水稻之国的种子奇迹

1981年，改革开放政策刚刚开始两年多，新中国成立以来国家颁发的第一个特等发明奖，等来了它的领奖者—一群皮肤黝黑、耕耘在农田中的科学家。那一年的夏天，国家科委、农委在北京联合召开授奖大会，授予全国籼型杂交水稻科研协作组袁隆平等人特等发明奖。籼型杂交水稻是中国农业史上的一项重大发明，其研究和推广在国际上也居领先地位，将新中国第一个特等发明奖授予农业科学家，授予水稻研究，其背后的意义更值得深思。

水稻杂交，一个历史难题

世界上大部分国家的主要粮食作物是小麦，我国却一直是一个水稻种植大国。早在北宋时期，水稻总产量就位居粮食作物的首位，明清之后，水稻更是国人依赖的主要食物。历史上，水稻的丰歉与种植面积的不断北扩，一直推动着中国社会的变迁。

“杂交水稻”这个农业名词，对于国人来说如雷贯耳，但真正能理解它的人不多。杂交水稻是指选用两个在遗传上有一定差异，同时它们的优良性状又能互补的水稻品种，进行杂交，产生具有杂种优势的第一代杂交种，用于生产。这个定义听起来简单，但是要想让水稻杂交，难度超乎想象。

作为重要粮食作物的玉米，其杂交的难度要小得多。玉米是单性花、异花授粉，因此在杂交时，不需要“去雄”，其杂交方法和步骤也较为简单。但水稻属自花授粉植物，雌雄蕊着生在同一朵颖花里，由于颖花很小，而且每朵花只结一粒种子，因此很难用人工去雄杂交的方法来生产大量的第一代杂交种子，所以长期以来水稻的杂种优势未能得到应用。世界上首次成功培育出杂交水稻的是一个美国人，名为亨利·毕彻。1963年，他于印度尼西亚完成了首次水稻杂交，后被授予1996年的世界粮食奖。

要想成功培育出杂交水稻，就要先育出只有“单一性功能”的水稻。中国稻作科学的奠基人丁颖曾用人工办法给水稻“去雄”，但实际效果不佳，也未能大面积推广。理想的办法是找到雄性不育系水稻（简称不育系，即雄性器官功能丧失，但雌性器官仍可授粉结实），这样的水稻适合用作杂交水稻的母本。

杂交水稻的累累硕果

1966年，一篇名为《水稻的雄性不孕性》的论文在《科学通报》上发表，这是国内第一篇论述水稻雄性不育性的论文，该文作者是袁隆平。20世纪60年代初的中国，正在经历严重的全国性粮食短缺，作为一名育种专家，袁隆平也极为渴望能改变这一现状。他于1964年开始研究杂交水稻，在研究过程中一直秉持开放态度。1970年10月，袁隆平的助手李必湖在海南当地的一个水沟旁发现了一株野生的花粉败育不育株。当时正在北京查阅资料的袁隆平为了这一株水稻连夜赶回三亚，后来他将其命名为“野败”。两年后，袁隆平向全国育种攻关组所有成员单位发放了“野败”材料，共同选育“三系”（指不育系、恢复系、保持系）强优势组合。水稻专家颜龙安在得到袁隆平的“野败”材料后，经过悉心培育，第一个成功出穗。1972年冬，颜龙安育成“二九矮1号”不育系及同型保持系，并开始向全国提供不育系种子。

1974年，袁隆平育成中国第一个强势杂交组合“南优2号”水稻，从而为大面积推广杂交水稻奠定了基础。第二年冬天，国务院做出了迅速扩大试种和大量推广杂交水稻的决定。

改革开放之后，国家给予杂交水稻研究极大支持。1997年，袁隆平带领团队开始研究超级杂交稻。2004年，超级杂交稻实现百亩示范片亩产800千克。除了力图实现增产外，新型的超级杂交稻研究小组更重视水稻营养问题，其研究团队已经致力于在新品种中增加维生素A、蛋白质、淀粉及其他营养含量，以期减少贫血和视觉疾患。

