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[转载]袁隆平——“东方魔稻”创新四部曲

已有 1027 次阅读 2022-11-26 17:28 |个人分类:读书笔记|系统分类:人物纪事|文章来源:转载

资料来源:宝鸡科普,2022-05-28 09:29

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袁隆平(1930年9月-2021年5月),杂交水稻专家,中国工程院院士。主要从事杂交水稻研究,其科研成果使我国在杂交水稻和超级杂交稻育种上一直处于世界领先水平。荣获国内国际奖项 20 余项,2001 年获国家最高科学技术奖。2019 年获“共和国勋章”。

袁隆平说,他有两大梦想,第一是禾下乘凉梦;第二是杂交水稻覆盖全球梦。从事杂交水稻研究 50 多年来,为实现这两大梦想,袁隆平躬耕陇亩,创新不止,成功地演奏了实现三系杂交稻、攻克两系杂交稻、冲刺超级稻、攻关“耐盐碱水稻”的创新四部曲,曲曲大气磅礴,曲曲高亢激扬!

实现三系杂交稻

科学的怀疑精神与传统观念、社会的主流观点往往是相悖的。研究三系杂交稻,袁隆平的创新思路首先是来自科学的怀疑精神,敢于挑战学术权威的勇气。袁隆平说,“尊重权威但不能迷信权威,如果我死守权威,也许至今还一事无成”。其次是选择正确的技术路线,找到三系杂交稻配套的途径;再次从实践中认识到远缘杂交的优势,并幸运地找到野生雄性不育株“野败”,实现三系配套。

种子是生命之源,直接影响着下一代。几千年来,人们惯用常规选种。在汉代就有“田者择种而种之”的“良种法”。随着现代育种技术的发展,20 世纪 60 年代初,水稻矮化研究取得突破,解决了高秆水稻易倒伏和低产的问题,总产提高 20% 左右,被誉为“第一次绿色革命”。此时,刚刚 30 岁出头的袁隆平也曾想通过常规稻选育干一番事业,他调查后发现,常规稻选育方法增产的优势有限,如何培育出更加高产优质的稻种呢?他想到了杂种优势。

所谓杂种优势,是指遗传基础不同的两个亲本杂交所产生的杂种在某些性状上优于其亲本的现象。杂种优势是生物界普遍存在的现象。早在春秋战国时期,我国先民就注意到公马和母驴交配所产生的杂种骡子,叫作駃騠马。袁隆平查阅了大量中外资料,得知 1876 年达尔文就提出玉米杂种优势现象;美国农学家琼斯 1926 年最先报道了水稻的杂种优势现象;其后印度科学家理查哈里又提出了水稻杂交后第一代优势(简称 F1)在生产中应用的设想。但不久,美国著名遗传学家辛洛特和邓恩出版了《细胞遗传学》,书中认为:水稻等自花授粉作物是没有杂交优势的。国际上的许多研究人员望而却步,进行的尝试性研究也中途停止。辛洛特和邓恩的提法正确吗?这使得袁隆平感到迷茫。

使袁隆平产生怀疑精神的是源于一株“鹤立鸡群”的稻子的发现。1711960 年 7 月的一个下午,他发现了一株“鹤立鸡群”的稻子:株高、穗大粒多。他顿时兴奋地作了标记。秋收时,他从这株稻子上得到 170 多粒壮谷。他推论,这株稻子应该是杂交后代,才有如此优势。看来遗传学的经典理论是一个典型的形式逻辑理论,没有实验根据。再联想到玉米这个异花授粉作物的杂种优势已在生产中成功应用,他觉得杂种优势应该是生物界的普遍规律,自花与异花授粉作物的区别不过是繁殖方法上的不同而已,绝不是影响杂种优势有无的因素,他决心独立前行。

