我國雜交稻機械化制種技術研究進展與展望

楊 韋，方 玉，嚴 志，申廣勒，汪和廷，王 慧，張從合

安徽荃銀高科種業股份有限公司/農業農村部雜交稻新品種創制重點實驗室，安徽合肥 230088

農以種為先。水稻是重要的糧食作物，全世界50%以上，我國約65%的人口以大米為食[1]。我國是世界首個培育雜交水稻并大面積生產應用的國家。經過50余年的發展，在勞動密集型產業的基礎上形成了完善的種子生產體系。然而，目前水稻生產系統耗時耗力，種子生產基地規模小、分散，難以保證種子生產的產量和質量。同時，雜交水稻產業正面臨著復雜多變的氣候變化壓力和勞動力供應不足等一系列問題，雜交水稻尤其是雜交稻種子生產環節迫切需要實現機械化、智能化，如何從育種技術端實現突破、如何創制適宜機械化生產的新材料與新組合、如何實現全程機械化產業創新發展，正成為制約我國雜交水稻產業進一步發展的難點。

1 雜交水稻技術應用保障了國家糧食安全

雜交水稻的研發與應用是我國農業科技尤其是水稻領域處于世界領先水平的重要標志。我國水稻年種植面積接近全國耕地面積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]。國家統計局數據表明，2016年我國水稻種植面積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 量2.07億t，占 全 年 糧 食 總 產 量6.16億t的33.58%，雜交水稻突出的產量優勢有效地保障了國家糧食安全，然而新形勢下，如何保證農業持續高質量發展？尋找和實現雜交水稻生產全程機械化和輕簡化是關鍵。

2 國外農業機械化發展現狀

以美國為代表的國家較早地開展農業機械化研究。早在1980年，我國雜交稻品種南優2號在美國開展了機械化制種試驗，實驗結果顯示，借助直升機旋翼風力，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”為對象，結合農業機器及其配套技術，成功將制種產量從0.4 t/hm2提高至1.2 t/hm2和1.8 t/hm2[4]。目前，發達國家及跨國龍頭企業在農業機械研制方面也頗具優勢，例如美國John Deer、AGCO 等公司生產的通用農業機械，能夠完成主要農作物的全程機械化生產。

3 我國農業機械化發展現狀

當下，雖然我國農業機械化水平有待提高，但近年來，國內農業政策與相關項目的推行也取得了一定的進展。華南農業大學汪沛等[5]以Z3型無人駕駛油動力單旋翼直升機（UGESRH）輔助授粉，實現了父母本機械化耕種和收割。段勝明等[6]對水稻品種深兩優870進行機械化制種，利用單旋翼農用無人機載重農藥和輔助授粉等方式，提高授粉效率15%以上。黃波等[7]利用國審品種蓉18優662開展研究，2014年在四川省綿陽市游仙區重點研究機械化種子生產配套技術。揚兩優6號是兩系雜交水稻種植面積較大的組合，譚長樂等[8]以揚兩優6號為重點，開展了全程機械化研究示范。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、親本色差明顯的優質型新品種，株型和生育期適中，可以滿足市場對輕簡化生產需求。

4 我國在雜交水稻制種機械化的創新技術

近年來，科研工作者加強了對適宜機械化制種技術的研究，主要有以科研院所主導水稻新基因的挖掘與利用，例如除草劑敏感基因、大小粒控制基因、褐色基因等；以企業和應用單位聯合開展的父母本混播混收結合光電色選技術、花粉貯粉、儲藏與授粉制種技術等；同時，有部分配套農機農藝研究與試制。總體來說，我國在農業機械化尤其在新品種及配套技術方面已經取得了一定的成果。

4.1 除草劑敏感基因導入法

此方法原理為：在雜交水稻親本中導入除草劑敏感基因，制種時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，亡從而實現混播混收和制種機械化。劉秋華[9]對農林8號m苯達松的敏感致死性進行了系統研究，并進行了基因定位。朱必鳳等[10]研究了除草劑苯達松敏感致死水稻bel基因。科研工作者選育出除草劑“苯達松”敏感水稻恢復系和不育系，能夠進行混播制種的紅蓮型雜交中秈新品種混制1號、混制2號等[11-14]。苯達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掘為除草劑敏感基因導入研究積累了一定的資源。除了苯達松敏感基因之外，我國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基因導入恢復系B1、B7以及培矮64S中[15]。肖國櫻等[16]將Bar基因導入D68中并成功選育出抗草銨膦水稻恢復系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 基于稻殼顏色標記實現“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系，混種混收后利用光電分選設備將父母本分選，可以實現制種機械化。我國科研工作者針對稻殼顏色標記進行了系統研究，并進行了機械化模擬制種或示范制種。廣西博白縣農科所早在1987年就已經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系成恢51430，與內6A、川康606A等多個不育系，混播混收結合化學除草、種子色選等技術，初步實現了制種機械化。安徽荃銀高科種業股份公司利用具有褐色性狀的母本新安S等材料，育成了適宜機械化制種的兩系雜交晚秈稻組合新兩優106、新兩優香4、新兩優1671、新兩優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金圩村混直播制種田，實收荃香糯2號混直播制種田866.67 m2，折合產量387 kg/667 m2，折合雜交種畝產224.1 kg，比對照（人工栽插秧）增產41.5 kg，增幅達22.7%。此外，公司與美亞光電等企業合作進行配套的光電色選設備研制，目前已能夠實現高精度的谷色篩選。隨著光電色選技術的提升，利用水稻特異穎殼顏色為區分，實現混播制種應用條件相對成熟，在今后雜交水稻生產中將有大幅應用。

4.3 基于父母本粒型差異,開展“混播混收+機器分選”

