當人類深入到以往不可達的微觀世界，破解藏在基因里的秘密時，過去一萬年的作物馴化育種史，就正式踏入了飛躍式發展的時代。從孟德爾建立經典遺傳學至今，一百五十多年的時間，人類在作物育種中取得的進步，遠超過去一萬年的總和。
在今天，隨著生物技術的發展，科學家們育種的水平越來越高，產量、抗逆、品質和口感快速進步，實現了農業歷史上難以企及的目標。
中國農科院作科所研究員閻哲在三亞生物育種基地中。新京報記者 周懷宗 攝
從盲盒到精準選擇，育種技術變革史
「育種的未來依靠生物育種，生物育種的未來，基因編輯技術將擔當主要角色。」2023年3月19日，海南三亞南濱農場，生物育種基地中，中國農科院作物科學研究所研究員謝傳曉說。
中國農科院作物科學研究所研究員謝傳曉。新京報記者 周懷宗 攝
時值三月，正是三亞農作物收穫的季節，地里的玉米稈已經焦枯一片，大豆的豆莢變得飽滿而乾燥，育種家帶著工人們，正在分門別類地收穫每一顆種子，把它們帶回實驗室，鑑定、分析之後，等待下一輪的種植。
這片生物育種基地建成剛剛一年，基地中種植著眾多育種研究的材料，如耐除草劑的大豆、早熟的水稻、通過分子標記選擇的玉米等，這些最新培育的育種材料，向人們展示著最新的生物育種技術和成果。
生物育種是一個俗稱，融合了全基因組選擇、基因編輯、合成生物、人工智慧等種種現代技術，也涵蓋了雜交選育等傳統的、常規的育種技術，甚至包含了機器學習等未來技術。
「人類的歷史有兩三百萬年，馴化作物的歷史只有萬年左右，而這萬年漫長歷史中，絕大多數時間，作物品種的進展緩慢。」謝傳曉說。
一直到經典遺傳學建立，人類開始有意識地基於遺傳的規律去育種，育種技術也開始進入了快速變革的時代。謝傳曉說，「在遺傳育種出現後，大部分作物的產量、品質等，出現了成倍的增長，雜交優勢利用技術出現以後，產量水平再次跨越了一大步，再到現代基因技術、分子輔助選擇技術等出現，育種變得更加精準、快捷。」
不論是傳統時代的作物馴化，還是遺傳育種、雜交育種等，育種家們只是根據田間表型選擇，像在盲盒中選擇，在成千上萬的個體中，尋找那些符合人類需求的有益變異，將它們挑選出來，一代代選育，再固定下來，成為更加優秀的作物。而當人們開始了解基因，一步步解開基因的秘密時，根據基因的生物學機制進行的選擇，育種家們可以精準地知道哪一個基因造成了怎樣的變化，從而精準選擇出更為優異的品種。
「過去的常規育種，需要五到八年，從百萬級材料里才能育成一個新的品種，而現代生物育種技術，則可以把時間縮短到兩到三年，而且材料規模小，大大提高了育種效率。」中國農科院作科所研究員閻哲說。
尋找「美味基因」，培育「美味水稻」
人類無法直觀地感受到微觀世界的變化，但人類會創造和使用工具，藉助現代技術和高科技設備，人類可以深入到分子、原子的世界，了解它們隱藏起來的一切。
攻讀博士學位之後，謝傳曉就逐漸進入生物育種的領域，從發現一個個感興趣的性狀開始，一步步探索、假設、求證、推翻、再假設、再求證，從定位到一個基因開始，一步步發現它的功能，探索它發揮作用的原理，利用原理培育新的材料和品種。微觀世界向他打開大門，門裡那個瑰麗奇幻的世界讓人著迷，而用那個世界中的一切，創造一個屬於自己的品種，看著它從試驗田裡走出，走進農民田裡，為農民增產增收，「這是我們做農業科技的人，獨有的成就感。」
這樣的科學家還有很多。2022年，中國農科院作科所所長周文彬團隊，在水稻中發現了一個特別的基因，這個基因可以同時提高作物的光合作用效率和氮素利用效率，並促進提前抽穗。用容易理解的表達方式來說，僅這一個基因，就可以讓水稻產量提高30%以上，可以讓小麥產量提高20%左右，且縮短整個生育周期。
在生物育種基地，水稻正處在抽穗開花的季節，每天中午，中國工程院院士萬建民團隊成員、中國農科院作科所研究員趙志超，都要帶著學生和工人們，一起給水稻去雄、授粉。在這裡，他們正在培育具有低血糖生成指數、低蛋白等特點的功能保健水稻品種，而在此之前，他們已經從事多年的「美味水稻」「功能水稻」的培育。
