兩系法雜交水稻技術(shù)：“領(lǐng)跑”世界技術(shù)成果

文|何強(qiáng) 湖南雜交水稻研究中心 編輯|孫潔

兩系法雜交水稻技術(shù)：“領(lǐng)跑”世界技術(shù)成果

文|何強(qiáng) 湖南雜交水稻研究中心 編輯|孫潔

項(xiàng)目成果：兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用

課題單位：湖南雜交水稻研究中心

兩系法是國際首創(chuàng)的重大科技成果，其特點(diǎn)是種子生產(chǎn)程序簡單，配組自由，稻種資源利用率高，因此選到優(yōu)良組合的機(jī)率大大提高，是更為先進(jìn)的方法，能夠較好地解決三系法難以克服的難題，可以說是雜交水稻發(fā)展中新的里程碑。

農(nóng)作物雜種優(yōu)勢利用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的重大成就之一，三系法是最經(jīng)典的方法，包括不育系、保持系、恢復(fù)系。三系法雜交水稻為我國糧食安全作出了巨大貢獻(xiàn)，于1981年獲國家技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)。

但是，三系法雜交稻自推廣以來優(yōu)勢水平一直徘徊不前，存在種子生產(chǎn)程序復(fù)雜、配組不自由和稻種資源利用率低的不足，難以解決培育優(yōu)良組合周期長、效率低，高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)、早熟與高產(chǎn)難協(xié)調(diào)的難題。雜交水稻的進(jìn)一步發(fā)展寄希望于新材料的發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)、新途徑的運(yùn)用。

1981年，雜交水稻專家石明松報(bào)道發(fā)現(xiàn)粳型光敏核不育水稻“農(nóng)墾58S”，提出一系兩用的思路，即光敏不育系在長日條件下表現(xiàn)不育用于生產(chǎn)雜交稻種子，在短日條件下恢復(fù)可育自交繁殖生產(chǎn)不育系種子，不需要保持系。1987年，國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心鄧華鳳發(fā)現(xiàn)并隨后育成秈型光敏不育水稻“安農(nóng)S-1”。光敏不育水稻的發(fā)現(xiàn)為兩系雜交水稻的研究提供了新材料。

兩系法的特點(diǎn)是種子生產(chǎn)程序簡單，配組自由，稻種資源利用率高，因此選到優(yōu)良組合的幾率大大提高，是更為先進(jìn)的方法，能夠較好地解決三系法難以克服的難題，可以說是雜交水稻發(fā)展中新的里程碑。

早期研究認(rèn)為光敏不育系的育性只受光照長度的影響，而光照長度的變化是有規(guī)律的，兩系法應(yīng)用于生產(chǎn)指日可待，全國很快掀起兩系法研究的高潮。

1989年7月底出現(xiàn)異常低溫，導(dǎo)致在長日照條件下當(dāng)時(shí)所謂的“光敏不育系”恢復(fù)可育、制種失敗。隨后的研究證明，農(nóng)墾58S和安農(nóng)S-1的育性轉(zhuǎn)換都受溫度影響，溫度是育性轉(zhuǎn)換的主導(dǎo)因子，因此，將上述不育系統(tǒng)稱為光溫敏不育系。

鑒于自然界溫度的變化更為頻繁，不像光長變化那么有規(guī)律，利用這種易受溫度影響的不育系進(jìn)行繁殖和制種，其繁殖的穩(wěn)產(chǎn)性和制種的安全性都將受到極大的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)應(yīng)用的難度將非常大?？萍冀绾凸芾聿块T都對兩系法能否應(yīng)用于生產(chǎn)產(chǎn)生了質(zhì)疑，很多學(xué)者甚至放棄對兩系法的研究。兩系雜交水稻研究陷入低谷。

針對上述困難局面，“中國雜交水稻之父”袁隆平及時(shí)提出了選育實(shí)用光溫敏不育系的新思路，明確指出不育起點(diǎn)溫度低是實(shí)用光溫敏不育系的關(guān)鍵指標(biāo)。隨后，該研究得到總理基金立項(xiàng)和“863”計(jì)劃的大力支持，組織全國性大協(xié)作攻關(guān)，解決了系列技術(shù)難題，逐漸掀起兩系法研究的新高潮。

“兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用”獲國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，圖為袁隆平團(tuán)隊(duì)領(lǐng)獎(jiǎng)?wù)掌?/p>

主要?jiǎng)?chuàng)新及技術(shù)突破

經(jīng)過近20年的協(xié)作研究，兩系雜交水稻主要實(shí)現(xiàn)了以下7個(gè)方面的創(chuàng)新與突破，取得了國際獨(dú)創(chuàng)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科技成果。

建立了雜交水稻育種理論體系。提出了雜交水稻育種戰(zhàn)略，促進(jìn)了兩系法雜交水稻的發(fā)展。提出育種方法從三系法→兩系法→一系法由繁到簡效率越來越高的方向發(fā)展，雜種優(yōu)勢水平從品種間→亞種間→遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢利用優(yōu)勢越來越強(qiáng)的方向發(fā)展的雜交水稻育種戰(zhàn)略，得到國內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)同。《雜交水稻育種的戰(zhàn)略設(shè)想》被國內(nèi)外引用502次。

