“种瓜得瓜、种豆得豆”——基因的决定性作用

 

 

上面这些例子总结起来说明了什么？

 

植物（包括农作物）有3万到十几万个基因，比人的基因还多（人只有2万多个基因）。遗传学的规律就是基因决定性状，因此“种瓜得瓜、种豆得豆”，这是我们祖先几千年来总结出的规律。现在世界上很多奇特的植物，无论是漂亮的或者难看的，它的性状都是由它的基因决定的，很多个基因的组合就决定了它们的样子，而且这些基因传给下一代，下一代还是长成这个样子，也就是说，它能记住自己的样子。

 

然而，基因的一个很小很简单的的改变，就可能产生我们肉眼看到的巨大变化。所以，基因在农作物驯化过程中起着决定性作用。作物最初的育种是从驯化开始的，驯化就是我们的老祖宗挑自己喜欢的作物，每年这么挑，但是不知道作物为什么会这么变。现在，我们对作物就有了各种要求，需要什么？想找什么？育种逐渐变成职业性的工作。而且我们知道了不管性状怎么变，都是基因改变的结果。所以，我们要做的所有这些事情本质上都是对基因进行一些改变。当然，改变基因有不同的方法，对应的就有不同的育种方式（图7），随着科学技术的进步，人类通过改变基因来改造作物的方式也在不断改进。

 

常规杂交育种——从一到二

 

 

早在1761年，有些科学家就开始把属于同一个物种但是性状不同的植物品系通过雌蕊、雄蕊进行杂交，从杂交后代中寻找性状不同的作物，这个方式叫作常规杂交育种。也就是说，这个品系有一个好的性状，那个品系有另一个好的性状，把它们拿来杂交以后形成一个新的品种，里面兼具了这两个品系好性状的优势。这种育种方式只有亲本原来分别具有不同的优良性状时才可行，而且育种时间长，下一代是否符合要求也是随机的，因此很有局限性。

 

诱变育种——从慢到快

 

 

依靠自然的变化太慢了，我们祖先经过几千上万年，才把水稻产量提高到亩产100多斤。到了上世纪30年代，一种叫做诱变育种的育种方式开始出现。通过诱变育种，现在的育种家几十年就把水稻产量从100多斤提高到了1000多斤，有的还达到了1000多公斤。

 

这个加速的过程，说白了就是基因加速变化的过程。先用一个办法让基因高倍变化，百万倍或者亿万倍地变化，基因变完之后，育种家们在这些因基因而改变了的众多性状中选我们所需要的，这样就把可选性状的范围大大提高了。这点对我们现在的育种非常重要，因为有很多诱变后新出现的性状是以前没有的，例如刚才看到的西红柿，在自然界中实际没有那么多种类，现在都有了。

 

转基因育种——从无到有

 

 

转基因育种是上世纪70年代末80年代初出现的一种新的育种方式。前面两种育种方式都是利用现有的植物中的基因，而转基因育种是我们可以引入一个植物中本来没有的基因。除了在植物之间进行转基因外，我们甚至可以把动物或者细菌中对人类有利的基因转到植物里面，从而可以跨物种利用基因。

 

转基因的前世——农杆菌神秘技能大发现

 

那么，转基因究竟是个什么东西，它是怎么实现的？

 

这首先得从一种细菌——农杆菌说起。农杆菌实际是上个世纪初期有人开始研究植物肿瘤时发现的。植物在根和茎交界的地方经常长瘤子，和人的癌症一样，是细胞没有控制地分裂的结果，称为植物根瘤，即植物癌症（图8）。

 

当时，美国研究植物癌症、动物癌症、人的癌症的科学家都是在一个癌症协会——美国癌症协会，主席是研究植物癌症的。科学家在研究过程中发现了很多有意思的现象。例如，植物根瘤肿块是由一种叫农杆菌的细菌引起的，有意思的是，植物的肿块长出来后细菌就不见了，但是没有细菌后肿块自身还可以长。这是怎么回事？原来，农杆菌个子长长的，像杆子一样，它有一个神奇的功能，就是它能把自己的一小段环形DNA从自身一个细胞里面转移出来，然后转入植物细胞，经过植物细胞的细胞壁、细胞膜，一直送到植物的细胞核里面，最后把这段DNA整合到植物的基因组里面，也就是植物的染色体DNA上面去。

