、口感的差異，就是變異的“不像”。我們團隊的工作，就是破解這些變異的密碼：為什么會有這些變化？如何讓它們變得產量更高、品質更好、營養更豐富？

      在現代生命科學里，這些看得見的特征叫“表現型”，本質是由基因決定的。“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。”每種作物都有幾萬甚至幾十萬個基因，我們的任務就是給這些基因“分工”：哪個管產量？哪個管口感？有時多個基因共同控制一個性狀，有時一個基因能影響好幾個特征，就像一個多面手。

擬南芥（圖片來自網絡）

      面對這么多基因，研究該從何下手？我們有個“省時法寶”——模式植物。“不同的物種都有相似性，我們可以找一個生長周期短的‘模式材料’。”比如擬南芥，正常4周就能完成一個生長周期，調整光溫后甚至3周就行，堪稱植物研究的“小白鼠”。

      對水稻這種生長周期較長的作物，我們也有辦法。在光溫水熱營養適宜的條件下，水稻60天就能收獲，一年能種5-6代，大大加快了研究進度。我回國初期，就是從擬南芥起步，后來轉向水稻——畢竟解決糧食問題，才是我的初心。

      找到基因后，怎么“改造”它們？核心技術是基因誘變與基因編輯。“實際上是要改變基因本身的結構，就是改變基因密碼。”這就像改文章，換幾個字，表達的意思就不同了。不過植物基因編輯比動物難，“植物細胞有‘鋼筋混凝土’做的細胞壁，像堅硬的外殼，很難把外來基因打進去，DNA的高效遞送系統很困難。”而且植物要進行光合作用，有葉綠體這套特殊的“能量工廠”，這也讓研究更復雜。

李家洋院士在田間

      上個世紀90年代我從美國回國時，國內植物分子遺傳學還在起步階段。我當時定下三個目標：建立找基因的方法、弄清基因的功能、提出分子設計育種的概念。

      2003年，我們團隊在《自然》雜志發表了首個水稻生長發育基因的研究，建立了成熟高效的水稻基因克隆體系。這一步很關鍵——就像給基因編了一本“字典”，大家想找哪個基因，都能按圖索驥。在此基礎上，我們提出分子設計育種：想要高產就強化產量相關基因，想要優質就調控品質基因，8-10年就搭建起了初步系統。

      現在這些研究已經走進生活：我們培育的低GI水稻，適合糖尿病人群；雙季早粳稻測產畝產超600公斤，又抗逆又好吃。“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。”這不僅是基礎科學，更是國家戰略。

      未來，我們想實現“智能作物智能培育”。比如讓水稻遇到高溫時，抗高溫基因自動“打開”；平時則專心生長發育增產量。這種“基因智能開關”，能解決過去高產不抗病、抗病不高產的矛盾。我預計“10年左右就會有先導性的智能品種出來，5年基本框架就能搭建成功。”

      從事科研幾十年，我最深的感受是：“農業的發展是無上限的。”未來的農民可能是懂人工智能的“農業工程師”，未來的餐桌會有更多量身定制的健康食材。而這一切，都始于我們對那微小基因的不懈探索——畢竟，誰能想到，改變幾粒種子，就能改變億萬人的生活呢？

      作者：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 李家洋