既穩產又保護環境,助力糧食安全和減貧

綠色超級稻背后有什麼奧秘(科技視點·“關鍵核心技術攻關記”之一)

本報記者 劉詩瑤 蔣建科

2019年05月06日04:46  來源:人民網-人民日報
 

黎志康(中)在尼日利亞田間指導該國國家谷類作物研究所的育種家。
  中國農業科學院作物科學研究所供圖

近年來,我國科技發展勢頭良好,重大成果層出不窮,但原始創新和關鍵核心技術方面還有較大提升的空間。科技創新怎樣才能不斷突破,為我國高質量發展提供強大動力?從本期起,科技版推出“關鍵核心技術攻關記”,挑選一批攻克關鍵核心技術的優秀案例,講述創新故事,啟迪創新思考。

——編 者

日前,中國農業科學院主持的“為非洲和亞洲資源貧瘠地區培育綠色超級稻”項目順利結題,迄今,這個國際農業科技扶貧項目已造福“一帶一路”沿線18個國家和地區。

什麼是綠色超級稻,它有什麼特色?記者來到中國農業科學院作物科學研究所,聽科研人員講講綠色超級稻。

少打農藥、少施化肥,實現水稻生產節水抗旱、優質高產的目標

時間回溯到2013年,一場超級台風襲擊了菲律賓中部,農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,當地的品種絕收,但仍有一小片綠色的稻田——正在試種的綠色超級稻頑強地挺立著。這給為生計發愁的人們帶來了希望。

獲得綠色超級稻的種子后,當地農民自發開始試種和推廣。農民的反饋非常好:“即使在我的旱作農田裡,它依然表現良好,就算3周不下雨,我的收成依然很好。”“除了抗逆性強和高產,綠色超級稻8號還是一個早熟品種。”“它的米質較好,比我以前種過的水稻品種高產,它還抗病虫害。近期,我們已開始以有機肥料替代化肥”……

綠色超級稻發揮效應,這是眾多案例中的一個。

水稻的可持續生產,是許多亞洲和非洲國家糧食安全和減貧的關鍵。面對近年來全球極端氣候的頻繁出現,亞洲和非洲部分地區的水稻生產能力變得非常脆弱。提高亞洲和非洲大部分雨養地區的水稻生產能力,維持全球灌溉稻田的稻米生產力,成為全球水稻育種家面臨的一大挑戰。

“所謂綠色超級稻,就是本著綠色發展的新理念,致力於在目標國家和區域實現水稻生產中少打農藥、少施化肥、節水抗旱、優質高產的目標。”項目牽頭人黎志康說。他是中國農業科學院作物科學研究所首席科學家。

綠色超級稻項目正式啟動於2008年,是新中國成立以來由我國科研機構和科學家主持的最大國際農業科技扶貧項目,聯合了國內外58家(國外26家和國內32家)水稻研究單位。

項目共在亞洲和非洲18個目標國家審定品種78個,目前這些品種正在各個目標國家穩步推廣應用。根據各個目標國參加單位反饋的推廣面積和綠色超級稻種子的生產數量,推算綠色超級稻品種在亞洲和非洲目標國家的累計種植面積達到了612萬公頃,使160萬小農戶受益。

此外,項目在中國的西南五省份培育綠色超級稻品種62個並大面積推廣。

其技術路線,是把常規育種技術和其他技術整合成技術體系,效率極高

綠色超級稻背后究竟有什麼奧秘?

“它的技術路線核心之處,是把常規育種技術中的雜交回交和表型選擇,種質資源中有利基因的發掘和利用,重要農藝性狀遺傳機理等方面,整合成一個技術體系,效率極高。”黎志康說。

黎志康說,想讓綠色超級水稻擁有最優良的基因組合,就要在現有優良品種的基礎上,把其所缺少的目標優良基因“植入”,培育出一批保留原有高產品種的優良性狀但獲得不同新的綠色性狀組合的優異后代。

“一支籃球隊本身已經很優秀了,但為了更好,就要吸納其他優秀的隊員,形成一個無懈可擊的組合。”黎志康打了個比方。

優良基因從哪裡來?

