今年是中国攻克杂交水稻难关50周年。
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半个世纪以来,杂交水稻技术助力中国用不足全球9%的耕地,解决了世界近五分之一人口的吃饭问题。
日前,“稻谷飘香,禾下追梦——中国攻克杂交水稻难关50周年”展览在中国科技馆开幕。中科院院士、福建省农科院研究员谢华安,深情讲述“禾下追梦”的艰难历程与动人故事。
风云五十载,福建杂交水稻研究成绩斐然,为种业创新与粮食安全作出卓越贡献。在水稻夏种忙季,我们探访福建老中青三代育种家,探寻关于杂交水稻的光荣与梦想。
从大协作时代走来
谈到杂交水稻,不能不提遗传学中的一个重要理论——杂种优势。
这种遗传现象可形象地理解为:父母各有所长,孩子扬长避短,且更胜一筹。但优势只能维持一代,到了孙辈就会变得参差不齐,好坏参半。
20世纪以来,玉米、高粱等农作物已广泛利用杂种优势,但水稻领域迟迟难以突破。原因很简单:水稻雌雄同花,花器极小,主要靠自花授粉繁殖。要人工授粉,必须手动去除雄蕊。生产上,一亩田用种几万粒,全靠人工去雄,无异于天方夜谭。因此,不少人断言,水稻不具备杂种优势。
1960年,袁隆平在湖南黔阳农校大片扬花稻田中,发现一株鹤立鸡群的水稻,并判定这是自然杂交的产物。水稻不具备杂种优势的偏见,不攻自破。
后来,他又提出三系配套的设想:首先选育雄性不育系。这种水稻花粉败育,自交不结实;雌蕊正常,能接收外来花粉。再为不育系找两任“丈夫”——保持系和恢复系。保持系与不育系的后代依然不育,以此扩繁不育系;恢复系与不育系的后代,能正常结种子。这样,不用人工去雄,就能批量授粉制种了。
1970年,袁隆平团队在海南三亚南湖农场,找到了一株雄花不育的野生稻。它就是后来众多杂交水稻的共同祖先——“野败”。
觅得天然不育株后,就要通过杂交,将其不育基因转移到栽培稻中,转育出不育系,再为其“牵红线”,匹配保持系和恢复系。茫茫稻海,促成一段“姻缘”,谈何容易。于是,全国各地的育种工作者齐聚海南,开启了一场声势浩大的“海选”。
1971年,一场由13个省份共同参与的杂交水稻大协作启动。这年9月,“福建省水稻雄性不育与杂种优势利用研究协作组”成立。现已退休的省农科院水稻研究所研究员雷捷成是协作组成员之一。
“那是一场举国联动、互助共享的大协作。”86岁的雷捷成还记得,袁隆平团队无私地将“野败”材料分发给各地科研人员。福建协作组每次去海南,总要挨个拜访每个省份的基地,交换各自育种材料。
1971年冬天,福建协作组成员杨聚宝,从湖南同行处获得一蔸珍贵的稻头。这个稻头正是“野败”和栽培稻“广矮3784”的杂交后代。之后,他们又从安徽基地讨来早籼稻品种“V41”。
等到开春,稻头再生萌芽、抽穗、开花,协作组将其与“V41”测交。结出的种子,长出了4株水稻,3株可育,1株不育。选择不育株,与“V41”回交,后代中再选不育株,再回交……春天在福州城郊,夏天在漳州云霄,冬天在海南三亚,如此往复。1975年,经过8轮回交,后代已能实现百分之百不育。
这也就意味着,“野败”的不育基因被固定到了“V41”中。福建协作组由此选育出了第一个不育系——“V41A”。与之回交的“V41”,也就成了它的第一任“丈夫”——保持系“V41B”。随后,他们又通过大量测交筛选,为“V41A”找到了第二任“丈夫”——“IR24”“IR661”“IR26”等恢复系,最终撮合成了“跨国联姻”——选育出“四优2号”“四优3号”“四优6号”等杂交组合。
杂交水稻的星星之火
