第678期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《育种新说（4）“麦”向未来》
讲座题目：透视新科技——育种新说（4）“麦”向未来
主 持 人：屠 化
做客嘉宾：高彩霞，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员。
李盛楠，中国科学院微生物所研究院助理研究员。
讲座时间：2025年6月30日～7月6日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——育种新说（4）“麦”向未来
讲座内容：
各位好，欢迎收看《透视新科技》！我是主持人屠化。今年（2022年）我国科学家在小麦的抗病育种方面有了重要突破，通过修改小麦的基因，可以使小麦更具有抗病力，同时提高产量。而未来我们还有希望吃到可以定制化的面粉，让我们通过短片来了解一下。小麦是人类最重要的主粮之一，全世界三分之一以上的人以小麦为食，同时小麦也是全球播种面积最大的作物。而我国则是小麦产量最高的国家，2020年中国的小麦产量高达13168万吨，然而在小麦种植的过程中却不是一帆风顺，其中小麦白粉病是一种常见性病害。据农业农村部统计，我国每年受白粉病影响的小麦面积达到1亿亩左右，重病田甚至会减产40%，严重影响小麦的产量和品质，从而威胁我国粮食安全。近年来，我国科学家利用新的育种技术对小麦基因进行修改，培育出来既抗病又高产的小麦新品种。那么新品种的小麦是怎样培育出来的？未来科学家还会培育出哪些其他新品种的小麦呢？
欢迎二位嘉宾做客我们的演播室，我们说小麦我们已经吃了上千年了，为什么直到现在我们还需要去研究新的品种呢？这是因为小麦是主粮，小麦和水稻、玉米一起养活了世界。那么现在人们对粮食的要求，不光是要吃得饱，还要吃得好，吃得健康。第二小麦在种植的过程中，一直受到病虫害的侵染，那么就像白粉病，它能够严重地影响小麦的产量。还有一点就是在未来的30年，预计全球人口将达到100亿。那么在我国我们用7%的耕地，养活了世界将近20%的人口，那目前我国的小麦产量它的增长速度很难达到人口增长的需求，所以这就对我们的生产实践提出了更高的要求。因此，我们还需要继续地研究小麦，去培养更高产、营养更丰富、更抗病虫的这样一个小麦新品种。小麦是怎么成为我们人类的主粮的？小麦，其实它最早是起源于西亚的两河流域，人类对小麦的驯化，已经超过了一万年。最初的小麦是叫一粒小麦，它只结单粒种子，而且它的这个穗轴很容易折断。折断的穗轴就散落在地上，就很难收集，所以它的产量是很低的。那还有一点，这个一粒小麦，它的种子跟种皮之间是紧紧地黏在一起的，所以也很难去皮。
我们是怎么样去改变小麦的呢？50万年前的时候，一粒小麦和杂草它们相遇，然后天然杂交，形成了二粒小麦，就是现在我们做意大利面条的那个食材，所以9000年到1万年那个时候，中东地区的人们就同时开始驯化一粒小麦和二粒小麦。那么8000年前的时候，这个二粒小麦，它又和另外一个叫节节麦的杂草相遇，它们又天然杂交形成了普通小麦，那个时候的人们马上就发现了，原来普通小麦它的种子很饱满，种子很大，所以迅速地开展了人工驯化。到现在为止，我们拿到这个栽培小麦，就是从那个时候开始逐步驯化而来的。那么现在小麦你可以看到，它的适应性非常广，产量也非常高。那个时候的小麦其实它很硬，吃起来它不像大米一样可以一粒一粒地食用，所以有很长一段时间，只有穷人才把小麦作为粮食来吃，但是后来人们意外地发现，当把小麦磨成面粉的时候，其实它可以同样做成美味佳肴，之后越来越受到了大家的欢迎。到了明清时期，小麦其实已经成为了黄河流域的这些老百姓餐桌上的主食。