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袁隆平之后,中国“超级杂交稻”的地火仍在燃烧

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“杂交水稻”四个字,几乎无人不晓。

它的伟大,也早已无需多言。半个世纪以来,杂交水稻技术让中国以不足全球9%的耕地,解决了世界近五分之一人口的吃饭问题。

然而,很多人并不知道,今天大面积应用的杂交水稻,主要是亚种内或亚种间杂种,种间杂种优势尚未得到有效利用。

什么意思?

我们吃到的杂交水稻米,来自亚洲栽培稻,主要分为籼稻与粳稻两个亚种,南方多种籼稻,北方多种粳稻。

20世纪70年代以来,袁隆平院士研发的杂交水稻主要是利用籼稻亚种内的杂种优势,实现了水稻大幅增产。

而亚洲栽培稻与非洲栽培稻的杂交,则属于远缘种间杂交。

通常,物种间遗传分化程度越高,生殖隔离机制越复杂,杂种优势利用的难度也越大。但反过来看,一旦突破,种间杂种优势所蕴藏的产量潜力,也将更为可观。

那么,中国的“杂交水稻”还能不能更进一步?

就在最近,国际权威学术期刊《Science》在线发表了一项重磅成果——

南京农业大学万建民院士团队历经18年攻关,首次揭示了亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间生殖隔离的分子机制。


这一发现,为打破水稻种间生殖屏障、培育超高产亚非杂交稻新品种提供了重要的理论基础和种质资源。

对老百姓来说,这项研究意味着什么?

对于中国杂交水稻的发展来说,这项研究又意味着什么?

01.

“超级杂交水稻”的三步走战略

为什么科学家们会想到让亚洲栽培稻与非洲栽培稻种杂交?

两个原因:

一方面,全球稻属的24个种里面,被人类驯化栽培的仅有亚洲栽培稻和非洲栽培稻;

另一方面,亚洲栽培稻产量高、品质好,是餐桌上的常客,而非洲栽培稻虽然产量略逊一筹,却身怀“绝技”,不仅耐高温、耐干旱、耐贫瘠,还自带多种抗病虫本领。

能不能让这两种“优等生”水稻联姻,把各自的优点集于一身,种出更高产、更能扛住极端天气的“超级稻”?


想法很美好,但现实却卡了壳。

打个比方:马和驴杂交生出的骡子,集合了马和驴的优点,吃得少、干活多,但它不能生育后代。亚洲栽培稻和非洲栽培稻杂交后也是如此,完全不育。

其实早在几十年前,科学家就发现两种水稻之间存在严重的生殖隔离,杂交后代花粉活力极低、结实率大幅下降,就像一道无形的屏障,把优良基因的交流重组和种间杂种优势的利用阻断在外。

1991年,万建民团队开始研究“水稻杂种优势利用”难题,基于这个问题,万建民提出水稻杂种优势利用的“三步走”战略,稳扎稳打攻克难题。

第一步是利用籼稻和籼稻亚种内的杂种优势。

以袁隆平院士研发的三系法杂交水稻为例,其核心就是利用籼稻亚种内的杂种优势实现增产。

不同籼稻品种间的杂交,能够有效聚合优良基因,在产量、抗性等方面实现互补,是当时及前期水稻增产的重要途径。

第二步则是利用籼稻和粳稻亚种间的杂种优势。

第一步属于品类内的杂交,第二步则提高了难度。籼稻和粳稻之间存在严重的生殖隔离,杂交种常表现出严重的“杂种不育”现象,好在经过长时间的研究,2014年,万建民团队就成功培育籼粳交高产水稻新品种,而后几年,团队更是从分子层面阐明了籼稻和粳稻杂种不育的机理,破解了水稻生殖隔离之谜。

万建民团队发现,引起杂种花粉不育的主效位点RHS12,该位点由紧密连锁的“破坏者”和“守卫者”基因组成。“破坏者”会伤害花粉导致败育,而“守卫者”能解除其伤害并保护花粉正常发育。