「隨著生活水平的提高，人們對於味道的追求越來越高，過去那種只為飽腹、滿足植物蛋白攝入需求的時代一去不返了，在食物極大豐富的時候，人們對糧食的需求也逐漸轉向了風味，味道不好的糧食，就算別的性狀好，也很難被人們接受。」趙志超說。
水稻中存在著「美味基因」，也就是調控風味的基因，找到它們，利用他們，正是科學家們培育「美味水稻」的關鍵。
進化與適應，驚心動魄的物種戰爭
人類對作物的馴化和選育，永遠都有新的需求，而與病蟲害的戰爭，是永恆的主題之一。
生物基地的一角，一片特別的水稻肆意生長，和普通農田中行列分明的水稻不同，這裡的水稻密集而凌亂，這裡是水稻高抗新材料的試驗田。試驗田的負責人、中國農科院作科所副研究員紀志遠介紹，他們在野生稻中挖掘到了一個抗白葉枯病的基因，可以有效控制水稻的重要病害白葉枯病，如今正在培育抗病的育種材料。
水稻田裡，工人正在給水稻去雄。新京報記者 周懷宗 攝
「與病蟲害的鬥爭中，生物技術有著廣闊的空間。」紀志遠說。
優秀的基因不僅僅來自於野生稻，也有可能出現在人們種植已久的栽培稻中。
在中國農科院作科所副研究員鄭天清負責的稻田中，同樣種植著一片抗白葉枯病的育種材料。鄭天清是中國農業科學院水稻分子設計技術與應用創新團隊的一員，他所在的團隊長期從事生物育種工作，在過去很多年中，團隊開展了基於高代回交育種技術體系和全球3000份測序水稻資源資料庫的基因挖掘和種質創新工作。他告訴記者，「我們從栽培稻高代回交育種材料中，挖掘到了一個廣譜抗白葉枯病的基因，有趣的是，它的雙親並不抗病，但它們的後代中卻出現了抗病性，我們正是在這個抗病的後代中，找到了這個基因；類似的還有雙親遲熟但是後代顯性早熟、雙親早熟但後代超親感光等眾多案例。」
怎樣確認作物中那些優異基因？科學家們利用生物技術，對測序資源進行鑑定和挖掘，找到真正起作用的那個基因，這樣的工作，在無數個實驗室和田間進行。
鄭天清介紹，他所在的團隊，基於全球3000份測序水稻資源的基因組信息，輔以生物技術手段，還聯合挖掘出了抗水稻二化螟的基因。在驗證過程中，他們用基因編輯技術，敲除了該基因，結果發現，原本抗蟲的栽培水稻地方品種材料，變得感蟲了，這正好證明，該基因正是水稻自身在長期馴化過程中獲得的對抗二化螟這一重大害蟲的重要武器。
一次重大的轉折，讓精準育種成為可能
基因編輯技術夢想的萌芽，出現於二十世紀八十年代，在當時，人們猜測，可能通過人為手段對基因進行精準的操作干預，實現某些原本不能實現的目標，比如治療某些原本無法治療的疾病。
二十世紀九十年代，鋅指核酸酶等第一代基因編輯技術正式出現，人們發現，真的可以人工定點干預某些基因，但技術系統難度大，應用性受到限制。
到二十世紀九十年代末期，效應物核酸酶技術出現，解決了基因編輯的關鍵性難題，使得基因編輯變得可控。2012年，從古細菌適應性免疫原理與機制研發CRISPR/Cas基因編輯技術，徹底改變了基因編輯的技術進程，基因編輯得以大範圍進入植物、動物、微生物與人類醫學與健康等各個研究領域。而發明該技術的科學家，在八年後的2020年獲得了諾貝爾獎。
「自此之後，我們不僅可以認識基因，了解基因，還能夠按人的意志來精準寫入和修改基因，這是以前想都不敢想的事情。」謝傳曉說。
在作物育種中，基因編輯技術的出現，使得育種技術得以實現疊代性進步，成為當前技術發展潮流中主流技術，「除了少數抗蟲、小部分抗除草劑之外，基因編輯能夠做到大部分事情，而且還能做過去那些技術根本無法做到的事情。」謝傳曉說，「比如袁隆平先生曾經提出過第五代雜交技術的設想，即一系法，育成性狀不會分離的第一代雜交種，把雜種優勢固定下來。但傳統的方法完全不可能實現。一系法要成功，就要在同一個植株中，同時創造四個變異，這四個變異其實在自然界中都有，但常規方法無法把它們同時聚合在一起，基因編輯技術為這一設想的實現，提供了技術基礎。事實上，已經有國內國外的科學家，通過基因編輯同時把四個基因改變了，再通過引入無融合生殖基因，基本實現了一系法的技術夢想。」
