十年前的水稻育种

2015-10-12 | 作者: 基因农业网 | 标签: 十年前的水稻育种


新型“超级稻”原型(右)比传统水稻(左)以及第一代高产水稻(中)产出更多米粒,同时具有更少的茎叶。图nature

【编者按:这篇报道系澳洲ABC电视台琳恩.麦尔科姆2000年前后的报道。我们翻译这篇文章的目的在于为读者描画一个作物育种的场景,以此让人们理解作物育种,走近农业育种。当然,现在的生物育种如孟山都已不再像文中描述的进行手工挑选种子那样,而是高通量的育种手段。国际水稻研究所目前正在努力将玉米中的高效光合作用机制转移到水稻中,以提升水稻产量。这也是目前最具挑战性的转基因水稻育种技术,难度颇大。】

今年早些时候,我在菲律宾吕宋岛Los Banos大学城的“水稻学校”上课。课程由国际水稻研究所开设――这是全世界最负盛名的农业科学中心之一,因在30年前的“绿色革命”中做出重要贡献而闻名。它把全球相关科学家集结在了一起,解决世界上最重大也最基本的科学挑战之一:如何喂饱饥饿的人口。


在水稻学校播种

水稻生产培训课程主要教授人们基础知识,从农民、农药销售人员到和我一样的人群都适用。开始的半天,我们要做一个有关水稻种植知识的测试,繁琐而辛苦,但这是一个严肃的过程——通过这个测试,我充分认识到自己对于水稻知识的欠缺。

水稻是世界上最重要的粮食作物,这让我非常吃惊。27亿亚洲人,或者说一半的世界人口,所消耗总卡路里的80%由大米提供。

第一次绿色革命

如今,尖端科技正被应用于革新水稻产能,其中部分工作在Los Banos的国际水稻研究所中进行。这个研究所于1962年在菲律宾建立——菲律宾曾经被认为是亚洲的中心。该研究所由福特和洛克菲勒基金会资助,是第一个致力于提升水稻产量的国际研究和培训中心。

当时有一种担忧认为,亚洲人口增长正在超过粮食产量增长,大规模饥荒将不可避免。通过改良水稻种子,国际水稻研究所开始创造农业史,在经历一段辛苦的植物育种过程后,科学家们研发出了一种新型水稻IR8。IR8被人们称为“奇迹稻”,并且点燃了后来被称为“绿色革命”的农业运动。IR8的产量是之前水稻品种的两倍,具有更强的抗虫性,还可更好吸收化肥。

IR8毫无疑问地帮助人们逆转了世界水稻危机,但是人口增长仍在持续。 Gurdev Khush博士在国际水稻研究所工作了30年,是研究所的首席育种专家。他估计,到2020年,世界人口将膨胀至大约80亿人——其中50亿人是水稻消费者。今天,只有大约30亿人消费水稻,因此世界水稻产量必须在接下来的20年中增长60%,才能满足2020的人口需求。

与30年前的“绿色革命”不同的是,现在实际已没有更多的耕地来种植水稻,未来增产必须且只能通过提高水稻产量。更重要的是,现在要求减少使用有害化学物质做为化肥和农药。

超级稻

国际水稻研究所目前正在开发一种新型水稻,用来弥补曾经备受褒扬的IR8品种的一些缺陷。这种新型水稻被乐观地称作“超级稻”。国际水稻研究所大约在五、六年前开始研究这种高产量的水稻品种。他们寻找新的亲本,或者叫做种质资源,来培育一种具有完全不同结构的新型水稻。

超级稻具有数量更少但是更强壮的茎叶,每一株水稻花穗也结有更多种子。在已有的IR8植株中,米粒重量占到一半,而在新的超级稻植株中,60%的重量是米粒,40%是茎秆。也就是说,水稻更多的能量用于米粒生产,预期产量能提高约20%。超级稻也有一个旺盛的根系,国际水稻研究所的科学家们正在研究如何提高根系的抗病虫害性。


传统种植

研发一个新的水稻品种不可能一帆风顺。在超级稻的研发过程中,国际水稻研究所的科学家们遇到了很多的难题。例如,大多数当前高产的水稻品种产量都是100粒米/穗。而超级稻的原型每穗产出250~300粒。由于数量过多,水稻植株无法为米粒提供足够的碳水化合物和养分。育种者通过将每穗产出量减少到200粒的方法解决了这个问题,尽管单穗米粒数量变少了,却依然使超级稻的产量是旧有水稻品种的两倍。

科学家们也在尝试通过融合抗病虫害的基因来提高超级稻的米粒质量。国际水稻研究所希望能在世纪之交研发出更好的超级稻品种。

杂交水稻

Gurdev Khush博士是国际水稻研究所的植物育种专家。如何在育种温室进行传统育种?他解释为有性杂交——将一株亲本水稻50%的基因与来自另一株亲本水稻50%的基因结合而成。



水稻花蕊由雄性部分和雌性部分组成,雄性部分叫做柱头,雌性部分叫做子房。Gurdev Khush博士用一个小把剪刀剪去了花蕊中雄性部分的末端。然后,将来自另一株亲本水稻的花粉喷洒在花蕊上。然后,把花蕊用一个纸袋子覆盖,防止空气中漂浮的花粉使已经去除雄蕊的花蕊受精。然后,使水稻在水分和养份中生长以满足种子发育的供应。种子大约发育25天,然后收割,干燥,在培养皿中发芽,最后放到种子盒里。国际水稻研究所的育种人员每年大约会做2000例杂交,每次杂交至少有100到150朵花蕊被去雄。

