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钟情分子育种 守护粮食安全

    发布时间：2022-01-27

2020年度国家科学技术进步奖一等奖
　　　　　　
——记中国农业科学院水稻分子设计技术与应用创新团队首席专家徐建龙
　　
蔡巧玉

　　
　　水稻，是一种禾本植物，幼苗期与杂草非常相似。即便如此，先民们早在公元前12000年.16000年就已经开始种植水稻。到大禹时期，水稻已经得到广泛种植，在《史记·夏本纪》中就有“令益予众庶稻，可种卑湿”的记载。
　　沧海桑田，白云千载。当下，水稻已经成为全球近一半人口的主食。这一比例在我国超过了65%。水稻在国家粮食安全和农业生产中具有举足轻重的作用。随着人口的快速增长与经济的高速发展，粮食生产面临着巨大压力。据预测，到2025年，我国粮食缺口将达1.3亿吨。近年来蝗灾、洪水、极端气候等不利因素叠加，粮食生产更是雪上加霜，严重威胁国家粮食安全。
　　种子是粮食生产的根基所在。挖掘具有高产、抗病、抗逆等性状的优异种质资源，开展克隆与全基因组设计聚合育种研究，培育绿色高效作物新品种，是守护国家粮食安全的必由之路。中国农业科学院水稻分子设计技术与应用创新团队首席专家徐建龙，是我国较早的主动投身水稻分子育种的高水平专家之一。至今，他已经在这条崎岖坎坷的路上跋涉了20余年，取得了令世人瞩目的研究成果。在近期举办的2020年度国家科学技术奖励大会上，他参与主持的“水稻遗传资源的创制保护和研究利用”项目获得了国家科学技术进步奖一等奖。
　　在徐建龙的带领下，一支出色的创新型研究团队已然形成。此刻，他们正以饱满的干劲和昂扬的精神状态迈进新的历史时期，前进的脚步坚定有力。
　　
出走
——从常规育种走向分子育种
　　
　　1964年12月，徐建龙出生在浙江建德一个偏僻贫穷的农村。虽然家境并不富裕，但父母却一直支持鼓励他读书。作为家中的长子，他深知求学的不易，不仅学习用功刻苦，在学习之外，还主动帮助父母干农活，“是一把好手”。
　　1981年，徐建龙第一次参加高考，无奈基础太差——仅仅读过两年初中、两年高中，英语几乎零基础，他遗憾地与大学失之交臂。经历了第一次失利，年轻的徐建龙并不气馁，而是积极备考，准备第二次出征。然而，天不遂人愿，第二次高考又以数分之差落榜了。
　　在那个年代，农村地区维持温饱尚且困难，能够坚持供孩子读书读到高中的更是少数，能够考上大学的可以说是凤毛麟角。经历了两次高考失败，父母觉得“要不就算了”，他“留在家中干农活”也不错。但徐建龙仍不愿放弃，在一位远房亲戚的帮助和鼓励下，他参加了第三次高考。功夫不负苦心人，这次他终于考中了。
　　在选择专业时，出于“学习新技术、培育新品种造福家乡”的朴素愿望，徐建龙选择了浙江农业大学作物遗传育种专业。4年时间里，他如饥似渴地学习专业知识，博览群书，不仅打牢了专业基础，还丰富了学术视野，对作物遗传育种产生了浓厚的兴趣。
　　本科毕业后，徐建龙选择在浙江农业大学继续深造，师从我国著名水稻育种专家申宗坦教授。申老是一位和蔼可亲的严师，对弟子们要求甚高，不准谈恋爱，两天未见，就会问：“干什么去了？去‘演戏’对不对？”在申老的悉心指导和言传身教下，徐建龙接受了专业严谨的学术训练和科研启蒙，在水稻抗病和矮秆基因遗传上分别做了较为深入的研究，部分研究成果具有开创性，论文发表在国外学术期刊上，为日后的科研工作打下了基础。至今，老先生的谆谆教诲，仍在激励徐建龙前行。
　　1990年，硕士毕业后，徐建龙进入浙江省农业科学院，开始从事水稻常规育种研究工作，一干就是近10年。那时没有电脑，水稻育种全凭经验，“一把尺子一个本”是研究的重要工具。作为初入行的新人，徐建龙虚心地跟在老专家身后学习，给老专家打下手。与此同时，他还潜下心来深入钻研，勤思善思，关注国际上的最新进展，并将思考写成论文，在学术刊物上发表。几年时间下来，徐建龙在一个需要积累经验的行当里快速地成长起来，作为主要或第一完成人，科研成果获浙江省科技进步奖三等奖、优秀奖各1项。
