嘉宾 | 田志喜 · 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员格致论道第108期 | 2023年12月23日 北京
田志喜：种豆这十年,环球科学,20分钟
大家好，我是田志喜，来自中国科学院遗传与发育生物学研究所。非常高兴今天有机会和大家分享我们实验室《种豆这10年》的故事。
说到大豆，我想大家并不陌生。但是不知道大家知不知道，我国每年消耗大豆的总量大约在1.2亿吨，每人每年平均要消耗90千克，也就是180斤。
一听这个数字大家是不是很诧异？我们怎么能够消费这么多大豆？因为说起大豆，无非就是豆腐、豆浆、豆油、酱油、毛豆、腐竹这一类我们常见的豆制品。仅仅这些豆制品，就让我们每人每年消耗了180斤的大豆吗？
其实，这些只是我们能看到的大豆，还有一些大豆消耗是我们见不到的、隐形消费的。过去的几十年里，我们的生活水平有了大幅度的提高，对肉蛋奶的消费大大提升。据不完全统计，在过去50年间，肉蛋奶以及水产品总产的提升大概有10倍、20倍甚至几十倍。这些畜禽和水产品需要大量的蛋白质作为饲料。而大量蛋白质来自于哪里呢？都是来自于大豆。这就是为什么我们能消费这么多大豆。
那我们消费的1.2亿吨大豆，都是我国自产的吗？其实远远不是。我国目前所产的大豆仅仅维持在2000万吨左右，另外的1亿吨大豆主要来自于进口。也就是说我们目前消费的这么多大豆有80%以上依赖于进口，这严重影响了我国的粮食安全。
那为什么要进口这么多大豆呢？一个根本原因就在于我们的耕地资源有限。我国的人口占了世界人口的19%，但是耕地仅仅占了世界耕地的8%左右。这就需要我们通过进口粮食来弥补我们耕地的不足，因为我们现有耕地生产的粮食不能满足我国民众的消费需求。
大家可能又要问，为什么我们要进口大豆，而不是其他粮食呢？这就要回归到大豆本身的问题：大豆的单产相较其他主粮作物实在是太低了。
从图中大家可以看到，目前大豆的单产（单位面积的产量）是玉米、水稻和小麦的三分之一到四分之一。如果我们要实现大豆的完全自主自给，就要用更多的耕地来种植大豆，那就意味着我们要进口更多的水稻、小麦或者玉米，就可能对我们的粮食安全产生更大的影响。所以说，进口大豆是我们现在不得已的战略选择。
那大豆单产低的问题是不是自古以来就有呢？它和水稻、小麦和玉米的差距一直这么大吗？其实也不尽然。
回顾一下过去60年里水稻、小麦和玉米以及大豆的单产变化情况，大概可以看到，玉米、水稻和小麦的单产有了大幅度提高，而大豆的单产基本稳定在一个比较低的水平，没有实质性的提高。所以我们需要通过育种来大幅度提高大豆的单产。
针对这个问题，2011年我从国外做博后回到国内之后，就建立起了自己的实验室，并且把提高大豆单产作为实验室的一个主要目标。同时也为我们实验室写了一个标语“为中华大豆之崛起而奋斗”，以此来激励实验室里的每一个人。
在这十几年间，我们得到了很多来自老师、朋友以及同学的帮助和支持。这是种康老师给我写的一幅字，内容是毛主席《七律·到韶山》其中的两句“喜看稻菽千重浪，遍地英雄下夕烟”。
我特别喜欢这两句诗词，因为诗句的第一个字“喜”正好是我名字的最后一个字，而“菽”就是大豆的意思。两句诗描绘了一位农民兄弟从田间耕作回来，看到了一片丰收的景象，内心感到十分喜悦和欢乐，和我自己的工作也十分契合。这是种康书记对我的一种鼓励，也希望我们在将来的工作中真正能为大豆事业做出一些奉献。
收集大豆学种地已完成：10%
我们采用的是一种叫设计育种的方法，希望把基础科学研究和现在的育种结合起来，真正走到一个更快的路径上。
首先解释下什么叫育种，其实就是培育一个新的作物品种。在进行品种培育时，我们往往都希望达到一个最佳状态，就是把最好的高产、优质以及抗逆（抵抗不利环境的能力）都聚合到一个材料里边，成为一个超级品种。
