水稻：飯碗里的科學(xué)之光

史軍

守在稻穗上，水稻變糧食

人類栽培的水稻有兩個(gè)種，分別是非洲栽培稻和亞洲栽培稻。非洲栽培稻的種植面積很小，僅在非洲分布。而亞洲栽培稻的種植區(qū)域遍布五大洲，以亞洲種植最為集中。雖然不同品種的大米，口感、味道都有所不同，但在絕大多數(shù)情況下，我們吃到的米飯都是由“亞洲栽培稻”提供的。當(dāng)然，如果你有機(jī)會(huì)深入非洲，還有可能吃到它的兄弟——“非洲栽培稻”的籽粒。不過(guò)，后者的產(chǎn)量和種植面積都不及前者。如今，亞洲栽培稻大有一統(tǒng)江湖之勢(shì)。

水稻之所以能成為我們的糧食，是因?yàn)檎乒茏蚜Ｃ撀涞幕虺霈F(xiàn)了問(wèn)題，它們失去了散播種子的能力。所有的籽粒都只能乖乖地守在稻穗上，等待農(nóng)民伯伯去收割。

通常來(lái)說(shuō)，植物的種子在成熟之后就會(huì)脫離母體去尋找新的生活區(qū)域，禾草類植物的種子更是如此，它們隨時(shí)成熟隨時(shí)掉落。

野生植物媽媽們都在費(fèi)盡心思傳播自己的種子，野生稻也不例外。它們的種子成熟時(shí)便自動(dòng)脫落，順著水流漂蕩到很遠(yuǎn)的地方開(kāi)疆拓土。這顯然不是人類喜歡的特性，在長(zhǎng)期的采集過(guò)程中，一些谷粒愿意留在枝頭的水稻被我們的祖先注意到，從此開(kāi)始從選擇落粒性降低的角度對(duì)水稻進(jìn)行馴化的過(guò)程。

研究人員使用了一種巧妙的尋找落粒抑制突變體的方法，來(lái)發(fā)現(xiàn)新的水稻落粒調(diào)控基因，并同時(shí)與已知的落粒調(diào)控基因聯(lián)系起來(lái)。人類對(duì)于水稻落?；蛴辛诵碌恼J(rèn)識(shí)，而這是類似的基因突變，讓谷粒留在了稻穗之上，也最終留住了人類，讓人類成為這些植物的服務(wù)供應(yīng)商。

基因缺陷成優(yōu)勢(shì)

說(shuō)到中國(guó)水稻就不能不提雜交水稻，說(shuō)到雜交水稻，就不能不提袁隆平院士。

袁隆平畢業(yè)之后就一直在從事水稻的育種工作。這項(xiàng)工作看起來(lái)簡(jiǎn)單，就是從稻田中選出那些谷粒大、穗子長(zhǎng)、抗病蟲(chóng)的稻谷保存下來(lái)。待來(lái)年開(kāi)春，再把這些谷粒播種下去，就能得到更多更優(yōu)質(zhì)的稻谷了。但是，這個(gè)過(guò)程漫長(zhǎng)而枯燥，很可能有好多年都不會(huì)出現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的種子。有的人可能會(huì)問(wèn)，把那些長(zhǎng)得好的水稻進(jìn)行雜交，不就能得到更好的種子了嗎？這話說(shuō)得沒(méi)錯(cuò)，并且從很早之前開(kāi)始，這個(gè)手段已經(jīng)被運(yùn)用在西瓜、西紅柿等的農(nóng)作物身上了。

2010年，來(lái)自以色列希伯來(lái)大學(xué)和美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室的研究人員，在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究?？茖W(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，讓雜交產(chǎn)量大增的原因，竟然是一個(gè)本該促使西紅柿開(kāi)花的基因失去了作用，而這種有“缺陷”的個(gè)體會(huì)長(zhǎng)出更茂盛的枝葉。當(dāng)這些“缺陷”個(gè)體跟正常個(gè)體雜交時(shí)，茂盛生長(zhǎng)和結(jié)果這兩組基因就結(jié)合在了一起。于是，雜交個(gè)體便具有了高產(chǎn)特性。

實(shí)現(xiàn)雜交有難度

水稻的雜交并不容易實(shí)現(xiàn)。水稻的雌蕊和雄蕊是同時(shí)成熟的，一旦開(kāi)花，所有的雌蕊都會(huì)被自家雄蕊產(chǎn)生的花粉占領(lǐng)。根本輪不到人們把外來(lái)的花粉送上去，也就不可能出現(xiàn)雜交的個(gè)體了。然而功夫不負(fù)有心人，袁隆平在稻田中發(fā)現(xiàn)了一株稻穗特別壯碩的水稻。他把這個(gè)稻穗細(xì)心收好，播種到田里，發(fā)現(xiàn)種出的水稻全然不像它們的父輩那樣健壯，不僅稻桿高高矮矮差異明顯，連谷穗也是大大小小各不相同。不過(guò)，這樣的天然雜交個(gè)體出現(xiàn)的概率實(shí)在是太低了，在自然傳粉的情況下，水稻的異花授粉比率低于5%。

那么，怎樣才能高效地制造出雜交水稻的種子呢？可能有人會(huì)說(shuō)，直接把一些水稻花的雄蕊去掉，用其他花朵給它們授粉不就好了。如果你見(jiàn)過(guò)水稻開(kāi)花，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)做法并不可行，每個(gè)稻穗上都有上百朵小花，每朵小花有6個(gè)雄蕊，想要把這些雄蕊挑揀干凈，簡(jiǎn)直是不可能完成的任務(wù)。

水稻育種就此進(jìn)入死胡同了嗎？袁隆平想到了另一條路——去尋找那些雄蕊本來(lái)就不發(fā)育的水稻個(gè)體，在接受了正常水稻花粉之后，這些雄性不育的水稻結(jié)出了谷穗，并且它們的后代里面也有雄蕊不發(fā)育的個(gè)體。1966年，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了學(xué)術(shù)期刊上，但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起大家的關(guān)注。

這些雜交后代，并沒(méi)有如大家想象的那樣長(zhǎng)得更高更壯。于是，社會(huì)上出現(xiàn)了“雜交無(wú)用論”的爭(zhēng)議。為什么雜交后的水稻沒(méi)有優(yōu)勢(shì)呢？這主要是因?yàn)椋@些栽培的雄性不育水稻同其他水稻的關(guān)系太親近了。就如同動(dòng)物界的近親繁殖，有很大的可能會(huì)生下有缺陷的后代一樣，這些關(guān)系親近的水稻一樣不會(huì)有什么太好的結(jié)果。

不過(guò)，故事并沒(méi)有就此結(jié)束。在海南發(fā)現(xiàn)的一株雄性不育的野生稻，拯救了雜交水稻事業(yè)。在引入這株名為“野敗”的水稻個(gè)體之后，整個(gè)雜交水稻的道路被打通了。在此后的1976年，全國(guó)推廣雜交水稻208萬(wàn)畝，增產(chǎn)幅度普遍在20%以上。中國(guó)的糧食產(chǎn)量達(dá)到了劃時(shí)代的高度。中國(guó)的雜交水稻成為世界農(nóng)業(yè)史上一個(gè)重要的里程碑。