水稻之國的種子奇跡

1981年，改革開放政策剛剛開始兩年多，新中國成立以來國家頒發(fā)的第一個(gè)特等發(fā)明獎(jiǎng)，等來了它的領(lǐng)獎(jiǎng)?wù)摺蝗浩つw黝黑、耕耘在農(nóng)田中的科學(xué)家。那一年的夏天，國家科委、農(nóng)委在北京聯(lián)合召開授獎(jiǎng)大會(huì)，授予全國秈型雜交水稻科研協(xié)作組袁隆平等人特等發(fā)明獎(jiǎng)。秈型雜交水稻是中國農(nóng)業(yè)史上的一項(xiàng)重大發(fā)明，其研究和推廣在國際上也居領(lǐng)先地位，將新中國第一個(gè)特等發(fā)明獎(jiǎng)授予農(nóng)業(yè)科學(xué)家，授予水稻研究，其背后的意義更值得深思。

水稻雜交，一個(gè)歷史難題

世界上大部分國家的主要糧食作物是小麥，我國卻一直是一個(gè)水稻種植大國。早在北宋時(shí)期，水稻總產(chǎn)量就位居糧食作物的首位，明清之后，水稻更是國人依賴的主要食物。歷史上，水稻的豐歉與種植面積的不斷北擴(kuò)，一直推動(dòng)著中國社會(huì)的變遷。

“雜交水稻”這個(gè)農(nóng)業(yè)名詞，對(duì)于國人來說如雷貫耳，但真正能理解它的人不多。雜交水稻是指選用兩個(gè)在遺傳上有一定差異，同時(shí)它們的優(yōu)良性狀又能互補(bǔ)的水稻品種，進(jìn)行雜交，產(chǎn)生具有雜種優(yōu)勢的第一代雜交種，用于生產(chǎn)。這個(gè)定義聽起來簡單，但是要想讓水稻雜交，難度超乎想象。

作為重要糧食作物的玉米，其雜交的難度要小得多。玉米是單性花、異花授粉，因此在雜交時(shí)，不需要“去雄”，其雜交方法和步驟也較為簡單。但水稻屬自花授粉植物，雌雄蕊著生在同一朵穎花里，由于穎花很小，而且每朵花只結(jié)一粒種子，因此很難用人工去雄雜交的方法來生產(chǎn)大量的第一代雜交種子，所以長期以來水稻的雜種優(yōu)勢未能得到應(yīng)用。世界上首次成功培育出雜交水稻的是一個(gè)美國人，名為亨利·畢徹。1963年，他于印度尼西亞完成了首次水稻雜交，后被授予1996年的世界糧食獎(jiǎng)。

要想成功培育出雜交水稻，就要先育出只有“單一性功能”的水稻。中國稻作科學(xué)的奠基人丁穎曾用人工辦法給水稻“去雄”，但實(shí)際效果不佳，也未能大面積推廣。理想的辦法是找到雄性不育系水稻（簡稱不育系，即雄性器官功能喪失，但雌性器官仍可授粉結(jié)實(shí)），這樣的水稻適合用作雜交水稻的母本。

雜交水稻的累累碩果

1966年，一篇名為《水稻的雄性不孕性》的論文在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表，這是國內(nèi)第一篇論述水稻雄性不育性的論文，該文作者是袁隆平。20世紀(jì)60年代初的中國，正在經(jīng)歷嚴(yán)重的全國性糧食短缺，作為一名育種專家，袁隆平也極為渴望能改變這一現(xiàn)狀。他于1964年開始研究雜交水稻，在研究過程中一直秉持開放態(tài)度。1970年10月，袁隆平的助手李必湖在海南當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)水溝旁發(fā)現(xiàn)了一株野生的花粉敗育不育株。當(dāng)時(shí)正在北京查閱資料的袁隆平為了這一株水稻連夜趕回三亞，后來他將其命名為“野敗”。兩年后，袁隆平向全國育種攻關(guān)組所有成員單位發(fā)放了“野敗”材料，共同選育“三系”（指不育系、恢復(fù)系、保持系）強(qiáng)優(yōu)勢組合。水稻專家顏龍安在得到袁隆平的“野敗”材料后，經(jīng)過悉心培育，第一個(gè)成功出穗。1972年冬，顏龍安育成“二九矮1號(hào)”不育系及同型保持系，并開始向全國提供不育系種子。

