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【知网】钱前:种子是农业的芯片 —

2024-11-06 18:53:02

作者:Bevictor伟德官网 - 韦德(中国)体育-伟大始于1946


科学是钱前一个知识体系、一系列思维方式、种农一套研究方法。芯片它如同一把神奇的钱前钥匙,打开了无数未知之门,种农让我们得以深入了解自然的芯片知网奥秘、拓展认知的钱前边界。科学的种农影响无处不在,它不仅给予我们解决现实问题的芯片力量,更赋予我们对未来的钱前无限憧憬与想象。

院士可谓科学征程上的种农灯塔,他们深厚的芯片学识和丰富的经验引领科学前行的方向。从创新思维到人工智能,钱前从探月工程到太阳观测,种农从原子能应用到高铁发展,芯片院士们以追求卓越中曲折的科研经历,以通俗易懂、风趣的科普语言,在青少年心中撒播科学的种子,发挥科学家在“激发青少年好奇心、想象力、探求欲,培育具有科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体”中的标杆作用。

在新近出版的《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》一书中,院士的故事中充满了坚韧、智慧与勇气,不仅仅具有教育意义,更犹如一盏盏明灯,具有极大的启发性和激励作用。

“太阳常常在微笑,但偶尔也会烦闷、暴躁甚至狂怒。”“火星上看日落是什么样的?”“大家看到的极光一般是扭曲的各种颜色,为什么会这样?”……这些本身是严肃的科学问题,又是与日常生活息息相关的话题,在院士的娓娓道来中,兼具学术性与故事性,读来引人入胜、欲罢不能。

作为一位在水稻遗传种质资源研究领域具有杰出贡献的科学家,钱前长期从事作物种质遗传资源学研究,尤其在水稻遗传种质资源发掘创新、重要农艺性状解析与分子育种等领域取得了显著成果。从微观的基因,到宏观的宇宙,钱前的庆余年水稻研究无所不至。那么,种子有什么用呢?种子的进化是如何进行的?人类为什么要花这么多的力气去保存种子?钱前从水稻育种的成就开始,讲述了一个种子的故事。

以下选自《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》,较原文有删节修改。已获得出版社授权刊发。

《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》,社 编著,赵峥 主编,人民日报出版社2024年6月版。

探索那些藏在历史中的农耕智慧

1962年,钱前出生于安徽安庆,少年时曾对遗传育种产生兴趣,1979年考入南开大学生物系遗传专业。1983年毕业后,曾报考中国农科院作科所小麦育种专家的研究生未果,进入中国水稻研究所工作,成为水稻育种的一名年轻科研人员,踏入育种领域。从那时起,每年带着种子南下北上,参加南繁育种,冬天在海南三亚,夏天在浙江杭州,在40多摄氏度的高温下做杂交、做调查,40年未改其志。

1989年,钱前获日本北海道大学遗传育种专业硕士学位,1995年获中国农业科学院研究生院遗传育种专业博士学位。此后,钱前长期从事作物种质资源研究,尤其是水稻种质资源发掘创新、重要农艺性状解析与分子育种等,研究成果先后获国家自然科学奖一等奖、二等奖和国家科学技术进步二等奖等。

研究水稻,一半在实验室,一半在田间,对钱前来说,还要在乡间田野寻找野生稻,在野生稻中发掘那些优异的基因和性状,把它们应用到育种中。

传统的杂交选育,需要人工在田间寻找那些表现优异的植株,再加以培育和选择。鸣潮在众人都选择更加强壮的植株时,钱前常常反其道行之,选择那些看似“瘦弱”的植株。有人和他开玩笑,说人家都去研究又高又壮的水稻,怎么他净挑这些奇形怪状的稻子?但钱前认为,基因是不会说假话的,它们的不同等位,决定了水稻的高、矮、胖、瘦,甚至是口感和品质。换句话说,一个品种高产或低产、口感好与坏、分蘖多与少,是由其内部基因序列的差异和表达调控的变化决定的。只有通过水稻性状,甚至是极端性状了解这些基因功能和作用方式,才能预测它们对水稻农艺性状的影响,进而培育最佳生长状态的水稻新品种。

随着现代生物技术的发展,科学家对基因的了解越来越深入,育种也变得越来越精准,这给钱前的研究带来了更大的便利。在众多的野生稻中,钱前和其团队利用基因鉴定等技术,获得了水稻中的明星“小薇”以及它的姊妹材料,这是一种只有20厘米左右高的超矮秆水稻,适合工厂化生产,也适合未来的太空农场。2016年9月15日,“小薇”搭乘“天宫二号”空间实验室进入太空,探索太空植物培养的可行性。2023年7月25日,“小薇”再一次搭乘“问天”太空舱,一起在太空中,探索太空种植水稻的可能性。

20世纪70年代,钱前(右一)在江西省东乡县(今东乡区)寻找野生稻。(《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》插图)

