田志喜：豆之道，破解大豆危机的困局

　　新浪财经讯  主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第46期演讲于2022年1月15日在北京以线上直播方式举行。来自中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员田志喜出席并以《豆之道，破解大豆危机的困局》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　大家好，我是来自中科院遗传发育所的田志喜，今天我要和大家分享的是豆之道的故事，说说我们对破解大豆危机困局的一些思考和探索。

　　说起大豆，我想大家并不陌生，因为大豆在我们日常生活中和我们如影随形。我们常说的豆油、豆腐、腐竹、豆浆、毛豆，可能是许多朋友喜欢的食物，但是也许有些朋友不太清楚的是，大豆还是动物饲料的主要成分，也就是动物饲料中的植物蛋白，主要是来自大豆。正是由于大豆的多种用途，我国需要每年消耗大量的大豆，具体消耗多少大豆？

　　这是1995年以来我国国产大豆和进口大豆的一个数据统统计情况。大家可以看到我国对大豆的需求在逐步上升，并且更多的依赖了进口，大概有80%——85%左右是依赖于进口的，也就是说我国的大豆供需存在很大的矛盾，这严重影响了我国的粮食安全。

　　我在博士期间主要是做“稻米蒸煮品质”的研究，也就是说米饭好吃不好吃，到底是由什么来决定的？在博士毕业以后就去了美国普渡大学做博士后，2011年回到中科院遗传发育所工作，建立自己的实验室。

　　当时面临一个选择，将来要开展什么研究？正是看到了我国对大豆的这种需求，所以我们就把实验室的目标定位在大豆的研究上，就想着以昂扬的斗志为中华大豆的崛起贡献一份力量。

　　其实你要是有报效国家这份心和热情是不够的，我们需要找到问题的根本原因。

　　我们经过分析就认识到，我国大豆危机的原因在于我国的人口多，耕地少，粮食生产不能满足需求，在这种情况下，我们需要进口一部分的粮食来满足我们粮食的缺口。为什么进口的粮食之中主要是进口大豆呢？

　　这是1961年以来我国四大主粮作物，水稻、小麦、玉米、大豆的单产的变化情况。

　　大家可以非常清晰的看到，水稻、小麦和玉米在过去六十年，产量有了很大的提升，可以说翻了2——3倍，甚至更多，但是大豆的单产有一定提升，但没有一个实质性的飞跃，这是为什么？因为在过去的六十年，水稻小麦和玉米经过了一个育种的革新，也就是矮化、密植，这种育种的革新使得单产有了大幅度提升，也就是说实现了我们常说的绿色革命。

　　大豆为什么缺乏绿色革命？我们常说的作物的产量，其实就是指单位面积上对种子的收获的数量。

　　大豆种子的着生部位和其他三个主粮作物是明显不同的，因为水稻和小麦的种子主要着生在顶端，这样降低株高对它的单产影响不大，而玉米的种子主要着生在中部，但是它的果穗比较少，大家可以看到只有1——2个，所以降低株高对它的单产影响也不大。

　　但是大豆不同，它的种子着生在植株的从上到下的各个部分，如果一旦降低株高，对它的单产影响非常大，在这种情况下，仅仅通过降低株高，通过密植是难以实现大豆的绿色革命。

　　那如何实现大豆的绿色革命呢？这就需要我们突破现有的这种育种的思维模式和育种的手段，来综合改良大豆的不同的性状，才能达到实现大豆绿色革命的目的。

　　我们回顾一下育种技术革新的历程。到目前为止，育种技术已经经历了三次重要的革新，正在探索第四次，也就是设计育种。在过去的三次育种革新中，育种手段，人工驯化选择是最原始的一种育种模式，它周期比较长，而传统杂交育种有很大的盲目性，它效率比较低，而分子育种主要是对少数性状的改良，这三种育种的技术模式，虽然对大豆的产量提升有一定的贡献，但是难以在短时间内实现质的突破，也就是大的飞跃。

　　设计育种不同，它可以根据目标进行设计，实现不同性状的综合定向改良，这正是我们刚才所说大豆绿色革命所需要的，也就是说设计育种给我们带来了一丝希望，可能能帮助我们快速实现大豆的绿色革命。

