我國(guó)雜交稻機(jī)械化制種技術(shù)研究進(jìn)展與展望

楊 韋，方 玉，嚴(yán) 志，申廣勒，汪和廷，王 慧，張從合

安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜交稻新品種創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088

農(nóng)以種為先。水稻是重要的糧食作物，全世界50%以上，我國(guó)約65%的人口以大米為食[1]。我國(guó)是世界首個(gè)培育雜交水稻并大面積生產(chǎn)應(yīng)用的國(guó)家。經(jīng)過50余年的發(fā)展，在勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上形成了完善的種子生產(chǎn)體系。然而，目前水稻生產(chǎn)系統(tǒng)耗時(shí)耗力，種子生產(chǎn)基地規(guī)模小、分散，難以保證種子生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。同時(shí)，雜交水稻產(chǎn)業(yè)正面臨著復(fù)雜多變的氣候變化壓力和勞動(dòng)力供應(yīng)不足等一系列問題，雜交水稻尤其是雜交稻種子生產(chǎn)環(huán)節(jié)迫切需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化，如何從育種技術(shù)端實(shí)現(xiàn)突破、如何創(chuàng)制適宜機(jī)械化生產(chǎn)的新材料與新組合、如何實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，正成為制約我國(guó)雜交水稻產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的難點(diǎn)。

1 雜交水稻技術(shù)應(yīng)用保障了國(guó)家糧食安全

雜交水稻的研發(fā)與應(yīng)用是我國(guó)農(nóng)業(yè)科技尤其是水稻領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平的重要標(biāo)志。我國(guó)水稻年種植面積接近全國(guó)耕地面積1/4，約3 000萬hm2，其中雜交水稻年種植面積約占水稻總面積的57%，雜交稻制繁種面積約18萬hm2[2]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)表明，2016年我國(guó)水稻種植面積3 016.24萬hm2，占全年糧食播種總面積11 302.82萬hm2的26.69%，水 稻 總 產(chǎn) 量2.07億t，占 全 年 糧 食 總 產(chǎn) 量6.16億t的33.58%，雜交水稻突出的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)有效地保障了國(guó)家糧食安全，然而新形勢(shì)下，如何保證農(nóng)業(yè)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展？尋找和實(shí)現(xiàn)雜交水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化和輕簡(jiǎn)化是關(guān)鍵。

2 國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀

以美國(guó)為代表的國(guó)家較早地開展農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。早在1980年，我國(guó)雜交稻品種南優(yōu)2號(hào)在美國(guó)開展了機(jī)械化制種試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，借助直升機(jī)旋翼風(fēng)力，可以輔助水稻制種田間授粉研究[3]。馬來西亞以雜交水稻“SIRAJ”和“HR-15H”為對(duì)象，結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)器及其配套技術(shù)，成功將制種產(chǎn)量從0.4 t/hm2提高至1.2 t/hm2和1.8 t/hm2[4]。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家及跨國(guó)龍頭企業(yè)在農(nóng)業(yè)機(jī)械研制方面也頗具優(yōu)勢(shì)，例如美國(guó)John Deer、AGCO 等公司生產(chǎn)的通用農(nóng)業(yè)機(jī)械，能夠完成主要農(nóng)作物的全程機(jī)械化生產(chǎn)。

3 我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)下，雖然我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平有待提高，但近年來，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)政策與相關(guān)項(xiàng)目的推行也取得了一定的進(jìn)展。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)汪沛等[5]以Z3型無人駕駛油動(dòng)力單旋翼直升機(jī)（UGESRH）輔助授粉，實(shí)現(xiàn)了父母本機(jī)械化耕種和收割。段勝明等[6]對(duì)水稻品種深兩優(yōu)870進(jìn)行機(jī)械化制種，利用單旋翼農(nóng)用無人機(jī)載重農(nóng)藥和輔助授粉等方式，提高授粉效率15%以上。黃波等[7]利用國(guó)審品種蓉18優(yōu)662開展研究，2014年在四川省綿陽市游仙區(qū)重點(diǎn)研究機(jī)械化種子生產(chǎn)配套技術(shù)。揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)是兩系雜交水稻種植面積較大的組合，譚長(zhǎng)樂等[8]以揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)為重點(diǎn)，開展了全程機(jī)械化研究示范。荃銀高科利用兩系不育系新安S（穎殼具有褐色）為母本，育成具有防偽性、親本色差明顯的優(yōu)質(zhì)型新品種，株型和生育期適中，可以滿足市場(chǎng)對(duì)輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)需求。