从微观的基因,到宏观的宇宙,钱前的水稻研究无所不至。如今,他又开始循着时间的脚步,探索那些藏在历史中的农耕智慧。

就在2023年11月,钱前倡议建立了全国梯田科技联盟,致力于保护和开发传统梯田。梯田是传统时代农耕智慧的结晶,人们在高山上建成梯田,利用自然的流水,在梯田中种植水稻,千年不绝,至今犹在。钱前觉得,这些人们千百年建成的良田,不应该被淹没在历史中,而是需要以科技的力量,帮助梯田和梯田上耕作的人们,转型为现代农业,让古老的梯田重新发挥作用。

这可能正是钱前的科研之路,从微观到宏观,从空间到时间,但他做的事情,却只有一件,那就是发掘和利用水稻资源,育成更多更好的水稻。“科学总是在进步的,人对科学的认知也是没有止境的。科研人员唯有日复一日、不畏艰苦地把一件事做到极致,才能在自己的领域有所收获。”他说。

农业发展中,种子一直都是最重要的部分之一

种子大家都不陌生,花的种子、树的种子、粮食的种子,即便生活在城市中的人,多少也都接触过。

从科学的角度讲,种子是遗传物质的载体,和它对应的一个说法,是种质资源。种质资源可以理解为生物留给下一代的遗传物质,种子是其中主要的载体。当前,全球保存着740多万份种质资源,90%是种子,其他的还有花粉、茎叶、DNA等形态。

国家作物种质库展示的种子。(《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》插图)

种子有什么用呢?当然是用来繁衍,种子的繁衍能力非常强,一粒种子,可以结出数十倍、上百倍的粮食,人类正是利用了这一点来生产食物。

中国有悠久的农耕历史,漫长的时间里,形成了丰富的农业生物多样性,同时也为世界农业做出了突出的贡献。世界上的五大作物,有三大作物是中国人的祖先从野草驯化而来。比如,禾本科的水稻、谷子,豆科的大豆。在大约1万年前到5000年前的时间里,我们的祖先,把杂草一样的野生稻,驯化成了优质的水稻,把狗尾草驯化成了谷子,把同样像杂草一样的大豆祖先,驯化成了大豆。

水稻驯化史:从野生稻到未来水稻。(《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》插图)

这些作物的驯化,使得人类的食物得以保障,这就是我们的祖先为世界做出的贡献。

种子如此重要,保存种子的工作自然也非常重要,全球各国都在花费巨资进行保存。我国也是如此。

我国建有全球容量最大的农作物种质库,这是一座长期库,就是长期保存种质资源的地方。有人说它是种子银行,有人说是种子的挪亚方舟,都是一个意思。

这里保存着目前能够收集到的所有种子,有许多在田间和野外已经消失了,但在这个库里还有。

这座长期库中,保存着53万多份种质资源,其中大部分是种子的形态。这些种质资源先后经过了三个时期的收集:第一个时期是1955年到1958年,当时在全国征集地方品种,收集了21万份不同作物的种质资源;第二个是时期是1975年到1985年,又补充收集了19万份;第三个时期是2015年至2023年,也就是刚刚收官的第三次全国农作物种质资源普查与收集行动,这一次收集了大约13.9万份特色地方品种及野生资源。

国家作物种质库外观。(《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》插图)

种子的保存中,国家库是核心,也是长期战略保存库。相对应的,还有众多的中期库、种质圃等。我们有15个中期库,分布在全国各地,主要功能是为各地科研提供种质资源。种质圃主要保存那些活体作物。人类为什么要花这么多的力气去保存种子?种子里蕴藏着可以改变世界的力量。

水、空气、食物,是人类生存的基本要素,其中,只有食物是人类自己可以生产的。而在农业的发展中,种子一直都是最重要的部分之一。

20世纪五六十年代,第一次农业绿色革命开始,主要表现就是作物的矮秆化。以水稻为例,原本水稻的高度和一个成年人差不多,矮秆化之后,株高降低了一半多,产量反而提升了一倍。

中国是最早实现水稻的第一次绿色革命的,1956年,广东省农科院的科学家黄耀祥,以矮仔占4号和广场13号杂交,并在1959年育成了广场矮品种,随即开始大面积推广。同样在1956年,广东省潮阳县(今潮阳区)有两位农民,叫洪群英、洪春利,他们也选育出了一个矮秆品种。

水稻从高秆变成矮秆,在国际上直到1966年才正式育成,水稻变矮了,产量却实现了倍增,所以当时被称为奇迹水稻。到20世纪80年代末,水稻年产量比之前十年,平均增长了60%以上。值得注意的是,在亚洲,90%的人口以大米为主粮。同时,绿色革命也在小麦等作物上先后实现,这意味着,这一粒种子的进化,解决了全世界的温饱问题。要谈种子的力量,就不能不谈杂交水稻。

