田志喜：豆之道——破解大豆危机的困局

CC感悟

田志喜团队的中国科学家们，首次绘制大豆图形结构泛基因组，入选2021年的”中国农业十大科学进展”。

“豆之道”，是田老师为他的演讲选定的题目。道者，自然规律也，万物皆循于此，豆之亦然；道者，虽阻且长，然行则必至。科学探索，既是探究自然万物的发展规律，也是在不断挫折中永远前进的坚持。

       CC讲坛主编  富宇

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我国大豆危机的现状及原因究竟是什么？为什么大豆未能实现水稻、小麦、玉米的绿色革命？

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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”

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成功育种耐盐碱大豆品种，产量260公斤/亩，大大高于常规耕地平均亩产130公斤/亩！

演讲实录：

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

说起大豆，我想大家也并不陌生，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，也就是说，动物饲料中的植物蛋白，主要是来自大豆的。

正是由于大豆的多种用途，我国需要每年消耗大量的大豆，具体消耗多少大豆呢？

这是1995年以来我国国产大豆和进口大豆的一个数据统计情况，大家可以看到，我国对大豆的需求在逐步地上升，并且更多地依赖了进口。到目前我们有80%~85%左右是依赖于进口，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。

本人在博士期间主要是做稻米蒸煮品质的研究，也就是米饭好吃不好吃，到底是由什么来决定的，2011年回到中科院遗传发育所工作，建立自己的实验室，当时就面临着一个选择，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。

只有报效国家这份心和这种热情，那是不够的，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，耕地比较少，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。

这是1961年以来，我国四大主粮作物水稻、小麦、玉米、大豆的单产变化情况。从这组数字大家可以非常清晰地看到，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的提升，但没有一个实质性飞跃，这是为什么呢？

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，实现了我们常说的——绿色革命，大豆为什么缺乏这绿色革命呢？

我们常说的作物的产量，其实就是指单位面积上种子的收获数量。

从这个图片可以非常清晰地看到，大豆的种子的着生部位，和其他三个主粮作物是明显不同的，因为水稻和小麦，它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，可以看到它的种子着生在植株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的。

这就需要我们突破现有的育种思维模式和育种的手段，来综合地改良大豆的不同性状，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，我们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。

在过去的三次育种的手段中，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。

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的，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。

如何开展设计育种呢？其实它在思路上是比较清晰的。把不同的优良性状聚合到一起，形成一个超级的大豆。

如何把它聚合到一起呢？比如说高产、优质、高抗这些优良性状。我们知道性状是由基因来决定的，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了不同种类型、优良性能的一个超级汽车，这时候我们首先要做的是什么呢？找到能够构建这个超级汽车的零部件。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，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。

对于大豆设计育种，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，它们的形态各异，并且它们每个都有自己的优缺点，是因为它们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，进一步地升级改造，是很难达到绿色革命这个超级大豆的目的。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。

其实以前科学家已经提出了一个概念，叫泛基因组。我们选择一个能够代表这个物种的不同的个体，然后把每个个体的基因组进行组装，然后通过比较，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。

如何组装呢？这是一个挑战，最简单的办法就是利用迭代法。

以某一个基因组为起点，然后顺序地把它不同的那些序列，顺序地连接在一起，就形成了一个线形的基因组。但是大家也可以清晰地看到，它有很大的缺陷，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。所以说它这个缺陷是我们难以跨越的，是不是有更好的办法来解决这个问题呢？

利用图论，就可以很好地解决，因为它可以单独地把变异的位点和变异的信息记录下来，将原来的这种线型的、一维的基因组，转化为这种图形的二维的基因组，可以完美地解决这个问题。

这在理论上很完美地解决了我们以前传统基因组的瓶颈，那是否可以实现呢？其实在植物中从来没有做过，我们就想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们的学生进行讨论的时候，他感觉压力非常大，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，我们夜以继日地开展了研究，非常幸运的是，通过两年的努力，我们顺利地把这个工作完成了，也就发表在《Cell》杂志上，然后也被评为2021年的“中国农业十大科学进展”之一。

大家就会问，这个图形结构基因组和传统的基因组有什么优势呢？我们知道现在的大豆基本上都是黄色的，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呢？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；

另外一个例子就是，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，一种是因为我们的感官，第二种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多了一段基因，其实这种分析在以前传统的基因组是难以实现的。

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艺性状调控基因，包括了产量品质相关的，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的那些零部件，那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，是不是我们不能组装起来？第二个，即使这型号匹配，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，它这种相互作用，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，在我们深入的研究中发现，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；

我们都知道，大豆的植株上生长着一些绒毛，有些品种绒毛比较多，有些绒毛比较少，甚至有些没有绒毛，那这绒毛有什么用呢？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。比如说绒毛多了，它就不抗旱。在我们育种中就找那些绒毛比较少的品种，是不是就更好呢，因为它比较抗旱；

