中國的大豆80％依靠進口，單產量也比較低。為了有效提高大豆單產，科學家在鹽堿地上進行了五年努力，不光研發出耐鹽堿耐旱耐澇的品種，甚至可以做到畝產306公斤…
出品：格致論道講壇
以下內容為中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員田誌喜演講實錄：
大家好，我是田誌喜，來自中國科學院遺傳與發育生物學研究所。非常高興今天有機會和大家分享我們實驗室【種豆這10年】
的故事。
說到大豆，我想大家並不陌生。但是不知道大家知不知道，中國每年消耗大豆的總量大約在1.2億噸，每
人每年平均要消耗90千克，也就是180斤。
一聽這個數位大家是不是很詫異？我們怎麽能夠消費這麽多大豆？因為說起大豆，無非就是豆腐、豆漿、豆油、醬油、毛豆、腐竹這一類我們常見的豆制品。僅僅這些豆制品，就讓我們每人每年消耗了180斤的大豆嗎？
其實，這些只是我們能看到的大豆，還有一些大豆消耗是我們見不到的、隱形消費的。過去的幾十年裏，我們的生活水平有了大振幅的提高，對肉蛋奶的消費大大提升。據不完全統計，在過去50年間，肉蛋奶以及水產品總產的提升大概有10倍、20倍甚至幾十倍。這些畜禽和水產品需要大量的蛋白質作為飼料。而大量蛋白質來自於哪裏呢？都是來自於大豆。這就是為什麽我們能消費這麽多大豆。
那我們消費的1.2億噸大豆，都是中國自產的嗎？其實遠遠不是。中國目前所產的大豆僅僅維持在2000萬噸左右，另外的1億噸大豆主要來自於進口。也就是說我們目前消費的這麽多大豆有80%以上依賴於進口
，這嚴重影響了中國的糧食安全。
那為什麽要進口這麽多大豆呢？一個根本原因就在於我們的耕地資源有限。中國的人口占了世界人口的19%，但是耕地僅僅占了世界耕地的8%左右。這就需要我們透過進口糧食來彌補我們耕地的不足，因為我們現有耕地生產的糧食不能滿足中國民眾的消費需求。
大家可能又要問，為什麽我們要進口大豆，而不是其他糧食呢？這就要回歸到大豆本身的問題：大豆的單產相較其他主糧作物實在是太低了。
從圖中大家可以看到，目前大豆的單產（單位面積的產量）是玉米、水稻和小麥的三分之一到四分之一。如果我們要實作大豆的完全自主自給，就要用更多的耕地來種植大豆，那就意味著我們要進口更多的水稻、小麥或者玉米，就可能對我們的糧食安全產生更大的影響。所以說，進口大豆是我們現在不得已的戰略選擇。
那大豆單產低的問題是不是自古以來就有呢？它和水稻、小麥和玉米的差距一直這麽大嗎？其實也不盡然。
回顧一下過去60年裏水稻、小麥和玉米以及大豆的單產變化情況，大概可以看到，玉米、水稻和小麥的單產有了大振幅提高，而大豆的單產基本穩定在一個比較低的水平，沒有實質性的提高。所以我們需要透過育種來大振幅提高大豆的單產。
針對這個問題，2011年我從國外做博後回到國內之後，就建立起了自己的實驗室，並且把提高大豆單產作為實驗室的一個主要目標。同時也為我們實驗室寫了一個標語「為中華大豆之崛起而奮鬥」，以此來激勵實驗室裏的每一個人。
在這十幾年間，我們得到了很多來自老師、朋友以及同學的幫助和支持。這是種康老師給我寫的一幅字，內容是毛主席【七律·到韶山】其中的兩句「喜看稻菽千重浪，遍地英雄下夕煙」
。
我特別喜歡這兩句詩詞，因為詩句的第一個字「喜」正好是我名字的最後一個字，而「菽」就是大豆的意思。兩句詩描繪了一位農民兄弟從田間耕作回來，看到了一片豐收的景象，內心感到十分喜悅和歡樂，和我自己的工作也十分契合。這是種康書記對我的一種鼓勵，也希望我們在將來的工作中真正能為大豆事業做出一些奉獻。
收集大豆學種地
我們采用的是一種叫設計育種
的方法，希望把基礎科學研究和現在的育種結合起來，真正走到一個更快的路徑上。
