近期，李家洋和钱前院士团队联合在Molecular Plant上发表题为“Rice2035: A decadal vision for rice research and breeding”的综述文章。该文系统回顾了过去几十年水稻基础研究和育种的发展历程，总结了从传统育种到分子育种的范式转变。针对当前面临的遗传多样性狭窄、产量与抗性权衡、资源利用效率低等瓶颈问题，文章提出了“水稻2035”的宏伟愿景和“两增两减”（增产、增质；减投、减损）的育种目标。为实现这一目标，作者深入探讨了未来十年需要重点突破的关键技术、研究策略和育种模式，特别是智能化育种、从头驯化、合成生物学等前沿技术的应用，旨在为保障全球粮食安全提供中国方案和战略指引。
而在去年同期（2025年2月），MP已经相继发表过六大作物的2035研究及育种展望，当时我们还用Qwen长文本大模型进行了汇总比较，详见：利用大语言模型解读六大作物2035研究及育种展望（Mol Plant综述）。没想到水稻这一重要作物整整晚了一年发表~
背景与挑战
水稻的重要性：
水稻是全球最重要的粮食作物之一，养育着世界一半以上的人口。过去60年，全球水稻产量增长了约250%，但近年来产量增长率已从1960年代的2.7%下降至2010年代的0.5%，无法满足2050年及以后的粮食需求。
面临的主要挑战：
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• 人口持续增长
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• 气候变化加剧
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• 病虫害压力增大
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• 资源限制（水、肥料、农药等）
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• 遗传多样性有限
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• 产量与抗性之间的权衡
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• 养分利用效率低
图1. 水稻种植与生产。（A-B）1961年和2023年世界、五个不同大洲以及印度和中国两个国家的水稻产量（A）和种植面积（B）。（C）世界水稻年产量和总产量。（D-E）中国化肥（D）和农药（E）的年消费量。（F）不同育种时期2,471份中国籼-籼杂交稻的籽粒品质变化。
历史成就回顾
1. 绿色革命（1960年代）
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• 利用矮秆基因（如SD1）培育出矮秆、耐肥、抗倒伏品种
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• 使水稻单产潜力翻倍
2. 杂交水稻（1970年代至今）
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• 三系法（不育系、保持系、恢复系）
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• 两系法（光温敏核雄性不育）
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• 显著提高了水稻产量
3. 后基因组时代（2000年至今）
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• 2005年完成水稻全基因组测序
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• 图位克隆技术克隆了1000多个功能基因
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• 全基因组关联分析（GWAS）解析复杂性状
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• 泛基因组研究揭示遗传变异
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• 分子设计育种提高效率
图2. 不同育种时期检测杂交稻中数量性状核苷酸（QTNs）的基因型频率。三个籽粒品质控制基因（Chalk5、Waxy和ALK）中四个QTNs的基因型频率，2,471份中国籼-籼杂交稻不同育种时期产量相关基因（NAL1、GS3和GW5）中三个QTNs的基因型频率，以及67份中国籼-粳杂交稻不同育种时期IPA1基因中两个QTNs的基因型频率。
2035年育种目标："两增两减"
文章提出了未来十年的核心育种目标：
"两增"：
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• 增产：提高产量，使产量增长率与全球人口增长率同步
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• 提质：改善食味品质和营养品质（低升糖指数、高抗性淀粉、富含微量元素等）
"两减"：
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• 减投：减少化肥和农药投入，提高养分利用效率
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• 减灾：减少生物胁迫（病虫害）和非生物胁迫（极端天气）造成的产量损失
图3. 水稻2035"两增两减"育种目标。"两增"指产量提升和品质改良，"两减"指减少化肥和农药投入，以及减少灾害造成的产量损失。
实现目标的技术路径
文章从三个关键环节阐述了实现2035愿景的技术策略：
1. 遗传变异的创制（Generating）
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• 挖掘自然变异：利用地方品种、非洲栽培稻、野生稻等扩展遗传多样性
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• 物理化学诱变：EMS、γ射线等诱导突变
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• 定向诱变：AI和合成生物学介导的精准突变设计
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• 转基因与合成生物学：构建代谢通路，生产高附加值产品
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• 基因编辑：CRISPR等技术精准改良目标性状
2. 遗传变异的解析（Characterization）
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• 饱和诱变：系统解析基因编码区功能
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• AI驱动的蛋白质设计：预测突变对蛋白功能的影响
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• 比较基因组学：通过跨物种比较识别关键变异
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• 多组学研究：整合基因组、转录组、蛋白组、代谢组数据
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• 非编码区解析：调控元件编辑打破性状连锁
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• 表型组学：高通量、精准表型采集技术
3. 遗传变异的利用（Utilization）
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• 快速基因聚合：单倍体诱导、多重基因编辑、分子标记辅助选择
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• 快速育种：环境控制加速世代进程（一年4-6代）
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• AI表型预测：基于基因组数据预测表型
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• 克隆水稻：通过无融合生殖固定杂种优势
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• 从头驯化：快速驯化野生植物，创制全新作物类型
图4. 实现水稻2035遗传变异的创制、解析和利用三大核心要素。该示意图展示了作物育种的三个核心要素——遗传变异的创制、解析和利用，并简要概述了相关的技术方法。
关键性状研究方向
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• 产量：解析杂种优势机制，打破性状间负相关，提高光能利用效率
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• 品质：营养品质多样化，低重金属积累，延长种子储藏期
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• 生物胁迫：多抗性协同，平衡抗病与生长
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• 非生物胁迫：全生育期耐旱、耐盐碱、耐高低温
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• 养分效率：提高氮磷利用效率，探索生物固氮
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• 光合效率：引入C4光合特性
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• 轻简栽培：适应机械化、直播、再生稻等栽培方式
结论
文章展望到2035年，通过全面整合前沿生物技术（基因编辑、合成生物学、人工智能）与传统育种，实现水稻农业系统的全面升级，培育出“智能品种”（Smart varieties），在增产提质的同时减少投入和灾害损失，最终保障全球粮食安全。
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