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超級稻如何成就“噸糧田”

2014年10月24日09:02    來源:《中國科學報》    手機看新聞
原標題:超級稻如何成就“噸糧田”

  袁隆平(中)在田間聽取品種主要選育人鄧啟雲(右一)介紹情況。成舸攝

  ■本報記者 成舸

  2013年4月,農業部部長韓長賦在海南三亞田間和中國工程院院士袁隆平共同宣布啟動超級稻第四期攻關計劃,撥款1000萬,預計歷時五年完成。僅過了不到半年,兩系法雜交稻組合“Y兩優900”就在湖南隆回創造了畝產988.1公斤的超高產記錄﹔今年10月,該品種在湖南漵浦更是將百畝片畝產沖到了1026.7公斤,標志著第四期目標提前完成,“噸糧田”誕生。這些看似簡單的數字究竟是如何得出的?回顧歷時十余年的中國超級稻攻關計劃,又是如何一步步解決了哪些問題?是否如一些公眾所擔心的,是通過轉基因技術或大量化肥投入得來?本報記者多次深入測產現場,對權威專家進行實地採訪,試圖呈現這一系列數字背后的故事。

  見証“奇跡”

  在湘西雪峰山東麓海拔數百米以上,邵陽隆回和懷化漵浦兩縣相隔數百公裡,卻因“超級稻”三個字成了福地。進入9月,眼看著田裡的稻子長勢喜人,“雜交水稻之父”袁隆平要來的消息在丹迪悄然傳開。

  2014年的秋天對袁隆平來說是個特殊的季節。各地發來的前期數據讓他既開心又緊張:萬一消息放出去了,測產結果又差那麼一點點,怎麼向全國人民交代?

  記者曾幾次去他的辦公室,發現他在會客時總是談笑風生,但每當獨處或是和助手商量工作時卻總是眉頭緊鎖。

  究竟哪裡的稻子表現最好?老天會不會作美?還有哪些准備工作沒做到位?很多問題讓他放心不下。

  曾創造畝產破900公斤等“奇跡”的隆回縣首先被納入考慮。9月底,這裡迎來了由中國科學院院士謝華安帶隊的專家組。前不久,由湖南省組織的前期測產結果曾“僥幸”突破千公斤,但這仍然令袁老感到不太放心。旋即,一批科研骨干在國慶前后被調往漵浦縣開展抽樣測產。

  漵浦取代了隆回,成為最終見証畝產千公斤測產的幸運之地。

  袁老的學生、育種科學家鄧啟雲是這次測產品種“Y兩優900”的主要選育人。就在10月10日農業部專家組到來前,鄧啟雲提前兩天趕到測產地——湖南漵浦縣橫板橋鄉紅星村。9日一整天,記者跟著他在田裡轉悠,查看田塊、水稻長勢、灌溉條件,數穗數,為第二天的測產作准備。

  10月10日這一天的日頭漸漸升到了頭頂,時針漸漸指向了中午12點。

  “袁老師來了!”人群裡不知誰嘀咕了一句,記者、官員和農民立刻從各個角落一起涌了上去,將從村口進到測產田間的一塊不大的坪圍得水泄不通。

  此時,測產專家組組長、中國水稻研究所所長程式華正在一家農戶前的坪裡翻晒著稻谷,為測產最后一環——測定含水率作准備。他笑著對記者說:“我也想去迎袁老,但我不能去,我得堅守崗位。”

  晒稻谷是為了將其烘干到國家規定的13.5%的含水率標准。雖然經過幾天的充分日晒,稻谷裡的水分已經不多了,但考慮到含水率測定儀的精度,還需要仔細晾晒。

  這不是一次簡單的數學題游戲。就連隆回縣羊古坳鄉農技站站長都知道,袁老是一個對數據特別較真的人,一絲都馬虎不得。他告訴記者,袁老要求鄉裡報上去的所有試驗數據至少都精確到小數點后兩位,而不能報個整數了事。

  “千公斤”的誕生

  程式華告訴記者,任何儀器都有測量范圍。如稻谷很濕,水分含量過高會導致測不准。因此除要求充分晾晒外,他還特別要求水分儀、磅秤、皮尺等所有測量工具全由湖南省農業廳提供,而不能由科研團隊自己或當地縣市提供。

