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张田勘:满足舌尖上的需求既是科技动力,也是魅力
华夏经纬网   2018-01-12 11:09:10   
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  作者:张田勘

  中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室李家洋院士代表其领衔的攻关团队获得2017年国家科技奖中的国家自然科学一等奖,他们获奖的项目是,“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”(简称水稻分子机理)。

  不进食就没有能量供给,舌尖上的需求显然优于和先于人类的其他需求,也因此其成为科学研究的一种巨大动力。而当科学研究的成果能满足人类舌尖上的更多和更高需求时,也显现出科技的魅力所在。因此,这样的科技成果获得科学大奖是顺理成章和实至名归。

  多年来,对水稻及其他粮食作物研发的动机一直是提高产量,但在产量逐步提升并能满足人们的粮食安全时,味美营养好的稻米似乎又显不足。这也正是“人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾”的一种具体体现,可以称之为舌尖上需求和供给的相当不平衡。

  简单地看,解决人类舌尖上的需求与供给的不平衡,经历了三次绿色革命。第一次绿色革命是20世纪60年代,美国植物病理学家诺曼·E·勃劳格开创的“矮化育种”,培育出了丰产、抗锈小麦品种。袁隆平院士领衔研究团队完成的杂交水稻技术突破,是第二次绿色革命的代表。水稻分子机理项目则被视为第三次绿色革命的开端,因为它要解决的不只是粮食的产量,也要提升粮食的品质。

  决定水稻产量的分子机制包括决定穗数、每穗粒数、粒重等的分子机制,决定水稻品质(食用和蒸煮品质)则主要取决于直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度以及三者之间的相互作用。而且,决定水稻量和品质的基因并非一两个,而是成千上万,它们形成了一个调控网络,因此才统称为分子机制。

  经过10多年的努力,李家洋研究团队发现并分离了控制水稻理想株型的主效基因IPA1(英语“理想株型”的缩写),并深入解析了由IPA1主导的调控“理想株型”的基因网络系统。有了以IPA1主导的基因调控网络,就能使水稻的茎秆更粗壮,穗子大、谷粒大,这些便是水稻高产的重要性状和原因。此后,李家洋研究团队又发现了Wx和ALK基因,前者主要调控直链淀粉含量和黏稠度,后者则主要调控糊化温度,其他一些基因则在调控网络中起微效的调节作用。

  泰国香米和五常大米吃起来味道好,其中直链淀粉含量是一个关键因素。直链淀粉含量在20%以上的大米品种,做成的米饭黏性小、质地硬、无光泽。但直链淀粉含量过低,蒸煮出来的米饭发软、黏而腻、弹性差,口感也不好。国内外的研究表明,直链淀粉在15%-20%的大米口感最好。中国的五常大米的直链淀粉含量在17%-19%之间,泰国香米的直链淀粉含量在12%-19%之间。而发现Wx和ALK为首的基因,正在帮助人们解开水稻品质的奥秘。

  然而,发现了调控直链淀粉含量、黏稠度和糊化温度的基因并非就意味着能提升大米的品质,因为大米的一些特殊口感如香味等,还有其他基因在调控。显然,这类基因不止一两个。

  例如,1945年通过自然育种产出的泰国香米,直到2007年才由泰国农业大学的研究人员从一个泰国香米水稻品种KDML 105中,发现了一种叫乙酰基吡咯啉(2-acetyl-1-pyrroline,2-AP)的化合物,并确认它是泰国香米富有诱人香味的主要原因。当然,稻米的香味是由200多种不稳定的化合物形成。但是,2-AP是这种香味形成的主要成分。而且,在其他谷类、班兰、真菌和细菌中也发现了这种化合物。

  发现产生香味基因的一个重要用途是要让其与产量结合起来。目前,像泰国香米和五常大米这样的大米珍品产量都很低,泰国香米年产量仅约100万吨,占泰国大米年产量(1720万吨)的5.8%,五常大米年产量也仅为105万吨,占中国大米产量(1.45亿)吨的0.72%。

  如何把粮食优产和高品质结合起来,是第三次绿色革命的重要内容。泰国正打算把决定香味的基因转移到普通大米中,实现产量和品质的双赢,中国的水稻分子机理获得国家自然科学一等奖也表明,研究人员正在向这一方向努力,以培育口味和营养更好同时产量也高的水稻为目标,满足国人更高的舌尖上的需求。(张田勘)

 

来源:光明网

 

责任编辑:张晖

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