袁隆平查阅了杂交高粱培育三系和配套的方法后认为,要突破杂交水稻的第一关,得借鉴杂交玉米和杂交高粱选育的路子,去查找水稻中的“雄性不育株”。1964—1965 年,袁隆平从 4 个品种中发现了6株雄性不育株。1965 年10月,袁隆平对获得的材料和实验数据进行了梳理和分析,撰写出论文《水稻的雄性不育性》,并于1966年2月全文被登载于《科学通报》上。论文的发表打破了多年杂交水稻研究的凝固空气,勇敢地冲击了权威“自花授粉作物没有杂种优势”的论断,为袁隆平大胆创新提供了支撑力。借着论文发表的激情和动力,袁隆平随之科学地拟定了一个培育“杂交水稻”的技术路线,称为“三系配套方172法”。这三系的名称是“不育系、保持系、恢复系”;三系杂交水稻的培育方式是:首先,找到雄性不育株,即母禾;其次,找到一种特殊水稻品种作父本,即保持系,用父本给母禾授粉,使其后代保持雄性不育特征;再次,选择一个稻种与不育系杂交,使其后代恢复生育能力,叫恢复系。不育系通过恢复系产生杂交种子,这种具有杂种优势的种子种植于大田就可产生高产效应。

杂交水稻研究刚刚起锚便遇上了“文化大革命”,但幸运的是,这希望的火苗得到了国家科委和湖南省科委的关注和支持。1967年3月,湖南省科委决定将“水稻雄性不育”正式列入省级科研项目,并拨 600元研究专款。省农业厅还批准两名学生李必湖、尹华奇毕业后给他当助手。

袁隆平在湖南、海南、云南元江进行抢时培育,但三年的辗转研究,历经艰辛却进展不大。袁隆平总结分析后认为:所用的测交材料,全是常规稻种,它们的基因不是相同便是太近,可能会导致保持效果不理想。他决定改变思路,寻找野生不育株,利用远缘杂交稻种实现配套。经过大量的调查和筛选后,他们决定到海南寻找野生稻。

机遇总是偏爱有准备的头脑。1970 年 11 月 23 日上午,研究小组中的李必湖与海南当地农场的冯克珊发现了一片普通野生稻,并从中找到了野生稻雄性不育株。袁隆平将其命名为“野败”。经过全国大协作和加代培育,1973 年,三系杂交水稻配套成功。袁隆平用在海南岛配制的 10 多斤杂交稻种,在湖南农科院 0.08 公顷的试验田中试种,亩产高达 505 公斤,丰产的锋芒初露。1974 年,他在安江农校试种自己选育的强优势组合“南优二号籼型”杂交水稻,亩产高达 628 公斤。三系杂交水稻成功配套,展示了高产的魅力。

1975 年冬,国务院做出了迅速扩大试种和大量推广的决定,并下拨150 万元,用于杂交水稻的推广,袁隆平被任命为技术总顾问。1976 年,杂交水稻在湖南推广 208 万亩,获得平均每亩增产 20% 以上的好收成。173从此,杂交水稻从三湘四水出发,迅速地推广到大江南北,展示了高产的魅力。1976—1988 年,全国 10 多年中累计种植杂交水稻面积 12.56 亿亩,平均每亩增收稻谷 20% 以上,累计增产稻谷 1000 多亿公斤,增加总产值280 亿元,取得了巨大的经济效益和社会效益。

三系杂交稻增产的优势主要表现在根系发达、吸收力强;分蘖力强、植株生长旺盛、抗逆性好;穗大粒多,光合作用效率高,并具有较广泛的适应性等。三系杂交水稻配套成功荣获新中国成立以来唯一的国家技术发明奖特等奖,国外专家称杂交水稻为“东方魔稻”,把杂交水稻的成功誉为“第二次绿色革命”。

攻克两系杂交稻

在酝酿两系杂交水稻的培育过程中,袁隆平的创新思路可谓奇妙:他利用了一直被育种家认为的“植物的光、温敏核不育的遗传”这一有害性状,变“有害”为“有用”,而且是“大用”。同时,在实践中攻克了光温敏不育系的选育、不育系不育起点温度遗传漂移的控制、低温敏核不育系繁殖、原种提纯与生产、两系强优组合选配及亚种间杂种优势利用的 4 大障碍等一系列技术难关,成功地突破了培育两系杂交稻的瓶颈。