  不僅如此,為保証田塊面積的准確,專家還動用了GPS測量儀,沿田邊走上一圈,對皮尺的測量結果進行驗証。

  “數據准確是測產結果可信的大前提,如果這一點沒保障,后面的就都成數字游戲了,因此必須先把前提條件控制好。”程式華介紹說。

  過去作含水率測定時,從一塊田裡往往隻取一袋稻谷樣品,而且是從大袋裡一拿出來就直接去稱量,誤差有可能很大。此外脫粒機的工況和性能不同也會造成誤差。

  而這一次,專家組在每塊田裡都准備了兩台脫粒機,在隨機取兩份樣品進行脫粒除雜后進行編號,之后再將這些稻谷一粒粒攤開在開闊的地方晾晒。

  程式華表示,農業部組織的測產要求很嚴格,從這次的組織來看沒有一絲造假的可能。“數據絕對靠得住。”他說,“測產工作不能僅看最后的數據,更要看數據測定的過程,這才是科學、負責的態度。”

  提前趕到的袁隆平一邊微笑著向鄉親們致意,一邊在找程式華。十多分鐘后,穿過人牆的他徑直朝程式華所在的晒谷場快步走來。他雙手緊握著這位比自己年輕不少的同行的手,向他致以簡單的問候:“辛苦了。”

  沒有過多打擾“主考官”的工作,“運動員”袁隆平很快離開,他要去測產田裡看一看他最愛的水稻。他健步走在那條隻能放下兩隻腳的田壟上,眼裡看著水稻,回頭向工作人員不斷詢問:“其他專家在哪裡?”

  雖然一路上媒體記者的長槍短炮閃個不停,中央電視台的直播現場也已早早准備好,但這位科學家深知,今天不是一場表演秀,而是一次嚴謹的科學試驗。主角不是他,而是田裡的水稻和工作著的專家。

  到了被抽中的一塊測產田前,袁隆平停了下來。他彎下腰,雙手摩挲著又直又長的禾葉,將抽得滿滿而又飽滿的穗子攤開在掌心,數著粒數,臉上終於綻開了笑容。此時的他似乎已經心裡有底了。

  一位記者問道:“您說過水稻是美女,那您覺得今天眼前的稻子美嗎?”袁老笑了起來:“當然美了,是最美的美女!”一股快樂的氣氛在空氣中傳播開去。

  從田裡回來后,袁隆平來到一個農戶家裡,並和中心的其他科研人員一道耐心等待著專家組的測定結果。

  最終數據計算出來:1026.7公斤!工作人員將數據第一時間告訴在房間裡等候的袁隆平,他的眉頭徹底舒展開,打電話將這一喜訊告知了北京。

  半小時后,農業部的新聞發布會提前舉行,全世界都知曉了中國超級稻創造的這一新紀錄:1026.7公斤。

  跨入半高杆時代?

  2012年底,就在超級稻第四期攻關目標提出后不久,雜交水稻國家重點實驗室學術委員會在長沙舉行第一次會議,袁隆平首次闡述了自己對第四期攻關的理解和戰略構想。

  “社會發展都是螺旋式上升的。”在簡要回顧水稻形態發展過程后,袁隆平說。他舉電腦的例子說,以前的電腦很大,“后來小、小、小,小到巴掌那麼大,再后來又大了,大到房子那麼大,這便是事物發展的規律”。

  袁隆平的這一觀點主要是針對水稻株型,特別是株高。據介紹,傳統水稻原來一直是高杆,高度在一米七八左右,產量一般在400到500斤﹔到了上世紀60年代初后變成矮杆,產量得到極大提高。后來,水稻產量進一步提高到1000斤左右的“半矮杆”時代。

  袁隆平認為,水稻株型是先從高杆降到矮杆,再從半矮杆、半高杆、高杆、新高杆直到超高杆,即呈現“螺旋式上升”的趨勢。

  本世紀初,繼日本和國際水稻研究所之后,農業部提出以超高產為目標的中國超級稻攻關計劃,此后,水稻高度進一步提高,雜交水稻逐漸跨入“半高杆”時代。

  據了解,超級稻第一期的品種以“兩優培九”為代表,株高仍在一米左右,屬半矮杆,但產量已提高至畝產700公斤,第二期產量則增加到800公斤水平,水稻杆子也變得更高了,達到了1米2﹔第三期畝產突破900公斤時,由鄧啟雲領銜創制的“Y兩優2號”已經超過了1米2,其余超級稻第三期品種也都長高到了1米2至1米4之間。