4 我國(guó)在雜交水稻制種機(jī)械化的創(chuàng)新技術(shù)

近年來，科研工作者加強(qiáng)了對(duì)適宜機(jī)械化制種技術(shù)的研究，主要有以科研院所主導(dǎo)水稻新基因的挖掘與利用，例如除草劑敏感基因、大小?？刂苹颉⒑稚虻?；以企業(yè)和應(yīng)用單位聯(lián)合開展的父母本混播混收結(jié)合光電色選技術(shù)、花粉貯粉、儲(chǔ)藏與授粉制種技術(shù)等；同時(shí)，有部分配套農(nóng)機(jī)農(nóng)藝研究與試制?？傮w來說，我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化尤其在新品種及配套技術(shù)方面已經(jīng)取得了一定的成果。

4.1 除草劑敏感基因?qū)敕?/h3>

此方法原理為：在雜交水稻親本中導(dǎo)入除草劑敏感基因，制種時(shí)采取父母本混合播種，噴施除草劑，使攜帶有水稻除草劑敏感基因的父本在授粉之后死，亡從而實(shí)現(xiàn)混播混收和制種機(jī)械化。劉秋華[9]對(duì)農(nóng)林8號(hào)m苯達(dá)松的敏感致死性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了基因定位。朱必鳳等[10]研究了除草劑苯達(dá)松敏感致死水稻bel基因。科研工作者選育出除草劑“苯達(dá)松”敏感水稻恢復(fù)系和不育系，能夠進(jìn)行混播制種的紅蓮型雜交中秈新品種混制1號(hào)、混制2號(hào)等[11-14]。苯達(dá)松敏感致死的兩用不育系8077S 、佳豐68S（中秈型水稻兩用核不育系）、秈型光溫敏核不育系綠敏S等水稻資源的相繼發(fā)掘?yàn)槌輨┟舾谢驅(qū)胙芯糠e累了一定的資源。除了苯達(dá)松敏感基因之外，我國(guó)科研工作者在抗除草劑水稻品種選育方面也取得突破，將Bar基因?qū)牖謴?fù)系B1、B7以及培矮64S中[15]。肖國(guó)櫻等[16]將Bar基因?qū)隓68中并成功選育出抗草銨膦水稻恢復(fù)系Bar68-1；育成了水稻新組合香125S/ Bar69-1、株1S/Bar68-1等代表性組合。

4.2 基于稻殼顏色標(biāo)記實(shí)現(xiàn)“混播混收+光電色選”

通過選育父母本籽粒顏色差異化的不育系或恢復(fù)系，混種混收后利用光電分選設(shè)備將父母本分選，可以實(shí)現(xiàn)制種機(jī)械化。我國(guó)科研工作者針對(duì)稻殼顏色標(biāo)記進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了機(jī)械化模擬制種或示范制種。廣西博白縣農(nóng)科所早在1987年就已經(jīng)選育了褐色穎殼不育系博白A等材料[17]。劉文江等[18]利用具有隱性金色殼特征的恢復(fù)系成恢51430，與內(nèi)6A、川康606A等多個(gè)不育系，混播混收結(jié)合化學(xué)除草、種子色選等技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了制種機(jī)械化。安徽荃銀高科種業(yè)股份公司利用具有褐色性狀的母本新安S等材料，育成了適宜機(jī)械化制種的兩系雜交晚秈稻組合新兩優(yōu)106、新兩優(yōu)香4、新兩優(yōu)1671、新兩優(yōu)611等，以荃香糯S（新安 S×香糯Y874）為例，2015年9月，荃銀高科在安徽省六安市舒城縣桃溪鎮(zhèn)金圩村混直播制種田，實(shí)收荃香糯2號(hào)混直播制種田866.67 m2，折合產(chǎn)量387 kg/667 m2，折合雜交種畝產(chǎn)224.1 kg，比對(duì)照（人工栽插秧）增產(chǎn)41.5 kg，增幅達(dá)22.7%。此外，公司與美亞光電等企業(yè)合作進(jìn)行配套的光電色選設(shè)備研制，目前已能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的谷色篩選。隨著光電色選技術(shù)的提升，利用水稻特異穎殼顏色為區(qū)分，實(shí)現(xiàn)混播制種應(yīng)用條件相對(duì)成熟，在今后雜交水稻生產(chǎn)中將有大幅應(yīng)用。