在实现增产的同时,袁隆平也看到,“三系杂交稻”存在育种程序和生产环节比较复杂,种子成本高,推广环节较多,再增长难度较大等问题。袁隆平经过长时间的思考后,决定简化制种手续,由三系法向两系法过渡,使杂交水稻产量再上台阶。

1986 年 10 月,在长沙举办的世界首届杂交水稻国际学术讨论会上,袁隆平在题为《杂交水稻研究与发展现状》的报告中郑重地提出这一想法:“今后,杂交水稻育种的方法,必然要繁到简,从三系简化到两系再到一系;174杂种亲缘的利用范围必须由近到远,从品种间推广到亚种间再到远缘间,杂种优势必须由强到超强方向发展……”

袁隆平关于杂交水稻发展的战略构想得到了与会 20 多个国家专家的赞同。时任国际水稻研究所所长斯瓦米纳森博士说:“杂交水稻研究的成功和推广应用,可以说是第二次绿色革命。现在,袁隆平提出的新的战略构想将使杂交水稻的前景更加灿烂,魅力无穷。”

实现两系法,简单地说,就是要使原来的不育系、保持系和恢复系三系中省去一系,以达到更好地应用杂种优势的目的。

1987 年,两系法杂交水稻研究被列为国家高技术发展计划(863 计划)生物工程项目中的 101-1 号专题,袁隆平出任该课题的专题组长、首席责任专家,主持全国 16 个单位协作攻关,从而使全国的杂交水稻研究出现了重点转移。

实际上,在酝酿两系法研究的同时,袁隆平就已开始了一系列实验,但这些实验没有成功。是否有其他成功的途径呢?

大自然开启了一扇门。一天,他查阅资料,得知 1973 年湖北农技人员石明松曾发现过水稻光、温敏雄性不育材料,1985 年这种水稻被定名为湖北光敏感核不育水稻。这使袁隆平联想到了植物的光、温敏核不育的遗传。

简单地说,光敏型是在长日照下表现雄性不育,在短日照下育性恢复正常;温敏型则是在高温下表现雄性不育,在较低温度下转变为可育。但光敏不育材料只能在一定的温度范围内才表现光敏特性,如超过这个温度范围,光的长短对育性转换不起作用。由于光、温敏核不育的遗传属于十分复杂的生态遗传,长期以来一直作为有害性状被育种家舍弃。袁隆平三思后,决定逆向而行,大胆尝试利用光、温敏核不育与广亲和性为基础,向两系法进军。

1987 年 7 月 16 日,安江农校青年教师邓华凤在籼稻中发现了一株光175敏核不育系。经过三代繁殖和观察,证实了这株两系不育材料的农艺性状整齐一致,是一种新的宝贵的光、温敏不育系。1988 年 8 月,袁隆平正式命名这种两系不育材料为“安农 S-1”。“安农 S-1”的发现,终于冲出了制约两系法育种的瓶颈。

紧接着,一个个新的光、温敏不育系材料被发明、被转育发现。同时,研究人员探索发现了水稻光温敏不育性转换与光、温关系的基本规律,一套有效的选育实用光温敏不育系的技术路线很快形成。经过 9 年的努力,以袁隆平为首的科研协作组先后攻克了光温敏不育系的选育、不育系不育起点温度遗传漂移的控制、低温敏核不育系繁殖、原种提纯与生产、两系强优组合选配、亚种间杂种优势利用的 4 大障碍(植株过高、生育期过长、结实率低、籽粒充实度差)等一系列技术难关,两系法杂交水稻于 1995 年获得成功,应用技术成熟配套,开始逐步推广。这一成果被写进了 1996 年的国务院政府工作报告,同年被两院院士评为“全国十大科技新闻”并位居榜首。