这期间,全国各地的科研人员也相继攻克三系配套难关。1973年召开的全国水稻科研会议上,袁隆平发表《利用“野败”选育“三系”的进展》,宣告中国籼型杂交水稻三系配套成功。
在全国第一批不育系中,“V41A”是当之无愧的“贤妻良母”。
“它不育性稳定,配合力强,开花性能好,柱头外露程度高,容易接受外来花粉。”雷捷成说,不育系通常有“包颈”现象,也就是一大截稻穗包裹在叶鞘中无法外露,就像被卡住了脖颈,稻穗上的颖花无法顺利接受来自父本的花粉。解决方法是人工剥苞,或喷施植物生长调节剂。但“V41A”少有“包颈”问题,出了名的好制种,因此成为当时全国四大不育系之一。
三系配套难关已过,杂交水稻推广正当其时。
1975年,省委农办发文,要求各地组织南繁队伍,赴海南三亚学习杂交水稻制种。这年冬天,雷捷成再次来到三亚找地、租房,迎接全省各地数百人组成的南繁大军,承担起技术指导的职责。
由于杂种优势只表现在子一代,杂交水稻不能像常规稻一样留种,否则后代将出现“歪瓜裂枣”。因此,只能年年在田间穿插种植父母本,即恢复系和不育系。等到花期相遇,人工拉花赶粉,使父本的花粉弹出,均匀散落到母本的花柱上。父母本生长周期不同步,要做到花期相遇,就得算好日子,错期种植,后续还要通过水肥管理等手段,动态调整各自长速。长快了,适度烤田;长慢了,多施肥,多灌水。
在海南南繁基地,雷捷成等专家为各地南繁队集中授课,到田头手把手指导技术要领。后来,他们还编了本技术手册,全省分发。
那一年,福建在三亚共制种2000亩。1976年春天,1.2万斤种子经由空运送抵漳州,再分发给各地区。各地选派的南繁人员,也带着制种技术回到各自故乡,成为杂交水稻推广的先行军。也是这一年,农业部在广州召开籼型杂交稻推广会议,决定在南方稻区大面积推广杂交水稻。
“四优2号”是那时福建主推品种。1978年,当时的龙海县汕后大队种植750亩该品种,实现亩产575公斤;黎明大队早季亩产790.4公斤,晚季803.9公斤。
杂交水稻技术的推广被认为是“第二次绿色革命”。“第一次绿色革命”发生在上世纪五六十年代,矮秆水稻取代高秆水稻,使我国水稻产量整体提升了30%。这一次,全国水稻再次增产20%。
从此,杂交水稻,犹如星星之火,在福建田间呈燎原之势。历史数据显示:1976年全省种植杂交水稻5万亩,1977年248万亩,1978年800万亩。
不育系“V41A”及其组合随之被各个省份广泛引种,还走出国门。其中,“四优6号”以4万元的价格,转让给美国圆环公司。
1981年,三系法籼型杂交水稻全体发明人被授予国家技术发明奖特等奖,其中也包括福建协作组成员。这是新中国成立以来国家颁发的第一个特等发明奖。
拯救杂交水稻命运
令人始料未及的是,仅仅过了几年,稻瘟病大流行,将成长中的杂交水稻产业带入至暗时刻。
稻瘟病是一种由子囊菌引发的真菌病害,水稻三大病害之首。爆发时,犹如一场无烟火灾从稻田掠过,所到之处,轻则减产,重则绝收。稻农撒石灰、烧田块、喷农药,根本无济于事。在“稻魔”面前,第一代杂交水稻不堪一击。
高温高湿的福建稻区,更是稻瘟病高发区。仅1981年,全省早稻便失收近20万亩,损失稻谷1.5亿多斤。当时还在三明市农科所工作的谢华安参与灾情调研时,看见一名种植户种了11.5亩稻子,只剩下田埂边的零星稻株,“边流眼泪边指着稻田说,放三只鸡下去都吃不饱”。
杂交水稻产业惨遭重创。一些稻农戏称“千斤长相,八百斤产量”“前劲有余,后劲不足”。许多杂交稻种子被封存,农民重新种回常规稻,全国杂交稻种植面积锐减。
在这样的背景下,福建组织全省水稻育种攻关。