在我们的研究中同时也发现，它还和另外一个性状相关，就是抗虫，绒毛少的它不抗虫，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自己来设计它，做到这种“阴阳得位，形完美”呢？这就需要找到它真正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，这个网络可以清楚地解释了性状之间的关系。也就是说，有些基因同时控制着不同的性状，有些基因单独地控制着一个性状，使得不同性状之间，有正相关性或负相关性。

如何利用这个网络呢？我再给大家举一个例子，比如说我们只想调控一个性状，这时候我们需要对只是控制这个性状的，特别的那个基因进行选择，这样就只对这个性状进行了改良。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的性状的基因进行选择。但是也有一个例外，如果这两个性状是拮抗的，在这个基因的作用下，这时候这个基因是不能够被选择的，还要去选择那些对这两个性状，分别地都有提高的那些基因。所以，这个网络就给我们设计育种提供了一个非常好的理论和基础。

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，然后也获得了一些品种。

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，产量也能提高呢？也就是在刚才我提到的网络的这种理论支持下，我们对一些基因进行的这种选择，利用杂交对基因型进行选择，在这种情况下，利用了两个亲本，本来蛋白含量并不高，然后通过一步的杂交，对其中的基因进行选择，大家可以看到，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，大家也可以想象，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。这条路是比较漫长的，我相信随着我们对这个性状认识的深入，一定能够达到。

但是解决大豆的危机，仅仅依靠这个大豆绿色革命就能够实现了吗？因为我们刚才说，我们自给率只有15~20%，如果我们的产量能翻番，也只是一个30~40%，有没有其他的办法，进一步地来缓解我们大豆这种危机呢？

我们大豆的问题，一个是单产低，第二个是我们的耕地不足。

我国除了有18亿现有耕地以外，还有一亿多亩的盐碱地，可以看到它分布在我国的不同地区，因为盐碱度太高，现有的栽培的这些作物是不能够生长的。但是也给了我们一个启示，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呢？

正是抱着这个想法，我们开展了一些研究，就在山东东营黄河入海口，一个盐碱地比较多的地方。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，然后把希望的种子播种到了地里边，大家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，当我们秋天的时候，到了地里，非常非常地沮丧，因为几乎是全军覆没。随着我们到地里边继续深入去观察的时候，让我们又非常地兴奋，因为我们看到了几株确实能够存活下来，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，大家可以看到，它非常矮，产量非常低，如何进一步能够提高它的产量呢？我们就想是不是在栽培技术上，再能够进一步地创新。后来经过不断实验，找到了一些方法。

第一种，比如说覆膜技术，大家可以看到覆膜和不覆膜相比，就明显地能提高抗盐碱能力；

另外还有靶向的这种微生物的肥料，哪些微生物能够提高它的这种抗盐碱能力。

通过不断地研究，我们有了一点点进步，在完全靠天然雨养的情况下，靠自然下雨的情况下，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，进行了三十亩的示范，然后实打实收，达到了260公斤/亩。大家也许对这数字不是特别熟悉，因为我国现在大豆的现有耕地上的平均亩产，全国仅仅有130公斤/亩左右。

当然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。第一个是适应。因为盐碱地上不仅仅是盐碱，它还在不同的栽培管理的时期，需要有干旱、洪涝、高温、低温，这种胁迫交替或者是同时出现，所以选择的耐盐碱大豆，一定要同时适应这些胁迫条件；

第二个就需要协作，协作就是不同技术的协作和攻关。因为同样是盐碱地，它条件比较恶劣，它给你耕作的时间窗口期非常短。以前我们主要是靠人工，大家也可以看到，下了雨以后也要靠人去排涝，然后耕种也是靠人来播种。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，就需要这种肥料机械耕作，植保的各个的协同攻关，来达到这种真正的一个标准化的栽培模式；

第三个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地发展，我觉得这是我们更需要考虑和需要关注的。

大家也可以看到，我国对大豆的需求，或者说我们的危机，要想解决它，还是非常漫长的路，但是我们一定会继续努力，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。

编者语：

因一直想请一位在“科学、可持续利用自然”思想理念下做出创新实践成果的老师来CC讲坛，当看到田志喜老师团队在山东东营育种成功高产、耐盐碱大豆的报道后，便向田老师发出了邀请，获得了他的欣然接受。

在后续跟进，向田老师学习与交流中，不断被他的那份情真意切的科研报国情怀、严谨细致的科研态度、敢为天下先的科研勇气、愈挫愈奋的科研精神所折服。

“只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”，田老师这句话印刻在了我的脑海中。破解一个困局，无论是科研问题，亦或是社会问题，甚至我们的工作学习生活，都要找到问题的根源。只有正视问题的存在，深入思考探究它的产生原因，才能充满自信地去解决破解，迎来美好的未来！

“黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它寻找光明”，道之所存，师之所存也，我们永远在路上！

                                                                                        编辑  刘军