1974年，袁隆平育成中國第一個(gè)強(qiáng)勢雜交組合“南優(yōu)2號(hào)”水稻，從而為大面積推廣雜交水稻奠定了基礎(chǔ)。第二年冬天，國務(wù)院做出了迅速擴(kuò)大試種和大量推廣雜交水稻的決定。

改革開放之后，國家給予雜交水稻研究極大支持。1997年，袁隆平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始研究超級(jí)雜交稻。2004年，超級(jí)雜交稻實(shí)現(xiàn)百畝示范片畝產(chǎn)800千克。除了力圖實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)外，新型的超級(jí)雜交稻研究小組更重視水稻營養(yǎng)問題，其研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)致力于在新品種中增加維生素A、蛋白質(zhì)、淀粉及其他營養(yǎng)含量，以期減少貧血和視覺疾患。

2016年10月10日，袁隆平指導(dǎo)的超級(jí)雜交稻“超優(yōu)1000”，經(jīng)專家組驗(yàn)收，實(shí)測畝產(chǎn)達(dá)到1013.8千克，創(chuàng)造了新的雜交水稻高緯度畝產(chǎn)世界紀(jì)錄。

在全國范圍內(nèi)研究雜交水稻的團(tuán)隊(duì)很多，根據(jù)國家水稻數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)，我國推廣面積前三的雜交組合品種“汕優(yōu)63”“汕優(yōu)64”和“威優(yōu)64”，都為三系雜交稻。這三大品種的親本，都來源于袁隆平培育成功的“野敗”。

隨著雜交水稻在世界各國試驗(yàn)試種，雜交稻技術(shù)已引起全世界的關(guān)注。近年來，袁隆平先后應(yīng)邀到美國、日本、法國、英國、意大利、澳大利亞等國講學(xué)，與當(dāng)?shù)乜茖W(xué)家交流，并進(jìn)行技術(shù)合作。雜交水稻已經(jīng)從中國走向世界，美國、日本、菲律賓、巴西、阿根廷等100多個(gè)國家紛紛引進(jìn)雜交水稻。

新型雜交水稻帶來新期望

由于生物的適應(yīng)性，一個(gè)雜交品種的優(yōu)勢一般只能保持?jǐn)?shù)年至數(shù)十年，因此，雜交水稻的品種需要不斷更新，沒有哪一個(gè)品種可以包打天下。

耐鹽堿水稻

全球有鹽堿地9.5億公頃，其中亞洲為3.2億公頃，占全球的1/3以上，中國有鹽堿地1億公頃，其中2億畝具備水稻種植潛力。2017年，袁隆平曾表示，將在3～5年內(nèi)選育出在鹽分濃度3‰～8‰的海水灌溉種植條件下，畝產(chǎn)300千克以上的耐鹽堿水稻新品種。如果試種和推廣成功以后按每畝產(chǎn)值200～300千克計(jì)，可增產(chǎn)500億千克糧食，多養(yǎng)活約2億人。2018年，海南南繁基地從上千份耐鹽堿水稻材料中選出176份優(yōu)良品種，在全國范圍內(nèi)開始試種。

抗稻瘟病水稻

稻瘟病，是水稻生長過程中最為嚴(yán)重的病害之一，俗稱“水稻癌癥”。其發(fā)病嚴(yán)重時(shí)，可致水稻大面積減產(chǎn)，甚至絕收。截至目前，對(duì)付稻瘟病并無一勞永逸的方法。為解決這一技術(shù)難題，袁隆平團(tuán)隊(duì)引進(jìn)了國際水稻所研究員周波的稻瘟病菌變異監(jiān)控技術(shù)，提出了“抗性品種走在病原菌變化之前”的策略。根據(jù)這一策略，工作站建立了稻瘟病菌動(dòng)態(tài)監(jiān)控平臺(tái)。連續(xù)多年在長江和華南稻瘟病重災(zāi)區(qū)收集發(fā)病葉片，分離稻瘟病生理小種并鑒定致病性，構(gòu)建了不同地區(qū)具有代表性的稻瘟病生理小種庫，實(shí)現(xiàn)了不同地區(qū)稻瘟病生理小種群體變化規(guī)律的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。除基于該平臺(tái)數(shù)據(jù)，培育出“旺兩優(yōu)958”等抗稻瘟病超級(jí)雜交稻新品種外，袁隆平團(tuán)隊(duì)還將針對(duì)性布局品種的高產(chǎn)示范和大面積推廣，并最終實(shí)現(xiàn)雜交稻新品種長期、持久抗稻瘟病。

