目前正是秋收的时节，按照农业农村部的预判，今年又是一个丰年。“春种一粒粟，秋收万颗子”，种子是丰收的第一步。你知道，这些高产的种子从哪儿来？这就要说到“育种”的工作了。
自2014年“率先行动”计划实施以来，中国科学院以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，认真贯彻落实习近平总书记提出的“三个面向”“四个率先”要求，把实施“率先行动”计划作为重大政治任务和重大科技任务，在科技创新发展、国家创新人才高地建设、高水平科技智库建设、一流科研机构建设等方面取得了重大进展和突出成效，全面完成了“率先行动”计划第一阶段目标任务，在我国创新型国家和科技强国建设中起到了引领带动作用，为2030年全面实现“四个率先”目标打下了坚实基础。
“率先行动”计划第一阶段取得了许多重大科技成果及标志性进展，这些成果面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场。科学大院开设了“率先行动成果解读”专栏，邀请科学家跟你讲讲这些“高大上”的成果究竟是怎么一回事。
农作物都来自自然界，在漫长的历史中被人类驯化，从野生变为栽培。人们根据不同的目标，不断改造作物，这个过程就是“培育”（育）。所谓“种”，就是用于扩大繁殖的源头种子。能够稳定遗传，并在一定的生态环境下能够保持较高产量和较好品质的种子就形成了“品种”。
水稻是我们日常生活中的主要粮食作物，现在世界上60%的人以稻米作为主食。人们希望水稻能高产优质、抗逆性好、少施化肥、不打农药、富含特定营养元素、适合特定人群食用……那么水稻的产量如何提高，口感和营养俱佳的水稻品种如何培育呢？水稻育种历经了自然育种、遗传育种、分子设计育种三个时期。自然育种从野生稻到人工栽培稻是育种的第一个时期，可以称之为自然育种。
五谷的驯化开启了中华民族的农耕文明，使我们的先祖从游牧状态进入了定居状态。但是，从野生稻到栽培稻的驯化跨越了五千余年。与栽培稻相比，野生稻通常具有种子比较小，茎秆匍匐生长，成熟后籽粒容易脱落、稻米口感差等缺点。在驯化水稻的过程中，祖先们只能靠运气寻找，如果某个品种产生了突变（比如种子更大、茎秆更坚挺），就会被人们大量栽培，从而保留下来，经过逐年累月的积累，品种也越变越好。
随着遗传学的发展，特别是孟德尔遗传定律的提出、摩尔根染色体遗传理论的发现以及DNA双螺旋结构的解析，人们对作物的表型与遗传物质之间的关系有了深入的认知，遗传育种应运而生。人们可以在遗传学的指导下，提高育种效率，比如人工杂交育种（简称“人工育种“）、诱变育种等。人工育种的核心是有性杂交，即具有不同遗传物质的父本和母本进行有性生殖，产生变异的后代，从后代中选育兼具父本和母本有利性状的新品种。
诱变育种则利用人工诱变，提高突变发生的几率，从而比自然突变更快的产生各种有利突变和不利突变。进入新世纪以来，随着分子遗传学、基因组学等领域的快速发展，分子设计育种的理念被提出，其技术体系不断完善。分子设计育种是在解析作物重要农艺性状的分子机理的基础上，通过品种设计对多基因控制的复杂性状进行定向改良，以达到综合性状优异的目标。
分子设计育种技术的突破依赖于在基因水平上对产量、品质、营养高效、抗病虫、耐逆性等复杂农艺性状控制机理的解析，以及基因组测序、基因型高通量分析、基因编辑等技术的快速发展。
中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋的团队，深入研究控制水稻产量和品质的分子机理，进一步通过分子设计育种技术，培育出了高产优质的水稻新品种。长江中下游稻区是我国水稻主产区之一，历史上一直是我国水稻育种和生产水平领先的地区。但近20年以来，该地区水稻产量进入了一个缓慢增长期，高产与早熟、优质、抗病虫、抗逆性等性状之间的矛盾日益突出。
针对这些问题，李家洋团队与嘉兴市农科院李金军团队合作，经过精心设计，以理想株型基因IPA1为主线，以恢复系“嘉恢306”为底盘品种，通过杂交及回交和分子检测，将理想株型基因优异等位位点及控制早熟、低直链淀粉等优异性状的基因聚合到“嘉恢306”中，成功培育出“嘉优中科”系列水稻新品种。
这些新品种具有株高适宜、分蘖适中、无效分蘖少、茎秆粗壮、根系发达等明显的理想株型特征，且成熟期早、抗逆性强、适合机械化直播，增产效果显著，已有6个品种分别通过国家和多省审定。黑龙江省有6400多万亩的水稻种植面积，是我国优质稻的重要产区。
为了解决解决稻瘟病抗性差、抗倒伏能力弱、稻谷出米率低、优质和口感好但与高产等性状难以兼顾等实际问题，李家洋研究员、刘贵富研究员与黑龙江农科院的专家联合攻关，将长粒优质的南方长粒粳、高抗稻瘟病的抗病品种以及高产抗倒伏的东北地方品种中的优异等位基因聚合到一起。
经过近10年的研发，2017年中科发系列的第一个品种“中科804”通过国家审定，2018年在我国优质稻核心产区黑龙江五常市开展3000亩示范并获成功，在产量、品质、抗稻瘟病以及抗倒伏等农艺性状方面均表现突出，反响很大。随后“中科发5号”和“中科发6号”也于2018年通过国家审定，深受农民与消费者喜爱，第一年就推广超过40万亩。
这些品种针对不同地区的特点，解决了水稻生产中的实际问题，体现出分子设计育种的巨大优势，即目标性强、效率高、用时短，能实现复杂农艺性状的协同改良。分子设计育种理念和技术路线的推广，对提高作物育种效率、提升新品种的科技含量具有重要意义。未来，稻米也能定制。分子设计育种能高效精准地培育适合消费者需要的品种，如好吃、好看、营养、安全的品种，能够适应不同人群的健康需求和消费习惯。比如，糖尿病人可以吃的大米。
李家洋院士团队与合作者通过解析水稻抗性淀粉合成的分子机理，克隆了决定高抗性淀粉含量的关键基因，正在设计研发具有特殊保健功能的水稻品种。