首先解釋下什麽叫育種，其實就是培育一個新的作物品種。在進行品種培育時，我們往往都希望達到一個最佳狀態，就是把最好的高產、優質以及抗逆（抵抗不利環境的能力）都聚合到一個材料裏邊，成為一個超級品種。
要想得到這個超級品種，我們就要知道是哪些基因在控制這些性狀，怎麽才能夠使得它高產、怎麽才能優質。
為了得到這些基因，我們采用了關聯分析的策略。我們首先會選取很多種大豆的材料，來評價哪些材料是抗性比較好的、哪些材料是品質比較好的、哪些材料是高產的。同時，我們還會去研究它的遺傳資訊，研究它的基因在不同材料裏是如何變化的。
然後，我們把這些材料的性狀變化以及遺傳變化結合起來，做一個相互關聯。就能知道是哪一個基因位點的變化使它高產，哪一個基因位點的變化使它優質。這樣，我們就能清楚地知道每一個性狀是如何被調控的。最後，再把我們想要的性狀所對應的基因都聚合起來到一個品種裏，就形成了設計育種。
總而言之，設計育種基本分三步走
。第一步就是對種質資源做篩選評價，以及對它的基因組做分析。第二步就是根據這些資訊，找到控制特定性狀的基因網路。第三步就是把這些知識聚合到一起進行設計，培育新品種。
▲從中國走向世界的大豆
那具體而言，第一步就是要收集材料。大豆其實是原產於中國的作物，最早在中國被馴化，而後才傳播到世界各地。中國是大豆的起源國，因此有著豐富的種質資源。
回國之後，我做的第一件事就是要收集這些種質資源。在這個過程中，我也有幸得到了很多老師的支持，於是在2011年就收集到了100份左右的材料。
這是我第一年種地的照片。大家可以看到，我滿懷希望、歡天喜地地去種材料了。種到地裏後，我就等待著收獲。
但是結果呢？這張圖大家可以看到明顯分為兩部份，上面一部份長得郁郁蔥蔥，下邊一部份長得七零八落，好像很多材料都沒有長出來。為什麽有這種區別呢？
因為上面那片地是我們研究所一位研究大豆的老先生種的地，他種的就比較好。而下邊這個是我種的地，當時我根本就不知道怎麽種大豆。
這在我們所也成為了一件樂事。有人開玩笑說，我不用去看、也不用去問，只要是長得不好的，一定是田老師種的地。
那能怎麽辦呢，我只能去學習種地，向老先生學習，慢慢地就學到了種地的經驗。當然，在這過程中，我們也創制和收集了很多材料。
經過大概七八年的努力，我們現在已經收集了3000份材料，自己也創制了5萬份材料。僅僅是這些材料種成這樣一行一行的樣子，就需要100畝地了。我們現在種得也非常漂亮，可以看到地裏都郁郁蔥蔥的。上面那些斑斑禿禿的其實也並不是種得不好，而是因為我們在做篩選，在做鹽堿地的工作，後邊我會講到的。
這是我們在地裏的合影。大家可以看到，天空湛藍湛藍的。而剛才照片裏天是灰蒙蒙的，這也代表了我心情的變化。
用數學的思想研究基因組
有了這些種質資源，接下來就要做基因組的資訊分析了。做基因組資訊分析有一個非常大的前提，就是我們必須有一個標準。比如現在我要研究人類，就必須先有一個人類基因組作參考才能開展研究。
▲左：第一個大豆基因組Wm82
右：構建中黃13高品質參考基因組
Shen et al. Science China Life Science 2018, 2019
大豆也是這樣的。最早的時候有一個美國做的大豆基因組，但是我們發現它有很大的缺陷，並不標準。在這個基礎上，也得益於技術的發展，我們對中國一個叫中黃13的材料進行測序，做出了一個非常好的基因組。
但是在這個過程中，我們發現僅僅一個基因組是不夠的。為什麽呢？
我打個比方。比如說要研究我們人類的性狀，不管是去研究高矮胖瘦或者是黑白黃棕，要研究這些性狀是為什麽產生的，僅僅測了我自己的基因組而沒有測其他人的基因組，那怎麽去比較呢？尤其是對於那些我的基因組裏邊不包含的、但大家基因組裏有的那些片段來說，是沒有辦法比較的。
假如圖中第3行代表的是我基因組，大家都有中間黃色的那段序列而我沒有，那麽這段序列就沒有辦法比較。如果這是控制高矮的基因，那我們就沒法比較出來控制高矮的基因是什麽樣子了。