水稻是自花授粉的作物,一朵花上有雄蕊也有雌蕊,开花之后,非常短的时间里就会完成授粉。在当时,水稻的杂交一直是世界难题,甚至有不少国外的科学家认为,水稻并不具有杂种优势。

解开这一难题的,是一株偶然发现的野生稻。1970年11月,袁隆平的助手李必湖,在海南找到了一株天然雄性不育的野生稻,这成为打开水稻杂交大门最重要的一步。到1973年,袁隆平成功实现了水稻杂交的三系配套,开启了杂交稻的新纪元。此后,杂交水稻的技术不断进步,产量、品质也都在不断提升,但一切的开端,都在那个冬天三亚农场里发现的那一株野生稻那里。

种子是农业的芯片,是保障粮食生产的重要基础。(《我为什么爱科学:院士讲给孩子的故事》插图)

什么是创新?就是别人想不到或做不到的事情,你可以想到或者可以做到,就是创新。袁隆平一生追求创新,晚年也在不断超越自己,值得我们所有人学习。

中国是第一个突破水稻杂交技术的国家,在这个领域,我们也一直领先于世界。1973年,育成第一个杂交水稻南优2号。同年,湖北的农技人员石明松发现了第一株自然光敏雄性不育水稻,为两系法的实现提供了基础。

水稻杂交技术中,最初是三系配套,包括不育系、恢复系和保持系,不育系是杂交的基础,恢复系和不育系杂交后,即为杂交水稻,而保持系则是用于保持不育系不育特征的。不育系水稻用完了怎么办?必须有一个保持系,和不育系杂交后,产生的后代,仍然保持不育的特点。

自然光敏雄性不育为杂交技术的突破提供了基础,这种水稻在夏季光热强度高时雄性不育,秋季光热较低时又可育,所以不需要保持系,只用不育系和恢复系即可。

1986年,袁隆平先生提出了三系法、两系法到一系法的育种策略,这是一个由繁到简的过程。在袁隆平生前,就已经实现了两系法杂交育种。

随着科技的进步,科学家们的育种手段也越来越高超。尤其是分子生物学、基因组学等现代学科的发展,给育种家带来了很多远超以往想象的工具。

比如,基因剪刀,当人们越来越深入地认识基因之后,基因编辑就成了可能。科学家可以精准鉴定到某一个功能基因,并将其进行敲除或者复制扩大,发挥不同的功能。由此可以获得高产、美味、健康等各种不同特点的品种。

同时,这些新的技术和工具,也使得袁隆平先生提出的一系法成了可能。所谓一系法,其实就是把杂交水稻的杂种优势固定下来,这样就不用年年制种了。

过去常有人说,现在的杂交品种不能留种,这和杂交本身的特点有关,杂交的后代可能会表现出许多优异的性状,但这些性状不稳定,很容易再次分离,简单来说就是不会遗传给后代。现在有一批年轻的科学家,正在攻克这个难关,就是把第一代杂交种的杂种优势固定下来,使它们可以遗传给后代,这个工作也被中国科协评选为“2020十大前沿科学问题”之一。

一粒种子的进化,凝聚了中国科学家几代人、数十年的努力、希望和智慧的结晶。杂种优势利用中,科学家结合了多种不同特性的种质资源,使品种不断完善,逐步形成了中国农业科技创新最具有代表性的学科。

还是以水稻为例,袁隆平先生做的是野败型杂交水稻,同时期,还有红莲型杂交水稻、冈型杂交水稻、滇型杂交水稻等,在这个领域中,真正是群星璀璨。

而且,自1979年起,杂交水稻远播五大洲近70个国家和地区,为粮食生产和农业发展做出突出贡献,为解决发展中国家粮食短缺问题提供了中国方案和中国智慧。

在今天,水稻育种的技术仍然在不断提升,力量也在不断壮大。我们在袁隆平先生当年发现雄性不育野生稻的三亚,建立了国家野生稻种质资源圃,可以活体保存4万份野生稻,这些野生稻都是珍贵的资源,可以为育种科学家提供许许多多创新的素材。

20世纪90年代,有美国专家提出,21世纪谁来养活中国?他认为到2030年,中国人口将会达到16亿,粮食缺口达到50%以上。

某种程度上,我们要感谢他,他提醒我们,粮食安全要依靠自给。到今天,我们的口粮完全可以自给,小麦、水稻的种源也牢牢掌握在我们自己手里,这是保障14亿多人口大国的基石之一。

种子的进化还在进行,或者说,随着科技的进步,种子的进化也变得更快了,从以前的老农育种,到杂交育种,再到利用现代生物学、基因编辑技术乃至数字技术等,进行智慧育种,能更精准、更高效地获得我们想要的品种。在长远的未来,种子还将跟随人类的脚步,踏入星辰大海,走向广袤的宇宙,而人们也将在太空中建成农场,让种子在宇宙中生根发芽。

原文作者/周怀宗

摘编/何也

编辑/张进

导语校对/杨利