“具有利用價值的農作物遺傳資源、多樣性基因都在種質資源庫裡,就像一個龐大的基因銀行。育種依賴於物種內的遺傳多樣性,保存這個遺傳多樣性,就是保存未來育種的基因資源。”黎志康說。

不過,全世界保存了那麼多農作物種質資源,其中95%卻從來沒有在育種時利用過。“這些沒有利用過的種質資源裡就沒有能夠提高產量和抗性的基因嗎?不是的。盡管知道它裡面有好的基因,但是人們不知道怎麼去挖掘。”黎志康說,“我的想法是,把現有優良品種作為受體親本,利用回交育種來挖掘種質資源中的有利基因。”

什麼是回交育種?

傳統雜交是父本和母本結合,產生的雜種一代各佔它們基因的50%。如果再把雜種一代與母本雜交,產生的后代中父本基因隻佔25%,再與母本回交一次,產生的后代中父本基因隻佔12.5%。用這種方式,把父本優良基因的一小部分導入現有品種。

為什麼偏偏隻導入一小部分?

“我們希望,導入一小部分的外來優秀基因,同時保留大部分(75%以上)現有品種的基因,這樣就能維持現有品種絕大多數好的基因和性狀。”黎志康說,好比籃球團隊有20個人,有十二三個人能力很強,就不動他們,把另外幾個不是太好的替換成好的,這樣能使團隊更強。

有了回交育種群體,下一步就是繼續篩選它們。

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,就是一個新品種。

整個技術全程都用到了分子標記檢測或者DNA測序,這又有何用意?

“主要是為了建立材料信息平台。傳統育種選種,不產生任何遺傳信息,主要是憑經驗的。”黎志康解釋,“但是,我們的育種過程通過分子標記檢測或者DNA測序,每個育種后代中進去了哪些基因,進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,來自哪個供體,全部清清楚楚。我們不是靠經驗,全部信息是有累積的。”

目前,他們完成了3000份水稻核心種質資源的重測序及深入分析工作,建立了水稻分子設計育種信息平台,開發了水稻全基因組育種芯片。

“這將產生一個顛覆性的變化,真正使育種技術進入分子設計育種時代。”黎志康說。

“分子設計育種什麼概念?有了材料信息平台以后,我就能夠根據育種目標,預測未來能在特定生態區域表現最佳品種的理想基因組型,並依據這些理想基因組型,從育種材料中選擇最佳的親本進行配組,確保其后代中出現理想基因組型的概率最大。”黎志康說,這種技術流程一旦建立並逐步完善,主要依靠經驗的傳統育種過程,將轉換為能夠被年輕一代科研人員掌握的、高效的標准流程,真正意義上的設計育種將成為現實。

要培育更多更好的適應氣候變化的綠色超級稻品種

早在上世紀90年代初,黎志康就有一個龐大的設想,將水稻性狀的遺傳理論研究應用於育種實踐。他寫了一個組建並實施亞洲水稻分子育種協作網的提案,寄給領域內國際著名的5位科學家征求意見。收到的回復是:“你這個想法很好,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,黎志康回到國內組織水稻分子育種協作網。1998年,他找來一批我國主要水稻產區或省份最著名的水稻育種家和科學家,在浙江杭州舉辦了水稻分子育種協作網計劃研討會。

“我當時說,我沒有經費,但我能貢獻一個好的想法,如果你們按照這個思路來,經費一定會來的。”經過深思熟慮,與會的科學家認可了黎志康的技術路線,並開始實施。沒想到,當年就拿到了國家自然基金委支持的國際合作項目,隔年又獲得了農業部的資助。

“片面追求高產而不顧環境的發展方向是錯誤的,也是不可持續的。因此,才有了綠色超級稻的誕生,它的所需投入低(水、肥、農藥等),抗逆(干旱、鹽、淹等)性強,既穩產又能保護環境。”黎志康說。

談到科研心得,黎志康認為,水稻育種格外需要交叉學科的支撐,研究人員既要懂分子生物學,還要通曉遺傳學、植物生理學、植物病理學等學科。“作為農業科學家,我們既有機會挑戰理論,又能夠實現應用,讓農民受益,這樣的研究生涯還有什麼遺憾的?!”

黎志康建議,面向未來,培育更多更好的適應氣候變化的綠色超級稻品種,最大程度發揮綠色超級稻品種在相關國家的增產增效作用,需要育種、栽培、植保、農機和農業經濟等多學科進一步的大協作。

《 人民日報 》( 2019年05月06日 19 版)

(責編:袁勃)

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