一種新材料帶來的變革
——解密兩系法雜交水稻技術(shù)亮點(diǎn)
編者按：2014年1月10日，2013年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在京舉行，“兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目由袁隆平院士領(lǐng)銜，全國10多家科研單位、幾十位科研人員歷經(jīng)20余年不懈探索，建立了兩系法超級(jí)雜交稻的育種技術(shù)路線，解決了三系法雜交稻的主要限制因素，使水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用進(jìn)入一個(gè)新階段。與三系法相比，兩系法有什么優(yōu)點(diǎn)？技術(shù)上有哪些突破？產(chǎn)業(yè)化前景如何？近日，記者采訪了項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人，為讀者詳細(xì)解讀這一新技術(shù)。
本報(bào)記者 李竟涵
將水稻畝產(chǎn)量由700公斤提高到988公斤；作為我國的獨(dú)創(chuàng)技術(shù)體系被推廣到美國，比當(dāng)?shù)氐闹髟云贩N增產(chǎn)20%以上；推動(dòng)了世界雜交水稻的快速發(fā)展，帶動(dòng)了水稻種子產(chǎn)業(yè)的整體進(jìn)步……這就是由袁隆平院士領(lǐng)銜攻關(guān)的“兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用”。
日前該技術(shù)獲得了2013年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)，這是繼1981年三系法雜交水稻技術(shù)獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)之后，雜交水稻研究第二次登上國家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)特等獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。從三系法到兩系法，不僅是簡單的一字之別，背后蘊(yùn)含著雜交水稻育種技術(shù)的重大突破。
1一項(xiàng)突破
從5%到95%的資源利用率
作為經(jīng)典的雜交水稻培育方法，三系法曾經(jīng)為我國的糧食自足作出了巨大貢獻(xiàn)，“三系”就是不育系、保持系、恢復(fù)系，然而這也成為限制育種的難題。“按照三系法的要求，現(xiàn)有秈稻資源中，只有0.1%可轉(zhuǎn)育成不育系或保持系，只有5%可用作恢復(fù)系。”兩系法項(xiàng)目第三完成人、國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心研究員鄧華鳳說。
種子生產(chǎn)程序復(fù)雜、配組不自由和稻種資源利用率低等不足，限制了雜交水稻優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，直到一種新材料的發(fā)現(xiàn)打破了僵局。
這個(gè)新材料就是像兩棲動(dòng)物一樣強(qiáng)大的光溫敏核不育系。
1981年，石明松發(fā)現(xiàn)粳型光敏核不育水稻“農(nóng)墾58S”，首次提出光敏核不育系一系兩用的思路。在長日照條件下，光敏不育系表現(xiàn)不育，可作為不育系，用于生產(chǎn)雜交稻種子；在短日照條件下，它又能恢復(fù)可育，自交繁殖產(chǎn)生不育系種子，不需要保持系。1987年，鄧華鳳發(fā)現(xiàn)并隨后育成秈型溫敏核不育系“安農(nóng)S-1”。光溫敏核不育水稻的發(fā)現(xiàn)為兩系法雜交水稻的研究提供了新材料。
與三系法相比，兩系法雜交水稻最大的特點(diǎn)就是不再需要保持系。如果將不育系比作女孩，在三系法中，她需要找兩個(gè)丈夫，和“保持系”這個(gè)丈夫生出來的還是女孩，即繁殖出的不育系；和“恢復(fù)系”這個(gè)丈夫生出來的則是男孩，就是可以賣給農(nóng)戶的種子。而在兩系法中，她只需要“恢復(fù)系”一個(gè)丈夫。
鄧華鳳說：“光溫敏核不育系只根據(jù)日照和溫度條件來決定表現(xiàn)不育還是可育，理論上現(xiàn)有水稻資源中95%都可以轉(zhuǎn)育成不育系或用作恢復(fù)系，選到優(yōu)良組合的幾率大大提高。”兩系法種子生產(chǎn)程序簡單，配組自由，稻種資源利用率高，較好地解決了三系法難以克服的難題。
借鑒兩系法雜交水稻的理論和經(jīng)驗(yàn)，兩系油菜、高粱、小麥等也相繼研究成功，為難以實(shí)現(xiàn)三系法雜種優(yōu)勢(shì)利用的作物提供了新途徑。
2一種溫度
決定成敗的 23.5℃
光敏核不育系發(fā)現(xiàn)后，全國很快掀起兩系法研究的高潮，然而一次失敗讓研究幾乎難以繼續(xù)。