有了前两步的基础,第三步就是打响大决战——

利用亚洲栽培稻和非洲栽培稻的种间杂种优势。

这是更难啃的“硬骨头”,也是万建民自2000年回国组建团队以来锚定的方向。

本次万建民团队在《Science》上发表的研究,聚焦于引起亚洲栽培稻和非洲栽培稻种间杂种不育的主效位点RHS3。

这个位点,早在2008年就由万院士团队的博士生张云辉鉴定报道。但当时技术不成熟,基因组测序、基因敲除等手段还未充分应用,团队只能停留在基因挖掘和定位层面。

之后的18年里,团队通过遗传材料获取、基因克隆、亚细胞定位及蛋白互作等多个层面的精细研究,联合国内多家高校和科研单位协同攻关,这才完成了功能解析和机制研究。

最终,他们发现了一个令人惊叹的精密系统:

RHS3位点由3个基因组成,一个像“矛”,能破坏线粒体功能、杀死花粉;

一个像“盾”,能与“矛”相互作用、化解其杀伤力;

还有一个基因像“甲”,能把“矛”送入细胞的“回收站”自噬体进行降解,从而特异性地保护雌配子。

听起来和上一步的RHS12位点相似,但实际原理却相差甚多。

当然,研究清楚机制还不够,万建民团队还找到了一种“盾”有功能而“矛”失活的广亲和种质。它分别与亚洲栽培稻和非洲栽培稻杂交,都能有效克服RHS3位点导致的育性下降问题。

这意味着,团队找到了一把打破生殖隔离的“钥匙”。

02.

杂交水稻的“隐形王者”——南京

在中国水稻育种版图上,湖南有袁隆平,但如果把视线从湖南往东移,移到长江下游的南京,会发现另一片土地,也是世界农业角逐中不可忽视的“中国坐标”。

本次带队攻坚的万建民教授,在水稻研究领域相当权威。


1978年,万建民以优异成绩考入南京农业大学农学系.

1982年,毕业后师从水稻遗传育种专家朱立宏先生,继续攻读作物遗传育种专业硕士学位,从此就再也没有离开过稻田。

1990年,万建民留学日本千叶大学,1995年获日本京都大学农学博士学位。此后他在日本农林水产省农业研究中心任职,主持“日本农林水产省21世纪水稻研究计划”中的多个项目。

2000年1月,他毅然放弃了日本优厚的科研条件,带着一批宝贵的水稻遗传研究资料回到南京农业大学,在南农大深耕杂交水稻二十余年。

当然,在万建民之前,南京以及南农大还出现了一批又一批优秀的“养稻人”,诞生了一个又一个的“传奇故事”。

比如,万建民的老师朱立宏教授。


新中国成立后,朱立宏教授毅然决然从美国实验室回到祖国田间地头,彼时,稻瘟病、白叶枯病和纹枯病等病害在我国稻区日趋严重,成为粮食生产的重大威胁。

朱立宏带领团队开始了艰难的“改造”工作:

将“洋品种”的抗病基因,与国内优良水稻品种的优良农艺性状相结合,在成千上万个杂交后代中,寻找既保留抗病基因、又改良了农艺性状的个体。

最终在80年代中期,团队终于育成87-8072等一批半矮秆、抗谱宽的籼型抗病品系。

还有著名的“南粳之父”王才林。


上世纪90年代,王才林在日本留学期间发现,当时我国粮食生产还是以追求产量为主,不太关注大米品质,而日本早已培育出“越光大米”等一批出色的优良品种。

回国后,他用日本优质粳稻品种“关东194”为父本,与江苏优质高产粳稻“武香粳14”杂交,在2008年育成了南粳系列第一个优良食味粳稻品种“南粳46”,还有高产、稳产、抗病、适应性广的优点,在江苏及长三角地区得到大面积的推广种植。

随后几年,王才林带领他的育种团队用“南粳46”的同批种子,先后培育出更多粳稻系列品种,已经在生产上大面积推广种植的就有“南粳46”“南粳5055”“南粳9108”“南粳3908”“南粳505”和“南粳2728”。

现在知名度极高的南京品牌“金陵味稻”,便是选育“南粳46”为主体的优良食味稻米品种。

正是有这些“献身稻田”的养稻人,南京乃至中国才能在水稻这一领域筑起了难以逾越的护城河。

如今,南京地产稻米立足“高、精、尖”,已注册品牌超100个,且品牌知名度、影响力逐年增强,已经打入浙江、上海市场。

03.