两系法育种除了克服了三系法杂交稻的不足外,还提高了选配强优组合的几率,扩大了品种间杂种优势,进一步提升单产,提高品质等,是水稻育种技术的又一革命性进步。两系法杂交稻一般比同熟期三系法杂交稻增产 5% ~ 10%,截至2012 年,全国累计推广两系杂交稻 4.99 亿亩,增产稻谷 110.99 亿公斤,增收 271.93 亿元,使我国杂交水稻的研究与应用继续保持世界领先地位,续写了“东方魔稻”的新篇章。

冲刺超级稻

在冲刺超级稻的亩产目标中,袁隆平确立了新的创新思路:一是充分利用杂种优势;二是形态改良,选育矮秆、少蘖、大穗等具有高产的理176想株型。创新来自灵感,一次考察稻田,袁隆平受到启发,他灵机一动,设计出以高冠层、矮穗层、高度抗倒、可提高光合作用利用率的稻子形态模式,并构想制定了把优良株叶形与强大的亚种间杂种优势有机结合的培育超级杂交稻的技术路线,即“理想株型+杂种优势”的模式。形态优势和杂种优势两大增产要素的聚集,可谓珠联璧合,相得益彰。两系杂交稻培育成功后,袁隆平心中又萌动一个新想法,这就是杂交水稻探索的第三部曲——超级稻。

超级稻,简单地说,就是超高产优质水稻。这是国内外农业专家多年来梦寐以求、攻关多年的世界难题。1995 年国际水稻研究所提出培育“超级稻”、后又改为“新株型”育种计划,但均未能实现。袁隆平在认真分析后发现,世界上无论是常规稻育种,还是杂交稻育种,都是利用选育优良品种来实现超级稻的目标的。除了高产种子的培育,还有其他好办法吗?

1997 年袁隆平主动请缨,立项“超级杂交稻”育种计划并组织实施,该计划顺利进入国家“S-863”计划。超级稻研究目标分期进行,每期目标亩产增加 100 公斤。第一期目标是每亩 700 公斤,第二期目标是每亩800 公斤,第三期目标是每亩 900 公斤,第四期 1000 公斤……按照农业部的规定,一个超级稻品种,须连续两年在两个以上百亩片示范达标,就可以宣告亩产目标的实现。

经多次论证后,袁隆平提出了实现超级稻亩产目标的构想:一是杂种优势利用;二是形态改良,如矮秆、少蘖、大穗等具有高产的理想株型。

1997 年,袁隆平到江苏考察两系杂交稻,在观察亚种间杂交稻时突然灵机一动,脑海里闪现出一种超高产杂交水稻形态模式。一回宾馆,他立即将灵感中的模式描绘下来,精心设计出以高冠层、矮穗层、高度抗倒、可提高光合作用利用率的形态模式,制定了把优良株叶形与强大的亚种177间杂种优势有机结合的培育超级杂交稻的技术路线,即“理想株型 + 杂种优势”的模式。袁隆平迸发的创新灵感为实现超级稻的产量目标找到了路子。

袁隆平为首的研究群体以高产优质的不育系“培矮 64S”等为亲本,进行广泛的测交和筛选,育出几个具有超高产潜力和米质优良的组合,更重要的是找到库大源足和高度抗倒的理想株型,研究出一批新的超高产组合。经过连续几年试种,超级稻的优势初露端倪,增产效果明显。

1999 年秋,超级稻的百亩示范片亩产均超过 700 公斤,云南永胜县涛源乡试种点验收时亩产竟达到 1139 公斤!顺利实现第一期目标;2004年,超级杂交稻亩产 800 公斤的第二期目标提前一年实现;2011 年,超级杂交稻亩产 900 公斤的第三期目标也成功实现。2014 年,湖南溆浦县超级杂交稻百亩示范片平均亩产达 1026.70 公斤,表明亩产 1000 公斤的第四期目标取得了重大突破。2018 年 10 月,袁隆平及其团队培育的超级杂交稻品种“湘两优 900(超优千号)”再创亩产纪录:经第三方专家测产,该品种的水稻在试验田内亩产 1203.36 公斤。目前,超级稻正向更高的目标进发!