  “在收獲指數保持在0.5的前提下,最有效最簡單的方法就是把株高升高。”對於株型與產量之間的關系理論,袁隆平稱之為“形態改良”。

  正是“形態改良”這一理論,成了超級稻攻關從第一期到第三期成功的關鍵武器。在繼續“兩系法”挖掘品種間雜交優勢利用潛力的基礎上,育種家們開始重視對水稻株型的改造。

  在現代育種家眼裡,大田生產就像一座綠色工廠。他們考慮的是怎樣增加綠色生產的馬力,使作物從太陽光那裡捕捉更多的能量,以轉化為更高的產量。但在不少人眼裡,似乎認為水稻產量的增加主要源自對土地地力的“掠奪”,這實際上是一種誤解。

  鄧啟雲告訴記者,形態改良主要圍繞光能利用率,目的是捕捉更高的光能,同時保持好的透光性。“如果株高太矮,葉片就會太‘擠’,甚至密不透風,光合作用效果就會降低,中下部葉片根本照不到太陽光。這時的葉片就不再是物質生產者,而是白白成了光能消耗者,成了一個消耗器官。所以必須提高株高。”

  鄧啟雲向記者詳細介紹了超級稻前三期的育種經歷。第一期的代表組合是“Y兩優培九”,主要在於塑造了較為成功的理想株型,為避免兩兜禾長得過於“筆挺”,使中間漏光損失太大,育種學家讓水稻葉片盡量向四周生長,讓葉片都搭接起來,以捕捉更多的太陽光。

  到第二期攻關時,鄧啟雲主持選育的“Y兩優1號”開始嶄露頭角。他告訴記者,這一期主要是將水稻育種周期發展到全生育期,即讓水稻在每一階段都長成科學家想要的樣子。孕穗期是水稻一生中葉片最茂盛的時期,此時葉面積指數最大,“整個田裡都密密麻麻的”。

  “但水稻互相間也會打架、競爭,搶太陽光。”鄧啟雲介紹,隨著水稻捕捉陽光能力增強,此時又要開始想辦法減少水稻間的競爭,於是又使水稻的葉片直立起來。“你長你的,我長我的,都向空中要陽光。”

  進入第三期攻關,“Y兩優1號”有了一個新兄弟“Y兩優2號”。此時,鄧啟雲等將“動態理想株型”和“全株理想株型”結合起來,用他自己的話說就是“從頭改到腳”。

  “我們把上面的空間全部讓給葉片,盡可能增加太陽光捕捉量﹔同時在下部想辦法,增強水稻抗倒伏性。”鄧啟雲介紹說,一種辦法是把杆增粗,但這樣一來會導致穗數下降,最后未採用﹔第二種是降低水稻“節結”的高度,結果“Y兩優2號”的莖杆比“Y兩優1號”還變矮了一點,“但葉子長了,穗數也長了”。

  為什麼“Y兩優2號”相比“Y兩優1號”不但沒有長高,反而還矮了一點?對此鄧啟雲認為,這與袁隆平院士提出的高型態改良理論並不矛盾。“袁老師的理論是從長遠發展趨勢上說的,這並不等於具體到每一次短時期內的育種改進都一定會比原來的品種要高。”他表示,由於考慮抗倒伏等其他性狀要求,有時株高可能會稍微變矮。這與“螺旋式上升”的總體發展規律並不矛盾。

  “半高杆時代從2000年開始才過了10年,應該還有20年發展空間。”鄧啟雲估計說。

  解決亞種間雜交四大難題

  畝產900公斤的目標實現后,第四期攻關要進一步提高產量至1000公斤,怎麼辦?

