
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~
展开剩余86%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。
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