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绿色超级稻背后有什么奥秘(科技视点·“关键核心技术攻关记”之一)

作者:     来源:人民日报     时间:2019-05-06 09:21

黎志康(中)在尼日利亚田间指导该国国家谷类作物研究所的育种家。

中国农业科学院作物科学研究所供图

近年来,我国科技发展势头良好,重大成果层出不穷,但原始创新和关键核心技术方面还有较大提升的空间。科技创新怎样才能不断突破,为我国高质量发展提供强大动力?从本期起,科技版推出“关键核心技术攻关记”,挑选一批攻克关键核心技术的优秀案例,讲述创新故事,启迪创新思考。

——编 者

日前,中国农业科学院主持的“为非洲和亚洲资源贫瘠地区培育绿色超级稻”项目顺利结题,迄今,这个国际农业科技扶贫项目已造福“一带一路”沿线18个国家和地区。

什么是绿色超级稻,它有什么特色?记者来到中国农业科学院作物科学研究所,听科研人员讲讲绿色超级稻。

少打农药、少施化肥,实现水稻生产节水抗旱、优质高产的目标

时间回溯到2013年,一场超级台风袭击了菲律宾中部,农民赖以生存的椰子树被损毁,大片稻田被海水淹没。海水退后,当地的品种绝收,但仍有一小片绿色的稻田——正在试种的绿色超级稻顽强地挺立着。这给为生计发愁的人们带来了希望。

获得绿色超级稻的种子后,当地农民自发开始试种和推广。农民的反馈非常好:“即使在我的旱作农田里,它依然表现良好,就算3周不下雨,我的收成依然很好。”“除了抗逆性强和高产,绿色超级稻8号还是一个早熟品种。”“它的米质较好,比我以前种过的水稻品种高产,它还抗病虫害。近期,我们已开始以有机肥料替代化肥”……

绿色超级稻发挥效应,这是众多案例中的一个。

水稻的可持续生产,是许多亚洲和非洲国家粮食安全和减贫的关键。面对近年来全球极端气候的频繁出现,亚洲和非洲部分地区的水稻生产能力变得非常脆弱。提高亚洲和非洲大部分雨养地区的水稻生产能力,维持全球灌溉稻田的稻米生产力,成为全球水稻育种家面临的一大挑战。

“所谓绿色超级稻,就是本着绿色发展的新理念,致力于在目标国家和区域实现水稻生产中少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产的目标。”项目牵头人黎志康说。他是中国农业科学院作物科学研究所首席科学家。

绿色超级稻项目正式启动于2008年,是新中国成立以来由我国科研机构和科学家主持的最大国际农业科技扶贫项目,联合了国内外58家(国外26家和国内32家)水稻研究单位。

项目共在亚洲和非洲18个目标国家审定品种78个,目前这些品种正在各个目标国家稳步推广应用。根据各个目标国参加单位反馈的推广面积和绿色超级稻种子的生产数量,推算绿色超级稻品种在亚洲和非洲目标国家的累计种植面积达到了612万公顷,使160万小农户受益。

此外,项目在中国的西南五省份培育绿色超级稻品种62个并大面积推广。

其技术路线,是把常规育种技术和其他技术整合成技术体系,效率极高

绿色超级稻背后究竟有什么奥秘?

“它的技术路线核心之处,是把常规育种技术中的杂交回交和表型选择,种质资源中有利基因的发掘和利用,重要农艺性状遗传机理等方面,整合成一个技术体系,效率极高。”黎志康说。

黎志康说,想让绿色超级水稻拥有最优良的基因组合,就要在现有优良品种的基础上,把其所缺少的目标优良基因“植入”,培育出一批保留原有高产品种的优良性状但获得不同新的绿色性状组合的优异后代。

“一支篮球队本身已经很优秀了,但为了更好,就要吸纳其他优秀的队员,形成一个无懈可击的组合。”黎志康打了个比方。

优良基因从哪里来?

“具有利用价值的农作物遗传资源、多样性基因都在种质资源库里,就像一个庞大的基因银行。育种依赖于物种内的遗传多样性,保存这个遗传多样性,就是保存未来育种的基因资源。”黎志康说。

不过,全世界保存了那么多农作物种质资源,其中95%却从来没有在育种时利用过。“这些没有利用过的种质资源里就没有能够提高产量和抗性的基因吗?不是的。尽管知道它里面有好的基因,但是人们不知道怎么去挖掘。”黎志康说,“我的想法是,把现有优良品种作为受体亲本,利用回交育种来挖掘种质资源中的有利基因。”

什么是回交育种?