所以说是我们人类驯化了小麦，但是我也看过一种观点，说是小麦其实也驯化了我们人类。对，确实有这个说法，有了小麦之后，我们人类本来是通过采集野果狩猎为主的，但是有了小麦我们就不狩猎了，我们就固定在一个地方安定下来生活了，所以这就也相当于是小麦改变了我们的一个生活方式，让人类从狩猎时代步入了安定有序的农耕时代。对，反正总之吧，就是从这种动荡不安的生活变成了我们吃饱了，可以安定下来的生活了。所以人类就开始了种植小麦，但是会有哪些问题需要去克服呢？我们通过短片来了解一下。
我国是最早种植小麦的国家之一，小麦育种技术在我国农业发展中起到重要作用。然而，小麦在成长过程中却一直受到病菌的侵害，其中白粉病就是主要的病害，也是发病面积大、损失严重的常发病害，严重影响小麦的品质和产量。一旦遭受白粉病的危害，小麦的损失将达到40%，如1990年河南省小麦白粉病发病面积达260万公顷，损失接近4亿公斤小麦。2008年，江苏省东海县小麦白粉病发生面积4万公顷，占当地小麦播种面积的60%，小麦损失约达120万公斤，另外，白粉病也严重影响了面粉品质。而大量的用药治理，也给环境带来了巨大的危害，那么有没有更好的治理小麦白粉病的办法呢？这个白粉病是我们从发现小麦开始，小麦就有这种病吗？白粉病其实它是一种叫小麦白粉菌引起的这个病害，小麦白粉菌在自然界中，是存在着这么一种植物的致病菌，在二粒小麦时期就有报道，就说白粉菌它能够侵染二粒小麦，所以它历史还是很长的。那么白粉菌侵染小麦的时候，它接触到小麦的叶片，然后形成了这种粉状的这么一层物质。那么这个粉状物很容易随风飘落在健康的小麦上，那么健康的小麦又会染病。另外一个就是收获了之后，白粉菌它还可以落在地面上的一些叶片或者是秸秆上，当气候合适，温度合适、湿度合适的时候，它就可以再次侵染小麦，所以白粉病对小麦的刺染能力是非常强的。
那以前咱们没有办法来克服白粉病这种病害吗？其实大家常用的方法就是化学防治，就是我们最简单的咱们喷农药，但是大量地喷施农药，你可以想象，除了花钱、花人力以外，农药残留在空气和土壤中，对空气和土壤都造成了极大的污染。另外一个它其实对人类的健康，也是有很大的影响的，所以这种方法其实它是治标不治本的，每年你都要喷，每年你还要喷施好几次。我们可以培育一些抗病的品种，但是这个抗病品种，虽然在短期内能够抗白粉病，但是这个白粉菌它是跟我们的流感一样，它是在不断变异的。就像我们打流感疫苗，你今年打了流感疫苗，那明年流感变异之后，你还是会得流感，所以我们创制的这个小麦抗病品种，过几年它这个抗病性就会丧失，所以白粉病就会再次流行起来，那这个方法也是有它的局限性的。还有咱们国家，其实大多数的小麦品种，它是不抗白粉病的，因此你可以想象，防治白粉病在小麦的生产过程中是一个非常必要的环节。现在咱们这个新技术到底是什么？我们这个新技术就是基因编辑技术，基因编辑技术，你可以把它想象成是一个有定位系统的基因剪刀，那么这个基因剪刀能够准确地找到它体内需要修改的基因。对这个基因进行修改，其实白粉病它是因为白粉菌，它利用小麦自身的一个基因帮助它来侵染小麦，所以我们可以利用基因编辑技术，修改这个小麦的基因。我们让这个基因失去功能，这样的话白粉菌就不再能够借助这个基因来侵染小麦了。因此，小麦也就获得了长期防御白粉病的这个抗性。我们可以把它想象成像阑尾，比方说阑尾当我们切除之后，我们就不会再得阑尾炎了。