4.3 基于父母本粒型差異,開展“混播混收+機(jī)器分選”

針對(duì)稻谷籽粒大小，設(shè)計(jì)配套儀器，在父母本混播混收后可實(shí)現(xiàn)機(jī)器分選，該技術(shù)方向目前國(guó)內(nèi)已取得一定研究成果，劉廷斌等[19]已選育出親本粒型大小差異的品種，并進(jìn)行了配套技術(shù)探索研究。余應(yīng)弘等[20]創(chuàng)制出水稻光溫敏小粒不育系，千粒重11 g左右，并配套設(shè)計(jì)出圓筒窩眼型孔篩，通過機(jī)械分選程序，能夠依據(jù)粒型大小實(shí)現(xiàn)雜種分離。但在實(shí)踐中，粒型差異受到高溫等自然環(huán)境的影響，父母本粒厚差異會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，大規(guī)模生產(chǎn)存在制種風(fēng)險(xiǎn)，容易出現(xiàn)因機(jī)械分離去除不完全，從而導(dǎo)致種子純度不高。

4.4 雜交水稻機(jī)械采粉、貯粉與授粉制種技術(shù)

主要原理：利用機(jī)械收集、貯藏父本花粉，實(shí)現(xiàn)花粉實(shí)時(shí)就地授粉。在雜交水稻母本揚(yáng)花授粉時(shí)期，形成花粉云霧，實(shí)現(xiàn)雜交稻母本授粉的目的[21]。制種時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到花期不遇的現(xiàn)象，需要調(diào)節(jié)播種時(shí)間，但往往無法解決花時(shí)不育的問題。開展水稻花粉離體保存技術(shù)研究，為收集水稻父本花粉，進(jìn)行異地、異時(shí)授粉制種提供技術(shù)支撐。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需雜交稻父母本混植，無需調(diào)節(jié)花期和花時(shí)，可根據(jù)情況多次授粉，提高雜交稻制種或不育系繁殖單產(chǎn)。但是，配套花粉采集、保存、授粉等系列儀器設(shè)備制造及規(guī)模化試驗(yàn)場(chǎng)景驗(yàn)證等仍有待進(jìn)一步研究。王永維等[22]利用“擊穗氣吹式”授粉機(jī)開展授粉環(huán)節(jié)機(jī)械化。荃銀高科也開展了水稻花粉保存技術(shù)與利用的研究，可以完成水稻、小麥等花粉初步采集、貯藏和再授粉過程，避免受天氣和自然災(zāi)害的影響，其中，發(fā)明專利《一種禾本科作物雜交種規(guī)?；a(chǎn)的方法》已獲得授權(quán)，申請(qǐng)并授權(quán)實(shí)用新型專利5項(xiàng)；外觀設(shè)計(jì)專利1項(xiàng)。

4.5 利用水稻雌性不育實(shí)現(xiàn)父母本混種混收

通過將雌性不育特性的水稻材料轉(zhuǎn)至雜交水稻父本中，篩選出雄配子發(fā)育完全正常而雌配子發(fā)育障礙的材料，無法獲得正常的父本種子，實(shí)現(xiàn)父母本混植機(jī)械化制種，將具有這種功能的父本與不育系混播混收從而實(shí)現(xiàn)制種機(jī)械化[23]。曹孟良等[24]利用雌性不育的雜交稻機(jī)械化制種技術(shù)研究與應(yīng)用，利用水稻雌性不育、花粉致死、熒光篩選標(biāo)記等基因開展研究。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“水稻雌性不育系+雄性不育系”，即“FM系法”，也為實(shí)現(xiàn)雜交水稻機(jī)械化高效制種提供了新的技術(shù)方案。

5 我國(guó)在雜交水稻制種機(jī)械化關(guān)鍵問題

我國(guó)在雜交稻制種全程機(jī)械化方面進(jìn)行了大量的研究與多方面的創(chuàng)新嘗試，但在具有自主核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)且適宜機(jī)械化制種基因挖掘和克隆方面仍然有很大的提升空間，且主要技術(shù)掌握在科研院所中，缺乏與產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)的合作和大面積產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐。目前，研究的主要方向或多或少存在著技術(shù)缺陷，例如：適宜機(jī)械化生產(chǎn)的突破性雜交稻新品種不足、基于籽粒大小基因帶來的純度問題、特色基因引起連鎖累贅、花粉收集儲(chǔ)藏配套機(jī)械設(shè)備不足、高質(zhì)量機(jī)械化制種配套技術(shù)體系不夠完善等問題有待解決。

