水稻之國的種子奇跡

1981年，改革開放政策剛剛開始兩年多，新中國成立以來國家頒發的第一個特等發明獎，等來了它的領獎者—一群皮膚黝黑、耕耘在農田中的科學家。那一年的夏天，國家科委、農委在北京聯合召開授獎大會，授予全國秈型雜交水稻科研協作組袁隆平等人特等發明獎。秈型雜交水稻是中國農業史上的一項重大發明，其研究和推廣在國際上也居領先地位，將新中國第一個特等發明獎授予農業科學家，授予水稻研究，其背后的意義更值得深思。

水稻雜交，一個歷史難題

世界上大部分國家的主要糧食作物是小麥，我國卻一直是一個水稻種植大國。早在北宋時期，水稻總產量就位居糧食作物的首位，明清之后，水稻更是國人依賴的主要食物。歷史上，水稻的豐歉與種植面積的不斷北擴，一直推動著中國社會的變遷。

“雜交水稻”這個農業名詞，對于國人來說如雷貫耳，但真正能理解它的人不多。雜交水稻是指選用兩個在遺傳上有一定差異，同時它們的優良性狀又能互補的水稻品種，進行雜交，產生具有雜種優勢的第一代雜交種，用于生產。這個定義聽起來簡單，但是要想讓水稻雜交，難度超乎想象。

作為重要糧食作物的玉米，其雜交的難度要小得多。玉米是單性花、異花授粉，因此在雜交時，不需要“去雄”，其雜交方法和步驟也較為簡單。但水稻屬自花授粉植物，雌雄蕊著生在同一朵穎花里，由于穎花很小，而且每朵花只結一粒種子，因此很難用人工去雄雜交的方法來生產大量的第一代雜交種子，所以長期以來水稻的雜種優勢未能得到應用。世界上首次成功培育出雜交水稻的是一個美國人，名為亨利·畢徹。1963年，他于印度尼西亞完成了首次水稻雜交，后被授予1996年的世界糧食獎。

要想成功培育出雜交水稻，就要先育出只有“單一性功能”的水稻。中國稻作科學的奠基人丁穎曾用人工辦法給水稻“去雄”，但實際效果不佳，也未能大面積推廣。理想的辦法是找到雄性不育系水稻（簡稱不育系，即雄性器官功能喪失，但雌性器官仍可授粉結實），這樣的水稻適合用作雜交水稻的母本。

雜交水稻的累累碩果

1966年，一篇名為《水稻的雄性不孕性》的論文在《科學通報》上發表，這是國內第一篇論述水稻雄性不育性的論文，該文作者是袁隆平。20世紀60年代初的中國，正在經歷嚴重的全國性糧食短缺，作為一名育種專家，袁隆平也極為渴望能改變這一現狀。他于1964年開始研究雜交水稻，在研究過程中一直秉持開放態度。1970年10月，袁隆平的助手李必湖在海南當地的一個水溝旁發現了一株野生的花粉敗育不育株。當時正在北京查閱資料的袁隆平為了這一株水稻連夜趕回三亞，后來他將其命名為“野敗”。兩年后，袁隆平向全國育種攻關組所有成員單位發放了“野敗”材料，共同選育“三系”（指不育系、恢復系、保持系）強優勢組合。水稻專家顏龍安在得到袁隆平的“野敗”材料后，經過悉心培育，第一個成功出穗。1972年冬，顏龍安育成“二九矮1號”不育系及同型保持系，并開始向全國提供不育系種子。

1974年，袁隆平育成中國第一個強勢雜交組合“南優2號”水稻，從而為大面積推廣雜交水稻奠定了基礎。第二年冬天，國務院做出了迅速擴大試種和大量推廣雜交水稻的決定。

改革開放之后，國家給予雜交水稻研究極大支持。1997年，袁隆平帶領團隊開始研究超級雜交稻。2004年，超級雜交稻實現百畝示范片畝產800千克。除了力圖實現增產外，新型的超級雜交稻研究小組更重視水稻營養問題，其研究團隊已經致力于在新品種中增加維生素A、蛋白質、淀粉及其他營養含量，以期減少貧血和視覺疾患。