谈到了基因的编辑，想问一下这个技术是不是难度非常大？其实这个技术发展，还是有很长的时间历程，总结起来，科学家其实研发出了三代基因编辑技术，那第一代咱们可以给它分归为1996年。那么那个时候技术出来了之后，但是它的技术门槛很高，历时了8年的时间，才在生物体内做到了这个基因编辑，就是能够编辑基因。第二代是在2009年，其实也是因为它设计比较复杂，也是很难应用。到了第3代的时候，就是在2012年，我们把第三代基因编辑技术，也叫CRISPR技术，那这个技术最大的特点就是简单、灵活、高效，大大地降低了基因编辑的这个门槛。2012年这个技术被发明，2013年的时候，就在许多的生物体里头都能够做基因编辑了，我们课题组也是在2013年的时候，首次对水稻的基因组进行编辑，用CRISPR技术，然后获得了世界首株CRISPR基因编辑植物。基因编辑就像计算机一样，在它没有出现之前，需要大量的工作，大量的研究，但是出现了之后，其实就是一代比一代更好用，而且功能一代比一代更强。那么基因编辑技术的操作，现在并不难了，但是它前期的研究工作，是经历了漫长的历程。谈到这个问题了，我们通过一个短片了解一下。
小麦的进化经历了上千年的时间，为了更加适应环境，它的基因组发生过数次的突变。今天人类食用的小麦，主要是由三个不同的物种杂交而来。其基因组庞大，远远超过了水稻、玉米等作物。在科学家还没有了解小麦全基因组的情况下，想要准确地找到小麦某个基因在基因组上的位置，并弄清楚该基因的作用是非常难的，而进行基因编辑更是不可能的事情。那么，我国科学家是如何把这项新技术应用到小麦育种的中的。我们说万物基因都不完全一样，小麦的基因有它自己特别的一些难点或挑战？对，这个就是以我们小麦抗白粉病高产课题为例，其实在2010年左右，对小麦的基因操作本身就很难，更何况你要把基因编辑工具高效地递送到小麦细胞中，那为什么要递送？因为我们基因编辑特别好，那我得把它送到体内，你送不进去不行。那举个例子就像说，你请了一个非常好的装修队，那么这个装修队到了你们家门口，但是你没有给他开门，他进不来，所以你是没法做到装修这一点的，所以我们就已经意识到了，首先我们要有高效的将基因编辑工具，递送到小麦细胞这个体系，然后才能做下一步工作。因此2009年我一回国，我们首先就开始建立小麦的基因编辑技术体系，如何将基因编辑工具高效地递送到小麦细胞中。这把“剪刀”首先要快，但是更重要的是你有能力把它送进去。而且就是不同的小麦品种这个递送还都不一样，而且递送的难度也不一样。
那第二个难点就是小麦的基因组庞大而且复杂，它有三套基因组，所以，如果我们想赋予小麦抗白粉病的这个性状，我们需要去对它基因组上三个位置同时进行精准的编辑。小麦是三个祖先共同创制了最终的小麦，所以这三个祖先之间它的基因组是很相似的。它先是两个杂草杂交，然后二粒小麦又和另外节节麦杂交，所以在这个杂交的过程中其实它加倍了，就相当于它本来一套又来了一套，然后又来了一套，所以有点乘三那个意思。而且，它的基因组是水稻的40倍大，是人类基因组的5倍大，小麦的基因组，我觉得是在基组里头，在生物学基因组里是最复杂的基因组之一。那您看小麦是三个基因组，我们要同时递三把“剪刀”吗？不，这就是科学家巧妙的地方，那么虽然是要对三个地方进行修改，但是我们可以找这三个地方比较相似的序列，所以我们拿着一把“剪刀”，这把“剪刀”能同时对这三个地方进行剪切或者是进行修改。那基于我们前面建立的这个小麦基因组编辑技术，我们也正式启动了抗白粉病小麦的培育工作。那经过我们三年的努力，我们终于完成了第一批的抗白粉病小麦。那这一批的抗白粉病小麦，也是世界上第一批基因编辑的小麦。那么在后面的测试中，我们发现这个小麦确确实实是可以抗白粉病的，所以这就跟我们的预期是一致的。所以我们就很高兴的就是迈出了成功的第一步，但是在后期的田间试验里，我们发现这个小麦虽然抗白粉病，但是它的产量下降了，而且它的株高也比正常的小麦要矮，所以在农业生产上不利于生产了。