所以就需要更多的基因組，要在人群裏再選一些具有代表性的個體進行測序，之後再透過比較得到哪些基因是我們這些人都有的、哪些是偶爾幾個人有的、哪些是某一個人特別有的，這樣就更清晰了。這也就是後來提出的「泛基因組」的概念。在大豆裏，我們成功地實作了泛基因組。
我們還有一個突破，就是利用了數學上的圖論思想，把基因組從一維變成了二維的概念。什麽叫一維到二維的概念呢？大家學過生物學的話，就會知道以前的基因組是A、T、C、G這樣線性的序列。但是如果把所有人的基因組拼接在一起時，就會出現很多問題。
比如我們有ABCD四個基因組，但當我們拼接到一起時候，就像中間這張圖展示的，以A的為起點和D為起點所得到的序列是不一樣的。
那如何解決呢？我們想到了一個非常好的數學理論，就是圖論。
圖論就是把一維線性的改成二維網狀的，這個網狀就可以很好地把每一個節點的位置以及序列的差異聯系起來，就像右圖這樣。
▲Liu et al, Cell, 2020
但是，從數學理論到實際之間還是有很大的挑戰，我們最終在大豆裏邊實作了基於圖論的圖形泛基因組，對後來的研究起到了很大的推動作用。
從好基因到好品種
我們收集好材料，做好基因組，下面就要來研究它的性狀了。具體就是研究高產、優質、抗逆等效能是由誰來決定的。
首先我們都知道，大豆是高油的油料作物，是可以產油榨油的。那是不是大豆在幾千年前就一直是高油的作物呢？其實不是的。
▲Zhou et al. Nature Biotechnology, 2015
大豆是大概5000年前在咱們中國被馴化的。它被馴化前是野生大豆，就是圖裏左邊這些黑色的小種子，是一種高蛋白植物。我們分析發現，這種高油的特點是經過我們祖先長期選擇哪些控制油份基因而慢慢形成的。
圍繞這個思路，我們找到了很多其他的基因，包括控制產量的、控制開花的以及抗逆的。
找到控制關鍵性狀的基因，那是不是把控制不同性狀的好基因聚到一起，就能夠得到好的品種了呢？其實這並不完全可行，過程中也有很多挑戰。因為一個基因對這個性狀來說是好的，但可能對另外一個性狀來說就是差的。
▲Liu et al. Molecular Plant，2020
我舉個非常簡單的例子。如果大家仔細看，會在吃毛豆的時候發現豆莢上有一些毛。如果大家再仔細看，會發現有些豆子的毛密一點，有些豆子的毛稀一點。這其實是由一個非常精細的基因調控網路來決定的。
▲左：幹旱環境
右：蟲咬環境
今天我們不講具體的調控機制，只是思考一下毛的稀疏到底有什麽用。我們的研究發現，在幹旱條件下，毛多的材料基本上是不抗旱的，很快就幹枯了。但是毛少的甚至沒毛的那些材料就非常非常抗旱。
那可能大家會想，我們把大豆都培育成沒有毛的不就好了嗎，這樣吃起來還不紮嘴。
但是在有蟲的環境下，沒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響。所以說，我們在育種中一定要考慮到這種平衡。即使是毛這麽一個非常小的性狀，我們都需要讓它保持在一個比較恰當的一個水平。
▲Fang et al. Genome Biology, 2017
有人說育種是一種藝術，其實它就是一種綜合平衡的結果。
那如何從機理和知識上指導我們更好地育種呢？我們對控制57個性狀的基因進行了分析，探究到底是哪些基因在調控不同的性狀，最終形成了一個比較復雜的分子模組系統的網路。
▲左：科豆10（國審）增產5.1% 蛋白質含量45.6%
右：科豆103（黑龍江）增產5.9% 油含量22.73%
在這個網路的指導下，我們培育了很多品種，這只是其中的2個例子。科豆系列的科豆10是一個高產、高蛋白的品種，科豆103是高產、高油的品種。分子設計育種這條路基本上是走通了。
希望將來我們能做更多努力，能夠為中國的大豆事業做出更大的貢獻，比如把產量提得更高。
