谷子也称粟，数千年来常被列为“五谷”之首，将谷子的籽粒脱壳，便得到了黄澄澄的小米。

在潺潺流淌的永定河支流旁，新石器时代的先民在门头沟区斋堂镇东胡林遗址上繁衍生息，那时，小米便是他们的主食之一。在对东胡林遗址进行发掘时，考古工作者发现了距今1.1万年的碳化谷子，这也是我国考古发现的最早的栽培谷子，标志着原始农业已经在东胡林这片土地上萌芽。

不过，作为世界上最古老的驯化作物之一，谷子的种群结构、演化历史等，对科学家来说至今还是个谜。与水稻、小麦等“大作物”相比，谷子在最近数十年间逐渐退入了“小作物”的行列，不再是国人餐桌上的常客。

一生一事一作物，经过近40年的坚守，中国农业科学院作物科学研究所研究员、国家谷子高粱产业技术体系首席科学家刁现民带领团队在谷子研究领域接连取得突破。近期，他们解码了谷子“天书”，成功组装了谷子第一个高质量图基因组，创制了谷子基于图基因组的精准高效育种方法，证明了全世界的谷子都来自中国，相关研究成果前不久在《自然·遗传学》上发表。

刁现民在谷子试验田中工作


❶下田便是进入谷子世界

作为一名从农田里走出来的大学生，高考考入河北农业大学后，刁现民的科研人生就与谷子紧密联系在了一起。

“从小，家里的餐桌上就离不开小米。大学和谷子研究结了缘，也就干一行爱一行了。”一把尺子、一双胶鞋、一顶草帽，就是当时刁现民下田的全部装备。碰上大雨，其他学生都赶着避雨，他却径直向着田里走，生怕种植的狗尾草材料有闪失，“我必须对自己的材料负责。”

养育了刁现民的谷子，一直是我国北方的主要作物之一，在水利、化肥、农药等高投入的农业生产系统到来之前，谷子在农耕文化中长期占据主粮地位。刁现民说，先民对野生的青狗尾草进行反复驯化、选育、改良，从1.1万年前的门头沟东胡林先民开始，谷子的栽培日渐繁荣。对距今5000年前的仰韶文化、红山文化等遗址的考古均证明，谷子在当时的农业中占据了重要地位。魏晋时期，谷子的栽培达到了高峰。

刁现民从事谷子研究的近40年，正伴随着谷子从“大作物”变为“小作物”的过程。近半个世纪以来，在全球育种家的共同努力下，水稻、小麦、玉米等主粮作物籽粒产量提升了4至8倍，谷子的主粮优势被逐步削弱。“在新中国成立初期，黑龙江省是全国最大的谷子种植省，1978年仅黑龙江一省的谷子种植面积就有2000万亩。现在，全国谷子的种植面积也才2000万亩。”

细究谷子种植面积“缩水”的原因，刁现民认为，主要是人们的生活水平、饮食习惯和饮食结构都发生了变化；人们对谷子的育成种群体结构、演化历史等没有清楚的认识，也是原因之一。谷子的产量水平与其他“大作物”相比较低，但究竟是哪些基因影响着谷子的选育，此前科学界只有碎片化的记录，要弄清这个问题，必须回到田间地头找答案。

记者在实验室里见到刁现民时，他和团队刚刚结束了今年夏季试验材料的播种工作。在北三环旁的中国农科院试验田中，一批新的谷子试验植株已经播下，正在茁壮成长。

在本不宽敞的实验室，他专门辟出了一个房间用来保存种子材料，一个个巴掌大的牛皮纸袋里，装着的是谷子研究人员的希望。播下千份种子、付出百份汗水、收获一份硕果，这是农业科研工作者的常态，但也正是这种必然与偶然交织的魅力，让他们为之着迷。

前不久，刁现民团队在《自然·通讯》刊发的一项研究成果，就来自田间的一次偶然发现。“在顺义的育种基地，田间一条小路北侧的水沟边，同一对‘父母’生出的‘兄弟姐妹’结出的籽粒大小竟有明显差异。”回忆起当时的场景，刁现民仍然难掩兴奋，“我们赶紧把材料固定下来，从基因层面展开了研究。”

通过对这批珍贵样本的细致分析，团队成员、中国农科院作科所副研究员汤沙找到了调控谷子籽粒产量的关键基因SGD1。这个关键基因能编码出一个泛素连接酶，通过与相应受体相互作用，能调节植物细胞大小，影响谷子的株高、粒重和株型等多个关键农艺性状。

“干农业就是要下田的，对我来说，下田是一种乐趣。”在刁现民看来，下田便是进入了谷子的世界，与它们做近距离的对话，“当那些让人日思夜想的材料真的出现在眼前，不是一种享受吗？”