那为了解决这个问题，我们就在上百株的突变体里边又去进行进一步的观察和筛选。经过筛选，我们很幸运地得到了一株，在上百株里边得到了一株既抗病又高产的这么一个小麦，得到这个小麦之后，就迅速地结合传统育种的方法，就把这个优良的性状引入其他更多的主菜品种里，但是这个过程是非常漫长的，大概需要5－10年的时间。所以，我们其实在很惊喜的同时，我们也开始了思考，是什么导致它既抗病又高产呢？所以2014年，我们用各种实验方法做了大量的实验，那个时候小麦的基因组数据不完全，直到2018年，小麦的全基因组数据出来之后，借助这个基因组数据，我们真正地就是成功地揭秘了小麦它既抗病又高产背后的原因。这个剪刀就等于说是把白粉病喜欢的那一块基因，我们把它剪掉不要了，那个“基因剪刀”去哪儿了，就丢在小麦的体内吗？基因编辑技术，它就像一个可以定位的一个“基因剪刀”。那么这个“剪刀”，它可以精准地找到它的位置，找到它需要修改的基因。对这个基因进行修改之后，这个“剪刀”是不会留在体内的，它会降解掉这个特别像我们医疗上用的缝合线。对，那么缝合线，其实最后它会溶解的。那我们说基因，这么地微妙，你说咱们拿剪刀去裁一块布，这个我们好把握，你去剪一下基因，这个有没有可能会剪错呢？
这个其实是不会剪错的，为什么这么讲呢？那我们知道这个“剪刀”，首先它带有定位系统，首先作为科学家的我们，第一把关就要把住这个“基因剪刀”，要非常地精准定位，不能定错。另外一个，就是当我们获得了这个基因编辑植物的时候，我们也有一系列的方法或者技术，利用全基因组测序技术，我们就可以检查一下，基因编辑的小麦，或者植物的基因组上，这个改变是不是我们期待的。如果是我们期待的我们才给它打一个合格证，那么这个就像工厂里出产品一样。那么最后一关咱们要质控，质量控制合格了出，不合格留下。所以，这个整个过程，大家可以看到我们是在前中后都有质量控制，来保障基因编辑的产品，是安全的。谈到这个问题了，我们通过一个短片了解一下。基因编辑是一种新的育种技术，它是采用剪切、复制和粘贴的方法，在生物体的基因进行精准地修饰，从而培育出一些性状优良作物品种。从2010年开始，我国科学家开始将这项新技术应用于小麦育种，利用“基因剪刀”对小麦的感病基因进行消除，但是如果想向细胞中高效地递送“基因剪刀”，必须要突破细胞外的保护结构细胞壁，这样“基因剪刀”才能进入细胞，发挥修改基因的功能。我国科学家用了三年的时间，摸索出了可以将“基因剪刀”高效、简单、安全地递送到小麦细胞的方法，同时也形成了一套完整成熟的小麦基因编辑理论，并于2022年实现了对小麦感病基因消除的精准操控，同时也获得了既高抗白粉病又高产的小麦品种。如今这项育种技术，还会有哪些优势呢？
我们这个育种，除了说精准编辑以外，还有别的一些优势和特点吗？以小麦为例的话，我们这个基因编辑也可以大大地缩短育种周期，那么相比于传统的育种来说，它这个优势还是非常明显的。人工驯化这块，其实它主要靠的是种天然变异，那么天然变异就是你可以理解成靠老天吃饭。那你这个变异肯定是特别少，而且不一定就是你想要的变异。所以，这个整个过程肯定会非常漫长，若干年也不一定能等到一个新的变异出来。那个时候的人们，就是一旦找到了一个之后，就当宝一样地赶紧把它种下来，维护起来，那之后就到了19世纪的时候，就进入杂交育种时代。那杂交育种，其实它可以将父母本的优良性状传递给后代。这个优良的性状必须爸爸或者妈妈得有，就爸爸妈妈没有的东西，咱这后代不容易有，这个是可以理解的，所以它也受到了一定的限制。而且后期还会经过多轮的回交、转育，那么这个时间是非常长的，以小麦为例的话，大概需要10－15年。这个回交是需要6－8代，那么之后就到了诱变育种，诱变育种你可以想象，物理诱变、化学诱变，那突变体产生得那是非常多的，整个染色体都是突变，但是你不需要这么突变，你需要的突变是其中之一，所以在这么多突变体当中找到你需要的突变体，首先大海捞针，其次当你把这个“针”捞到的时候，你还要把你身体上这个染色体上其他的这些你不需要的突变要把它剔除掉，所以就需要回交，那么若干代的回交。所以这个育种周期也要10－15年。需要碰运气的感觉。