要想得到这个超级品种，我们就要知道是哪些基因在控制这些性状，怎么才能够使得它高产、怎么才能优质。
为了得到这些基因，我们采用了关联分析的策略。我们首先会选取很多种大豆的材料，来评价哪些材料是抗性比较好的、哪些材料是品质比较好的、哪些材料是高产的。同时，我们还会去研究它的遗传信息，研究它的基因在不同材料里是如何变化的。
然后，我们把这些材料的性状变化以及遗传变化结合起来，做一个相互关联。就能知道是哪一个基因位点的变化使它高产，哪一个基因位点的变化使它优质。这样，我们就能清楚地知道每一个性状是如何被调控的。最后，再把我们想要的性状所对应的基因都聚合起来到一个品种里，就形成了设计育种。
总而言之，设计育种基本分三步走。第一步就是对种质资源做筛选评价，以及对它的基因组做分析。第二步就是根据这些信息，找到控制特定性状的基因网络。第三步就是把这些知识聚合到一起进行设计，培育新品种。
从中国走向世界的大豆那具体而言，第一步就是要收集材料。大豆其实是原产于我国的作物，最早在我国被驯化，而后才传播到世界各地。中国是大豆的起源国，因此有着丰富的种质资源。
回国之后，我做的第一件事就是要收集这些种质资源。在这个过程中，我也有幸得到了很多老师的支持，于是在2011年就收集到了100份左右的材料。
这是我第一年种地的照片。大家可以看到，我满怀希望、欢天喜地地去种材料了。种到地里后，我就等待着收获。
但是结果呢？这张图大家可以看到明显分为两部分，上面一部分长得郁郁葱葱，下边一部分长得七零八落，好像很多材料都没有长出来。为什么有这种区别呢？
因为上面那片地是我们研究所一位研究大豆的老先生种的地，他种的就比较好。而下边这个是我种的地，当时我根本就不知道怎么种大豆。
这在我们所也成为了一件乐事。有人开玩笑说，我不用去看、也不用去问，只要是长得不好的，一定是田老师种的地。
那能怎么办呢，我只能去学习种地，向老先生学习，慢慢地就学到了种地的经验。当然，在这过程中，我们也创制和收集了很多材料。
经过大概七八年的努力，我们现在已经收集了3000份材料，自己也创制了5万份材料。仅仅是这些材料种成这样一行一行的样子，就需要100亩地了。我们现在种得也非常漂亮，可以看到地里都郁郁葱葱的。上面那些斑斑秃秃的其实也并不是种得不好，而是因为我们在做筛选，在做盐碱地的工作，后边我会讲到的。
这是我们在地里的合影。大家可以看到，天空湛蓝湛蓝的。而刚才照片里天是灰蒙蒙的，这也代表了我心情的变化。
用数学的思想研究基因组已完成：30%
有了这些种质资源，接下来就要做基因组的信息分析了。做基因组信息分析有一个非常大的前提，就是我们必须有一个标准。比如现在我要研究人类，就必须先有一个人类基因组作参考才能开展研究。
左：第一个大豆基因组Wm82右：构建中黄13高质量参考基因组Shen et al. Science China Life Science 2018, 2019
大豆也是这样的。最早的时候有一个美国做的大豆基因组，但是我们发现它有很大的缺陷，并不标准。在这个基础上，也得益于技术的发展，我们对我国一个叫中黄13的材料进行测序，做出了一个非常好的基因组。
但是在这个过程中，我们发现仅仅一个基因组是不够的。为什么呢？
我打个比方。比如说要研究我们人类的性状，不管是去研究高矮胖瘦或者是黑白黄棕，要研究这些性状是为什么产生的，仅仅测了我自己的基因组而没有测其他人的基因组，那怎么去比较呢？尤其是对于那些我的基因组里边不包含的、但大家基因组里有的那些片段来说，是没有办法比较的。
假如图中第3行代表的是我基因组，大家都有中间黄色的那段序列而我没有，那么这段序列就没有办法比较。如果这是控制高矮的基因，那我们就没法比较出来控制高矮的基因是什么样子了。