　　在学术上，狭义常规育种是指利用系统选育、杂交育种和诱变（物理、化学和航天诱变）等选育水稻新品种的方法。徐建龙非常注重探索常规育种技术的创新。20世纪90年代中期，他与中国科学院遗传所合作，通过高空气球搭载水稻种子进行空间诱变，育成我国第一个空间诱变水稻品种“航育1号”，为我国后来实施航天育种和发射“实践8号”作物航天育种卫星奠定了基础。
　　在过去的几十年里，水稻常规育种取得了重大进展。虽然常规育种是一门重要技术，但它更注重经验，育种时间长、效率低、可预测和可控制性差等缺陷也不容忽视。20世纪90年代末，DNA分子检测技术勃然而兴。国内外嗅觉敏感的育种家们纷纷将这一技术应用于育种中，一种新的育种方法——分子育种诞生了。
　　徐建龙也关注到了这一最新进展，他敏锐地意识到这一方法将对水稻育种产生不可估量的影响。为此，他迅速调整研究方向，将重点转移到水稻分子育种上去。为了研究顺利进行，徐建龙专门申请了国家自然科学基金。虽然他有研究水稻抗病基因的底子，但对“分子育种”却是个门外汉，没有得到基金评审专家的支持。
　　这次申请国家自然科学基金的失败，让一心希望在分子育种领域大展拳脚的徐建龙决定：继续深造，专门学习分子育种技术。1997年，他考入浙江大学攻读博士学位。其间，在国际水稻研究所——国际农业研究磋商组织支持的15个农业研究中心中最大、最具影响的农业研究中心，从事水稻QTL定位的博士论文研究。4年时光倏忽而过，2001年，徐建龙顺利获得浙江大学农学博士学位。之后，他再次就水稻分子育种相关研究申请国家自然科学基金。这次，他凭实力成功获得了评审专家们的支持，成为当时院内为数不多的国家自然科学基金获得者，轰动了整个浙江省农业科学院。
　　十余年间，徐建龙从驾轻就熟的常规育种领域“出走”，转而投身分子育种研究，完成了个人研究方向的转变。国家自然科学基金资助的这笔16万元的科研经费，犹如火箭的燃料，助推徐建龙向着分子育种领域更广阔的天地进发，酝酿着我国分子育种领域的重大发展。
　　
归来
——把论文写在祖国大地上
　　
　　2003年8月，在国际水稻研究所完成博士后研究工作的徐建龙，作为中国农业科学院国外引进人才，回到国内。多年来，他围绕国家重大需求，以近年来国际上备受关注的分子育种理论与技术为生长点和切入点，重点攻克抗逆、优质分子育种理论与技术体系，对水稻抗逆、优质、高产等复杂性状进行深层次基因挖掘和种质创新，分离重要功能基因和进行品种分子设计，取得了一系列突破性进展。
　　水稻分子育种，是将分子生物学技术应用于育种中，在分子水平上操作的育种方式。“我们首先需要了解促使水稻表现出某种性状的基因是什么，用分子的手段加以定位分析和挖掘，然后将具有各种优质性状的基因聚合起来，再结合常规育种的方法培育出具有优良性状的种子。”徐建龙寥寥数语，就勾勒出了分子育种的研究轨迹。在他看来，分子育种作为一个新兴的育种方法，在效率、精准度等方面都较传统常规育种有明显优势，可以在苗期甚至是种子阶段就检测是否具有某基因，而不必等到性状表现出来。同时，他也强调，分子育种并不能取代常规育种，而是与常规育种相互促进、相互成就。
　　服务国家需求，是水稻分子育种研究的使命所在。近年来，随着人口与经济的快速增长及水资源贫乏带来的日益严重的旱灾，给水稻生产造成严重威胁，不利于我国水稻生产的可持续发展。据了解，当时国内大面积推广的水稻品种受本身的遗传特性所限制，既不节水，又不抗旱。我国70%的淡水资源被用于农业生产，而农业用水的70%又是由水稻消耗的。因此，培育具有高产、抗旱性状的水稻种质资源，对于节约产能、提高农民收益、提高农民种植积极性等均有重要现实意义。
　　然而，在人类长期驯化过程中，农作物种内的遗传变异逐渐减小，特别是近代传统常规育种对种质资源的低利用率，更加快了育种亲本材料和育成品种遗传背景的单一化，这也是近几十年来育成的水稻品种单产徘徊不前的主要原因之一。加之抗旱性遗传机制十分复杂，目前包括水稻在内的主要农作物抗旱育种均进展缓慢。
　　从种质资源中挖掘高产、抗旱有利基因，培育高产、抗旱新品种将是水稻育种工作者面临的一项长期而艰巨的任务。2013年，在“水稻种质资源高产、抗旱有利基因高效挖掘及其利用的基础研究”国际合作项目的支持下，由徐建龙主导，汇聚了中国农业科学院作物科学研究所、华中农业大学和国际水稻研究所的优势资源，一个强强联合、优势互补、分工协作的研究团队迅速组建起来，着力开展高产、抗旱有利基因的遗传效应及其环境互作效应和育种应用的基础研究，向复杂而艰巨的任务发起攻关。
