丰产作物的希望：生物技术
丰产作物的希望：生物技术
〇让我们从袁隆平教授说起吧。
●袁教授是世界公认的杂交水稻之父，他在杂交水稻方面的主要研究成果有：1960年发现天然杂交稻株表现出明显的杂交优势；1964年提出利用水稻杂交优势的观点，并开始水稻杂交研究；1973年与他人合作实现了杂交水稻不育系、保持系、恢复系三系配套，在世界上首次育成强优势杂交水稻；1974年突破制种难关，研究出一套籼型杂交水稻生产技术，使中国杂交水稻研究居于世界领先地位，袁教授成为世界上第一个培育成功籼型杂交水稻的人；1976年至1978年间，他培育的杂交水稻种植面积累计达到11亿亩，增产稻谷1 000亿公斤；1979年，杂交水稻作为中国第一个农业技术专利转让美国。
图14-7 我国杂交水稻之父——袁隆平教授
〇袁教授对世界水稻的增产功不可没，不仅缓解了粮食危机，而且还改变了我国农民的流向！最近从一本杂志上看到这样一个评论《企业用工荒都怪袁隆平》。大家不要误解，其实这篇文章是提醒高科技企业要带动工业升级，是从另一个方面赞扬了袁教授的功绩。
为什么工厂缺人要怪袁隆平呢？道理很简单，农民种地比做工挣钱多，生活有保障不必奔波苦，自然就不愿意进城打工了。2006年，袁隆平院士提出运用超级杂交稻的技术成果，用3亩地产出4亩地粮食的“种三产四”
丰产工程，大幅度提高现有水稻的单产和总产，提高农民种粮的经济效益，确保国家粮食安全。如今，袁隆平院士研究的超级水稻第二期亩产已逼近900公斤，国家对于粮食收购又有政策保护，很多农民都说“在外面打工一年辛辛苦苦才存6 000多，在家乡一年轻轻松松赚一万多，我们早就不出去打工了！”甚至连城市白领们都向往过着“农夫山泉有点‘田’”的田园生活。[3]
●袁隆平教授的成就好像主要在杂交水稻方面，什么是不育系、保持系、恢复系三系杂交稻？
〇袁隆平教授提出三系法杂交水稻。三系是指雄性不育系、保持系和恢复系。要想利用水稻的杂种优势，首先必须解决大量生产第一代杂交种子的难题，解决这个问题的有效途径首推培育一种特殊的水稻品种，叫做雄性不育系。（1）雄性不育系。雄性不育系是一种雄性退化（主要是花粉退化），但雌蕊正常的母水稻，由于花粉无生活力，不能自花授粉结实，只有依靠外来的花粉才能受精结实。因此，借助这种母水稻（雄性不育系），作为遗传工具，通过人工辅助授粉的办法，就能大量生产杂交种子。（2）保持系。这是一种正常的水稻品种，它有一种特殊的功能，即用它的花粉授给不育系后，所产生后代，仍然是雄性不育的。因此，借助保持系，不育系就能一代一代地繁殖下去。如果没有保持系，不育系就会绝种。（3）恢复系。这也是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是，用它的花粉授给不育系后，所产生的杂交种雄性恢复正常，能自交结实，如果该杂交种有优势的话，就可用于生产。
图14-8 三系法杂交稻的生产程序
由此可见，要利用水稻的杂种优势，必须做到三系配套，不育系为生产大量的杂交种子提供了可能性，借助保持系来繁殖不育系，用恢复系给不育系授粉来生产雄性恢复且有优势的杂交稻。[4]三系法杂交稻的生产程序，可图示如右：
●除了袁隆平教授外，我国还有没有对培育杂交水稻作出过重大贡献的科学家？
〇如果袁隆平教授是“杂交水稻之父”，那么石明松先生绝对有资格称得上是“杂交水稻亚父”。但不幸的是，绝大多数期刊资料都用以下方式描写：
1973年，湖北省沔阳县沙湖原种场的农艺师石明松在晚粳稻品种“农垦58”中发现了一水稻植株，其雄花随抽穗期的早晚而表现为不育或可育：凡是9月3日以前所抽穗子表现为雄花不育；而9月8日以后所抽的穗子则表现为可育，并且这种特性是可以遗传的。后经协作组的进一步研究发现，上述育性转换现象主要是日照长度造成的，这种特性由隐性的细胞核基因所控制。引起育性转换的光照强度很低（约50勒克斯），晨光和暮光即可诱导育性转换。由于这种水稻发现在湖北省，所以被命名为“湖北光敏核不育水稻”。这一特殊种质资源的发现在国内外引起了巨大反响，纷纷展开了类似种质的寻找和研究。因为它有望使杂交稻的制种程序大大简化，减少三系法制种的种种限制，把水稻杂种优势利用推向一个新阶段。
