既穩(wěn)產(chǎn)又保護環(huán)境，助力糧食安全和減貧

綠色超級稻背后有什么奧秘

黎志康（中）在尼日利亞田間指導(dǎo)該國國家谷類作物研究所的育種家。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所供圖

近年來，我國科技發(fā)展勢頭良好，重大成果層出不窮，但原始創(chuàng)新和關(guān)鍵核心技術(shù)方面還有較大提升的空間?？萍紕?chuàng)新怎樣才能不斷突破，為我國高質(zhì)量發(fā)展提供強大動力？從本期起，科技版推出“關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)記”，挑選一批攻克關(guān)鍵核心技術(shù)的優(yōu)秀案例，講述創(chuàng)新故事，啟迪創(chuàng)新思考。

——編 者

日前，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院主持的“為非洲和亞洲資源貧瘠地區(qū)培育綠色超級稻”項目順利結(jié)題，迄今，這個國際農(nóng)業(yè)科技扶貧項目已造福“一帶一路”沿線18個國家和地區(qū)。

什么是綠色超級稻，它有什么特色？記者來到中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，聽科研人員講講綠色超級稻。

少打農(nóng)藥、少施化肥，實現(xiàn)水稻生產(chǎn)節(jié)水抗旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目標(biāo)

時間回溯到2013年，一場超級臺風(fēng)襲擊了菲律賓中部，農(nóng)民賴以生存的椰子樹被損毀，大片稻田被海水淹沒。海水退后，當(dāng)?shù)氐钠贩N絕收，但仍有一小片綠色的稻田——正在試種的綠色超級稻頑強地挺立著。這給為生計發(fā)愁的人們帶來了希望。

獲得綠色超級稻的種子后，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民自發(fā)開始試種和推廣。農(nóng)民的反饋非常好：“即使在我的旱作農(nóng)田里，它依然表現(xiàn)良好，就算3周不下雨，我的收成依然很好。”“除了抗逆性強和高產(chǎn)，綠色超級稻8號還是一個早熟品種。”“它的米質(zhì)較好，比我以前種過的水稻品種高產(chǎn)，它還抗病蟲害。近期，我們已開始以有機肥料替代化肥”……

綠色超級稻發(fā)揮效應(yīng)，這是眾多案例中的一個。

水稻的可持續(xù)生產(chǎn)，是許多亞洲和非洲國家糧食安全和減貧的關(guān)鍵。面對近年來全球極端氣候的頻繁出現(xiàn)，亞洲和非洲部分地區(qū)的水稻生產(chǎn)能力變得非常脆弱。提高亞洲和非洲大部分雨養(yǎng)地區(qū)的水稻生產(chǎn)能力，維持全球灌溉稻田的稻米生產(chǎn)力，成為全球水稻育種家面臨的一大挑戰(zhàn)。

“所謂綠色超級稻，就是本著綠色發(fā)展的新理念，致力于在目標(biāo)國家和區(qū)域?qū)崿F(xiàn)水稻生產(chǎn)中少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水抗旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目標(biāo)。”項目牽頭人黎志康說。他是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所首席科學(xué)家。

綠色超級稻項目正式啟動于2008年，是新中國成立以來由我國科研機構(gòu)和科學(xué)家主持的最大國際農(nóng)業(yè)科技扶貧項目，聯(lián)合了國內(nèi)外58家（國外26家和國內(nèi)32家）水稻研究單位。

項目共在亞洲和非洲18個目標(biāo)國家審定品種78個，目前這些品種正在各個目標(biāo)國家穩(wěn)步推廣應(yīng)用。根據(jù)各個目標(biāo)國參加單位反饋的推廣面積和綠色超級稻種子的生產(chǎn)數(shù)量，推算綠色超級稻品種在亞洲和非洲目標(biāo)國家的累計種植面積達到了612萬公頃，使160萬小農(nóng)戶受益。

此外，項目在中國的西南五省份培育綠色超級稻品種62個并大面積推廣。

其技術(shù)路線，是把常規(guī)育種技術(shù)和其他技術(shù)整合成技術(shù)體系，效率極高

綠色超級稻背后究竟有什么奧秘？

“它的技術(shù)路線核心之處，是把常規(guī)育種技術(shù)中的雜交回交和表型選擇，種質(zhì)資源中有利基因的發(fā)掘和利用，重要農(nóng)藝性狀遺傳機理等方面，整合成一個技術(shù)體系，效率極高。”黎志康說。

黎志康說，想讓綠色超級水稻擁有最優(yōu)良的基因組合，就要在現(xiàn)有優(yōu)良品種的基礎(chǔ)上，把其所缺少的目標(biāo)優(yōu)良基因“植入”，培育出一批保留原有高產(chǎn)品種的優(yōu)良性狀但獲得不同新的綠色性狀組合的優(yōu)異后代。

“一支籃球隊本身已經(jīng)很優(yōu)秀了，但為了更好，就要吸納其他優(yōu)秀的隊員，形成一個無懈可擊的組合。”黎志康打了個比方。

優(yōu)良基因從哪里來？

“具有利用價值的農(nóng)作物遺傳資源、多樣性基因都在種質(zhì)資源庫里，就像一個龐大的基因銀行。育種依賴于物種內(nèi)的遺傳多樣性，保存這個遺傳多樣性，就是保存未來育種的基因資源。”黎志康說。

不過，全世界保存了那么多農(nóng)作物種質(zhì)資源，其中95%卻從來沒有在育種時利用過。“這些沒有利用過的種質(zhì)資源里就沒有能夠提高產(chǎn)量和抗性的基因嗎？不是的。盡管知道它里面有好的基因，但是人們不知道怎么去挖掘。”黎志康說，“我的想法是，把現(xiàn)有優(yōu)良品種作為受體親本，利用回交育種來挖掘種質(zhì)資源中的有利基因。”