　　5年间，项目组精诚合作，协同攻关，取得一系列重大成果。他们利用高产品种导入优良杂交稻亲本珍汕97培育的染色体单片段代换系和遗传多样性丰富的供体导入黄华占培育的高产、抗旱导入系，结合重测序信息和多环境下表型考察，发掘高产、抗旱QTL，分析了重要高产QTL的遗传互作及其环境互作效应，全基因组解析对高产、抗旱共响应的遗传网络，精细定位和克隆重要高产、抗旱基因，挖掘了水稻核心种质的高产、抗旱优异等位基因，开发了利用导入系复合群体定位QTL和利用代换系设计育种的信息管理和数据分析软件，并通过分子标记辅助选择聚合不同的高产、抗旱基因，创制高产、抗旱水稻新种质。研究成果将为分子标记辅助培育高产、抗旱水稻新品种提供基因与标记资源，为深入研究高产、抗旱的分子机理奠定基础。作为项目负责人，徐建龙不仅高屋建瓴地把握项目关键节点，充分发挥团队成员的主观能动性，同时身先士卒，不辞劳苦，亲自把关实验数据，每年都要往返中国和菲律宾数次，保证了项目的顺利开展。
　　窥一斑而知全豹。十余年来，徐建龙始终牢记初心，致力于推动我国水稻分子育种与国际接轨，大幅提升了我国水稻分子育种水平，为我国水稻生产乃至粮食安全作出了重要贡献。多年来，他主持和承担了包括科技部原“863”重点课题“抗水稻纹枯病、条纹叶枯病及抗旱、耐盐新基因的鉴定与克隆”“绿色超级稻设计育种的理论和技术体系”等在内的国内外重要科研项目20余项；以第一或主要完成人身份获得包括黑龙江省科技进步奖一等奖、吉林省科技进步奖一等奖、2005年浙江省科技进步奖三等奖等在内的十多项奖励、荣誉；在国内外核心学术期刊累计发表论文254篇，其中SCI论文117篇；主持育成国审品种6个，省审品种8个，参与育成品种6个；获授权品种权9项（排名第一），获发明专利17项；育成（或主要育成）的“绥粳18”“吉粳809”“钱3优982”“浙湖894”等品种在农户中有口皆碑，产生了巨大的经济效益、社会效益和生态效益。据统计，仅2017年，“绥粳18”年种植面积超过1000万亩，成为我国单个品种年推广面积最大的品种。新育成的“春两优华占”，通过长江上游、长江中下游和华南稻区审定，表现出优质、高产、抗病、抗倒、广适等特点，而且适合直播栽培，在我国南方稻区具有很大的应用前景。
　　育成优质品种，固然值得庆贺。但在遗传基础日益狭窄的当下，创制和保护水稻遗传资源亦十分重要和迫切。“大家都是用有限的育种资源配来配去，导致遗传资源逐渐单一化。遗传资源狭窄就会带来一系列矛盾，比如优质与高产的矛盾，比如优质跟抗病的矛盾，比如高产优质与抗逆的矛盾，不利于优质水稻品种的育成，也不符合国家需求和老百姓的利益。”徐建龙解释道。为此，早在数年前，徐建龙就已经开始了水稻遗传资源有利基因挖掘的工作。这是分子育种的根本，关系到水稻生产的将来。同时，这也是一份躲在幕后、“为他人作嫁衣裳”的研究工作，徐建龙却甘之如饴。
　　为了攻克水稻种质资源利用效率低和有利基因挖掘进展缓慢这一困扰整个育种界的难题，徐建龙和团队采用国内协作和国际合作相结合、引进创新与自主创新相结合的策略，通过引进多样性丰富的水稻种质资源，率先在国际上完成规模宏大的3000份水稻种质资源重测序，完成亚洲栽培稻的基因组变异分析，研究成果于2018年发表在国际顶尖杂志Nature，在国内外引起极大的反响。
　　徐建龙团队通过将核心种质资源的丰富遗传变异导入不同生态区主栽品种的遗传背景中，结合后代目标性状定向高强度选择，培育高产、抗旱、耐盐、抗病等目标性状多亲本导入系群体，对核心亲本有利基因进行标记跟踪和导入频率分析，定位影响水稻产量、米质、抗病等目标性状基因，建立水稻分子育种的材料和基因信息平台。在此基础上，进一步根据导入系表型和有利基因型信息设计聚合不同核心亲本来源的有利基因，实现对高产、抗旱、耐低氮、耐盐等多个复杂目标性状同步改良，创制新种质，培育新品种。