2016年10月10日，袁隆平指導的超級雜交稻“超優1000”，經專家組驗收，實測畝產達到1013.8千克，創造了新的雜交水稻高緯度畝產世界紀錄。

在全國范圍內研究雜交水稻的團隊很多，根據國家水稻數據中心數據，我國推廣面積前三的雜交組合品種“汕優63”“汕優64”和“威優64”，都為三系雜交稻。這三大品種的親本，都來源于袁隆平培育成功的“野敗”。

隨著雜交水稻在世界各國試驗試種，雜交稻技術已引起全世界的關注。近年來，袁隆平先后應邀到美國、日本、法國、英國、意大利、澳大利亞等國講學，與當地科學家交流，并進行技術合作。雜交水稻已經從中國走向世界，美國、日本、菲律賓、巴西、阿根廷等100多個國家紛紛引進雜交水稻。

新型雜交水稻帶來新期望

由于生物的適應性，一個雜交品種的優勢一般只能保持數年至數十年，因此，雜交水稻的品種需要不斷更新，沒有哪一個品種可以包打天下。

耐鹽堿水稻

全球有鹽堿地9.5億公頃，其中亞洲為3.2億公頃，占全球的1/3以上，中國有鹽堿地1億公頃，其中2億畝具備水稻種植潛力。2017年，袁隆平曾表示，將在3～5年內選育出在鹽分濃度3‰～8‰的海水灌溉種植條件下，畝產300千克以上的耐鹽堿水稻新品種。如果試種和推廣成功以后按每畝產值200～300千克計，可增產500億千克糧食，多養活約2億人。2018年，海南南繁基地從上千份耐鹽堿水稻材料中選出176份優良品種，在全國范圍內開始試種。

抗稻瘟病水稻

稻瘟病，是水稻生長過程中最為嚴重的病害之一，俗稱“水稻癌癥”。其發病嚴重時，可致水稻大面積減產，甚至絕收。截至目前，對付稻瘟病并無一勞永逸的方法。為解決這一技術難題，袁隆平團隊引進了國際水稻所研究員周波的稻瘟病菌變異監控技術，提出了“抗性品種走在病原菌變化之前”的策略。根據這一策略，工作站建立了稻瘟病菌動態監控平臺。連續多年在長江和華南稻瘟病重災區收集發病葉片，分離稻瘟病生理小種并鑒定致病性，構建了不同地區具有代表性的稻瘟病生理小種庫，實現了不同地區稻瘟病生理小種群體變化規律的動態監測。除基于該平臺數據，培育出“旺兩優958”等抗稻瘟病超級雜交稻新品種外，袁隆平團隊還將針對性布局品種的高產示范和大面積推廣，并最終實現雜交稻新品種長期、持久抗稻瘟病。

“除鎘”水稻

雖然各地陸續有鎘污染事件的報道，但大米重金屬鎘污染是人們容易忽視的重大食品安全問題。2014年，我國環保與土地部門聯合發布了《全國土壤污染狀況調查公報》，報告指出鎘的點位超標率占7%，遠高于其他化學元素。鎘被人體吸收后，主要累積在肺、肝、腎等器官中。研究表明，腎臟可吸收進入體內近1/3的鎘，是鎘中毒的“靶器官”。在2017年國家水稻新品種與新技術展示現場觀摩會上，袁隆平院士宣布了一項重大突破—水稻親本去鎘技術。

目前世界上在開發以及應用中的大米除鎘技術主要有土壤改造法、鎘稻吸收法以及輻照育種法等。此次袁隆平團隊開發的水稻親本去鎘技術屬于完全不同的技術路線。研究人員發現，不同水稻品種對于鎘污染的積累是不同的，各水稻品種對鎘吸收積累能力的不同是由于各水稻品種的基因型間的差異。在采訪中，袁隆平院士表示：“我們在水稻育種上有了一個突破性技術，可以把親本中的含鎘或者吸鎘的基因‘敲掉，親本干凈了，種子自然就干凈了。”親本除鎘技術從根本上改造了水稻，讓水稻從容易富集鎘的植物變成對鎘吸收較少的植物，自然會相應降低水稻稻種中的鎘含量。

目前，研究水稻功能基因組學的科學家正在解析控制水稻鎘吸收等性狀的關鍵基因。解析成功后，可以將這些科學成果與設計育種思路相結合，培育出一批優質、高產、耐鎘的優良水稻新品種。