 

这是一个非常艰难的过程，你想象不出来它是怎么才能实现的。因为这个过程一旦启动就不能逆转了。所以在它启动时，要在该段DNA上面包裹很多蛋白质，每一种蛋白质都有不同的功能，DNA转运的每一步都需要一个蛋白质机器运转。就像我们的载人火箭，所有设备都齐全后先发射，然后丢一节火箭，然后又要丢这个舱那个舱，而不是说等到需要时再临时制造一个。所以说DNA转运是个很复杂的过程，最后实现的目的就是把农杆菌的DNA转到植物里面去，而且是很准确的转移。

 

农杆菌干这么复杂的工程是为了什么？其实，农杆菌做的这件事是很自私的事。它转移到植物中的DNA里面大概有三个基因，这些基因让植物细胞玩命地分裂，长成癌症。分裂以后让植物细胞同时分泌一种特殊的氨基酸，这种氨基酸是一个正常氨基酸加一个特殊的修饰，别的植物、细菌都不能利用这种特殊的氨基酸，唯独这种农杆菌本身可以利用。植物细胞分泌以后该氨基酸就渗透到土里面，其他农杆菌就在土里面等着用这个东西。上面这整个过程相当于细菌通过很高超的技术把它的一段DNA送到植物里面，植物就玩命地给它生产它需要的东西，相当于这个细菌有了自己专属的制造工厂。顺便提一句，农杆菌只能特定地感染植物，将它的DNA转移到植物中去，而对于动物，它是不能感染的，更不能将它的DNA转移到动物中去。

 

弄清楚农杆菌向植物转移基因的原理后，科学家们就想怎么把这个技术用在育种上。既然细菌把一段DNA送到植物里面去就可以让植物干那段DNA中基因干的事，那么，在那段DNA上换上我们需要的基因，再利用上面的运送系统送到植物里面去，那不就是转基因植物了吗？所以我们说的转基因植物，就是利用这个原理把一个基因放到植物里面去。现在应该说大部分的转基因植物的产生都是用这个方法。

 

还有别的比较低等的转基因方法，例如基因枪法，其相当于把基因装在子弹上，然后打到植物里面去。虽然也可以用，但原理讲不清楚，没有技术含量。

 

转基因的今生——作物育种好帮手

 

 

上世纪80年代初，经过多方面合作，成功实现了转基因产业化，抗除草剂大豆是第一个真正大面积推广的转基因作物。后来，抗虫转基因玉米、转基因大豆和转基因马铃薯也成功开发并得到推广利用，使杀虫剂的使用量大大减少（图9-图11）。抗虫是利用了苏云金杆菌的一种蛋白质——Bt蛋白，这种蛋白质被鳞翅目昆虫吃后却不被消化，虫子吃着吃着就饿死了，而对非鳞翅目之外的生物比如人类，不会有这样的危害。

 

有人会问，现在我们的常规育种手段为什么不能达到抗虫目的，而一定要通过转基因手段才能实现呢？实际上，作物的一些虫害，用传统的方法也可以对抗，但是对某些虫害，不一定能找到一个好的方法解决。有些虫害是在农作物大面积种植过程中产生的。野生植物例如野生小麦、野生水稻可能根本就没有那种害虫，因为长的面积小，害虫也繁殖不起来。但如果每年都种，有一些虫子专门喜欢人工种植的玉米或者小麦，它们就有了一个非常好的繁殖方式和场所，所以慢慢就变成作物最大的虫害了。有的时候你会在另外一个地方找到一株能很好地抗这个虫的植物，你就可以把它挪过来种植。但是大多时候是找不到的，这种情况下我们可以做诱变育种，随便诱变出一大堆植物材料，说不定其中就有抗这种虫的植物。但这种办法随机性太强，不容易成功。

 

更好的方法是找一个虫子，看什么东西能够让它吃了就生病，然后就用那个东西来对付虫子。那具体怎么来对付呢？在转基因抗虫之前有一个办法，就是把苏云金杆菌发酵，发酵以后产生虫子吃了会生病的蛋白质，再把这种蛋白质制成粉末，最后把粉末喷洒在植物上面，这样也能产生抗虫效果，这个办法叫生物农药抗虫。但对付虫子最好的办法是直接把那种虫子害怕的东西放到植物里面去，植物就抗这个虫了，这就是转基因抗虫的道理——把抗虫基因转到植物里，让植物自己产生抗虫蛋白，虫子吃了就活不下去了。