2016年10月10日，袁隆平指导的超级杂交稻“超优1000”，经专家组验收，实测亩产达到1013.8千克，创造了新的杂交水稻高纬度亩产世界纪录。

在全国范围内研究杂交水稻的团队很多，根据国家水稻数据中心数据，我国推广面积前三的杂交组合品种“汕优63”“汕优64”和“威优64”，都为三系杂交稻。这三大品种的亲本，都来源于袁隆平培育成功的“野败”。

随着杂交水稻在世界各国试验试种，杂交稻技术已引起全世界的关注。近年来，袁隆平先后应邀到美国、日本、法国、英国、意大利、澳大利亚等国讲学，与当地科学家交流，并进行技术合作。杂交水稻已经从中国走向世界，美国、日本、菲律宾、巴西、阿根廷等100多个国家纷纷引进杂交水稻。

新型杂交水稻带来新期望

由于生物的适应性，一个杂交品种的优势一般只能保持数年至数十年，因此，杂交水稻的品种需要不断更新，没有哪一个品种可以包打天下。

耐盐碱水稻

全球有盐碱地9.5亿公顷，其中亚洲为3.2亿公顷，占全球的1/3以上，中国有盐碱地1亿公顷，其中2亿亩具备水稻种植潜力。2017年，袁隆平曾表示，将在3～5年内选育出在盐分浓度3‰～8‰的海水灌溉种植条件下，亩产300千克以上的耐盐碱水稻新品种。如果试种和推广成功以后按每亩产值200～300千克计，可增产500亿千克粮食，多养活约2亿人。2018年，海南南繁基地从上千份耐盐碱水稻材料中选出176份优良品种，在全国范围内开始试种。

抗稻瘟病水稻

稻瘟病，是水稻生长过程中最为严重的病害之一，俗称“水稻癌癥”。其发病严重时，可致水稻大面积减产，甚至绝收。截至目前，对付稻瘟病并无一劳永逸的方法。为解决这一技术难题，袁隆平团队引进了国际水稻所研究员周波的稻瘟病菌变异监控技术，提出了“抗性品种走在病原菌变化之前”的策略。根据这一策略，工作站建立了稻瘟病菌动态监控平台。连续多年在长江和华南稻瘟病重灾区收集发病叶片，分离稻瘟病生理小种并鉴定致病性，构建了不同地区具有代表性的稻瘟病生理小种库，实现了不同地区稻瘟病生理小种群体变化规律的动态监测。除基于该平台数据，培育出“旺两优958”等抗稻瘟病超级杂交稻新品种外，袁隆平团队还将针对性布局品种的高产示范和大面积推广，并最终实现杂交稻新品种长期、持久抗稻瘟病。

“除镉”水稻

虽然各地陆续有镉污染事件的报道，但大米重金属镉污染是人们容易忽视的重大食品安全问题。2014年，我国环保与土地部门联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》，报告指出镉的点位超标率占7%，远高于其他化学元素。镉被人体吸收后，主要累积在肺、肝、肾等器官中。研究表明，肾脏可吸收进入体内近1/3的镉，是镉中毒的“靶器官”。在2017年国家水稻新品种与新技术展示现场观摩会上，袁隆平院士宣布了一项重大突破—水稻亲本去镉技术。

目前世界上在开发以及应用中的大米除镉技术主要有土壤改造法、镉稻吸收法以及辐照育种法等。此次袁隆平团队开发的水稻亲本去镉技术属于完全不同的技术路线。研究人员发现，不同水稻品种对于镉污染的积累是不同的，各水稻品种对镉吸收积累能力的不同是由于各水稻品种的基因型间的差异。在采访中，袁隆平院士表示：“我们在水稻育种上有了一个突破性技术，可以把亲本中的含镉或者吸镉的基因‘敲掉，亲本干净了，种子自然就干净了。”亲本除镉技术从根本上改造了水稻，让水稻从容易富集镉的植物变成对镉吸收较少的植物，自然会相应降低水稻稻种中的镉含量。

目前，研究水稻功能基因组学的科学家正在解析控制水稻镉吸收等性状的关键基因。解析成功后，可以将这些科学成果与设计育种思路相结合，培育出一批优质、高产、耐镉的优良水稻新品种。