传统杂交是父本和母本结合,产生的杂种一代各占它们基因的50%。如果再把杂种一代与母本杂交,产生的后代中父本基因只占25%,再与母本回交一次,产生的后代中父本基因只占12.5%。用这种方式,把父本优良基因的一小部分导入现有品种。

为什么偏偏只导入一小部分?

“我们希望,导入一小部分的外来优秀基因,同时保留大部分(75%以上)现有品种的基因,这样就能维持现有品种绝大多数好的基因和性状。”黎志康说,好比篮球团队有20个人,有十二三个人能力很强,就不动他们,把另外几个不是太好的替换成好的,这样能使团队更强。

有了回交育种群体,下一步就是继续筛选它们。

筛选的方式有些“极端”。想选耐旱的,就将植株放到极端干旱的条件,保留后代能够存活的植株种子;想选耐盐的,就把植株种到沿海盐渍田中,能存活的一定有好的耐盐性。所有获得的耐旱或者耐盐株系保存下来做遗传分析,就能发掘出耐旱或者耐盐基因。最后把所有有利基因糅合,就是一个新品种。

整个技术全程都用到了分子标记检测或者DNA测序,这又有何用意?

“主要是为了建立材料信息平台。传统育种选种,不产生任何遗传信息,主要是凭经验的。”黎志康解释,“但是,我们的育种过程通过分子标记检测或者DNA测序,每个育种后代中进去了哪些基因,进去后获得了哪些性状,这些性状是哪些基因控制的,来自哪些染色体,来自哪个供体,全部清清楚楚。我们不是靠经验,全部信息是有累积的。”

目前,他们完成了3000份水稻核心种质资源的重测序及深入分析工作,建立了水稻分子设计育种信息平台,开发了水稻全基因组育种芯片。

“这将产生一个颠覆性的变化,真正使育种技术进入分子设计育种时代。”黎志康说。

“分子设计育种什么概念?有了材料信息平台以后,我就能够根据育种目标,预测未来能在特定生态区域表现最佳品种的理想基因组型,并依据这些理想基因组型,从育种材料中选择最佳的亲本进行配组,确保其后代中出现理想基因组型的概率最大。”黎志康说,这种技术流程一旦建立并逐步完善,主要依靠经验的传统育种过程,将转换为能够被年轻一代科研人员掌握的、高效的标准流程,真正意义上的设计育种将成为现实。

要培育更多更好的适应气候变化的绿色超级稻品种

早在上世纪90年代初,黎志康就有一个庞大的设想,将水稻性状的遗传理论研究应用于育种实践。他写了一个组建并实施亚洲水稻分子育种协作网的提案,寄给领域内国际著名的5位科学家征求意见。收到的回复是:“你这个想法很好,但是太雄心勃勃了,你不太可能做出来。”但黎志康没有因此放弃。

此后,黎志康回到国内组织水稻分子育种协作网。1998年,他找来一批我国主要水稻产区或省份最著名的水稻育种家和科学家,在浙江杭州举办了水稻分子育种协作网计划研讨会。

“我当时说,我没有经费,但我能贡献一个好的想法,如果你们按照这个思路来,经费一定会来的。”经过深思熟虑,与会的科学家认可了黎志康的技术路线,并开始实施。没想到,当年就拿到了国家自然基金委支持的国际合作项目,隔年又获得了农业部的资助。

“片面追求高产而不顾环境的发展方向是错误的,也是不可持续的。因此,才有了绿色超级稻的诞生,它的所需投入低(水、肥、农药等),抗逆(干旱、盐、淹等)性强,既稳产又能保护环境。”黎志康说。

谈到科研心得,黎志康认为,水稻育种格外需要交叉学科的支撑,研究人员既要懂分子生物学,还要通晓遗传学、植物生理学、植物病理学等学科。“作为农业科学家,我们既有机会挑战理论,又能够实现应用,让农民受益,这样的研究生涯还有什么遗憾的?!”

黎志康建议,面向未来,培育更多更好的适应气候变化的绿色超级稻品种,最大程度发挥绿色超级稻品种在相关国家的增产增效作用,需要育种、栽培、植保、农机和农业经济等多学科进一步的大协作。

【责编:高雪】
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