 

所以，有的时候生物农药抗虫和转基因抗虫用的是同一个东西，只是生产或者是产生这个东西的方法不一样。但是“授人以鱼不如授人以渔”，让植物自身直接生产最省心省事，一次性办好就不用再管了，毕竟每年喷洒生物农药也挺麻烦的。

 

现在转基因技术发展到在一个转基因植物里面同时放进十几个甚至几十个基因都没问题的程度，这样可以使一种转基因植物具有各方面优点，例如既抗虫又抗病还耐除草剂。目前，美国本土耕地上种植的转基因大豆和玉米种植面积占每个作物总面积的百分比分别达到了94%和96%。实际上美国人自己吃的和出口的大豆和玉米基本上都是转基因，美国人自己不吃是做不到的。

 

 

基因编辑育种——从随机到精准

 

 

2013年又出现了一个重大的科学技术进步，导致一个全新育种方式即基因编辑育种的出现。

 

之前诱变育种中的基因诱变都是随机的，有数以兆计的碱基变化，哪个变哪个不变控制不了，而2013年以后就可以控制了。推测某一个基因的作用后，就可以用基因编辑的方法精准调控，让这个基因的特定碱基发生改变，向着我们需要的性状的方向改变，这就叫基因编辑育种。这样的育种方式的改变是翻天覆地的，而且用起来更简单，比转基因育种用起来还简单一些，而且用完以后不留下任何痕迹，只是某个基因或者某一个碱基变了，没有任何别的东西在新的品种中留下来，是非常安全的。

 

分子辅助和设计育种——从种子到收获

 

 

从1998年开始，随着对基因的了解增多，出现了分子辅助育种。以前我们看到一个新的性状要等植物开花结果了才知道它好不好，现在通过分子标记，在种子阶段或者苗期阶段就能知道性状的好坏，就能进行育种了，这样节省了很多时间。

 

十多年前，科学家又提出分子设计育种的设想。我们知道关于植物和基因一定的知识以后，现在我们想要什么东西，希望作物（例如水稻）长成什么样子，就可以进行设计了。因为我们需要的性状中每一个都由某一个基因的状态决定，把这几个基因组合起来，从而在一个作物里面同时实现我们所需要的各个性状，这个作物就是我们想要的品种。

 

我们现在对事物的认识理解多了，所以有能力针对农民的实际需求专门做一些事情来解决一个问题。这也是分子设计育种的体现。

 

十年前我组建了一个水稻研究团队来解决一些农业生产上的实际问题。

 

在南方江浙、长江下游、广东、福建、江西、湖南、广西等水稻种植面积大的省，直播稻非常多，因为年轻的人都打工去了，留在家里的都是老弱妇幼。因为种水稻挪秧、插秧太累，所以现在种水稻的农民特别喜欢把种子撒在地里，三个月后收稻子就行了，这样做简单，所以直播稻越来越多，广东有的直播地已经用了近20年了。但是后果是杂草多了，产量也就降低了。直播稻用的年份太长，现有的除草技术已经不行了。在水稻田里，对于和水稻长得差不多的杂草，我们找不到一种农药只把它打死，有的农药把草打死的同时把水稻也打死了。

 

于是，我们就想了一个办法，通过刚才提到的诱变育种培育出一个抗某一种除草剂的水稻，我们把它称为“洁田稻”，然后你只要种这种水稻，再用那种除草剂一喷，就可以达到除去杂草而不伤害水稻的目的（图12）。而且这个方法可以节省很多成本，农民自己除草一年每亩大概花200到300元。这个技术从2014年开始推广，现在在全国多个省份推广。农民对这个事情还是非常感兴趣的，因为农民只有看到邻居用了后确实有效果才会感兴趣，光跟他说是没有用的。我们连续推广了好几年，2018年6月份还做了成果鉴定，都认为是挺好的事。到目前为止，在全国除了青海和西藏以外的其它省份里都在示范推广（那两个地方估计极少种植水稻）。2018年示范已达近千个地点，参与的农民特别喜欢，他们很愿意接受这件事情。

 

（原文于2019年1月4日发表于《知识分子》，原文链接：http://www.zhishifenzi.com/depth/depth/4955.html）