所以就需要更多的基因组，要在人群里再选一些具有代表性的个体进行测序，之后再通过比较得到哪些基因是我们这些人都有的、哪些是偶尔几个人有的、哪些是某一个人特别有的，这样就更清晰了。这也就是后来提出的“泛基因组”的概念。在大豆里，我们成功地实现了泛基因组。
我们还有一个突破，就是利用了数学上的图论思想，把基因组从一维变成了二维的概念。什么叫一维到二维的概念呢？大家学过生物学的话，就会知道以前的基因组是A、T、C、G这样线性的序列。但是如果把所有人的基因组拼接在一起时，就会出现很多问题。
比如我们有ABCD四个基因组，但当我们拼接到一起时候，就像中间这张图展示的，以A的为起点和D为起点所得到的序列是不一样的。
那如何解决呢？我们想到了一个非常好的数学理论，就是图论。图论就是把一维线性的改成二维网状的，这个网状就可以很好地把每一个节点的位置以及序列的差异联系起来，就像右图这样。
Liu et al, Cell, 2020但是，从数学理论到实际之间还是有很大的挑战，我们最终在大豆里边实现了基于图论的图形泛基因组，对后来的研究起到了很大的推动作用。
从好基因到好品种已完成：50%
我们收集好材料，做好基因组，下面就要来研究它的性状了。具体就是研究高产、优质、抗逆等性能是由谁来决定的。
首先我们都知道，大豆是高油的油料作物，是可以产油榨油的。那是不是大豆在几千年前就一直是高油的作物呢？其实不是的。
Zhou et al. Nature Biotechnology, 2015大豆是大概5000年前在咱们中国被驯化的。它被驯化前是野生大豆，就是图里左边这些黑色的小种子，是一种高蛋白植物。我们分析发现，这种高油的特点是经过我们祖先长期选择哪些控制油份基因而慢慢形成的。
围绕这个思路，我们找到了很多其他的基因，包括控制产量的、控制开花的以及抗逆的。
找到控制关键性状的基因，那是不是把控制不同性状的好基因聚到一起，就能够得到好的品种了呢？其实这并不完全可行，过程中也有很多挑战。因为一个基因对这个性状来说是好的，但可能对另外一个性状来说就是差的。
Liu et al. Molecular Plant，2020我举个非常简单的例子。如果大家仔细看，会在吃毛豆的时候发现豆荚上有一些毛。如果大家再仔细看，会发现有些豆子的毛密一点，有些豆子的毛稀一点。这其实是由一个非常精细的基因调控网络来决定的。
左：干旱环境右：虫咬环境
今天我们不讲具体的调控机制，只是思考一下毛的稀疏到底有什么用。我们的研究发现，在干旱条件下，毛多的材料基本上是不抗旱的，很快就干枯了。但是毛少的甚至没毛的那些材料就非常非常抗旱。
那可能大家会想，我们把大豆都培育成没有毛的不就好了吗，这样吃起来还不扎嘴。
但是在有虫的环境下，没毛的基本都被咬得七零八落全是洞，但是毛多的基本不受影响。所以说，我们在育种中一定要考虑到这种平衡。即使是毛这么一个非常小的性状，我们都需要让它保持在一个比较恰当的一个水平。
Fang et al. Genome Biology, 2017有人说育种是一种艺术，其实它就是一种综合平衡的结果。那如何从机理和知识上指导我们更好地育种呢？我们对控制57个性状的基因进行了分析，探究到底是哪些基因在调控不同的性状，最终形成了一个比较复杂的分子模块系统的网络。
左：科豆10（国审）增产5.1% 蛋白质含量45.6%
右：科豆103（黑龙江）增产5.9% 油含量22.73%
在这个网络的指导下，我们培育了很多品种，这只是其中的2个例子。科豆系列的科豆10是一个高产、高蛋白的品种，科豆103是高产、高油的品种。分子设计育种这条路基本上是走通了。