　　如何开展设计育种？其实在思路上是比较清晰的，也就是说把不同的优良的性状聚合到一起，形成一个超级的大豆。如何把它聚合到一起，比如说高产、优质、高抗，这些优良性状？我们知道性状是由于基因来决定的，如果我们首先找到了控制不同性状的这些基因，然后再把控制优良性状的基因，通过分子的手段，或者通过杂交的手段聚合到一起，就形成了一个超级大豆。

　　打个比方，我们要创造一个未来综合不同类型，优良性能的一个超级汽车，我们首先要做的是什么？找到能够构建优良超级汽车的零部件，这是第一步，然后把它组装起来。如何才能够构建超级汽车呢？其实在这过程中又存在几大挑战，第一个挑战，如何来找到这些零部件？我刚才说我们的汽车可以分为不同类型，每个汽车都有它的优势和它的劣势。如果我们找到一个五金店，只是卖某一种类型的汽车零配件，我们很难在五金店里找到组配我们将来的超级汽车的零部件，只有找到一个更为综合的零部件的五金店，才能够组装我们未来的超级汽车。

　　对于大豆同样存在这个问题，因为大豆也分为不同种的类型，包括野生大豆、农家种、栽培品种，大家也可以看到它们的形态各异，并且它们每个都有自己的优缺点，都有自己的优势和劣势，背后所存在的原因就是因为它有着自己独特的基因组。如果我们以某一类大豆的基因组为模板，进一步的升级改造，是很难达到绿色革命超级大豆的目的。

　　所以我们就要构建一个囊括了不同种类型的大豆的基因组信息的一个整合基因组，才能够实现未来的超级大豆的这种设计。如何构建整合不同基因组的信息的标准基因组？

　　其实以前科学家已经提出了一个概念叫“泛基因组”，它是来自于拉丁文，也就是全部、所有的意思。但是如何构建泛基因组？思路是这样，我们选择一个能够代表物种的不同的个体，然后把每个个体的基因组进行组装，通过比较，找出不同个体的相同点和不同点，再通过一定的手段把不同点和相同点进行整合，就形成了一个标准的综合的基因组。

　　如何组装，这是一个挑战。最简单的办法就是利用迭代法，就是以某一个基因组为起点，然后顺序把它不同的序列连接在一起，就形成了一个线性的基因组。

　　但是大家也可以清晰看到有很大的缺陷，因为以不同的个体作为起点，所构建的基因组是不同的，虽然这都是来自这一个物种的标准基因组，它这个缺陷我们利用这种方法难以跨越。

　　是不是有更好的办法来解决这个问题？利用图论就可以很好地解决。因为它可以单独把变异的位点和变异的信息记录下来，将原来的这种现行的一维基因组转化为这种图形的二维基因组，可以完美解决这个问题。

　　在理论上是很完美地解决了我们以前这种传统基因组的瓶颈，是否可以实现，其实在植物中从来没有做过。我们就想在大豆中对大豆的图形结构基因组做一个尝试。当时把这个想法和我的学生进行讨论的时候，他感觉到压力非常大，因为以前从来没有人做过，但是他又同时感到非常兴奋，同样的道理，也是从来没有人做过。

　　正是在这种兴奋与兴趣的驱使下，我们夜以继日开展了研究。非常幸运的是，通过两年的努力，我们顺利把这个工作完成了，也发表在《CELL>上，也被评为2021年的”中国农业十大科学进展”之一。

　　大家就会问，图形结构基因组和传统的基因组有什么优势？

　　我们知道现在的大豆基本上都是黄色的，这也是为什么我们叫黄豆的原因之一？但是它的祖先其实是黑色的，但如何从黑色逐渐转变成黄色，通过我们图形结构泛基因组的研究，就清楚地展示了它的基因组结构的变化，导致了这种大豆种皮颜色的变化。

　　另外就是我们大豆其实有些是比较暗淡的，有些是比较有光泽的，我们都喜欢这种有光泽的，一是因为我们的感官，第二是因为它的含油量比较高，但是它内在的原因是什么呢？通过我们这个图形结构泛基因组比较，大家就可以看到是因为这种有光泽的大豆，在它的基因组序列里边，多了一段基因，其实这种分析用以前传统的基因组来分析是难以实现的。