什么是回交育種？

傳統(tǒng)雜交是父本和母本結(jié)合，產(chǎn)生的雜種一代各占它們基因的50%。如果再把雜種一代與母本雜交，產(chǎn)生的后代中父本基因只占25%，再與母本回交一次，產(chǎn)生的后代中父本基因只占12.5%。用這種方式，把父本優(yōu)良基因的一小部分導(dǎo)入現(xiàn)有品種。

為什么偏偏只導(dǎo)入一小部分？

“我們希望，導(dǎo)入一小部分的外來優(yōu)秀基因，同時保留大部分（75%以上）現(xiàn)有品種的基因，這樣就能維持現(xiàn)有品種絕大多數(shù)好的基因和性狀。”黎志康說，好比籃球團隊有20個人，有十二三個人能力很強，就不動他們，把另外幾個不是太好的替換成好的，這樣能使團隊更強。

有了回交育種群體，下一步就是繼續(xù)篩選它們。

篩選的方式有些“極端”。想選耐旱的，就將植株放到極端干旱的條件，保留后代能夠存活的植株種子；想選耐鹽的，就把植株種到沿海鹽漬田中，能存活的一定有好的耐鹽性。所有獲得的耐旱或者耐鹽株系保存下來做遺傳分析，就能發(fā)掘出耐旱或者耐鹽基因。最后把所有有利基因糅合，就是一個新品種。

整個技術(shù)全程都用到了分子標(biāo)記檢測或者DNA測序，這又有何用意？

“主要是為了建立材料信息平臺。傳統(tǒng)育種選種，不產(chǎn)生任何遺傳信息，主要是憑經(jīng)驗的。”黎志康解釋，“但是，我們的育種過程通過分子標(biāo)記檢測或者DNA測序，每個育種后代中進去了哪些基因，進去后獲得了哪些性狀，這些性狀是哪些基因控制的，來自哪些染色體，來自哪個供體，全部清清楚楚。我們不是靠經(jīng)驗，全部信息是有累積的。”

目前，他們完成了3000份水稻核心種質(zhì)資源的重測序及深入分析工作，建立了水稻分子設(shè)計育種信息平臺，開發(fā)了水稻全基因組育種芯片。

“這將產(chǎn)生一個顛覆性的變化，真正使育種技術(shù)進入分子設(shè)計育種時代。”黎志康說。

“分子設(shè)計育種什么概念？有了材料信息平臺以后，我就能夠根據(jù)育種目標(biāo)，預(yù)測未來能在特定生態(tài)區(qū)域表現(xiàn)最佳品種的理想基因組型，并依據(jù)這些理想基因組型，從育種材料中選擇最佳的親本進行配組，確保其后代中出現(xiàn)理想基因組型的概率最大。”黎志康說，這種技術(shù)流程一旦建立并逐步完善，主要依靠經(jīng)驗的傳統(tǒng)育種過程，將轉(zhuǎn)換為能夠被年輕一代科研人員掌握的、高效的標(biāo)準(zhǔn)流程，真正意義上的設(shè)計育種將成為現(xiàn)實。

要培育更多更好的適應(yīng)氣候變化的綠色超級稻品種

早在上世紀(jì)90年代初，黎志康就有一個龐大的設(shè)想，將水稻性狀的遺傳理論研究應(yīng)用于育種實踐。他寫了一個組建并實施亞洲水稻分子育種協(xié)作網(wǎng)的提案，寄給領(lǐng)域內(nèi)國際著名的5位科學(xué)家征求意見。收到的回復(fù)是：“你這個想法很好，但是太雄心勃勃了，你不太可能做出來。”但黎志康沒有因此放棄。

此后，黎志康回到國內(nèi)組織水稻分子育種協(xié)作網(wǎng)。1998年，他找來一批我國主要水稻產(chǎn)區(qū)或省份最著名的水稻育種家和科學(xué)家，在浙江杭州舉辦了水稻分子育種協(xié)作網(wǎng)計劃研討會。

“我當(dāng)時說，我沒有經(jīng)費，但我能貢獻一個好的想法，如果你們按照這個思路來，經(jīng)費一定會來的。”經(jīng)過深思熟慮，與會的科學(xué)家認可了黎志康的技術(shù)路線，并開始實施。沒想到，當(dāng)年就拿到了國家自然基金委支持的國際合作項目，隔年又獲得了農(nóng)業(yè)部的資助。

“片面追求高產(chǎn)而不顧環(huán)境的發(fā)展方向是錯誤的，也是不可持續(xù)的。因此，才有了綠色超級稻的誕生，它的所需投入低（水、肥、農(nóng)藥等），抗逆（干旱、鹽、淹等）性強，既穩(wěn)產(chǎn)又能保護環(huán)境。”黎志康說。

談到科研心得，黎志康認為，水稻育種格外需要交叉學(xué)科的支撐，研究人員既要懂分子生物學(xué)，還要通曉遺傳學(xué)、植物生理學(xué)、植物病理學(xué)等學(xué)科。“作為農(nóng)業(yè)科學(xué)家，我們既有機會挑戰(zhàn)理論，又能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，讓農(nóng)民受益，這樣的研究生涯還有什么遺憾的？！”

黎志康建議，面向未來，培育更多更好的適應(yīng)氣候變化的綠色超級稻品種，最大程度發(fā)揮綠色超級稻品種在相關(guān)國家的增產(chǎn)增效作用，需要育種、栽培、植保、農(nóng)機和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟等多學(xué)科進一步的大協(xié)作。