❷保存谷子研究火种

“基因资源是遗传育种的基本材料，我们培育出某个特殊的基因型可能是短暂的过程，但积累工作材料和工作思想的过程一定是长期的。”刁现民说，对谷子进行系统化研究，建立完善的种质资源库是基础。

作物的杂交育种，不能只依靠田间农家品种的基因资源，野生近缘种的远缘杂交同样重要。曾经，国家种质库并未收集野生狗尾草，但野生材料中藏着谷子驯化、育种中丢失的优良性状和基因。1987年，研究生毕业的刁现民被分配到河北农科院谷子研究所工作，为了发掘这个基因宝库，从那时至今，他始终没有停止对野生狗尾草和农家品种、育成品种等种质资源的收集，北至黑龙江，南到广东、海南，他的足迹遍布全国各地。目前，国家种质资源库积累的谷子样本总量已近3万份，其中刁现民团队收集整理的狗尾草属的野生材料就有20多个种、1500多份。

“我在业界，搜集狗尾草的爱好是出了名的。”刁现民笑呵呵地讲起一件往事，曾有一位河南的在校大学生在聆听了他的讲座后，被他的科研热情所感染。在校园内发现了一株特殊的狗尾草后，这位学生特意对种子进行了采集，并邮寄给了刁现民，为种质库的建设添砖加瓦。

但科研之路绝不是一帆风顺，作为全国谷子研究领域的带头人，刁现民也曾遭遇研究经费匮乏等情形，不少同行转而研究水稻、玉米等“大作物”，他却从未动摇。作为国家“十五”科技攻关项目的主持人，刁现民将有限的经费尽可能多地惠及各研究单位，“这个举动留下了一支‘生力军’，各单位的育种材料也得以保存，为后续研究保存了力量。”在漫长的科研道路上，来自家庭的支持也不可或缺，他幸运地遇到了妻子智慧，同为谷子领域的科研人员，两人相互扶持，数十年如一日坚持扎根谷子研究。

围绕谷子的“近亲”狗尾草属野生材料，刁现民团队利用细胞学和分子标记等技术，陆续鉴定出了多个狗尾草基因组，弄清了种间的进化关系。“这些结论看起来很平淡，论文的影响因子也不高，但这样的工作最基础，弄清了这些问题，才能做更艰深的探索。”刁现民坚信，作物资源研究必须从基础做起，“我一直为狗尾草收集和系统梳理工作感到骄傲，科研成果的影响或许有大小，但科学本身无大小，实事求是地弄清一件事，就是科学。”

2008年，国家启动建设谷子高粱产业技术体系，刁现民调入中国农科院作物科学研究所，担任该体系首席科学家，“正是得益于之前的坚持，谷子领域的科研队伍才没有散。”回忆起曾经的艰辛，刁现民的语气十分平静，“比起做动物研究，几代人的努力才能做出一项重大成果，我们已经很幸运了。一步步走过来，不要想那么多事情，今天该种地了，再热的天气也要去种，日积月累也就走到了这里。”


❸破解谷子基因“天书”

既然基因研究是制约谷子育种的最大障碍，刁现民团队便向着构建谷子高质量基因组图谱的方向探索。9条染色体、4.2亿对碱基，这是谷子拥有的全部遗传信息，但其中绝大多数功能是未知的。科研团队需要做的，是要解析收集到的1844份谷子和青狗尾草的核心种质资源，为谷子找寻出重要基因的优异单倍型。解析了基因功能，就有望破译谷子的发育、籽粒大小、抗病性等特点。

刁现民把这项工作的难度比作绘制一部“天书”。通常来说，谷子单个基因的平均长度在1万个碱基对以内。如何在浩瀚的碱基对中寻找到有效的基因？科研团队需要通过有效基因具备的特殊编码——起始密码子、终止密码子，以及编码基因序列特征，先在染色体中大致定位目标基因区域，再锁定其准确位置。

每找到一段基因，科研团队就会为它取一个名字。通过对基因的序列特征分析，还可以预测某个基因可能具备的功能，进行验证之后，就可以在完整的基因图谱中为它加上注释。这样一来，基因型和表型就有了对应的鉴定依据。不过，即使是同一物种，也会因为个体基因的变异而呈现出不同的性状，科研团队需要尽可能多地获取素材，绘制出的基因图谱才更加精确、覆盖度更高。

这项工作，他们整整做了10年。

“作物的生长是有周期的，我们在实验室逐个摸索相应的基因，完成基因编辑后把种子种下去，观察生长的形态，这个过程需要耐心和时间。”刁现民说，10年间，科研团队在13个不同的地理环境下，开展了68个性状的表型调查，形成了226组群体表型数据和表型组数据库；又将基因组变异和表型数据关联，发掘出1084个与表型显著关联的重要性状相关位点，控制产量性状的主效基因SiGW3就是在此过程中发现的。