　　正是在这种基因组的驱动下，我们和我们的合作者一起克隆了一些重要的农业性状调控基因，包括产量和品质相关的、叶绿素降解相关的，光周期相关的，抗逆相关的，也就是说我们找到了来组装超级汽车那些零部件，下一步是不是就可以组装我们的超级汽车呢？其实还没有那么简单。

　　还有另外一个挑战，就是最佳个体和协同提高的一个问题。还是以超级汽车为例，我们找到零部件，如果它们的型号不匹配，是不是不能组装起来？第二，即使型号匹配，但是性能不匹配，它的发动机超强，但是它的轮胎和底盘不能够支撑，是不是在发动起来也有一定的问题？其实在植物体内也存在同样的问题，因为它的相互基因之间存在着非常强的相互作用，这种相互作用就使得性状之间产生一种协同或者是一种拮抗，这就需要在育种中进行平衡。

　　刚才说我们克隆的一个控制种子大小的基因，也就是产量相关的基因，在我们深入研究中发现，它不仅仅控制了种子大小，还控制了品质，也就是说它使种子变大的同时使油含量上升，但是蛋白下降，这就是为什么我们野生的大豆，它的种子比较小，但是它的蛋白比较高，油含量比较低，现在的栽培大豆，它种子变大了，油含量提升了，但是蛋白下降。

　　另外，我们都知道大豆的植株上生长着一些绒毛，有些品种的绒毛比较多，有些绒毛比较少，甚至有些没有绒毛，那些绒毛有什么用？通过我们的研究，我们就发现它和大豆的抗旱有一定的相关性。比如说绒毛多的就不抗旱，而绒毛少的就比较抗旱。大家就会想，在我们育种中就找那些绒毛比较少的品种是不是就更好了，因为它比较抗旱？在我们研究中同时也发现，它还和另外一个性状相关，就是抗虫。绒毛少的不抗虫，绒毛多的抗虫，所以说我们在育种中就需要找到一个平衡点，使得绒毛在一个比较适合的程度上，既抗旱又抗虫。所以说真正的育种要做到不同性状的协同改良，做到“阴阳得位，形完美”。

　　但是如何才能够让我们的设计做到“阴阳得位，形完美”，这就需要找到它真正的遗传上的内在调控网络，也就是植物体的基因之间这种关系和性状之间的关系。

　　正是针对这个问题，我们就对大豆的84个性状进行了研究，然后就找到了它们的调控网络。这个网络清楚解释了性状之间的关系，也就是说有些基因同时控制不同的性状，有些基因单独控制着一个性状，使得不同性状之间有正相关性或负相关性。

　　如何利用这个网络，比如说我们只想调控一个性状，这时候我们就要对只是控制性状的特别的基因进行选择，这样只对性状进行了改良；但是如果我们想同时改变不同的性状，这时候我们就需要对那些同时控制不同性状的基因进行选择。但是也有一个例外，在基因的作用下，如果这两个性状是拮抗的，这时候这个基因是不好的，是不能够被选择的，是还要去选择那些对这两个性状分别都有提高的那些基因，所以网络就给我们设计育种提供了一个非常好的理论和一个基础。

　　就是在这种理论的基础下，我们开展了大豆分子设计育种的研究，也获得了一些品种。

　　刚才和大家介绍了大豆的产量和大豆的蛋白含量，一般的情况下是一种拮抗的，也就是负相关的，但是如何做到蛋白也要提高，产量也能提高，也就是在刚才我提到网络的这种理论支持下，我们利用杂交对这基因型进行选择。我们利用两个亲本，本来蛋白含量并不高，通过一部分杂交，对其中的基因进行选择，就看到我们的产量也提高了，蛋白含量也提高了，也于去年得到了“国审”的审定。

　　通过大豆设计育种，我们得到了一些产量提高的品种，但是离我刚才提的大豆绿色革命还有很大的距离，因为我们的目标是将来的产量能翻番。当然了这条路是比较漫长的，我相信随着我们对性状认识的深入，一定能够达到。

　　但是解决大豆的危机，仅仅依靠大豆绿色革命就能够实现了吗？我和大家一起算一个简单的数学题，刚才说我们自给率只有15%——20%，因为我们的进口是80%——85%，如果我们的产量能翻番，其实是一个非常了不起的成绩。在这种情况下，我们真正能够做到大豆自主也只是一个30%——40%，那意味着我们还有60%——70%需要进口，有没有其他的办法进一步缓解我们大豆这种危机？