“除鎘”水稻

雖然各地陸續(xù)有鎘污染事件的報(bào)道，但大米重金屬鎘污染是人們?nèi)菀缀鲆暤闹卮笫称钒踩珕栴}。2014年，我國環(huán)保與土地部門聯(lián)合發(fā)布了《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，報(bào)告指出鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率占7%，遠(yuǎn)高于其他化學(xué)元素。鎘被人體吸收后，主要累積在肺、肝、腎等器官中。研究表明，腎臟可吸收進(jìn)入體內(nèi)近1/3的鎘，是鎘中毒的“靶器官”。在2017年國家水稻新品種與新技術(shù)展示現(xiàn)場觀摩會(huì)上，袁隆平院士宣布了一項(xiàng)重大突破—水稻親本去鎘技術(shù)。

目前世界上在開發(fā)以及應(yīng)用中的大米除鎘技術(shù)主要有土壤改造法、鎘稻吸收法以及輻照育種法等。此次袁隆平團(tuán)隊(duì)開發(fā)的水稻親本去鎘技術(shù)屬于完全不同的技術(shù)路線。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同水稻品種對(duì)于鎘污染的積累是不同的，各水稻品種對(duì)鎘吸收積累能力的不同是由于各水稻品種的基因型間的差異。在采訪中，袁隆平院士表示：“我們在水稻育種上有了一個(gè)突破性技術(shù)，可以把親本中的含鎘或者吸鎘的基因‘敲掉，親本干凈了，種子自然就干凈了?！庇H本除鎘技術(shù)從根本上改造了水稻，讓水稻從容易富集鎘的植物變成對(duì)鎘吸收較少的植物，自然會(huì)相應(yīng)降低水稻稻種中的鎘含量。

目前，研究水稻功能基因組學(xué)的科學(xué)家正在解析控制水稻鎘吸收等性狀的關(guān)鍵基因。解析成功后，可以將這些科學(xué)成果與設(shè)計(jì)育種思路相結(jié)合，培育出一批優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、耐鎘的優(yōu)良水稻新品種。

巨型水稻

“雜交水稻之父”袁隆平一直有兩個(gè)夢：一是禾下乘涼夢，二是雜交水稻覆蓋全球夢。2017年，袁隆平的第一個(gè)夢已經(jīng)成真—“巨型稻”試驗(yàn)取得重大的成功?！熬扌偷尽弊罡呖蛇_(dá)2.25米，普通人只能對(duì)其仰望，只有籃球明星姚明敢和它“試比高”，而且這種水稻穗長粒多、種粒飽滿，按照現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，未來可以達(dá)到畝產(chǎn)1000千克。此外，“巨型稻”葉片寬大，光合作用充足，能為植株帶來充分的營養(yǎng)，還可為魚類、蛙類等動(dòng)物遮陰避涼，提供良好的棲息環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與青蛙、魚、泥鰍等“和諧共處”的生態(tài)種養(yǎng)新模式?！熬扌偷尽鼻o稈壯實(shí)，直徑粗約1厘米，抗病、抗倒伏能力強(qiáng)，能有效抵御大風(fēng)暴雨的襲擊?！熬扌偷尽钡呐嘤夹g(shù)在全球處于領(lǐng)先地位，是水稻技術(shù)領(lǐng)域名副其實(shí)的“獨(dú)角獸”，完全實(shí)現(xiàn)了袁隆平的“禾下乘涼夢”。在采訪中，袁隆平院士還表示：“我現(xiàn)在88歲了，希望在我100歲的時(shí)候，能夠?qū)崿F(xiàn)第二個(gè)夢……”