面对庞大的数据量，团队成员、中国农科院作科所博士后贺强从事的生物信息学研究，为“天书”的绘制注入了新技术力量。“起初，要获得复杂基因组变异，每个样本都需要进行完整的基因组测序，现在我们可以通过积累高质量变异信息，用低测序成本对资源库内样本进行高质量基因型鉴定。”贺强说，他们最终绘制出的谷子图基因图谱，不是孤零零的9条染色体，而是在可能产生变异的基因位点上挂载一系列相关的遗传变异信息，“这样的图谱叫作‘图基因组’，能为变异基因的比对提供极大的方便，为后续育种奠定分子基础。”

新技术的运用，让刁现民团队追上了“大作物”的基因图谱绘制步伐。他们从头组装了110个谷子和狗尾草高质量基因组，全世界首个杂粮和碳4作物高质量图基因组出炉，谷子驯化和改良过程中的基因组变异得到了系统的解析。“天书”还为谷子的起源找到了群体遗传学的证据——全世界的谷子都源于中国。

这项工作为谷子产量、品质等性状的改良打开了一扇门。对于接下来的科研方向，刁现民团队目标明确：目前已鉴定出的重要育种性状关联的遗传位点，需要通过更加有力的实验来验证其功能，“特别是有些性状是由多个基因共同影响决定的，工作量就要比单个基因翻上几番，做好这些基础工作，才能更好地利用材料的特性改进谷子的育种。”

未来，团队希望搭建起谷子高效育种的平台，更好地利用已有数据。“我们在全基因组选择的育种探索方面也在进行尝试，利用机器学习技术，输入变异基因信息，生成模型后就能预测下一代的性状。”贺强说，根据测试数据，预测准确率最高可达95%，有望推动未来智慧育种的发展。


❹让小米重回主粮

今年是联合国大会第75届会议确定的“国际小米年”。“绘制完成谷子的图泛基因组图谱，是中国科学家对‘国际小米年’最好的支持。”刁现民骄傲地说。

“小作物，大作为”，是刁现民从事谷子研究的信念。他期待小米这种营养均衡的食品能从杂粮变回主粮，但要实现这个愿望，产量和适口性是科研团队需要翻越的“两座大山”。

在实验室的建设上，刁现民坚持基础研究和品种选育“两条腿走路”。但早年间，当他带着育成的新品种走向田野时，却被种植户彻彻底底地“教育”了一番。

“我曾经到内蒙古赤峰一带调研，那里是谷子的主产区，漫山遍野都种着谷子。但当地农户选择种植的大多是传统品种，实验室育出的品种走不进农户的大田。”经过反复调研总结，刁现民发现，从实验室走出的新品种虽然在产量上占优，在测试数据上，蛋白质、脂肪等含量也较为突出，但在植株抗性、适口性和其他品质方面还无法与传统品种媲美。

正是这次经历，让刁现民意识到科研必须为生产服务，育种必须有前瞻性。“好吃、好看、好煮、营养、高产”10个字，浓缩了他在谷子育种领域的多年探索，也便有了“中谷”系列小米的诞生。

对谷子基因组的深度掌握，让团队育种的进度不断加快。在选定了两种优质亲本后，团队经过8代杂交育种，创制出春播型优质、抗倒伏、抗除草剂新品种“中谷19”。2022年，“中谷19”作为谷子的代表，种进了先农坛的“一亩三分地”。这一新品种既高产又优质，不仅获评了“国家一级优质米”，还在今年河南伊川与70多个小米品种的同台竞技中，斩获了商品品质、食味品种和综合品质三项冠军。今年是“中谷19”第一年在农田进行大规模推广，刁现民表示，后续还将有多项各具特色的“中谷”系列小米在广袤的农田扎根结实，推动小米形成区域优势品牌。

而在可持续农业的发展上，“小作物”也将发挥重要作用。刁现民说，农业是耗水大户，化肥的大量使用也会导致土地资源的消耗，而小米、高粱等“小作物”多数是抗旱、耐瘠薄的，种植过程中用水、用肥量相对较少，在贫瘠的土地上也能有收成。

展望未来的农业，植物学家有一个大胆的预测——小麦、水稻、玉米、谷子等粮食作物，将可能融合成为一种新作物。“比如将谷子的抗旱基因为水稻所用，作物其实是相通的，这类技术被称为合成生物学。”刁现民表示，谷子基因资源的发掘，不仅对谷子品种的选育有贡献，还有望服务其他作物。

“作物的‘大’和‘小’也是在动态变化的。”刁现民说，在特定作物的主产区，“小作物”就是当地的主要农作物，这对乡村振兴和建设农业强国至关重要；在保障国家粮食安全和丰富人民餐桌方面，小粟类作物拥有更大的发展潜力，更是应对未来干旱和变暖环境的战略储备作物。谷子研究这条路，他还将带领团队坚定地走下去。