希望将来我们能做更多努力，能够为中国的大豆事业做出更大的贡献，比如把产量提得更高。
让盐碱地也出一份力已完成：70%
仅仅做这些是不是足够了呢？其实还是远远不够的。因为我们的缺口实在太大了，之前说过，现在80%的大豆都是依赖进口的，根本问题是我们的耕地不足。
那我们有没有可能再进一步扩大耕地呢？全国现在有18亿亩耕地，还有1亿多亩的盐碱地没有被利用，大豆能不能在这些盐碱地上生长呢？带着这个问题，我们从2018年起就在盐碱地上展开了研究，山东东营是我们的一个重要试验点。
山东东营是一个靠海的、非常漂亮的小城市，那里的盐碱地非常多。这就是当地典型的盐碱地情况，长的都是一些碱蓬。
这是2018年的时候，条件还是非常艰苦的，我们坐着一个三轮拖拉机就欢欣鼓舞地去了。当时筛了3000份材料，就觉得一定能够筛出来。
但是到了秋季，结果让我们非常失望，这些材料基本上都死掉了，所剩无几。即使是留下了那几个也没有产量，不结豆子。我们的农民兄弟是不会去种这种不结豆子、只长几个豆梗的作物的。
后来我们才了解了当地的情况，这块盐碱地的条件非常特殊。在6月份种大豆的时候，这里非常干旱，并且盐碱度最高。这对大豆提出的要求就是抗旱和抗盐碱。7月台风又会来，这里会下很多的暴雨，很多作物都是被淹的状态，因此要抗涝。到了8月，天气非常非常热，这时候需要大豆能抗热。到了9月，没有台风，水也下去了，但是盐碱又上来了，这时候又要抗盐碱。因此要在这种条件下筛出一个大豆，需要考虑很多综合性状才行。
后来我们就想了一些其他的办法，比如覆膜。覆膜之后就能够很好地保持水分，保证它的生长，也能抗盐碱。我们还筛选了当地一些菌肥微生物，加了一些生物的微生物菌肥来帮助它抗盐碱。
然后又慢慢选择出了一些优异的材料。
这5年里，每年我们都非常辛苦地种地，和农民一样。今天我还穿着件西装，故意“装”得像个科学家。但如果在地里，大家就都找不到我了。
迄今为止，我们筛了大概16000份大豆遗传材料，筛到了非常非常好的耐盐优异材料25份，也获得了一些成绩。
现在我们在东营有600亩地，如果大家有兴趣去的话可以跟我们联系，看看我们的地。当地有很多的公司看到我们种的比较好，2024年会扩展到几千亩。
在2021年，TZX-805和TZX-1736这两个材料实收亩产达到260多公斤。2022年，科豆35的实收亩产达到270公斤。
2023年，我们又对科豆35的种植密度进行了优化，发现在每亩11000株左右的种植密度下，它的亩产能达到306公斤。
这些工作都是完全靠天吃饭的，靠老天爷下雨来养这些大豆，而不是靠灌溉，因为也没有灌溉条件。所以这是非常难得的一个成绩，也确实让我们非常欣慰。
最近我们还发现了一个让人觉得特别有意思的事，就是刚才说的亩产达到306公斤的这个耐盐碱的大豆，它做出来的豆浆竟然非常好喝，这让我们高兴得不得了。
后来我们自己制作了一些小礼盒送给各位朋友喝，包装也都是我们自己设计的。如果大家去我们遗传发育所，我请大家尝一尝我们的豆浆，真的很好喝，打出来有点像牛奶。
左上：2022年 内蒙古巴彦淖尔右上：2023年 黑龙江肇源县左下：2023年 黑龙江大庆右下：2023年 黑龙江肇源县
2023年还有个意外的发现。刚才说我们培育的科豆103是一个高产高油的品种，这也是品种审定时候的特点。但是我们发现它耐盐碱的能力也非常强，甚至强得很极端。右上图是黑龙江的肇源县，那里基本上是白花花的碱地，pH都在9以上了。在这种状态下，科豆103还能够生存下来，所以它耐碱性非常好。
我回国也12年多了，一直在努力，但是离解决我们中国的大豆问题这个目标还是太远了。
我也希望用两句话来勉励我自己：“路虽远行则将至，事虽难做则必成”。也希望更多大豆人的努力，能够把我们中国的大豆危机解决了。
感谢大家。