作为当时三明地区南繁领导小组组长,谢华安很早就意识到,第一代杂交水稻杂种优势显著,株叶形态漂亮,但可能不抗稻瘟病。比如,“南优2号”在苗期就出现了明显的稻瘟病病斑。彼时,国内使用的恢复系大多从国际水稻研究所引进。谢华安下定决心:“一定要选育出中国自己的抗稻瘟病强恢复系。”
1977年,他开始广泛收集恢复系品种,开展大量杂交试验。远隔重洋的两个品种“IR30”和“圭630”被选中了。
“IR30”来自菲律宾的国际水稻研究所,其配组的组合更抗病;“圭630”则由莆田农科所从圭亚那引进,不仅恢复力强,籽粒也很大。经过地理渊源杂交,世代筛选,谢华安从中选出了36个株系。
这些株系谁更能抵御无孔不入的稻瘟病?让它们在极端环境中接受考验。
谢华安在三明选择尤溪、宁化、明溪、永安、沙县5个重病区,多年多点多代栽培,从中选择抗病力最强的株系。后来,他又听说国际水稻研究所用旱病圃筛选鉴定抗病品种,觉得是个好办法。1980年,谢华安在稻瘟病病害最严重的早稻田,中间割去一行,做成一个菜畦,采用旱播、旱育的方法,人为营造更为恶劣的生长条件。其间,他还从周边病区,收集染病植株,把叶片切碎、水洗,用含有稻瘟病病菌的水喷洒秧苗。
编号为“e6”的株系经受住了考验。它就是后来带领中国杂交水稻走出阴霾的“明恢63”——“明”代表三明,“6”“3”分别来自两个亲本的名字。室内人工接菌与抗普分析结果显示,“明恢63”抗菌株率96.08%。
以“明恢63”为恢复系,谢华安配成了众多杂交组合。其中,与不育系“珍汕97A”的杂交后代“汕优63”最具代表性。
1981年,谢华安把“汕优63”试种情况写成了报告,在一场全国性会议上当面递给袁隆平。对方耐心翻阅,听取汇报后说:“不错啊,表现很好。”谢华安问,能不能参加国家试验。袁隆平爽快答应:“明年就参加全国南方稻区杂交稻区域试验。”
1982年,“汕优63”同时参加市、省、国家三级区试,表现亮眼。很快,全国各地开始大面积引种,农民从“怕种”转向“争着种”。
1986年,全国杂交水稻顾问组专家会议在福建召开。袁隆平见到谢华安的第一句话就是:“老谢,你的‘汕优63’已经是全国播种面积最大的水稻品种了,祝贺你!”
此后,“汕优63”长盛不衰,连续16年保持全国杂交稻种植面积之最,累计推广近10亿亩,其中1991年就近亿亩。1988年,“汕优63”荣获国家科技进步一等奖。“明恢63”也成为中国杂交水稻历史上遗传贡献最大的亲本。国家水稻数据中心统计显示,过去50年里,“明恢63”是我国应用面积最大的恢复系。
已故著名育种家、“中国超级稻之父”杨守仁曾对谢华安说:“是你拯救了杂交水稻的命运。”
传承与创新“稻”路
在后来的日子里,谢华安团队又选育出了“明恢77”“明恢86”等一批优良恢复系,配组了“汕优77”“V优77”“Ⅱ优明86”等风靡一时的杂交组合。其中,“汕优77”“V优77”是具有强大抗稻瘟病能力的早稻品种,与中晚稻品种“汕优63”形成熟期配套,累计推广面积位列中国杂交早稻前五。
雷捷成团队选择了不一样的技术路线。
由于稻瘟病抗性较差,“V41A”逐渐退出了生产。20世纪80年代初,雷捷成所在的课题组,开始将选育强抗稻瘟病不育系作为主攻方向。20世纪90年代育成的“福伊A”,是当时国内抗稻瘟病最强的不育系,尤其在湖北恩施等武陵山区,抗性保持十年未衰。
其实,在杂交水稻发展的不同阶段、不同领域,福建育种工作者都拥有自己的姓名——