●为什么会这样？
〇石明松先生过早地去世，导致似乎被人们遗忘了。其实石明松先生去世完全是一场意外，当时石先生在外地参加学术交流会，由于招待所电热水器质量不合格，石先生触电身亡。发生这种事情，总是让人扼腕叹息，在仙桃人民政府的门户网站我们可以找到对他个人较为详细的记载：
在这里，我们不能不提到一个名字：石明松。他原任沔阳县农业技术推广中心副主任、农科所副所长，兼任湖北光敏感核不育水稻协作组副组长、中国水稻研究所学术委员。1959年毕业于荆州农校。1973年，他在沙湖原种场发现并研究“光敏感核不育水稻”。至上世纪80年代末，10多年里，他与协作组的同志一道，以百折不挠的探索精神，攻克了光周期敏感核不育水稻的“四大难关”，终于摘取了“水稻皇冠上的第三颗明珠”。1985年10月，经原农牧渔业部、中国农科院以及省内外30多位专家的鉴定，该成果被正式命名为“湖北光敏感核不育水稻”。他的发现被专家们一致认为是我国水稻史上继矮化育种、杂交三系成功后的第三次重大发现，在国际上属于领先水平。全国20多家报纸杂志介绍了他的事迹；他撰写的论文，有4篇在《中国农业科技报》、《遗传学报》、《作物学报》等权威杂志上刊发。1985年，石明松获省科委颁发的科技论文二等奖。石明松开创了我国“光敏感核不育水稻”研究的先河。1988年，他因公去世后，我国科技人员踏着他的足迹，在光敏感核不育水稻研究领域，不断取得新的突破。
虽然石明松已经逝去，但在杂交水稻培育上功绩我们应该永远记住，他在《遗传学报》1986年第2期上发表的《湖北光感核不育水稻的发现、鉴定及其利用途径》中明确指出：“作为杂种优势利用，可以在长光照下制种，在任何生长季节下都能发挥其增产作用。这个既不需要保持系，又不需要恢复系的材料，比目前的核—质互作的三系材料简单得多。它的不育基因易于转育，不论是用作父本还是作为母本都可以培育出所需要的不育材料，而且又可以在短光照下自交繁殖，而杂交父本可以广泛筛选（包括刚育成的新品系可以立即用上），因而工效高，成本低，并能快出成果。而本材料最突出的优点是，在长光照下整个群体能稳定地保持不育性，而在短日照下整个群体又能稳定地自交结实，维持其自身的延续性，因而是作为杂种优势利用最理想的材料。”这就是“杂交水稻二系法”的最初设想。
●是不是“二系法”要比“三系法”优越？
〇确实如此！与三系法杂交水稻相比，二系法杂交水稻具有显著的优越性：一是不育系与恢复系配组自由，选育优良组合的几率增大；二是不育系一系两用，在长日高温条件下（夏季）可用于制种，在短日低温条件下（春、秋）可用于自身的繁殖，不需要借助保持系（两系由此而来）。因此能简化繁殖，制种程序，降低种子生产成本；三是由于光温敏不育性核基因遗传与细胞质无关，可克服三系法不育系中细胞质的负效应；四是能紧跟常规稻的选育步伐，开辟籼粳亚种间杂种优势新领域，使水稻产量在现有杂交水稻基础上实现更高产目标。
图14-9 二系制种图[5]
●除了二系法外，我国在水稻杂交方面有没有新的进步？不会就这么停滞不前了吧！
〇当然不会！1986年，袁隆平教授站在更高的起点上，提出了杂交水稻的育种战略，将杂交水稻的育种从选育方法上分为三系法、二系法和一系法三个战略发展阶段，即育种程序朝着由繁至简而效率越来越高的方向发展；从杂种优势水平的利用上分为品种间、亚种间和远缘杂种优势的利用三个战略发展阶段，即优势利用朝着越来越强的方向发展。1987年7月16日，在袁隆平教授指导下，李必湖的助手邓华风在安江农校籼稻三系育种材料中，找到一株奇异的光敏核不育水稻，历经两年三代异地自交繁殖，于1988年7月育成光敏核不育系，光敏核不育系的育成，使二系法的设想变为现实。
●三系法和二系法已经清楚了，但一系法又是什么方法啊？