1989年盛夏出現(xiàn)異常低溫，導(dǎo)致在長日照條件下當(dāng)時(shí)所謂的“光敏核不育系”恢復(fù)可育，制種失敗。隨后的研究證明，溫度是育性轉(zhuǎn)換的主導(dǎo)因子，光敏核不育系有了新的、更準(zhǔn)確的名字——光溫敏核不育系。
自然界溫度的變化更為頻繁，不像光照長度變化那么有規(guī)律，不育系易受溫度影響，其繁殖的穩(wěn)產(chǎn)性和制種的安全性都將受到極大的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)應(yīng)用的難度將非常大。兩系法雜交水稻研究陷入低谷。
關(guān)鍵時(shí)刻，袁隆平及時(shí)提出不育起點(diǎn)溫度是實(shí)用光溫敏核不育系的關(guān)鍵指標(biāo)。低于不育起點(diǎn)溫度，光溫敏核不育系就會(huì)恢復(fù)可育，制種就會(huì)失敗。
不育起點(diǎn)溫度設(shè)定為多少合適？研究發(fā)現(xiàn)，7月中旬到8月下旬，長江中下游連續(xù)3天出現(xiàn)低于23.5℃的幾率為五十年一遇，連續(xù)6天出現(xiàn)低于23.5℃的幾率幾乎為零。所以只要選育出不育起點(diǎn)溫度低于23.5℃的不育系就可應(yīng)用于生產(chǎn)，保證制種安全。
光溫敏核不育系的不育起點(diǎn)溫度要低于23.5℃，而水稻安全揚(yáng)花期的溫度又要高于21℃，適宜繁殖的溫度范圍很窄。怎樣解決這一難題？研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了低緯度海南冬繁、常溫加冷水灌溉夏秋兩季繁殖、高海拔自然低溫夏繁等技術(shù)體系，解決了繁殖的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)難題。繁殖平均畝產(chǎn)高達(dá)386.5公斤，比三系法增產(chǎn)153.4%，成本減少了50%。
然而推廣中發(fā)現(xiàn)，光溫敏核不育系繁殖幾代后起點(diǎn)溫度會(huì)逐步升高，甚至可能升高到25℃，這就增大了制種難度。隨著起點(diǎn)溫度的升高，一旦遇到較低的溫度就容易導(dǎo)致制種失敗。為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)建立了光溫敏核不育系核心種子和原種生產(chǎn)程序，制訂了《不育系核心種子和原種生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》，保證了不育系群體不育起點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性。
3一場變革
將逐漸取代三系法雜交稻
隆平高科日前表示，隨著兩系法雜交水稻技術(shù)的成熟，公司會(huì)將該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化普及。
這只是兩系法雜交水稻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個(gè)縮影。目前，長江中下游地區(qū)育成兩系法雜交水稻新品種9個(gè)，新品種推廣面積達(dá)3235萬畝，推廣增速遠(yuǎn)超于三系法雜交水稻，有20個(gè)兩系雜交稻組合被農(nóng)業(yè)部確認(rèn)為超級(jí)稻主推品種。
其中，“Y兩優(yōu)1號(hào)”屬于兩系法雜交水稻中的王牌品種，也是目前國內(nèi)銷量和推廣面積最大的雜交稻品種。據(jù)資料顯示，“Y兩優(yōu)1號(hào)”在2008年的推廣面積只有113萬畝，而2013年達(dá)到了630萬畝，復(fù)合年均增長率高達(dá)41%。
2013年10月，農(nóng)業(yè)部發(fā)布公告，兩系法雜交水稻品種“Y兩優(yōu)1號(hào)”順利通過國家上游審定，預(yù)示著該品種推廣面積將由此前的長江中下游區(qū)域擴(kuò)展至上游區(qū)域，品種的優(yōu)勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
湖南種企科裕隆公司董事長孫梅元說：“從2010年我們第一個(gè)兩系品種通過湖南審定開始，兩系品種已經(jīng)成為公司的主要盈利來源。公司目前經(jīng)營的雜交水稻品種中，兩系品種占了70%，已經(jīng)基本取代三系品種。兩系品種產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，主要是因?yàn)槠洚a(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)，更受農(nóng)民喜歡。”
然而今年因?yàn)樵絹碓蕉嗟姆N企加入，兩系品種的價(jià)格有所下降。為應(yīng)對(duì)這一情況，科裕隆公司開始自己培育不育系，新組合正在準(zhǔn)備進(jìn)行全國審定。用孫梅元的話說，就是要做到“別人有的我們有，別人沒有的我們也有”。
兩系法雜交水稻帶來的，除了技術(shù)上的創(chuàng)新，還有產(chǎn)業(yè)化的巨大機(jī)遇。面對(duì)這一機(jī)遇，許多種企都已躍躍欲試。
