我们需要更“聪明”的种子（院士讲科普）

本报记者 孙海天

网友：现在的人工智能，能写诗、画画，还能写代码，越来越能干。我很好奇，如果人工智能走进农业领域，会对我们每天吃的粮食带来什么改变？未来的农作物能自己“思考”，从而应对旱涝等灾害吗？

编辑：这其实是一场正在发生的农业科技革命。如今，在中国科学家手中，育种从“设计”迈向“智能”，已蜕变为一门可预测、可编程、可定制的精密科学。本期“院士讲科普”，我们邀请中国科学院院士、崖州湾国家实验室主任李家洋，为我们解读如何通过生命编程，让每粒种子拥有“智慧”。

在黑龙江省五常市的稻田里，曾发生过这样一幕——

一场台风裹挟着暴雨过境，原本挺立的金色稻浪被压倒在泥泞中。当地种植户最不愿看到这样的场景：倒伏，意味着减产，一年的辛劳可能大打折扣。然而，在同一片试验田里，有一块区域的水稻却依然笔直挺立，与周围形成了鲜明对比。

这是中国科学院院士、崖州湾国家实验室主任李家洋团队培育的“中科发”水稻品种——一种应用分子设计技术培育出的优良品种。在他的构想中，未来的种子将拥有更令人惊叹的能力：它们将不再是被动等待风雨的植物，而是能够主动感知甚至“计算”环境变化的智能生命体。

种子能被“精准设计”

人类获取食物的历史，是一部不断改良物种基因、改造作物的科技进化史。

“种瓜得瓜、种豆得豆，这是遗传；长出的瓜有大有小，包含变异。育种家的工作，就是捕捉变异，固定优势。”李家洋说。

在漫长的农业历史中，作物育种技术经历了数次科技革命与世代更替。

最早的“育种1.0”是驯化选育。我们的祖先花费数千年，从野生植物中驯化出农作物，依靠的是肉眼观察和漫长的等待。20世纪开始，随着遗传学理论的成熟与应用，育种家开始有意识地应用杂交技术，极大地提高了粮食产量，“育种2.0”随之而来。

然而，杂交育种如同“拆盲盒”，往往耗费数年甚至数十年。就像在无数个黑箱子里摸索，成功率较低。育种家在田间地头，面对成千上万株材料，寻找那万分之一的幸运。

“有时候你想要作物高产，但高产的植株可能不抗病；想要抗病，可能口感又不好。”李家洋说。

到了“育种3.0”，随着分子生物学的发展，科学家开始利用分子标记来辅助选择，或者通过新技术引入特定的抗虫、抗除草剂性状。

1994年，李家洋回国进入中国科学院遗传研究所工作。他与团队通过解析水稻功能基因组，确定了控制产量、品质、抗病性等性状的关键基因，并提出了“分子设计育种”的理念，这也让育种迈入“4.0”。

所谓分子设计育种，就是解析出控制性状的关键基因，弄清楚它们之间的调控网络。科学家可以根据需求，将这些优异的基因模块进行“组装”。“我们希望像设计工业产品一样，精准地设计种子。”李家洋说。

这一理念在水稻上取得了巨大成功——李家洋团队培育的“中科发”系列水稻精准聚合了抗倒伏、抗稻瘟病、高产优质等基因，在东北实现了高产优质品种的升级迭代，并首次实现了我国南方双季早粳稻零的突破，让南方居民在7月份就能吃上口感软糯的新粳米，改变了过去“早稻不好吃”的传统印象。

2025年12月22日，中国科学院发布A类先导专项“种子精准设计与创造”系列科研成果。该专项通过创建精准设计育种新范式，取得了覆盖理论、技术、产品的全链条体系化突破，累计推广先导型作物新品种1448万亩，为打造种业振兴的“中国芯”提供科技支撑。

从田间到餐桌，从作物到水产，精准设计的理念，正在不同领域开花结果：在小麦领域，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队创制出既抗白粉病又高产的新种质，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇团队挖掘出“免疫盾牌”基因，让农药用量大幅下降；在水产领域，中国科学院水生生物研究所研究员桂建芳团队将“设计”延伸到了鱼类，培育出“无肌间刺”的鲫鱼，让吃鱼不再受鱼刺困扰……

