編者按：習(xí)近平總書記指出，“科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作。”為助力高水平科技自立自強，中國科協(xié)科普部聯(lián)合光明網(wǎng)推出“院士高端科普”欄目，邀請各領(lǐng)域院士就我國當下熱點科技問題給予權(quán)威解答，服務(wù)引導(dǎo)更多科技工作者提升科研科普能力，促進全民科學(xué)素質(zhì)提升，為科技強國建設(shè)貢獻科普力量。

植物是人類食物的主要提供者。盡管全球約有3萬種可食用的植物，但人類僅用了30種養(yǎng)育了這個世界。其中，五類谷物水稻、小麥、玉米、高粱和粟類（如谷子、黍），為全球人口提供了總能量的60%；10種作物為人和家養(yǎng)動物提供了所消耗食物的95%。

中國科學(xué)院院士種康

怎么高效地利用自然界給我們提供的這些物種？從原始社會到農(nóng)耕社會，再到現(xiàn)代社會，不同時代對自然界的植物資源利用是不同的。原始社會，自然界有什么物種資源，我們就直接采集食用什么資源。到了農(nóng)耕社會，人類開始馴化物種。

比如，栽培水稻就是由野生稻馴化而來的。野生稻具有較強的落粒性，而且芒長、殼硬、蛻殼困難等性狀，不利于人類利用。經(jīng)過上萬年的馴化和篩選，才有了栽培水稻谷粒大、芒變短甚至無芒，產(chǎn)量高等特性。

從野生植物變成栽培作物，這個過程就是馴化育種。變成栽培作物以后會形成一些品種，稱之為“農(nóng)家品種”。在缺乏生物遺傳學(xué)知識的時代，野生植物的馴化以及繁種，完全靠經(jīng)驗，屬于育種1.0時代。

從十九世紀開始，生命科學(xué)的發(fā)展推動著育種技術(shù)不斷升級。二十世紀初，遺傳學(xué)理論得到發(fā)展，科學(xué)家開始深入探究遺傳和變異的奧秘。最典型的育種技術(shù)就是雜交技術(shù)，比如，上世紀三十年代的雜交玉米。直到現(xiàn)在一些作物還主要通過遺傳雜交培育品種，這種遺傳育種技術(shù)的應(yīng)用被稱為育種2.0。它的缺點是效率低，新品種培育一般需要10年以上，而且很難選出突破性品種。

種康院士在實驗室

分子生物學(xué)發(fā)展以后，科學(xué)家開始知道，育種的背后實際上是基因控制的?；驔Q定生物體長成什么樣子、具有什么樣的特性，而且還能把這些樣子和特性傳遞給它的后代。于是，一些分子生物學(xué)技術(shù)，比如轉(zhuǎn)基因技術(shù)，被應(yīng)用于育種領(lǐng)域，即用某一個基因或者某些基因片段作為輔助的育種，我們稱之為分子育種3.0時代。

基于分子生物學(xué)的分子育種，大大提高了育種水平和效率。分子生物學(xué)技術(shù)可以快速獲知“哪些基因是正控制作物性狀，哪些基因是負控制，以及它們之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系”?？茖W(xué)家通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯等手段，從而能夠在短短幾年內(nèi)將野生品種快速“馴化”成能滿足現(xiàn)代人類需求的全新品種。

盡管現(xiàn)在我們的很多作物仍處于育種2.0和3.0階段，但是進入二十一世紀后，基因組編輯技術(shù)已經(jīng)將作物育種推向了4.0階段——設(shè)計育種，即基于基因模塊及其非線性耦合理論，以及合成生物學(xué)思路，借助計算生物學(xué)和人工智能設(shè)計出理想的品種，大大縮短了育種周期，提高了育種效率。比如，現(xiàn)在我們希望水稻作物長成什么樣子，就可以進行設(shè)計了。因為我們需要的性狀中每一個都由某一個基因的狀態(tài)決定，把這幾個基因有機地整合起來，從而在一個植株里面同時實現(xiàn)我們所需要的各個性狀，這個作物就是我們想要的品種。目前，我國水稻育種在國際上處于領(lǐng)先水平，已經(jīng)能夠做到運用基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)去設(shè)計品種。

種康院士在飼草育種加速器實驗室調(diào)研苜蓿生長情況

當前，國家提倡“大食物觀”，不僅僅是主糧，還包括我們吃的蔬菜水果，喝的茶等等，這些作物改良和我們植物科學(xué)工作者都密不可分。植物科學(xué)家們利用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)推動育種技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅豐富了作物的品類，也創(chuàng)造性地改善了作物的營養(yǎng)成分，為保障糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定供給提供了有力支撐。

隨著計算生物學(xué)和合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)計育種將成為未來競爭的新趨勢，并會向智能化、精準化進一步發(fā)展。為此，科學(xué)家要積極探索新現(xiàn)象、揭示新機制、構(gòu)建新載體、研發(fā)新技術(shù)、創(chuàng)立新研究體系，全面推動植物科學(xué)發(fā)展，為糧食安全與大食物觀貢獻力量。