提出不育起點(diǎn)溫度低是實(shí)用光溫敏不育系關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的選育理論，為選育實(shí)用光溫敏不育系指明了方向。研究發(fā)現(xiàn)，7月中旬到8月下旬，長江中下游連續(xù)3天出現(xiàn)低于23.5℃的幾率為五十年一遇，連續(xù)6天出現(xiàn)低于23.5℃的幾率為零。只要選育出不育起點(diǎn)溫度低于23.5℃的不育系就可應(yīng)用于生產(chǎn)，保證制種安全，華南稻區(qū)≤24℃。

探明了溫敏感時(shí)期和敏感部位，為種子生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。發(fā)現(xiàn)并證明了育性轉(zhuǎn)換對溫度的敏感部位是幼穗，敏感時(shí)期為花粉母細(xì)胞形成至減數(shù)分裂初期。

闡明了光溫敏不育起點(diǎn)溫度遺傳漂變的機(jī)理，為不育系原種生產(chǎn)提供了理論支撐。提出光溫敏不育系育性遺傳由兩種不同類型基因控制的假說：即育性轉(zhuǎn)換特性屬質(zhì)量性狀，不育的起點(diǎn)溫度屬數(shù)量性狀。

創(chuàng)立了實(shí)用光溫敏不育系選育與鑒定技術(shù)，奠定了兩系法雜交稻應(yīng)用基礎(chǔ)。為了確保育成的不育系起點(diǎn)溫度低于23.5℃或24℃，研創(chuàng)了實(shí)用光溫敏不育系選育與鑒定技術(shù)，是兩系法育種的核心，應(yīng)用該技術(shù)全國育成了170個(gè)不育系通過審定和應(yīng)用于生產(chǎn)。

建立了核心種子與原種生產(chǎn)技術(shù)，為安全制種提供了保障。光溫敏不育系繁殖幾代后，起點(diǎn)溫度會(huì)逐步升高（由23.5℃升高到24～25℃），制種時(shí)如遇較低的溫度（24℃—25℃），容易導(dǎo)致制種失敗，從而使之失去應(yīng)用價(jià)值。為了解決這一難題，研究建立了光溫敏不育系核心種子和原種生產(chǎn)程序，制訂了《不育系核心種子和原種生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》，有效防止了不育系育性起點(diǎn)溫度的漂變，保證了不育系群體不育起點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性。

建立了兩系法超級雜交稻的育種技術(shù)路線，促進(jìn)了超級雜交稻的發(fā)展。建立了形態(tài)改良、亞種間雜種優(yōu)勢及遠(yuǎn)緣有利基因利用相結(jié)合的兩系超級雜交稻育種技術(shù)路線。

設(shè)計(jì)出高冠層、矮穗層、中大穗，上三葉長、直、窄、凹、厚的超級雜交稻理想株型模式。該株型及選育技術(shù)登載在《Science》（Vol283,1999），被引用531次。

通過超級雜交稻理想株型塑造，能夠協(xié)調(diào)高生物學(xué)產(chǎn)量、高收獲指數(shù)和高度抗倒伏三者之間的矛盾，達(dá)到有效增源，實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)。

運(yùn)用兩系超級雜交稻育種技術(shù)，分別于2000、2004、2012年先后實(shí)現(xiàn)了我國超級稻育種計(jì)劃第一期畝產(chǎn)700公斤、第二期畝產(chǎn)800公斤、第三期畝產(chǎn)900公斤的育種目標(biāo)。這些超級雜交稻新組合不僅超高產(chǎn)，而且米質(zhì)優(yōu)，抗兩種或兩種以上主要病蟲害。

建立了安全高產(chǎn)制種技術(shù)體系，解決了兩系法雜交水稻規(guī)?；踩弋a(chǎn)制種技術(shù)難題。建立了兩系雜交稻的制種氣象分析決策系統(tǒng)，區(qū)劃了兩系法雜交稻安全制種的地區(qū)和安全敏感期、安全揚(yáng)花期、安全成熟期的時(shí)段。

建立了兩系法高產(chǎn)制種技術(shù)體系，制種平均畝產(chǎn)高達(dá)210.6公斤，比三系法提高16.5%。制訂了《兩系法雜交水稻制種技術(shù)規(guī)范》，為兩系法雜交稻大面積推廣提供了技術(shù)支撐。

建立了不育系高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)繁殖技術(shù)體系，為規(guī)?；N子生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。光溫敏不育系不育起點(diǎn)溫度≤23.5℃，水稻安全揚(yáng)花期的溫度≥21℃，適宜繁殖的溫度范圍很窄，為了解決這一難題，研創(chuàng)了低緯度海南冬繁、常溫加冷水灌溉夏秋兩季繁殖、高海拔自然低溫夏繁等技術(shù)體系，解決了繁殖的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)難題。繁殖平均畝產(chǎn)高達(dá)386.5千克，比三系法增產(chǎn)153.4%，成本減少了50%，解決不育系繁殖困難的難題。