分子育種—未來農(nóng)業(yè)的先鋒

除了赫赫有名的雜交水稻，當(dāng)前育種界備受矚目的“先鋒技術(shù)”是分子育種，它也被眾多專家看成是未來育種的方向。那么，什么是分子育種呢？其實(shí)分子育種是一個(gè)比較概括的說法，它是多種技術(shù)綜合的育種方式，包括：利用分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因編輯技術(shù)和全基因組選擇技術(shù)。通過分子育種，我們可以定向改造水稻的某些性狀，使現(xiàn)有品種更趨完善，是更高效、更精準(zhǔn)的水稻新品種培育技術(shù)體系。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所所長王豐表示：“分子標(biāo)記輔助育種是通過尋找與重要農(nóng)藝性狀緊密連鎖的DNA分子標(biāo)記，從基因型水平上實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)性狀的直接選擇，從而加快育種進(jìn)程，提高育種效率，選育抗病、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的品種?！?/p>

端起一碗米飯，如果能聞到誘人的米香，真是一種幸福的感覺。其實(shí)，多數(shù)水稻品種原本是沒有香味的，但為何目前很多優(yōu)質(zhì)米都有香味呢？這是因?yàn)樗局械腂AD2基因突變，缺失了8個(gè)堿基，導(dǎo)致基因功能的喪失，使產(chǎn)生香味的代謝物質(zhì)乙烯吡咯啉不能轉(zhuǎn)化，從而累積在稻米中，使得米飯濃香誘人?，F(xiàn)在通過分子育種技術(shù)，科學(xué)家也可以對(duì)基因中的堿基進(jìn)行編輯，從而改變基因的功能。目前，科學(xué)家已經(jīng)可以通過基因編輯的方法，改變BAD2基因的1、2個(gè)堿基，使基因的功能失活，從而不必經(jīng)過復(fù)雜的選育過程就可以改變水稻的性狀，讓無香品種變得清香可口、人見人愛。

“十二五”以來，我國分子育種科學(xué)家已標(biāo)記定位出水稻稻瘟病抗性、耐冷性、耐熱性、高收獲指數(shù)等性狀的相關(guān)基因（QTL）74個(gè)；克隆和功能驗(yàn)證13個(gè)與稻瘟病抗性和耐冷性相關(guān)基因；通過分子標(biāo)記輔助選擇創(chuàng)建了一批優(yōu)良的水稻新種質(zhì)。分子育種可謂是水稻“優(yōu)生優(yōu)育”的一大功臣。

改變稻田，改變世界

根據(jù)《中國雜交水稻的發(fā)展》一書提供的數(shù)據(jù)，雜交水稻的畝產(chǎn)，從1976年的316千克增長到1988年的443千克，增長了127千克。但到2011年，雜交水稻的畝產(chǎn)達(dá)550千克，增長了110千克。雜交水稻產(chǎn)量是否已經(jīng)接近極限了呢？有了分子育種，是否雜交水稻技術(shù)就可以退居科研二線了呢？著名水稻專家顏龍安院士給出了否定答案。他認(rèn)為，雜交水稻還遠(yuǎn)未達(dá)到它的產(chǎn)量極限。如果能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)亞種間的雜交，畝產(chǎn)1000千克是有希望的。未來，新的奇跡可能還會(huì)繼續(xù)發(fā)生。

從春風(fēng)剛剛讓萬物復(fù)蘇的改革開放初期，到科技成果豐厚、人民生活水平發(fā)生巨大變化的當(dāng)下，40年過去，無論觥斛交錯(cuò)或是家居日常，一碗米飯依然是中國人一餐的收官。那一顆顆潔白清香的米粒仿佛從未改變，但它們背后的故事越來越精彩。從20世紀(jì)60年代的“吃飽”，到80年代的“增收”，再到21世紀(jì)的“走向世界”，中國科學(xué)家一直在默默努力，他們改變著種子、稻田，也改變著世界。