“还不够。”李家洋认为，现有的设计虽然更精准，但往往是静态的。面对未来气候变化和资源短缺的挑战，我们需要更“聪明”的种子。

作物实现“按需表达”

“现有的作物品种，虽然经过了精心设计，但不够智能。”李家洋解释，比如植物体内的某些抗病基因，无论外界环境如何，往往处于持续表达状态。

“植物的生长发育需要能量。如果一个抗病基因一直处于开启状态，即便没有病害侵袭，它也在消耗能量，这必然会影响作物产量。”李家洋打了个比方，“就像家里的灯，无论有人没人一直亮着，显然不节能。”

在他看来，“育种5.0”的鲜明特征是智能。这包含两个层面：一是智能品种，二是智能培育。

所谓智能品种，就是让作物拥有自主应对环境变化的能力。

想象一下，一株水稻内部安装了精密的“生物传感器”和“智能开关”。当高温热浪来袭时能迅速感知，并启动抗热基因表达，调整代谢通路以锁住水分；当气温回落，这套防御系统自动关闭，能量重新分配给籽粒灌浆。当病菌入侵，免疫系统瞬间激活；病害消除后，又能迅速“休战”。

“平时关闭，需时打开。在不同的发育阶段、面对不同的环境压力，作物能够最优化地动态调整自己的株型和代谢。”李家洋描绘了这样一幅图景，“这种‘按需表达’的机制才更加智能，它能解决长期以来高产与高抗难以兼得的矛盾，实现‘两增两减’——增产、增质，减投、减损。”

目前，这种“智能开关”研究已经取得初步成果。李家洋团队及合作者已经发现了一些具有智能雏形的基因模块，通过合成生物学及基因编辑技术，科学家正在尝试构建这种动态响应的基因回路。

在计算机上“算”种子

要培育出“聪明”的种子，光靠生物技术还不够，必须融合信息技术和人工智能。这就是“育种5.0”的另一层含义——智能培育。

一株作物拥有数万个基因，它们之间的相互作用错综复杂，再加上环境因素的干扰，数据量是天文数字，依靠人脑分析无法处理如此庞大的信息流。

“现在，人工智能和大数据正在改变这一切。”李家洋说。

进入“育种5.0”，人工智能成了育种家的“超级导航”。人工智能技术可以处理海量数据，从复杂的遗传信息中挖掘出控制性状的“底层代码”，并预测基因修饰后的效果。以前改良一个性状可能需要十几年，现在通过人工智能辅助设计，周期能缩短到几年。

“以前我们在田里选种子，现在是在计算机上‘算’种子。”李家洋说。

智能培育还包括育种过程的智能化。在“育种5.0”的体系中，无人机和地面机器人化身“全职体检员”，利用多光谱传感器对田间作物进行高通量表型采集。海量数据汇入云端，人工智能算法能从数百万种基因组合中，精准预测出哪种组合最能适应未来的气候变化，哪种搭配能产生最高的产量。

这种变革将重塑农业的生产逻辑。畅想未来，农场里或许很难再见到挥汗如雨的农民，取而代之的是操纵着控制台的“农业工人”或“生物工程师”。他们管理的不再是简单的庄稼，而是高度精密的“生物工厂”。

对于消费者来说，“育种5.0”意味着更丰富、更健康的餐桌。从专门为糖尿病患者研发的低升糖指数水稻到高蛋白大豆，智慧农业将为个性化营养提供更多可能。

当然，通往“育种5.0”的道路并非坦途。李家洋坦言，目前仍面临诸多挑战：不同作物的生长模式差异巨大，基础研究还需深入；海量的基因型与表型数据尚待积累和标准化；跨领域的复合型人才依然紧缺。

“这是一个需要长期投入的过程。”李家洋给出自己的时间表：计划用5年左右搭建起智能育种的基本框架，10年左右培育出先导性的智能品种。再过20年，智能育种或将成为主流。

种子是农业的“芯片”，关乎国家粮食安全。在位于海南省三亚市的崖州湾国家实验室，李家洋和他的团队正日夜兼程。当每粒种子都拥有了“智慧”，当古老农耕文明遇上前沿数字技术，充满希望的智能田野正向我们敞开。

资料来源：崖州湾国家实验室

《 人民日报 》( 2026年01月17日 06 版)