20世纪90年代,二系法杂交稻问世。其特点是不需要保持系作中介,不育系在不同光温条件下会发生育性转换。不育时,与恢复系杂交制种;可育时,自交自繁。但生产上气象多变,不少二系不育系育性不稳定,引发减产。福建育种家杨聚宝选育的二系不育系“SE21S”,以育性稳定、制种安全著称,国内育种界称之为二系稻的“一匹黑马”。
1996年,中国启动超级稻育种计划。迄今为止,福建共有“荃优212”“福农优676”等9个杂交品种,被认定过超级稻品种。
20世纪90年代中期,福建率先探索航天诱变育种,创制出“航1号”“航2号”等恢复系,选育出“特优航1号”“Ⅱ优航1号”等组合。其中,“Ⅱ优航1号”作为再生稻品种,曾在尤溪县创造出百亩单产世界纪录。
……
如今,从光辉岁月中走来的福建杂交水稻,正面临着新的挑战与课题。
在需的这端,市场对种业的需求日益多元化,不仅要高产管温饱,还要优质、耐储藏、适宜机械化生产等;在供的那头,福建水稻育种根基深厚,但进入新世纪后,让人眼前一亮的拳头产品并不多。
捧过接力棒的新一代育种家正直面挑战,探索新“稻”路。
近几年,省农科院水稻研究所研究员张建福领衔的水稻抗逆分子育种团队,接连在权威期刊发表论文,挖掘出系列水稻功能基因,揭示了水稻耐旱、抗稻瘟病、耐盐碱、生长调控等分子调控机制。
“传统育种周期长、效率低、不确定性大。”张建福说,破译了水稻的遗传“密码”后,将应用分子标记辅助选择、全基因组选择、分子模块设计等现代育种技术,结合大数据、人工智能等前沿科技,变“经验育种”为“定向育种”,“像设计工业产品一样,精准设计出水稻新品种”。
眼下,他的育种计划包括选育耐盐碱品种,拓展沿海地区耕地资源;耐储藏品种,减少粮食损耗与储备成本;更强再生力品种,进一步做大再生稻产业。
着眼种业短板,张建福希望推动建设一个高水平的育种平台,把全省种质资源汇聚起来,把不同学科的人才聚集起来,把研发机构和种业企业联合起来,在共建共享中,形成种业创新的合力。
“我们将进一步发挥优势,强化科企联合育种攻关,推动资源向企业流动,将现代分子育种技术与传统育种技术相结合,培育一批丰产、抗性、优质、广适的突破性品种,为保障国家粮食安全作出福建新的更大贡献。”省种子总站站长赵杰樑说,最近两轮种业创新与产业化工程,省级共安排财政资金8400万元,用于支持开展水稻良种攻关与产业化开发。
如今,雷捷成已退休多年,但他当年领衔的不育系选育课题组,经三代传承,依然活跃在育种研究一线。40年间,研究的方向从最初聚焦稻瘟病抗性问题,到后来着重提高不育系配合力和异交特性。如今,第四代研究者、省农科院水稻研究所副研究员张以华,则将选育米质好、早熟的不育系作为发力点。
在他看来,中国禾下追梦的50年,就是科研精神在一代代育种家中传承与创新的50年。他通过一张不育系系谱图,展现传承与创新的力量。
“启源A”是张以华新近获得植物新品种权授权的不育系,优质、高异交、耐高温、抗性好。沿着系谱图逐代追溯:其祖辈是“福伊A”,曾经国内抗稻瘟病最强的不育系;高祖辈是“V41A”,早年国内四大不育系之一;发端则是“野败”,最初在三亚沼泽地中找到的那株天然不育株。
“正是‘野败’点燃了杂交水稻创新的星星之火,通过一代又一代育种家接力传承,创新的火焰在半个世纪后依然熊熊燃烧,并愈发绚烂。”张以华说。(福建日报记者 张辉 通讯员 胡海明 陈晓星)
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禾下追梦五十载——攻克杂交水稻难关50年来的福建贡献
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