如果把常规稻、三系杂交稻、两系杂交稻和超级稻的单位面积产量比进行比较,它们之间的比值是 100 ∶ 120 ∶ 129 ∶ 181, 可见超级稻的增长潜力巨大!同时超级稻米质很好,可谓“高产与优质相伴”,具有广阔的推广前景。

谈到超级稻的成功,袁隆平认为确立和贯彻“良种、良法、良田、良态”技术路线至关重要,这是成功的保障。

攻关“耐盐碱水稻”

近年来,“耐盐碱水稻”的研究方兴未艾。如何突破“耐盐碱水稻”种植和增产的瓶颈,袁隆平拟出的创新思路是:将水稻耐盐碱基因与水稻杂种优势利用结合起来,发掘水稻耐盐碱基因,将其转育到籼粳交高产杂交稻,培育出杂交“耐盐碱水稻”,这种稻抗盐碱能力强,同时具有较高的产量和品质,在盐碱地和滩涂上结出丰产果实。

中国的耕地红线是 18 亿亩,中国耕地保有量到 2020 年保持在 18.05亿亩,确保 15.60 亿亩基本农田数量不减少,质量有提高。随着中国人口的不断增长和耕地的减少,粮食安全问题将更加突出。粮食亩产量的增长总有极限,那么从其他方面来解决粮食增产是否有新途径呢?超级稻产量取得不断攀升的同时,年逾八旬的袁隆平眼光看得更远。

人类的想象力和创造力是无限的。袁隆平和科学家们想到了另一途径,就是充分利用那些不能种植庄稼或者废弃的土地,其中最有利用价值的是盐碱地。中国内陆尚有 15 亿亩盐碱地,分布极为广泛,类型多种多样,包括东部滨海盐碱地、黄淮海平原的盐渍土、东北松嫩平原盐碱地、半荒漠内陆盐土、青海新疆极端干旱的漠境盐土等。其中可开发利用的面积多达 2 亿亩,占我国耕地总面积的 10% 左右,是重要的后备耕地资源。如果让些不毛之地具备种植水稻的潜力,按照每亩产值按 300 公斤计算,可增产粮食 600 亿公斤,可满足 2 亿人的粮食需要。

在盐碱地、滩涂等高含盐量的土地上种植出来的水稻称为“耐盐碱水稻”,俗称为“海水稻”,这是一种既顺口又形象的称呼。

在盐碱地上种植作物的研究,可以追溯到 20 世纪三四十年代。1939 年,斯里兰卡选育了一种耐盐水稻品种。20 世纪五十年代,我国在福建沿海地区找到并筛选出一些抗盐水稻品种,由于当时条件所限,未能加以培养和推广。到了 20 世纪七八十年代,中国农业科学院曾组织有关单位协179作,筛选出 100 余份中度耐盐的品种 ( 系 ),但希望可以直接推广利用的品种甚少。1986 年,农技人员陈日胜在普查广东湛江红树林资源时,采集到了 500 多粒“海水稻”稻种,后经繁育,选育出名为“海稻 86”稻种,近年来在海边滩涂地推广种植达 3000 亩左右,亩产可达 75 ~ 150 公斤。但总体上看,进行耐盐碱水稻研究已 80 余年,大部分野生品系具有的农业生产价值不高,产量较低,因而进展不大。

在超级稻研究不断取得高产的同时,针对国内外“耐盐碱水稻”研究多年仍徘徊不前的情况,袁隆平及其团队决定向研究“耐盐碱水稻”进军。袁隆平提出的创新思路是:将水稻耐盐碱基因与水稻杂种优势利用结合起来,发掘水稻耐盐碱基因,将其转育到籼粳交高产杂交稻,培育出杂交“耐盐碱水稻”,这种稻抗盐碱能力强,同时具有较高的产量和品质,让新的品种在盐碱地和滩涂地上开花,结出高产果实。