讓鹽堿地也出一份力
僅僅做這些是不是足夠了呢？其實還是遠遠不夠的。因為我們的缺口實在太大了，之前說過，現在80%的大豆都是依賴進口的，根本問題是我們的耕地不足，
那我們有沒有可能再進一步擴大耕地呢？全國現在有18億畝耕地，還有1億多畝的鹽堿地沒有被利用，大豆能不能在這些鹽堿地上生長呢？帶著這個問題，我們從2018年起就在鹽堿地上展開了研究，山東東營是我們的一個重要試驗點。
山東東營是一個靠海的、非常漂亮的小城市，那裏的鹽堿地非常多。這就是當地典型的鹽堿地情況，長的都是一些堿蓬。
這是2018年的時候，條件還是非常艱苦的，我們坐著一個三輪拖拉機就歡欣鼓舞地去了。當時篩了3000份材料，就覺得一定能夠篩出來。
但是到了秋季，結果讓我們非常失望，這些材料基本上都死掉了，所剩無幾。即使是留下了那幾個也沒有產量，不結豆子。我們的農民兄弟是不會去種這種不結豆子、只長幾個豆梗的作物的。
後來我們才了解了當地的情況，這塊鹽堿地的條件非常特殊。在6月份種大豆的時候，這裏非常幹旱，並且鹽堿度最高。這對大豆提出的要求就是抗旱和抗鹽堿。7月台風又會來，這裏會下很多的暴雨，很多作物都是被淹的狀態，因此要抗澇。到了8月，天氣非常非常熱，這時候需要大豆能抗熱。到了9月，沒有台風，水也下去了，但是鹽堿又上來了，這時候又要抗鹽堿。因此要在這種條件下篩出一個大豆，需要考慮很多綜合性狀才行。
後來我們就想了一些其他的辦法，比如覆膜。覆膜之後就能夠很好地保持水分，保證它的生長，也能抗鹽堿。我們還篩選了當地一些菌肥微生物，加了一些生物的微生物菌肥來幫助它抗鹽堿。
然後又慢慢選擇出了一些優異的材料。
這5年裏，每年我們都非常辛苦地種地，和農民一樣。今天我還穿著件西裝，故意「裝」得像個科學家。但如果在地裏，大家就都找不到我了。
迄今為止，我們篩了大概16000份大豆遺傳材料，篩到了非常非常好的耐鹽優異材料25份，也獲得了一些成績。
現在我們在東營有600畝地，如果大家有興趣去的話可以跟我們聯系，看看我們的地。當地有很多的公司看到我們種的比較好，2024年會擴充套件到幾千畝。
在2021年，TZX-805和TZX-1736這兩個材料實收畝產達到260多公斤。2022年，科豆35的實收畝產達到270公斤。
2023年，我們又對科豆35的種植密度進行了最佳化，發現在每畝11000株左右的種植密度下，它的畝產能達到306公斤。
這些工作都是完全靠天吃飯的，靠老天爺下雨來養這些大豆，而不是靠灌溉，因為也沒有灌溉條件。所以這是非常難得的一個成績，也確實讓我們非常欣慰。
最近我們還發現了一個讓人覺得特別有意思的事，就是剛才說的畝產達到306公斤的這個耐鹽堿的大豆，它做出來的豆漿竟然非常好喝，這讓我們高興得不得了。
後來我們自己制作了一些小禮盒送給各位朋友喝，包裝也都是我們自己設計的。如果大家去我們遺傳發育所，我請大家嘗一嘗我們的豆漿，真的很好喝，打出來有點像牛奶。
▲左上：2022年 內蒙古巴彥淖爾
右上：2023年 黑龍江肇源縣
左下：2023年 黑龍江大慶
右下：2023年 黑龍江肇源縣
2023年還有個意外的發現。剛才說我們培育的科豆103是一個高產高油的品種，這也是品種審定時候的特點。但是我們發現它耐鹽堿的能力也非常強，甚至強得很極端。右上圖是黑龍江的肇源縣，那瑞奇本上是白花花的堿地，pH都在9以上了。在這種狀態下，科豆103還能夠生存下來，所以它耐堿性非常好。
我回國也12年多了，一直在努力，但是解離決我們中國的大豆問題這個目標還是太遠了。
我也希望用兩句話來勉勵我自己：「路雖遠行則將至，事雖難做則必成」。也希望更多大豆人的努力，能夠把我們中國的大豆危機解決了。
感謝大家。
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