唐雪明 上海市农业科学院生物技术研究所主任、博士生导师

为什么诺贝尔和平奖要颁给农业科学家?

造就 TALK · 2018-06-11 · 18:18:47

造就第251位讲者 唐雪明

上海市农业科学院生物技术研究所研究员、博士生导师

农业部农作物环境安全检测中心常务副主任

美国耶鲁大学博士后及高级研究员

牛津大学客座教授

美国农业为什么这么高产?

十年前,我在美国工作和学习的时候,因为工作的原因经常从美国的东部飞往西部,坐在舷窗前时我经常俯瞰大地,欣赏田野上那一个个碧绿的圆,这是美国的集约化农田,最大的直径有1.6公里,面积有三千多亩,它们体现了美国农业最高效的育种、栽培和管理模式。

后来,我去了很多美国的农业区,我特别关注的是加州的中央谷地,这个夹在内华达山脉和海岸山脉之间的狭长洼地,长只有720公里,宽60到100公里,就是这样一个小小的洼地,却是美国最重要的农产区之一,它的蔬菜、水果、坚果产量占了全美总产量的一半。

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美国只有3亿人,农村人口不到2%,农业从业人口只有1%,也就是说300万个农夫种出了全世界五分之一的粮食,可以养活20亿人。换句话说,它不仅能够养活两个美国的人口,还能养活整整一个印度。

美国的农业为什么这么高产呢?

带着这样的疑问,我后来去了宾夕法尼亚、伊利诺伊、爱荷华、犹他、阿肯色和华盛顿州,这都是美国的农业大州。

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经过考察,我深刻地认识到美国高产的原因,是广泛地应用了现代科学技术,特别是农作物的良种化。

2007年我离开美国,来到上海市农业科学院,主要从事农作物种植的环境安全监督检验测试以及作物营养强化的工作,这是我的团队。

通过这十年的研究学习和调查,我深刻地了解了我们中国农业的整体面貌,也深刻地认识到,在我们这样一个国家,种子是多么的重要。

中国人比任何时候都需要好种子

我们是农业大国,但我们并不是农业强国。

我们的粮食自给率不到90%,我们的粮食单产增长率只有0.6%,每年需要新增3500万吨粮食,才能满足我们的需求。

从2012年开始,我们的粮油棉六大作物全面进口,我们是世界上最大的大豆、棉花、水稻进口国,也是玉米、小麦、油菜的主要进口国。而在1997年,我们是当时世界上主要的水稻、小麦出口国。

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我们现在的耕地面积比1997年少了1.23亿亩,我们的人口占世界20%,需要世界上20%的耕地来养活,同时需要24.7%~25%的粮油来养活。

我们常常说要把饭碗紧紧地端在自己的手里,此刻我们比任何时候,都迫切地需要优良的种子来实现这一目标。

但是如何获得优良的种子呢?

从发现农作物的种子那一刻起,人类上下求索了上万年。

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一万年前的水稻和小麦,就像一根草;五千三百年前,墨西哥人发现玉米的时候,它只有我们小拇指这么粗;荷兰人发现最早的胡萝卜是紫色的,荷兰的育种学家,经过不断地努力,终于把这个紫色的胡萝卜,育成了橙色的(那是他们国旗的颜色)……

正是一代一代育种学家前赴后继的努力,加速了种子进化的进程,我们现在看到的所有农产品的种子,都脱离了它的原始面貌,但是生机勃勃。因为自然是动态的,它不是一成不变的

美国著名的育种学家诺曼·博洛格领导了第一次绿色革命,他培育出的矮秆小麦,拯救了南亚次大陆10亿人。因此,他获得了1970年的诺贝尔和平奖,这是诺贝尔和平奖,第一次授予一个农业科学家。他在1986年设立了世界粮食奖,这个奖成为了世界粮食发展的风向标。

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2004年袁隆平先生获得了世界粮食奖,以表彰他对杂交水稻育种作出的巨大的贡献;

2013年世界粮食奖授予了把基因工程技术搬入到农业应用领域的三位科学先驱;

2016年世界粮食奖授予了四位作物营养强化领域的科学家,他们让世界上1000万人获得了营养充足的粮食;