明确目标,立马前行。2012 年,袁隆平及其团队开始研究“耐盐碱水稻”,他们的参与,为“耐盐碱水稻”海水稻的研究和提升种植水平注入了活力。在历经千余次的实验、875 组配组实验后,最终成功精选出数种适于栽种的优质“耐盐碱水稻”。2016 年 10 月,袁隆平担任青岛海水稻研究发展中心主任和首席科学家,并主持该中心设立的 30 亩“耐盐碱水稻”科研育种基地项目试验启动仪式。同年 12 月 10 日,武汉海水稻生物技术研究院成立。

2018 年,袁隆平院士团队与青岛市城阳区在青岛城阳盐碱地稻作改良示范基地发起“中华拓荒人计划”,将“开拓亿亩荒滩,增加亿亩良田,多养活一亿人”作为拓荒人的梦想,提出了“拓荒人精神,薪火相传”的口号。接着在新疆喀什、陕西延安、黑龙江大庆、浙江温州和山东东营五大主要类型的盐碱地上进行试种。

与此同时,“耐盐碱水稻”种植开始向海外拓展。2018 年 11 月,袁隆平专家团队应邀赴迪拜沙漠腹地的种植基地。他们克服当地种植水稻温180差大、地下水咸度大、(鸟害鸟)火烈等困难,筛选出具有自主知识产权的“耐盐碱水稻”品种进行种植。2019 年 6 月,专家小组对试种的“耐盐碱水稻”系列品种采取随机取样、实割称重的方式进行测产,净谷产量达 9.437 吨 / 公顷,赢得了迪拜人的信任和赞许。随后越南、印度和斯里兰卡等多个国家也提出了与中方合作的意愿。

2019 年,“耐盐碱水稻”研究与推广出现新的势头。7 月 4 日,由国家杂交水稻工程技术研究中心、青岛海水稻研发中心及国内 10 多家优势单位共建的“国家耐盐碱水稻技术创新中心”建设方案通过论证。袁隆平院士团队积极发挥在耐盐碱水稻研发推广、盐碱地改良及产业链生态圈方面的历史积累与优势,承担产业化推广与产业生态圈搭建等工作。同时,全国“耐盐碱水稻”试验基地达 9 个,覆盖新疆、黑龙江、浙江、山东、陕西、河南等省(区、市),示范种植面积近 2 万亩。收获时,全国耐盐碱海水稻区域试验种植基地平均亩产突破了 400 公斤;而在山东东营示范种植基地平均亩产 600 公斤,最高亩产达 800 公斤;浙江台州基地实现最高亩产 670 公斤;海水稻呈现出良好的丰产势头。

2020 年,计划种植“耐盐碱水稻”10 万亩。青岛市城阳区盐碱地稻作改良示范基地新增改良盐碱地约 4000 亩,完成“耐盐碱水稻”示范种植与产业化推广近 5000 亩,同时持续通过农业智能芯片、云平台等软硬件以及大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的示范应用,推进“盐碱地改良,智慧农业”模式打造,产生“耐盐碱水稻”全产业示范效应。

面对未来“耐盐碱水稻”的发展,袁隆平兴奋地说:“为什么别的国家研究进展都不大,而我们在短短几年间研究就有所突破?因为我们将水稻耐盐碱基因与水稻杂种优势利用结合起来了”。他提出,在 10年内选育出耐盐度在 3‰~ 6‰、耐碱在 pH 值 9 以上的耐盐碱水稻品种,且年推广面积达 1 亿亩,平均亩产 300 公斤,每年就可增产 300 亿公斤181粮食的目标。如今已鲐背之年的袁隆平说,下一个梦想,就是将“耐盐碱水稻”发展到 1 亿亩,为国家增产粮食 300 亿公斤,多养活 1 亿人口。

50 多年来,伴随着杂交水稻的研究,袁隆平经历了无数的磨难和艰辛,但他永不言弃,不断创新,迎来了一个个成功与辉煌。在谈及自己在创新之路上取得的成功经验时,袁隆平用一个简洁的公式表示:成功 = 知识 + 汗水 + 灵感 + 机遇。

(撰稿:《中国高新技术》杂志社 姚昆仑)



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