对，需要碰运气。因为碰运气，你很有可能是碰不到，找不到你想要的植物。然后，我们这个基因编辑育种，它就可以精准地去改变你想要改变的那个基因，而且不会影响到其他的基因，就会大大地缩短育种的周期。那么我们可以在2－5年的时间内，就能拿到我们想要的新材料。那目前我们的成果都有哪些了呢？现在就是我们利用基因编辑技术，在全国的6个主栽小麦品种中创制了抗病，并且高产的抗白粉病的材料，并且我们很多材料，已经在北京或者石家庄已经进行了田间试验。从当前的结果来看，无论是抗病性，还是产量都有很好的表现，尤其产量有15%以上的提高。那一旦它们真的推广种植的话，会有哪些改变呢？一方面就是可以降低化学农药的使用，减少田间的管理，保障了粮食和环境的安全。再一个就是因为它高产，所以我们很希望它在同样大的土地上会收获更多的小麦，来顺应我们人口增长的趋势。但是我总会担心就是它的安全性，我们该怎么样去保障呢？小麦这个安全性，大家其实不用担心，这个“基因剪刀”，它完成它的工作之后，精准地修改它需要修改的基因之后，它不会残留在小麦细胞里，它会降解。所以，基因编辑的植物，最后是不含有或者是没有外来的基因，包含在里面的。基因编辑获得的小麦这个材料和我们用物质诱变或者化学诱变获得这个小麦材料是同样安全的。那唯一不同的就是基因编辑可以做得更精准，然后速度更快，就是指哪儿打哪儿，咱想改啥咱改啥，不该改的地方咱不碰，所以就很安全。
但是这个小麦我们是要吃的，它在口味、口感、品质上会有什么变化吗？那我们创造的这个抗白粉病小麦，它在口味和品质上是没有变化的。因为我们用基因编辑技术，只是去改变了跟抗白粉病相关的那个基因，没有碰到跟品质和口味相关的基因。那当然如果我们想要改变口味和品质也是可以的，我们只要用基因编辑技术去修改相关的基因就可以了。还有没有哪些挑战和困难是目前我们还需要去克服的，去攻克的？其实我们目前最想做的一件事情，就希望把这个技术，尽快地推广在咱们全国更多的小麦主栽品种当中，然后在更大的面积，更大的土地上进行测试，然后也希望这些种子能够尽快地到农民手里，最后让农民获利。二位估计还得有多长的时间？这个还很难说，但是咱们国家，最近推出了叫作《农业用基因编辑植物的安全评价指南》，那么在这个指南里，我们也严格按照这个指南，把我们抗白粉病并且高产的小麦，申请了中间实验申请。我们做了这个申请之后，未来我们还要继续申请基因编辑植物这个安全证书，然后下一步再做田间品种审定。
那我们说基因编辑小麦，会给我们的生活带来哪些改变呢？我们现在是只碰了抗白粉病相关的基因，那我们这个基因编辑技术，还可以精准地去改良小麦的品质。那比如我们可以去修改小麦的这个麦麸蛋白基因，就是如果把这个基因进行改变，就可以创制出没有面筋的小麦。因为现在有一些人，他是对这个面筋过敏的。如果创制出这个小麦，就可以供这部分人群来食用。那么我们也可以利用基因编辑，去创制富含β葡聚糖的这么一个小麦。β葡聚糖，它的提高可以降低胆固醇和血脂，这对人类的健康是非常有价值的，所以今后，我们就可以实现定制化、功能化的面粉。我们也特别期待，这样的新的小麦，可以真的改善我们的生活，我们也和它们一起可以“麦”向更好的未来。了解更多的节目信息，欢迎各位下载央视频关注《透视新科技》，我们下期节目不见不散。
（通讯员 邓辉）