巨型水稻

“雜交水稻之父”袁隆平一直有兩個夢：一是禾下乘涼夢，二是雜交水稻覆蓋全球夢。2017年，袁隆平的第一個夢已經成真—“巨型稻”試驗取得重大的成功。“巨型稻”最高可達2.25米，普通人只能對其仰望，只有籃球明星姚明敢和它“試比高”，而且這種水稻穗長粒多、種粒飽滿，按照現有數據預計，未來可以達到畝產1000千克。此外，“巨型稻”葉片寬大，光合作用充足，能為植株帶來充分的營養，還可為魚類、蛙類等動物遮陰避涼，提供良好的棲息環境，實現與青蛙、魚、泥鰍等“和諧共處”的生態種養新模式。“巨型稻”莖稈壯實，直徑粗約1厘米，抗病、抗倒伏能力強，能有效抵御大風暴雨的襲擊。“巨型稻”的培育技術在全球處于領先地位，是水稻技術領域名副其實的“獨角獸”，完全實現了袁隆平的“禾下乘涼夢”。在采訪中，袁隆平院士還表示：“我現在88歲了，希望在我100歲的時候，能夠實現第二個夢……”

分子育種—未來農業的先鋒

除了赫赫有名的雜交水稻，當前育種界備受矚目的“先鋒技術”是分子育種，它也被眾多專家看成是未來育種的方向。那么，什么是分子育種呢？其實分子育種是一個比較概括的說法，它是多種技術綜合的育種方式，包括：利用分子標記輔助育種技術、轉基因技術、基因編輯技術和全基因組選擇技術。通過分子育種，我們可以定向改造水稻的某些性狀，使現有品種更趨完善，是更高效、更精準的水稻新品種培育技術體系。廣東省農業科學院水稻研究所所長王豐表示：“分子標記輔助育種是通過尋找與重要農藝性狀緊密連鎖的DNA分子標記，從基因型水平上實現對目標性狀的直接選擇，從而加快育種進程，提高育種效率，選育抗病、優質、高產的品種。”

端起一碗米飯，如果能聞到誘人的米香，真是一種幸福的感覺。其實，多數水稻品種原本是沒有香味的，但為何目前很多優質米都有香味呢？這是因為水稻中的BAD2基因突變，缺失了8個堿基，導致基因功能的喪失，使產生香味的代謝物質乙烯吡咯啉不能轉化，從而累積在稻米中，使得米飯濃香誘人。現在通過分子育種技術，科學家也可以對基因中的堿基進行編輯，從而改變基因的功能。目前，科學家已經可以通過基因編輯的方法，改變BAD2基因的1、2個堿基，使基因的功能失活，從而不必經過復雜的選育過程就可以改變水稻的性狀，讓無香品種變得清香可口、人見人愛。

“十二五”以來，我國分子育種科學家已標記定位出水稻稻瘟病抗性、耐冷性、耐熱性、高收獲指數等性狀的相關基因（QTL）74個；克隆和功能驗證13個與稻瘟病抗性和耐冷性相關基因；通過分子標記輔助選擇創建了一批優良的水稻新種質。分子育種可謂是水稻“優生優育”的一大功臣。

改變稻田，改變世界

根據《中國雜交水稻的發展》一書提供的數據，雜交水稻的畝產，從1976年的316千克增長到1988年的443千克，增長了127千克。但到2011年，雜交水稻的畝產達550千克，增長了110千克。雜交水稻產量是否已經接近極限了呢？有了分子育種，是否雜交水稻技術就可以退居科研二線了呢？著名水稻專家顏龍安院士給出了否定答案。他認為，雜交水稻還遠未達到它的產量極限。如果能實現兩個亞種間的雜交，畝產1000千克是有希望的。未來，新的奇跡可能還會繼續發生。

從春風剛剛讓萬物復蘇的改革開放初期，到科技成果豐厚、人民生活水平發生巨大變化的當下，40年過去，無論觥斛交錯或是家居日常，一碗米飯依然是中國人一餐的收官。那一顆顆潔白清香的米粒仿佛從未改變，但它們背后的故事越來越精彩。從20世紀60年代的“吃飽”，到80年代的“增收”，再到21世紀的“走向世界”，中國科學家一直在默默努力，他們改變著種子、稻田，也改變著世界。