巨型水稻

“杂交水稻之父”袁隆平一直有两个梦：一是禾下乘凉梦，二是杂交水稻覆盖全球梦。2017年，袁隆平的第一个梦已经成真—“巨型稻”试验取得重大的成功。“巨型稻”最高可达2.25米，普通人只能对其仰望，只有篮球明星姚明敢和它“试比高”，而且这种水稻穗长粒多、种粒饱满，按照现有数据预计，未来可以达到亩产1000千克。此外，“巨型稻”叶片宽大，光合作用充足，能为植株带来充分的营养，还可为鱼类、蛙类等动物遮阴避凉，提供良好的栖息环境，实现与青蛙、鱼、泥鳅等“和谐共处”的生态种养新模式。“巨型稻”茎秆壮实，直径粗约1厘米，抗病、抗倒伏能力强，能有效抵御大风暴雨的袭击。“巨型稻”的培育技术在全球处于领先地位，是水稻技术领域名副其实的“独角兽”，完全实现了袁隆平的“禾下乘凉梦”。在采访中，袁隆平院士还表示：“我现在88岁了，希望在我100岁的时候，能够实现第二个梦……”

分子育种—未来农业的先锋

除了赫赫有名的杂交水稻，当前育种界备受瞩目的“先锋技术”是分子育种，它也被众多专家看成是未来育种的方向。那么，什么是分子育种呢？其实分子育种是一个比较概括的说法，它是多种技术综合的育种方式，包括：利用分子标记辅助育种技术、转基因技术、基因编辑技术和全基因组选择技术。通过分子育种，我们可以定向改造水稻的某些性状，使现有品种更趋完善，是更高效、更精准的水稻新品种培育技术体系。广东省农业科学院水稻研究所所长王丰表示：“分子标记辅助育种是通过寻找与重要农艺性状紧密连锁的DNA分子标记，从基因型水平上实现对目标性状的直接选择，从而加快育种进程，提高育种效率，选育抗病、优质、高产的品种。”

端起一碗米饭，如果能闻到诱人的米香，真是一种幸福的感觉。其实，多数水稻品种原本是没有香味的，但为何目前很多优质米都有香味呢？这是因为水稻中的BAD2基因突变，缺失了8个碱基，导致基因功能的丧失，使产生香味的代谢物质乙烯吡咯啉不能转化，从而累积在稻米中，使得米饭浓香诱人。现在通过分子育种技术，科学家也可以对基因中的碱基进行编辑，从而改变基因的功能。目前，科学家已经可以通过基因编辑的方法，改变BAD2基因的1、2个碱基，使基因的功能失活，从而不必经过复杂的选育过程就可以改变水稻的性状，让无香品种变得清香可口、人见人爱。

“十二五”以来，我国分子育种科学家已标记定位出水稻稻瘟病抗性、耐冷性、耐热性、高收获指数等性状的相关基因（QTL）74个；克隆和功能验证13个与稻瘟病抗性和耐冷性相关基因；通过分子标记辅助选择创建了一批优良的水稻新种质。分子育种可谓是水稻“优生优育”的一大功臣。

改变稻田，改变世界

根据《中国杂交水稻的发展》一书提供的数据，杂交水稻的亩产，从1976年的316千克增长到1988年的443千克，增长了127千克。但到2011年，杂交水稻的亩产达550千克，增长了110千克。杂交水稻产量是否已经接近极限了呢？有了分子育种，是否杂交水稻技术就可以退居科研二线了呢？著名水稻专家颜龙安院士给出了否定答案。他認为，杂交水稻还远未达到它的产量极限。如果能实现两个亚种间的杂交，亩产1000千克是有希望的。未来，新的奇迹可能还会继续发生。

从春风刚刚让万物复苏的改革开放初期，到科技成果丰厚、人民生活水平发生巨大变化的当下，40年过去，无论觥斛交错或是家居日常，一碗米饭依然是中国人一餐的收官。那一颗颗洁白清香的米粒仿佛从未改变，但它们背后的故事越来越精彩。从20世纪60年代的“吃饱”，到80年代的“增收”，再到21世纪的“走向世界”，中国科学家一直在默默努力，他们改变着种子、稻田，也改变着世界。