除此之外，兩系雜交水稻還突破了兩系雜交粳稻育種與種子生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，促進(jìn)了雜交粳稻的發(fā)展。

對行業(yè)科技進(jìn)步的影響

兩系法雜交水稻拓展了作物雜種優(yōu)勢利用的范圍，促進(jìn)了作物遺傳育種學(xué)科的發(fā)展，這種技術(shù)的成功應(yīng)用，確保了我國雜交水稻技術(shù)的世界領(lǐng)先地位，推動(dòng)了世界雜交水稻的快速發(fā)展，帶動(dòng)了水稻種子產(chǎn)業(yè)的整體進(jìn)步。

兩系法雜交水稻技術(shù)的推廣應(yīng)用，不僅促進(jìn)了我國水稻生產(chǎn)水平的穩(wěn)步提高，為確保國家糧食增產(chǎn)作出了重要貢獻(xiàn)，而且為解決世界糧食安全問題提供了新的技術(shù)。

借鑒兩系法雜交水稻的理論和經(jīng)驗(yàn)，兩系油菜、高粱、小麥等相繼研究成功，為難以實(shí)現(xiàn)三系法雜種優(yōu)勢利用的作物提供了新途徑。

第三方評價(jià)

兩系法雜交水稻技術(shù)創(chuàng)新與規(guī)?；瘧?yīng)用項(xiàng)目單項(xiàng)成果共獲省部級獎(jiǎng)勵(lì)31項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng)、植物新品種權(quán)38項(xiàng)、軟件版權(quán)1項(xiàng)，制訂省級標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，出版專著13部，發(fā)表論文549篇。

兩系雜交稻的相關(guān)研究成果，被兩院院士評選為1996年、2003年、2011年中國十大科技進(jìn)展新聞之一。

中國科學(xué)院李家洋、張啟發(fā)和謝華安院士，中國工程院傅廷棟、陳溫福院士認(rèn)為兩系法是國際首創(chuàng)的重大科技成果，是我國農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域的又一偉大創(chuàng)新，是對遺傳育種學(xué)科的巨大貢獻(xiàn)。

美國先鋒公司水稻研究部（亞洲）主任認(rèn)為，“兩系法是對以水稻作為主食國家糧食安全的又一技術(shù)保障”。

美國路易斯安娜大學(xué)教授報(bào)道，兩系法雜交水稻比美國主栽品種增產(chǎn)21%～40%。

國際水稻研究所副所長認(rèn)為，“中國兩系雜交水稻的發(fā)展及商業(yè)化應(yīng)用是作物科學(xué)與技術(shù)的重大突破”。

推廣應(yīng)用情況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

兩系法雜交水稻推廣區(qū)域遍布全國16個(gè)省、市，有20個(gè)兩系雜交稻組合被農(nóng)業(yè)部確認(rèn)為超級稻主推品種。2005-2012年推廣面積最大的雜交稻組合中，兩系雜交稻連續(xù)8年蟬聯(lián)第一，近3年，全國推廣面積前3名均為兩系雜交水稻。目前，安徽、湖南等省的兩系品種種植面積超過了三系品種。

全世界有67個(gè)國家（來自美洲、非洲、東南亞地區(qū)等）先后派3000多名專家來湖南雜交水稻研究中心培訓(xùn)學(xué)習(xí)，希望學(xué)習(xí)和引進(jìn)兩系法雜交稻技術(shù)，雜交稻已成為我國對外技術(shù)援助的重要方法和手段，在我國外交事務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

兩系法雜交水稻已在美國大面積推廣，現(xiàn)年推廣面積占美國水稻總面積的30%，平均增產(chǎn)20%以上，近年來，美國每年給湖南雜交水稻研究中心提供技術(shù)使用費(fèi)400多萬美元。擴(kuò)大了我國科學(xué)家和科學(xué)技術(shù)在國際上的影響力，提高了我國的國際地位。

截至2012年，兩系雜交水稻已累計(jì)種植4.99億畝以上，總產(chǎn)2358.2億公斤以上，增產(chǎn)稻谷110.99億公斤；總產(chǎn)值5777.59億元，增收271.93億元，對保障我國糧食安全、促進(jìn)農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效作出了巨大貢獻(xiàn)，為我國現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件。

相關(guān)鏈接

兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用自2013年獲得國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)以后，又取得了以下成就：

1.2014年兩系法雜交稻“Y兩優(yōu)900”在湖南溆浦百畝連片平均畝產(chǎn)1026.7公斤，實(shí)現(xiàn)中國超級稻畝產(chǎn)1000公斤育種目標(biāo)，為國家糧食安全和繼續(xù)保持水稻雜種優(yōu)勢利用國際領(lǐng)先地位作出重要貢獻(xiàn)。

2.2013-2015年，新增10個(gè)兩系雜交稻組合被農(nóng)業(yè)部確認(rèn)為超級稻主推品種。

3.2013-2015年，兩系法雜交水稻在全國南方稻區(qū)16省市推廣，3年累計(jì)推廣面積約2.0億畝，總產(chǎn)900億公斤以上，增產(chǎn)稻谷近50億公斤；總產(chǎn)值超過2000億元，增收近90億元。