和常規育種及過去的生物育種技術相比，基因編輯更加精準。謝傳曉介紹，當人們發現了一個變異，想要利用它育成更好的品種時，通過雜交等常規方法也可以實現，但這是一個漫長的過程，要經過多代的選育才有可能成功，且仍存在連鎖累贅引入不育性狀基因的問題，而基因編輯則可以精準地進行修飾操作，極大地縮短了育種的進程，在更快的時間內得到同樣的結果，且能克服連鎖累贅難題。「一個是盲盒中摸索，一個是瞄準目標，精準施策，結果一樣或更好，但效率完全不同。」謝傳曉說。
種業翻身仗，生物技術是關鍵
往年三月，在三亞進行南繁加代的育種家們，已經開始逐漸回程。中國農科院作科所研究員邱麗娟團隊的老師和學生們，也是如此。但今年，他們還要在這裡繼續工作很久。
生物育種基地中，收穫的大豆被晾曬在院子裡，工人們正在仔細挑出那些沒有長好的豆莢，把成熟健康的豆子挑出來。收穫後大豆地里，新的一代已經早早種上，團隊成員、中國農科院作科所研究員閻哲還要在這裡等待新一輪的收穫。
中國農科院作科所研究員閻哲。新京報記者 周懷宗 攝
我國是糧食進口大國，尤其是大豆，我國的大豆需求常年在1.2億噸以上，進口量接近億噸。近年來，我國一直在推動大豆等油料作物產能的提升。尤其是2021年以來，在全國推廣玉米大豆帶狀複合種植模式，提高大豆的自給率。
然而，由於缺乏耐除草劑品種，無論是帶狀複合種植模式，還是輪作模式，都需要投入更大的人力物力進行田間管理。
晾曬的大豆種子。新京報記者 周懷宗 攝
在生物基地，一種名為中黃6106的大豆材料正在進行規模化試種，它是利用生物育種技術育成的耐除草劑大豆材料。閻哲介紹，在規模化試種中，中黃6106的除草效果可以達到95%左右。可以幫助大豆生產實現現代化、機械化生產。
在距離大豆種植區不遠的另外一塊地里，同樣耐除草劑的玉米也正在收穫，這些玉米是謝傳曉團隊的成果。這裡還進行著各種不同的實驗，玉米地的負責人掰開一個玉米外面的葉子，露出紅黃相間的玉米粒，這是分子標記的痕跡，紅色的玉米粒，是標記成功的，它們將再一次進入實驗室，進行分析、鑑定，而黃色的是未成功的。
小小的標牌中，顯示著這株玉米從開始培育到現在四個世代的記錄。新京報記者 周懷宗 攝
和大豆類似，我國玉米的生產缺口同樣巨大，近年來，每年進口的數量達到了兩三千萬噸，糧食安全警鐘長鳴，而種業起著至關重要的作用。
「生物育種是打贏種業翻身仗的關鍵。」在一次公開採訪中，中國工程院院士萬建民說。
生物育種的未來，是否會重新進入盲盒
現代社會中，科技的更新疊代正在變得越來越快，育種技術也是如此，謝傳曉團隊幾年前研發的技術，如今已經有了更進一步的提升。
而新的技術也已經出現，他們甚至可以在田間操作中，完成基因編輯的工作，「做生物育種，有大量實驗室的工作，在過去，我們時常想，能不能在種地的過程中就把實驗室的工作給做了？我們為此做了大量的攻關，現在這個目標實現了，在田間授粉就可以實現基因編輯的效果了。」謝傳曉介紹。
更多的技術在不斷進入育種技術中，如人工智慧、機器學習等，這些未來技術將會給育種帶來怎樣的改變，值得期待。
「和大多數技術一樣，育種技術也有螺旋式上升的問題。」謝傳曉說，「在雜交時代，育種家們宛如在盲盒中摸索，根據性狀選擇，部分解決了問題。基因編輯技術的出現，使得我們可以精準育種。但新的技術出現後，可能又會回到那個黑箱子裡，不過這一回是通過人工智慧、機器去選擇。如果接著發展，再往後的技術，是不是可以使機器更加高效地做到精準育種，我想，這是可以實現的。」
謝傳曉相信，未來的育種，會更快捷，更準確，而這些都要依賴於生物育種技術的進一步發展。
新京報記者 周懷宗
編輯 張樹婧 校對 劉軍