　　借助种质资源和导入系平台，目前研究团队已与国内外50余家科研单位合作，开展种质资源基因的规模化发掘，从而为国内外水稻分子育种提供了一大批优异新种质和新基因。种质资源基因挖掘和分子育种技术创新的工作取得了不俗的成果，徐建龙作为主要完成人参与的“水稻遗传资源的创制保护和研究利用”荣获2020年度国家科学技术进步奖一等奖。
　　
前路
——攀登更高的山峰
　　
　　2013年年初，中国农科院科技创新工程正式启动，旨在集中优势力量，加快提升我国农业科技创新能力，探索农业科技体制机制新路，实现农科院跨越式发展，助推农科院建成世界一流农业科研院所。水稻分子设计技术与应用创新团队应运而生。
　　作为创新团队首席专家，徐建龙当仁不让，承担起时代赋予的使命。他带领团队紧紧围绕水稻复杂性状的分子设计育种理论与技术的重要科学问题，通过对水稻核心种质资源、优良目标性状导入系和突变体的重测序和深入分析，解析水稻基因组结构变异，挖掘和克隆重要性状有利基因并解析其功能，逐步建立全新的水稻分子设计育种信息平台和设计技术，开展绿色超级稻种质创新和新品种培育。
　　2019年，团队紧紧围绕既定目标，组织了卓有成效的攻关。在水稻基因组和表型组数据库构建及重要有利基因的挖掘与利用方面，他们引进了高通量表型数据测定设备和数据贮存设备，培养了数据库管理人才，构建了水稻基因组和多环境下的表型组数据库，规模化挖掘了水稻优质、抗病、抗逆等相关性状QTL，鉴定了重要候选基因。在水稻优质、抗病、抗逆关键基因分子机制及调控关系解析方面，他们对定位到的重要候选基因利用基因编辑和转基因技术进行功能验证，克隆了高产GNP1、SS1（NAL1）和抗白叶枯病Xa39等新基因，并解析了其分子机制。在水稻分子设计育种技术体系创建及绿色超级稻新品种培育方面，建立了基于骨干亲本和目标性状选择导入系表型和基因型信息的分子设计聚合育种技术，结合花培快速稳定，加快了优质绿色育种新材料创制和优质绿色超级稻新品种培育的步伐。
　　现在，创新团队已经拥有成员15人，其中首席专家1名，科研骨干6名（研究员5名、副研究员1名），研究助理8名（研究员1名、副研究员3名、助理研究员1名、博士后3名），团队整体研究水平得到明显优化。在徐建龙的带领下，创新团队正朝着国内一流、国际有重要影响的目标大跨步前进。
　　作为博士生导师，徐建龙还担任华南农业大学、扬州大学和长江大学等高校的兼职教授。在他的躬身垂范下，学生纷纷走出实验室，来到田间地头，亲手获取第一手资料，从一株株秧苗中，从一个个稻穗上，感悟所从事的研究的重要意义。多年来，徐建龙已先后培养博士后3人，培养和联合培养博士14人，培养和联合培养硕士29人，为国家培养了一批专业精湛的懂分子育种技术的后续力量。
　　2020年7月中下旬，顶着烈日酷暑，56岁的徐建龙来到湖南省益阳市大通湖区千山红镇的再生稻品种选育试验田里，查看稻穗的生长情况。他身着Polo衫、短裤，打着赤脚，在稻田里观察，并不时跟身边做记录的学生讲解。查看完毕，他索性直接在田边洗脚，俨然一副种田的“老把式”模样。
　　徐建龙告诉记者，像这样的试验点，2021年共在全国设置了十多个，遍及天南海北。他对待这些试验点，就像对待孩子一样，每个品种的稻子在各个关键生长期的生长情况他都要亲自去查看一番，才能放心。这已经是他每年的例行工作。
　　岁月悠悠。自2003年加盟中国农业科学院的近20年来，徐建龙一直在路上，他的足迹遍布国内各大水稻主产区，从海南到东北，从湖南到浙江，冬战三九，夏战三伏，晴天一身汗，雨天一身泥，实实在在地将论文写在了祖国大地上，以实际行动践行着自己的初心。
　　征途漫漫。2021年，徐建龙主持的广东省重点领域研发计划项目“耐盐碱水稻重要功能基因挖掘及品种创新与应用”课题和承担的国家自然科学基金-广东省联合基金“水稻抗SRBSDV优异基因挖掘及其抗病机理和减灾作用研究”课题已经开题，主持的盖茨基金项目“帮助西非国家建立水稻种业体系”项目正式立项，更艰巨的挑战已然到来。雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。徐建龙早已整装出发。
　　
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