〇一系法，即培育不分离的杂种，将杂种优势固定下来，免除制种。目前培育无融合生殖系最有前途实现一系法。[6]所谓无融合生殖就是不经过雌雄配子融合而形成有活力的胚和种子的生殖方式。无融合生殖可存在于任何植物中，禾本科是拥有无融合生殖的种、属最多的科之一。无融合生殖育种成败的关键在于能否获得无融合生殖基因。袁隆平教授曾对这三种育种方式做过一个很好的比喻：“三系法像包办婚姻，二系法是自由恋爱，超级稻是独身主义。”
●在杂交水稻一系法上中国目前进展如何啊？
〇目前，我国的陈建三教授在“无融合生殖水稻”方面取得重大突破。陈建三教授的“无融合生殖固定杂种优势育种技术”也得到了国内外同行的广泛赞誉，“陈氏育种法”的名声不胫而走。1995年在美国召开的第一届国际无融合生殖会议上，有两块墙报介绍水稻无融合生殖研究进展，其中有一专版介绍陈建三“84-15”的细胞胚胎学研究结果。他编著的三十多本《水稻无融合生殖育种论文集》被与会代表争相阅读。时任联合国粮食组织官员库希曼博士断言：“陈教授的论文集对无融合生殖育种作了精辟的论述，他的育种技术迟早要在中国乃至世界上推广应用。”袁隆平教授盛赞他为“无融合生殖水稻之父”。
图14-10 陈建三教授在田间
●我国在杂交水稻方面取得如此重大的成就，那将来会朝着哪个方向发展呢？
〇2010年2月7日，袁隆平教授在接受新华社记者采访时指出：“虽然我国杂交水稻技术目前在国际上领先，但如果不加强分子育种技术研究，短则五年、长则十年，我国的杂交水稻技术就要落后于国际水平了。”
●您的意思是说，将来杂交水稻的研究方向将转向分子育种技术？
〇范围还要广一些，不仅是杂交水稻，几乎所有作物的研究热点都会向这个方向发展。
●那分子育种又是什么技术呢？
〇植物分子育种是指不经过有性过程，将外源DNA导入植物，诱发可遗传的变异，以选育带目的性状的优良品种的育种技术。分子育种广义地讲包括两个层次的生物工程技术：①外源DNA导入植物的技术：即将带有目的性状的基因的供体总DNA片段导入植物，筛选获得目的性状表达的后代，培育新品种；②植物基因工程技术：即将目的基因分离出来，在体外构建重组分子再导入植物细胞，然后通过离体培养并筛选获得目的基因表达的植株，培育新品种。狭义的分子育种指的是第一个层次的分子育种即外源DNA导入植物的技术。
目前，我国在植物分子育种方面，也取得一定的科研成果：（1）水稻分子育种上，广西农科院李道远等将药用野生稻DNA导入栽培稻，选育出耐旱、耐瘩、高产的糯稻桂D1号，已大面积推广。吉林通化市农科所朴享茂等将抗属的基因导入水稻，选育出多抗、高产、优质的一批新品种。湖南农院乃文举等用浸胚法将玉米的DNA导入水稻，选育出高产，优质的GEK-1，目前正在湖南的长江中下游水稻高产区大面积推广；（2）麦类分子育种上，河南农科院等4家实验室成功地转移了白粉病抗性基因。如河南省农科院小麦所阎新甫等将抗白粉病的二棱大麦DNA，通过花粉管通道技术导入小麦感病品种，后代中出现了高抗的变异株。（3）棉花分子育种上：江苏省农科院经作所黄骏麒等用耐黄萎病的海岛棉DNA导入抗枯萎病陆地棉，选育出耐黄抗枯新品种3 118棉，已在长江中下游累计种植8万余亩，大田增产达15%。他们还将茵麻DNA导入海岛棉，得到高产长绒棉。湘棉12号是湖南农学院吴小月等用中棉DNA导入陆地棉培育的新品种，已通过鉴定，在省内外试种6万余田。（4）大豆分子育种上，已有6家实验室获得一些有益基因转移的变异植株。
●您刚才提到的植物分子育种是不是对基因的发掘？在报纸上经常看到各国在基因知识产权方面竞争激烈的报道。
〇说得对，这也是袁隆平教授所担心的啊！国际生物领域竞争的热点之一就是重要基因的发掘、分离与克隆，以期获得知识产权。发达国家各主要生物技术公司对生物资源及其知识产权展开了激烈的争夺，其核心就是对农业生物基因资源的争夺。我们刚才谈到了，我国在水稻、麦类、棉花和大豆方面取得了一些成果，但如果要与西方发达国家进行竞争，还要加强这方面的投入和研究。