  形態改良仍在繼續,同時另一個“殺手?”——亞種雜交優勢利用的威力開始發揮出來。據了解,“Y兩優900”之所以能成為第四期攻關中的最佳“種子選手”,就是在雜種優勢利用上下了功夫——充分利用了?、粳稻亞種間雜交優勢。

  袁隆平的這段概括被很多人奉為經典,“通過育種提高作物產量,隻有兩條有效途徑。一是形態改良﹔二是雜種優勢利用。單純的形態改良,潛力有限。雜種優勢不與形態改良相結合,效果必差。其他育種技術,包括分子育種在內,都必須落實到優良的形態和強大的雜種優勢利用上來。”

  對這一點,鄧啟雲深有體會。他在湖南農業大學念書時,學校特招了一批體育特長生,其中有個打籃球的小伙子身高1.92米,在食堂排隊打飯時顯得“鶴立雞群”,可奇怪的是他的身體素質並不好,“我們隨便哪一個扑上去,幾乎都能從他手裡搶到球,速度、爆發力都不夠。”在這位育種學家今天看來,籃球運動員需要有高大的體格,才能在拼搶球中佔到先機,也就是和水稻一樣要有優良的形態。但若隻有體格或形態,沒有強大的身體機能就沒有意義,這就需要雜種優勢了。

  鄧啟雲告訴記者,在超級稻第三期攻關之前,都隻能算品種間雜交或亞亞種間雜交,直到第四期開始?、粳雜交,才進入亞種間雜交階段。

  雜交的目的是制造和產生有利的變異。不過,“現在我們對於雜種優勢產生的機理還遠遠沒有弄清楚”,鄧啟雲解釋說,如將兩條分別來自?、粳稻的染色體配對,產生的影響有時是正向的,有時卻是反向的,育種學上稱之為“互補”和“互作”,“后者可以理解為一種‘負優勢’”。

  此外,與古老中藥方的配置類似,雜交過程中的比例控制也有待掌握。“我們把?粳亞種的一些染色體攙和在一起,但並不確定什麼比例是最恰當的,究竟哪個比例最好?”水稻共有5萬多個基因,究竟哪個基因在起什麼作用,科學家仍需要做大量工作。

  “未來也許要到我的學生這一代才能徹底弄清楚。”鄧啟雲指著年輕的博士生助手吳俊說。

  ?粳雜交成功后,擴大“庫容”的問題輕鬆解決,但問題也隨之而來:粒雖然很大,但不結實、不飽滿。

  鄧啟雲表示,亞種間雜交存在四大難題:一是水稻生育期嚴重超過親本﹔二是株高變得太高﹔三是子代的結實率低(?粳亞種雜交子代不親和,結實率低)﹔四是籽粒充實不良。

  亞種雜交,優勢很強,但很難利用。如何調和?

  鄧啟雲介紹,控制手段最主要有兩個:一是利用廣親和基因,解決結實率低的問題﹔二是制造中間材料,把血緣距離拉近。

  上世紀80年代,日本學者首先在水稻中發現廣親和基因,后來發現其主要存在於熱帶的爪哇稻裡,可提高水稻結實率。由於?、粳亞種間相差大,遺傳性上相差太遠,科學家想到利用廣親和基因,先制造中間材料,從而將遺傳差距過大帶來的不利影響降到最低。

  湖南的育種家們還聯合了中科院等單位的團隊,在改善根系動力上下功夫,以增強運輸功能,使水稻在灌漿期間動力充足。“雜種優勢不僅表現在形態上的高大,還表現在看不見的生理機能上,比如光合速率、蒸騰拉力、根系活力等。”

  目前,四大難題中前三大難題都已基本解決,隻剩下籽粒充實不良的問題,這是擺在亞種間雜交技術面前的最后一關。

  事實上,?、粳亞種間雜交不僅有助於增產,對稻米品質的改進也大有裨益。在採訪的最后,程式華告訴記者,南方米偏硬,北方米偏軟,通過?粳雜交,把北方粳稻的一些血緣導入到?稻中去,可以降低米的硬度,改善米的口感,使越來越挑剔的南方人覺得更好吃。但在本來就吃慣了軟米的北方人而言,?粳雜交稻的推廣就相對困難,可能需要從別的途徑來突破產量。

  地理生態條件的復雜和人們口味的多元,正是超級稻計劃在推廣時面臨的新挑戰。從“禾下乘涼”到“覆蓋全球”,袁隆平這兩個富有浪漫色彩的夢想能否完成,都需要今天的科學家們付出更多的智慧和心血去努力。

(責編:郭方園(實習生)、趙竹青)


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