……

世界粮食奖在育种领域里的颁奖进程,也代表着我们育种的发展目标,是什么呢?是吃得饱,吃得好,而且要吃得健康。

为了吃得饱,化学农业做出了巨大的贡献,也带来了沉重的负担。

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2016年,我国生产了7千万吨化肥和370万吨农药,除了一半出口以外,另外一半撒到了我们的土壤和水流里,它们是更严重的看不见的“雾霾”,隐秘地威胁着我们的健康。

比如杀虫剂,作用在害虫身上的杀虫剂只有0.1%,其余99.9%,要么进入到土壤里,要么流入了江河。我们土壤的负载也很严重,年年要高产,不得不投入化学肥料,所以我们的土壤有机质含量只有发达国家的四分之一。

要发展绿色农业,我们必须要用绿色生产方式替代化学生产方式,绿色农业的核心是种子。育种的核心在于它的遗传性,而栽培的核心在于它的生理性。

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遗传性就是我们要了解它基因的特征,生理性就是我们要让种子和环境友好地结合,共同地发展。如果有一天我们把南方的柑橘种到北方,也一样甘甜可口,那么“南橘北枳”这个成语可以成为历史。

如何有机地把育种的遗传性和栽培的生理性结合起来?合成农业给我们带来了希望。

合成农业点燃的希望

合成农业是基于合成生物学、分子模块设计为基础的一种高效的育种体系,这种体系包含了先进生物技术的所有内容,包括生物信息技术、信息编辑技术、基因测序技术和蛋白质表达技术等。

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也就是说,我们可以根据自己的需要,人工地去设计一个系统和模块,合成一个新的生物系统。然后,用这个生物系统来生产我们所需要的营养物质,甚至疫苗、活性蛋白、保健品,我们可以把所有优质的性状转入到一个种子当中去,我们也可以把一个我们需要的非常昂贵的药物或者活性物质的整个生产合成代谢途径转入到微生物里,形成一个微生物工厂,通过发酵来实现它。

2009年,我们在美国微生物会刊上发表了一项非常重要的研究成果,美国微生物学会把我们这项工作誉为绿色化学的开创性工作之一

我们把1,3-丙二醇,这种在农业、医药和能源领域非常重要也非常昂贵的化学原料,转入到了大肠杆菌当中,这种大肠杆菌非常友好地接受了1,3-丙二醇的整个合成代谢途径,就像搬进了一个小工厂。不仅如此,我们的大肠杆菌还能利用农业的废弃物(比如说秸秆)来生产1,3-丙二醇,使得生产成本大幅度降低,改变了污染严重的化学工艺。这是我们合成生物学一次初步成功的尝试。

2016年,我们把先进的基因组重排技术和分子模块设计技术相融合,构建了耐低温的草菇。

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草菇大家不陌生,但是大家经常是在夏天看到它,冬天大家很难看到,为什么?因为一般的草菇有一个特性,它虽然营养价值非常高,但是在低温下会自溶,大家把它放到冰箱里,不到一晚上它就自溶液化了。这是草菇的“癌症”,很多人想把这个癌症攻克。

我们也在想,采取什么样的手段呢?

我们想到了基因组重排技术,这个技术以前是在低等的大肠杆菌和枯草杆菌中实现,在高等生物、高等真菌当中没有实现过,因为很难。

我们用新的算法,筛选了大量不同来源的草菇的品种,进行基因组测序,获得它的不同性状,把这些性状进行重新洗牌,按照我们的设想,最终获得了一个全新的耐低温草菇品种。即使放在冰箱里两天再拿出来,还像新摘出来的一样。文章发表以后,我收到了大量国内外专家和机构的来信。他们说这样一种方法,开辟了食用菌育种的一个新途径。

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最近我们在做的一项工作跟玉米有关,我们在构建一个具有高营养价值的鲜食玉米,我们把叶酸整个合成途径,放到玉米种子当中去。

因为叶酸是我们人体所需的一种非常重要的营养物质,而人体本身却不能合成。如果缺了叶酸,我们患冠心病、帕金森综合症、中风和癌症的风险会增加。孕妇如果缺少了叶酸,会使胎儿发育不良。但是,过量补充化学合成叶酸,又会增加结肠癌和前列腺癌的患病风险。

所以,如果我们通过合成农业的方法,把叶酸的整个合成途径搬到鲜食玉米里面,在不远的将来,大家吃一根玉米就能满足一天的叶酸的需求,这是多好的一件事儿啊

用科技谱写丰收的乐章

大家对这一张图一定不陌生,去年10月,新版的AlphaGo——AlphaGo Zero,在没有任何围棋知识的情况下,自我深度学习了8个小时,以100:0的比分战胜了击败柯洁的那个AlphaGo,战胜了它的前辈。

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科学进步的步伐,远远超出我们的想象,就像我们一百年前不能想象现在的生活方式一样,我们依然不能想象一百年以后人类是怎样的生活或生产模式。

当人工智能与农业结合,会带来怎样的面貌?