最后的“底牌”

就在最近,某个全平台两百多万粉丝、天天以“保卫老种子”人设博眼球的农业网红,账号被无限期封禁了。

他在视频里对着杂交水稻技术大放厥词,把袁隆平院士的三系法直接扣上“变态杂交”“病态杂交”的帽子,连专业术语里的“雄性不育”都能歪解成“吃了像骡子一样生不出孩子”,对着咱们几十年的科研成果指指点点。

说实话,杂交水稻这个词说起来轻飘飘的,背后全是说不出的辛苦。

就拿广为熟知的袁隆平院士的杂交水稻研究成果为例。


1964年,袁隆平在试验田中发现第一株天然雄性不育株,确定了人工培育杂交水稻的研究方向。

1964 到 1965 年两年时间,袁隆平带着放大镜,带着学生挨个检查了几十万株稻穗,硬生生从里面找出了 6 株天然的雄性不育株——自身花粉完全失效,只能接受外来花粉才能结籽的特殊稻株。就靠这 6 株珍贵的材料,他启动了人工杂交试验。

1966 年在《科学通报》发表论文,系统提出了三系法配套的育种思路。

直到1973年才正式官宣中国籼型杂交水稻三系配套成功。

从正式提出设想到技术落地,前后用了七年,这个速度放在世界农业科技史上,都算得上少见的高效。

而万建民院士团队所研究的亚非栽培杂交稻,从发现RHS3到破解其分子机制,已经走过整整18年,其难度可想而知。

从南京翻到全中国,围绕“杂交水稻”的故事还远远不止这些,那些幕后的人,幕后的故事相当令人动容。

但就算在中国科学家、中国杂交水稻取得巨大成功的背景下,还是有不少言论在诋毁甚至否定杂交水稻的贡献。

有一种言论认为,杂交水稻没那么重要,自己这辈子甚至没吃过杂交水稻。

这或许是当下最大的误解。

杂交水稻的重要性在于,即使你不吃杂交水稻,它对你也很重要,归根结底四个字:

“粮食安全”。

20世纪60年代初期,湖南乃至整个国家都深受饥荒之苦,当时袁隆平院士所在的安江农业学校亦未能幸免。在那时,无论是老师还是学生,每天仅能分到五六两口粮,且无副食、无油水可言。袁隆平自己也深受其害,甚至因饥饿而浮肿。

杂交水稻口感不好,有的人不爱吃。但杂交水稻毕竟是粮食,关键时刻能充饥,更能救人。

更何况,它常年占全国水稻种植面积和总产量的50%—60%,以高产、稳产兜住总量供给,让我国主粮自给率保持在95%以上;同时大量用于米粉、酿酒、饲料和战略储备,降低了整条产业链的成本。

正因为有这块高产的“定海神针”,我们才有余力去种植、去选择口感更优的东北粳稻、南粳等优质常规稻,实现从“吃得饱”到“吃得好”的跨越。

除此之外,还有一种言论认为,中国的粮食供给,完全可以靠市场经济(国际贸易)解决,杂交水稻没那么重要。

之前就有个“知识分子”提过一个案例,日本人爱吃的荞麦,百分之七十从中国进口。大致意思就是说,让一个国家能吃饱饭,本质上不是靠自给自足,而是靠“合理的制度”。

这位“知识分子”还特别强调,有“合理的制度”,没耕地也没关系。

说这句话的人,肯定是不知道我们中国在粮食上被“坑”得有多惨,就拿“四大粮食”之一的大豆来说,2001年入WTO前,美国要求中国必须签署《中美农业合作协议》,开放小麦或大豆市场。

我们反复权衡,最终选择了开放大豆,保住小麦。入世后,中国遵守条约放开大豆市场。面对美国大豆的价格优势,国内豆企很快没人愿意收国产豆了。

2002年,国产大豆产量暴跌,到了2003年,全国豆企都在抢购美国大豆。

然后,美国开始了经典操作:涨价,大豆价格从2200元/吨,一路涨到5500元/吨,让中国豆企和中国豆农损失惨重。

一个靠市场经济解决粮食问题的国家,必然是个被时刻扼住脖子的国家,这类还在相信海外供给的人,不是蠢,而是真的坏。

任何时代,任何国家,农业都是立国根基。

呼唤下一个“超级杂交水稻”,既是期待中国为全球粮食安全继续做出贡献,更是隐含了对中国在全球博弈中牢牢抓住粮食“芯片”这一核心技术的渴望。


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