　　刚才说我们大豆的问题，一个是单产低，第二是我们的耕地不足。是不是除了这种单产的提高以外，能够向耕地上开展一些研究？索性我国除了有18亿现有耕地以外，还有1亿多亩的盐碱地，也就是现有的情况下，不能够种植其他作物的这种地，可以看到它分布在我国的不同地区，它因为盐碱度太高，只能长一些野生的植物，现有的栽培作物是不能够生长的，但是也给予了我们一个启示，如果我们能够选择一些能够在这种盐碱地上生长的大豆，是不是也能够满足我们大豆的一些供给？

　　更是抱着这个想法，我们开展了一些研究。就在山东东营，就是黄河入海口，一个盐碱比较高的地方。这是我们第一次到山东东营拍的一张照片，大家可以看到，当时我们自己也感叹，这个地方实在是特别美丽，也给了我们无限的遐想，无限的希望，觉得在这个地方一定可以做一番成绩来报效这个国家。

　　我们坐着最原始的这种马车，大家也非常非常高兴，即使在这种艰苦的条件下，大家充满了希望，就把希望的种子播种到了地里边，这时候大家就等待着到秋天去收获。

　　但是大家可以看到，第一年的这种景象，到秋天的时候，我们到了地里，非常的沮丧，因为几乎是全军覆没。然后随着我们到地里边继续深入观察的时候，让我们又非常的兴奋，因为我们看到了几株，它确实能够存活下来，因为在全军覆没的情况下，它能够生存下来，说明它非常耐盐碱。

　　但是也有一个问题，大家看它非常矮，产量非常低，如何进一步能够提高它的产量，因为这是我们生产所需要的。我们就想，是不是在栽培技术上再能够进一步的创新？后来经过不断实验找到了一些方法，比如说覆膜技术，大家可以看到覆膜和不覆膜，就明显的能提高抗盐碱能力。

　　另外还有靶向微生物的肥料，也就是哪些微生物能够提高它的这种抗盐碱能力。通过不断研究，也就是经过四年的努力，我们有了一点点进步，在完全靠天然雨养的情况下，就是靠自然下雨，连续在这一块地上，我们筛选了大概有8000多份材料，现在得到了有56份是比较抗盐碱的，其中表现特别好的有18份。

　　2021年，对其中的两份进行了一个小面积的示范，也就30亩的这种示范，最后实打实说，达到了260公斤/亩。大家也许对这数字不是特别

　　熟悉，因为我国现在大豆在现有耕地上的平均亩产，全国仅仅有130公斤/亩左右。

　　现在确实给了我们一些希望，我们也看到将来的耐盐碱大豆一定能够走向成功，但是还存在着很多的挑战，我总结了一下我自己的一些认识。

　　第一是适应，因为盐碱地上不仅仅是盐碱，它还在不同的栽培管理时期需要干旱、洪涝、高温、低温这种胁迫交替或者是同时出现，所以你选择的耐盐碱大豆一定要同时适应这些胁迫条件；

　　第二就需要协作，就是说不同技术的这种协作和攻关。因为这样的盐碱地，条件比较恶劣，给你耕作的时间窗口期非常短。以前我们主要是靠人工，下了雨要靠人去排涝，耕种也是靠人来播种，但是如果将来我们种几十万亩或几百万亩的时候，不能再依靠人了，就需要肥料、机械耕作、植保的这种各个的协同攻关来达到真正的一个标准化的栽培模式；

　　第三我觉得更为重要的是和谐。盐碱地是我们将来开发的一个宝库，但是同时它也是自然生态的一个重要组成部分，将来如何让农业的生产和生态保护和谐发展，我觉得这是我们更需要考虑和需要关注的。

　　大家看到我国对大豆的需求，或者说我们大豆的危机，要想解决它还是非常漫长的路，但是我们一定会继续努力下去，争取早日把大豆的这种危机解决掉。

　　最后我用一首诗来结束我今天的演讲，“黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它来寻找光明”，我相信这种光明很快就会到来，谢谢大家。

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责任编辑：梁斌 SF055