云计算、大数据分析和植物生物学相结合的云生物技术在美国已经诞生,利用先进的生物传感器,就像过CT一样扫描种子和种苗,可以快速地对它们进行分拣,快速地感知植物的表型,它的叶片、温度、水分、抗逆性、生理性以及它的叶绿素含量。在很短的时间里面,从茫茫种苗当中快速筛选出优良的基因,提高农产品的抗病性、抗逆性、抗旱性。

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云生物学,不仅能够进行良种的筛选,还能检测气候,实现精准灌溉和施肥。在美国几万亩的大麦田、小麦田里,传感器可以知道今年我要撒多少肥料,这个阶段我该用多少水分,极大节约了成本。

一个健康的种子,它一定含有健康的微生物菌群,就像我们人类一样,一个健康的人,他一定包含有健康的肠道微生物。有了大数据,基因测序、机器学习之后,我们还能通过归类、分解,找到最优的微生物的菌群,把它们定植在种子当中,让它们团结协作。这个健康的种子菌群,会帮助种子生根发芽,抗病抗逆,获取营养物质,茁壮成长,自身还能利用植物光合作用代谢50%的产物进行自我繁殖。这样就形成了种子、植物和土壤之间的有机循环,就像一个和谐社会。

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这是一粒玉米种子,蓝色的部分就是被染了色的微生物,我们从中能够直观地看到它和种子之间的友好相处。有些微生物本身能分泌抗菌物质,杀死土壤里的病菌,如果我们把它喷到叶面上,可以杀死病虫害,还能减少农药的使用。

上一个一百年,我们用上所有农业技术产出的粮食,才能基本满足我们人类的需求,接下来的一百年,更加不容乐观。

我们的技术出现瓶颈,但是人口却在增长,粮食问题是个全球性问题。我们经常讲“民以食为天,食以粮为源,粮以安为先”,最大的食品安全问题是粮食安全问题。

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六十年代的绿色革命带来了第一次农业大增产,九十年代第二次绿色革命是由基因工程带动的,我们至今还在享受它的红利。现在,以合成农业技术为核心的绿色革命即将到来,我们必须张开双臂拥抱它,因为它不仅仅能够大幅度提高农业生产率,而且还将颠覆传统农业生产模式,带来一个全新的伟大的变革。

小时候我非常喜欢音乐,因为我有一双灵敏的耳朵,我能够听懂每一个音符,只要我听到一段旋律,我就能够把它的乐谱写下来。所以大学期间,我写了不少的歌曲,也组织过乐队,我曾经幻想长大以后当一个音乐家。

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所以,当我阅读基因序列的时候,我常常在想,如果我能够把它翻译成乐谱该多好呀!因为任何蛋白质都是由20种氨基酸组成的,我如果能够把它从“20进制”,变成“7进制”,我不就能够翻译了嘛?那么每一条基因,就是一张乐谱,每一个合成代谢途径,就是一个乐章,我就能够听到基因表达的旋律,这是多么美好的事情!

法国作家福楼拜曾说:“科学和艺术,往往在山麓分手,在顶峰汇聚”,我觉得,合成农业所培育的种子就是大自然给予我的最美的艺术品。

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我虽然很遗憾没有走上音乐的道路,但是当我学了生命科学,我才发现,这是大自然中最美的艺术学科

种子的生根发芽,开花结果,就像一部交响乐一样,像《春之声圆舞曲》般绚丽多彩。如果我能够谱写下来,那一定是绿色之歌,是丰收之歌,也是完美的生命之歌!

为此我将不懈努力,谢谢大家!


编辑丨Liz

文字丨漫倩

校对丨其奇、LUSEN

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