6 實(shí)現(xiàn)制種機(jī)械化的策略

6.1 加強(qiáng)財(cái)政引導(dǎo)，鼓勵(lì)和支持“產(chǎn)學(xué)研用”一體化

種機(jī)械化是一項(xiàng)系統(tǒng)性、復(fù)雜性的工程，涉及新基因、新技術(shù)、新材料、新組合、新設(shè)備等多個(gè)方面，需要科研院所與行業(yè)龍頭企業(yè)共同探索，形成“基因、技術(shù)、產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)”閉環(huán)，并進(jìn)行配套技術(shù)研究，促進(jìn)種業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。鼓勵(lì)和搭建以解決種業(yè)“卡脖子”問題為目標(biāo)的聯(lián)盟、創(chuàng)新聯(lián)合體、產(chǎn)業(yè)體系等多種創(chuàng)新平臺(tái)，建立系統(tǒng)化機(jī)械化種模式和產(chǎn)業(yè)體系，聯(lián)合攻關(guān)開展雜交稻制種的農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合研究和應(yīng)用。

6.2 以分子生物技術(shù)為支撐，注重突破性水稻新品種選育及技術(shù)融合

在品種選育和應(yīng)用過程中，尤其是種業(yè)企業(yè)應(yīng)高度重視農(nóng)藝農(nóng)機(jī)相結(jié)合，培育出滿足市場(chǎng)需求、適宜機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化種子生產(chǎn)的水稻品種，這是推動(dòng)制種機(jī)械化關(guān)鍵[25]。挖掘和利用優(yōu)良基因，在保證材料和品種生育期、抗倒耐逆等適宜機(jī)械化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)培育具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、耐逆、抗病、適宜機(jī)械化生產(chǎn)的新品種。同時(shí)可以綜合考慮技術(shù)間的合作和效能提升，例如在父母本色差與除草劑基因結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“雙保險(xiǎn)”，從而多維度提升種子純度。

6.3 加強(qiáng)配套農(nóng)業(yè)機(jī)器設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用

種業(yè)是農(nóng)業(yè)的芯片，黨和國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)尤其種業(yè)的高度重視和支持為種業(yè)科研提供了良好的政策環(huán)境，我國(guó)的雜交水稻制種機(jī)械化已具有一定的技術(shù)實(shí)力和市場(chǎng)應(yīng)用前景。水稻育種家與農(nóng)機(jī)專家需要密切合作，在選育適合機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化關(guān)鍵農(nóng)藝性狀指標(biāo)品種，滿足雜交制種產(chǎn)業(yè)規(guī)?；C(jī)械化、智能化、精準(zhǔn)化的要求。

例如：荃銀高科與光電色選上市公司合肥美亞光電技術(shù)股份有限公司合作研究適合稻谷種子的色選技術(shù)和精度高、識(shí)別速度快的儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對(duì)水稻稻谷顏色特殊、不透明、外表粗糙，干燥度或成熟度不一致，色選環(huán)境較差等條件，不斷調(diào)整試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)，制定相關(guān)操作規(guī)程，最終使種子色選精度達(dá)99%以上，被選種子基本無破碎。

隨著我國(guó)適宜機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化雜交水稻新品種、新技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新，尤其是在以隆平高科、荃銀高科等為代表的種業(yè)上市公司不斷加強(qiáng)研發(fā)投入，堅(jiān)持品種創(chuàng)新的同時(shí)，也聯(lián)合科研院所開展基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)等創(chuàng)新合作。我國(guó)種業(yè)機(jī)械化整體水平與國(guó)外逐步縮小，且在水稻新品種選育等方面具備一定優(yōu)勢(shì)。未來，隨著配套種子播種、收獲、貯藏、光電篩選等儀器設(shè)備的不斷完善優(yōu)化，能夠?yàn)榻鉀Q雜交稻機(jī)械化制種“卡脖子”問題提供解決方案，從而實(shí)現(xiàn)雜交稻產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，保障國(guó)家乃至世界糧食安全。