針對稻谷籽粒大小，設計配套儀器，在父母本混播混收后可實現機器分選，該技術方向目前國內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，并進行了配套技術探索研究。余應弘等[20]創制出水稻光溫敏小粒不育系，千粒重11 g左右，并配套設計出圓筒窩眼型孔篩，通過機械分選程序，能夠依據粒型大小實現雜種分離。但在實踐中，粒型差異受到高溫等自然環境的影響，父母本粒厚差異會出現波動，大規模生產存在制種風險，容易出現因機械分離去除不完全，從而導致種子純度不高。

4.4 雜交水稻機械采粉、貯粉與授粉制種技術

主要原理：利用機械收集、貯藏父本花粉，實現花粉實時就地授粉。在雜交水稻母本揚花授粉時期，形成花粉云霧，實現雜交稻母本授粉的目的[21]。制種時，經常會遇到花期不遇的現象，需要調節播種時間，但往往無法解決花時不育的問題。開展水稻花粉離體保存技術研究，為收集水稻父本花粉，進行異地、異時授粉制種提供技術支撐。該技術的優點是不需雜交稻父母本混植，無需調節花期和花時，可根據情況多次授粉，提高雜交稻制種或不育系繁殖單產。但是，配套花粉采集、保存、授粉等系列儀器設備制造及規模化試驗場景驗證等仍有待進一步研究。王永維等[22]利用“擊穗氣吹式”授粉機開展授粉環節機械化。荃銀高科也開展了水稻花粉保存技術與利用的研究，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害的影響，其中，發明專利《一種禾本科作物雜交種規模化生產的方法》已獲得授權，申請并授權實用新型專利5項；外觀設計專利1項。

4.5 利用水稻雌性不育實現父母本混種混收

通過將雌性不育特性的水稻材料轉至雜交水稻父本中，篩選出雄配子發育完全正常而雌配子發育障礙的材料，無法獲得正常的父本種子，實現父母本混植機械化制種，將具有這種功能的父本與不育系混播混收從而實現制種機械化[23]。曹孟良等[24]利用雌性不育的雜交稻機械化制種技術研究與應用，利用水稻雌性不育、花粉致死、熒光篩選標記等基因開展研究。云南農業大學科研團隊構建了“水稻雌性不育系+雄性不育系”，即“FM系法”，也為實現雜交水稻機械化高效制種提供了新的技術方案。

5 我國在雜交水稻制種機械化關鍵問題

我國在雜交稻制種全程機械化方面進行了大量的研究與多方面的創新嘗試，但在具有自主核心知識產權且適宜機械化制種基因挖掘和克隆方面仍然有很大的提升空間，且主要技術掌握在科研院所中，缺乏與產業龍頭企業的合作和大面積產業化實踐。目前，研究的主要方向或多或少存在著技術缺陷，例如：適宜機械化生產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、花粉收集儲藏配套機械設備不足、高質量機械化制種配套技術體系不夠完善等問題有待解決。

6 實現制種機械化的策略

6.1 加強財政引導，鼓勵和支持“產學研用”一體化

種機械化是一項系統性、復雜性的工程，涉及新基因、新技術、新材料、新組合、新設備等多個方面，需要科研院所與行業龍頭企業共同探索，形成“基因、技術、產品、產業”閉環，并進行配套技術研究，促進種業的可持續發展。鼓勵和搭建以解決種業“卡脖子”問題為目標的聯盟、創新聯合體、產業體系等多種創新平臺，建立系統化機械化種模式和產業體系，聯合攻關開展雜交稻制種的農機與農藝融合研究和應用。

6.2 以分子生物技術為支撐，注重突破性水稻新品種選育及技術融合

在品種選育和應用過程中，尤其是種業企業應高度重視農藝農機相結合，培育出滿足市場需求、適宜機械化、輕簡化種子生產的水稻品種，這是推動制種機械化關鍵[25]。挖掘和利用優良基因，在保證材料和品種生育期、抗倒耐逆等適宜機械化生產的基礎上，繼續培育具有高產、優質、耐逆、抗病、適宜機械化生產的新品種。同時可以綜合考慮技術間的合作和效能提升，例如在父母本色差與除草劑基因結合，實現“雙保險”，從而多維度提升種子純度。

6.3 加強配套農業機器設備研發與應用

種業是農業的芯片，黨和國家對農業尤其種業的高度重視和支持為種業科研提供了良好的政策環境，我國的雜交水稻制種機械化已具有一定的技術實力和市場應用前景。水稻育種家與農機專家需要密切合作，在選育適合機械化、輕簡化關鍵農藝性狀指標品種，滿足雜交制種產業規模化、機械化、智能化、精準化的要求。

例如：荃銀高科與光電色選上市公司合肥美亞光電技術股份有限公司合作研究適合稻谷種子的色選技術和精度高、識別速度快的儀器設備的基礎上，針對水稻稻谷顏色特殊、不透明、外表粗糙，干燥度或成熟度不一致，色選環境較差等條件，不斷調整試驗技術參數，制定相關操作規程，最終使種子色選精度達99%以上，被選種子基本無破碎。

隨著我國適宜機械化、輕簡化雜交水稻新品種、新技術不斷發展與創新，尤其是在以隆平高科、荃銀高科等為代表的種業上市公司不斷加強研發投入，堅持品種創新的同時，也聯合科研院所開展基礎研究與應用技術等創新合作。我國種業機械化整體水平與國外逐步縮小，且在水稻新品種選育等方面具備一定優勢。未來，隨著配套種子播種、收獲、貯藏、光電篩選等儀器設備的不斷完善優化，能夠為解決雜交稻機械化制種“卡脖子”問題提供解決方案，從而實現雜交稻產業的持續創新發展，保障國家乃至世界糧食安全。