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綠色超級(jí)稻背后有什么奧秘

既穩(wěn)產(chǎn)又保護(hù)環(huán)境,助力糧食安全和減貧

綠色超級(jí)稻背后有什么奧秘

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黎志康(中)在尼日利亞田間指導(dǎo)該國(guó)國(guó)家谷類作物研究所的育種家。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所供圖

近年來,我國(guó)科技發(fā)展勢(shì)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(guó)高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)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(guó)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(jí)稻”項(xiàng)目順利結(jié)題,迄今,這個(gè)國(guó)際農(nóng)業(yè)科技扶貧項(xiàng)目已造福“一帶一路”沿線18個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

什么是綠色超級(jí)稻,它有什么特色?記者來到中國(guó)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(jí)稻。

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

時(shí)間回溯到2013年,一場(chǎng)超級(jí)臺(tái)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(jí)稻頑強(qiáng)地挺立著。這給為生計(jì)發(fā)愁的人們帶來了希望。

獲得綠色超級(jí)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(qiáng)和高產(chǎn),綠色超級(jí)稻8號(hào)還是一個(gè)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(jī)肥料替代化肥”……

綠色超級(jí)稻發(fā)揮效應(yīng),這是眾多案例中的一個(gè)。

水稻的可持續(xù)生產(chǎn),是許多亞洲和非洲國(guó)家糧食安全和減貧的關(guān)鍵。面對(duì)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(jí)稻,就是本著綠色發(fā)展的新理念,致力于在目標(biāo)國(guó)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(xiàng)目牽頭人黎志康說。他是中國(guó)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(jí)稻項(xiàng)目正式啟動(dòng)于2008年,是新中國(guó)成立以來由我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)家主持的最大國(guó)際農(nóng)業(yè)科技扶貧項(xiàng)目,聯(lián)合了國(guó)內(nèi)外58家(國(guó)外26家和國(guó)內(nèi)32家)水稻研究單位。

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

此外,項(xiàng)目在中國(guó)的西南五省份培育綠色超級(jí)稻品種62個(gè)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(jí)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(jī)理等方面,整合成一個(gè)技術(shù)體系,效率極高。”黎志康說。

黎志康說,想讓綠色超級(jí)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(duì)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(duì)員,形成一個(gè)無懈可擊的組合。”黎志康打了個(gè)比方。

優(yōu)良基因從哪里來?

“具有利用價(jià)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(tuán)隊(duì)有20個(gè)人,有十二三個(gè)人能力很強(qiáng),就不動(dòng)他們,把另外幾個(gè)不是太好的替換成好的,這樣能使團(tuán)隊(duì)更強(qiáng)。

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(gè)新品種。

整個(gè)技術(shù)全程都用到了分子標(biāo)記檢測(cè)或者DNA測(cè)序,這又有何用意?

“主要是為了建立材料信息平臺(tái)。傳統(tǒng)育種選種,不產(chǎn)生任何遺傳信息,主要是憑經(jīng)驗(yàn)的。”黎志康解釋,“但是,我們的育種過程通過分子標(biāo)記檢測(cè)或者DNA測(cè)序,每個(gè)育種后代中進(jìn)去了哪些基因,進(jìn)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(gè)供體,全部清清楚楚。我們不是靠經(jīng)驗(yàn),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(cè)序及深入分析工作,建立了水稻分子設(shè)計(jì)育種信息平臺(tái),開發(fā)了水稻全基因組育種芯片。

“這將產(chǎn)生一個(gè)顛覆性的變化,真正使育種技術(shù)進(jìn)入分子設(shè)計(jì)育種時(shí)代。”黎志康說。

“分子設(shè)計(jì)育種什么概念?有了材料信息平臺(tái)以后,我就能夠根據(jù)育種目標(biāo),預(yù)測(cè)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(jìn)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(yàn)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(jì)育種將成為現(xiàn)實(shí)。

要培育更多更好的適應(yīng)氣候變化的綠色超級(jí)稻品種

早在上世紀(jì)90年代初,黎志康就有一個(gè)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(shí)踐。他寫了一個(gè)組建并實(shí)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(guó)際著名的5位科學(xué)家征求意見。收到的回復(fù)是:“你這個(gè)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(guó)內(nèi)組織水稻分子育種協(xié)作網(wǎng)。1998年,他找來一批我國(guó)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(jì)劃研討會(huì)。

“我當(dāng)時(shí)說,我沒有經(jīng)費(fèi),但我能貢獻(xiàn)一個(gè)好的想法,如果你們按照這個(gè)思路來,經(jīng)費(fèi)一定會(huì)來的。”經(jīng)過深思熟慮,與會(huì)的科學(xué)家認(rèn)可了黎志康的技術(shù)路線,并開始實(shí)施。沒想到,當(dāng)年就拿到了國(guó)家自然基金委支持的國(guó)際合作項(xiàng)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(cuò)誤的,也是不可持續(xù)的。因此,才有了綠色超級(jí)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(qiáng),既穩(wěn)產(chǎn)又能保護(hù)環(huán)境。”黎志康說。

談到科研心得,黎志康認(rèn)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(jī)會(huì)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(jí)稻品種,最大程度發(fā)揮綠色超級(jí)稻品種在相關(guān)國(guó)家的增產(chǎn)增效作用,需要育種、栽培、植保、農(nóng)機(jī)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科進(jìn)一步的大協(xié)作。

[責(zé)任編輯:銀冰瑤]
標(biāo)簽: 綠色超級(jí)稻  

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