盛瑞德优配李家洋&钱前院士综述Rice2035：水稻研究与育种的十年愿景

近期，李家洋和钱前院士团队联合在Molecular Plant上发表题为“Rice2035: A decadal vision for rice research and breeding”的综述文章。该文系统回顾了过去几十年水稻基础研究和育种的发展历程，总结了从传统育种到分子育种的范式转变。针对当前面临的遗传多样性狭窄、产量与抗性权衡、资源利用效率低等瓶颈问题，文章提出了“水稻2035”的宏伟愿景和“两增两减”（增产、增质；减投、减损）的育种目标。为实现这一目标，作者深入探讨了未来十年需要重点突破的关键技术、研究策略和育种模式，特别是智能化育种、从头驯化、合成生物学等前沿技术的应用，旨在为保障全球粮食安全提供中国方案和战略指引。

而在去年同期（2025年2月），MP已经相继发表过六大作物的2035研究及育种展望，当时我们还用Qwen长文本大模型进行了汇总比较，详见：利用大语言模型解读六大作物2035研究及育种展望（Mol Plant综述）。没想到水稻这一重要作物整整晚了一年发表~

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背景与挑战

水稻的重要性：

水稻是全球最重要的粮食作物之一，养育着世界一半以上的人口。过去60年，全球水稻产量增长了约250%，但近年来产量增长率已从1960年代的2.7%下降至2010年代的0.5%，无法满足2050年及以后的粮食需求。

面临的主要挑战：

• 人口持续增长 • 气候变化加剧 • 病虫害压力增大 • 资源限制（水、肥料、农药等） • 遗传多样性有限 • 产量与抗性之间的权衡 • 养分利用效率低

图1. 水稻种植与生产。（A-B）1961年和2023年世界、五个不同大洲以及印度和中国两个国家的水稻产量（A）和种植面积（B）。（C）世界水稻年产量和总产量。（D-E）中国化肥（D）和农药（E）的年消费量。（F）不同育种时期2,471份中国籼-籼杂交稻的籽粒品质变化。

历史成就回顾

1. 绿色革命（1960年代）

• 利用矮秆基因（如 SD1 ）培育出矮秆、耐肥、抗倒伏品种 • 使水稻单产潜力翻倍

2. 杂交水稻（1970年代至今）

• 三系法（不育系、保持系、恢复系） • 两系法（光温敏核雄性不育） • 显著提高了水稻产量

3. 后基因组时代（2000年至今）

• 2005年完成水稻全基因组测序 • 图位克隆技术克隆了1000多个功能基因 • 全基因组关联分析（GWAS）解析复杂性状 • 泛基因组研究揭示遗传变异 • 分子设计育种提高效率

图2. 不同育种时期检测杂交稻中数量性状核苷酸（QTNs）的基因型频率。三个籽粒品质控制基因（Chalk5、Waxy和ALK）中四个QTNs的基因型频率，2,471份中国籼-籼杂交稻不同育种时期产量相关基因（NAL1、GS3和GW5）中三个QTNs的基因型频率，以及67份中国籼-粳杂交稻不同育种时期IPA1基因中两个QTNs的基因型频率。

2035年育种目标："两增两减"

文章提出了未来十年的核心育种目标：

"两增"：

• 增产：提高产量，使产量增长率与全球人口增长率同步 • 提质：改善食味品质和营养品质（低升糖指数、高抗性淀粉、富含微量元素等）

"两减"：

• 减投：减少化肥和农药投入，提高养分利用效率 • 减灾：减少生物胁迫（病虫害）和非生物胁迫（极端天气）造成的产量损失

图3. 水稻2035"两增两减"育种目标。"两增"指产量提升和品质改良，"两减"指减少化肥和农药投入，以及减少灾害造成的产量损失。

实现目标的技术路径

文章从三个关键环节阐述了实现2035愿景的技术策略：

1. 遗传变异的创制（Generating）

• 挖掘自然变异：利用地方品种、非洲栽培稻、野生稻等扩展遗传多样性 • 物理化学诱变：EMS、γ射线等诱导突变 • 定向诱变：AI和合成生物学介导的精准突变设计 • 转基因与合成生物学：构建代谢通路，生产高附加值产品 • 基因编辑：CRISPR等技术精准改良目标性状

2. 遗传变异的解析（Characterization）

• 饱和诱变：系统解析基因编码区功能 • AI驱动的蛋白质设计：预测突变对蛋白功能的影响 • 比较基因组学：通过跨物种比较识别关键变异 • 多组学研究：整合基因组、转录组、蛋白组、代谢组数据 • 非编码区解析：调控元件编辑打破性状连锁 • 表型组学：高通量、精准表型采集技术

3. 遗传变异的利用（Utilization）

• 快速基因聚合：单倍体诱导、多重基因编辑、分子标记辅助选择 • 快速育种：环境控制加速世代进程（一年4-6代） • AI表型预测：基于基因组数据预测表型 • 克隆水稻：通过无融合生殖固定杂种优势 • 从头驯化：快速驯化野生植物，创制全新作物类型

图4. 实现水稻2035遗传变异的创制、解析和利用三大核心要素。该示意图展示了作物育种的三个核心要素——遗传变异的创制、解析和利用，并简要概述了相关的技术方法。

关键性状研究方向

• 产量：解析杂种优势机制，打破性状间负相关，提高光能利用效率 • 品质：营养品质多样化，低重金属积累，延长种子储藏期 • 生物胁迫：多抗性协同，平衡抗病与生长 • 非生物胁迫：全生育期耐旱、耐盐碱、耐高低温 • 养分效率：提高氮磷利用效率，探索生物固氮 • 光合效率：引入C4光合特性 • 轻简栽培：适应机械化、直播、再生稻等栽培方式

结论

文章展望到2035年，通过全面整合前沿生物技术（基因编辑、合成生物学、人工智能）与传统育种，实现水稻农业系统的全面升级，培育出“智能品种”（Smart varieties），在增产提质的同时减少投入和灾害损失，最终保障全球粮食安全。

发布于：湖南省

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