传统育种在技术上相对简单,它依赖于两个亲本水稻花粉的结合。然而,这种方法缓慢而劳累,这意味着科学家们会倾向于研发那些在最普通环境中生长的水稻品种。农民们期望水稻能在更严苛环境中生长的需求几乎没有得到解决。这些农民通常非常贫困——他们只能靠天吃饭。

生物技术

包含在一株水稻基因中的信息量是巨大的。水稻的遗传密码是用大约4.4亿个碱基写成——碱基是沿着DNA分子横向排列的遗传字母,而DNA分子组成了水稻的染色体。如果把这些碱对当成我们字母表中的字母,那么,水稻的遗传密码将会填满大约18本1000页的电话薄。

当一个植物育种人员做一次传统的遗传杂交时,他做的工作就是把来自于父本的相当于18本电话薄的遗传信息与来自于母本的18本电话薄的遗传信息结合在一起。而当一个基因工程师引入一个单个基因时,相当于把大约1/10页的遗传信息转移到18,000页的遗传信息中。转基因育种的结果更加具体特定——育种者可以非常精确地把一个特定的基因(例如抗虫基因)转入到一株已经培育好的水稻当中,同时不会干扰到它其他经过仔细构建的基因组成。

种质资源库

为了研发超级稻,国际水稻研究所的育种人员试图把多种不同野生水稻品种的理想特性结合在一起。这些遗传信息保存在国际水稻研究所的种质资源库中。负责人Mike Jackson博士带着我参观了一遍种质资源库,我们从存储区外围出发,在那里,工人们敏捷地用手挑选米粒,以保证高质量的样品。这些不同的水稻品种由亚洲各地的农民种植了很多代,包含了广泛的遗传信息。


存储前的水稻挑选

仔细观察下,这些米粒在形状、尺寸、颜色、质地等方面各不相同,这些性状都有相应的遗传基础。除了这些容易观察到的不同,它们背后还掩藏了一系列其他的遗传信息,例如,对特定环境或气候条件的适应性,营养质量,或是口味。当新的水稻品种培育和发布之后,农民们就会停止种植传统的品种。除非旧有水稻品种有样品保存,否则它们的遗传信息就会丢失。这些旧有品种及它们的野生亲属,是研发未来水稻品种的遗传基石。

国际水稻研究所的基因库不仅仅是长期保存水稻品种的存储设备,它还具有重要的研究功能。Mike Jackson把水稻样品从国际水稻研究所分派给世界各地的研究团队,同时让他们签署一项协议,放弃该种子的知识产权。国际水稻研究所也对基因库进行研究,以便更深入地理解现存基因库及其变化模式。

这些种子存放在低温、密封的存储室里,室温保持在摄氏2度。存储室内使用风扇使冷空气在室内循环,并保持40%的相对湿度防止设备结冰。种子经过大约4周的干燥处理,然后存放在特定的真空密封铝锡箔袋里。和低温存储一样,干燥过程对于保证种子的长期存活也至关重要。

在存储室的远端是长期种子存储区,那个寒冷的房间有来自亚洲、非洲、拉丁美洲的100,000种野生水稻样品。

害虫管理

绿色革命悬而未决的问题之一是大量使用化学农药对环境的破坏。国际水稻研究所正在研究减少农民对化学农药的依赖的办法。除了培育具有更好抗虫性的水稻新品种外,他们还鼓励农民合理使用杀虫剂。

在菲律宾,农民喷洒杀虫剂的次数非常少,但他们通常使用的都是广谱性的有机磷类化学农药。这类化学农药在大多数国家都被官方禁止使用,但通常价格便宜,农民也能买得到。国际水稻研究所的昆虫学家K.L. Heong博士说,通常农民决定喷洒农药是因为对害虫危害的错误认识。他说,农民通常针对那些看得见、个头大、危害状明显的害虫防治。比如,食叶性害虫因其显而易见的取食叶片而会引起农民重视。但实际上,许多这类害虫不会对水稻造成巨大的影响,因为水稻通常都会从叶子破损中恢复过来。 这类害虫通常是在水稻上产卵、幼虫发育,而成虫在第一个世代后就会飞离水稻。即使没有杀虫剂,成虫都会消失。由于K.L. Heong博士在水稻害虫行为方面的研究,国际水稻研究所建议农民们在水稻生长发育的早期——前四十天里,不要喷洒农药,因为毫无必要。

但是,当杀虫剂价格低廉,并且农民坚信喷洒农药会提高产量的情况下,该如何说服他们改变呢?

Heong博士在越南开展了一项有4000名农民参加的实验。他们要让农民自己试验在水稻生长的早期不必喷洒农药的简单规律。参与试验的农民把他们的一部分田像通常一样在前40天喷洒了农药,另一部分田则不施农药。收获时比较两类田的产量。实验的结果显而易见,两类稻田在产量上几乎没有区别。多数农民也得出结论,在水稻生长发育的早期没有必要喷洒农药,随后他们喷洒的农药总量减少了一半。这个计划也促进越南政府资助了另外15个省级政府采取相同的办法。

无农药农业

对于菲律宾水稻农民Masajo来说,国际水稻研究所的杀虫剂试验结果并不新奇。从1972年开始他就没有用过杀虫剂。我有幸拜访了他位于吕宋岛的农田。我们坐在一间高脚竹屋中,俯瞰他绿色的水稻田。我们脚下有公鸡、鸭子、澡盆和他妻子欣欣向荣的热带兰花圃。他的儿子给我们端上了茶和煮香蕉,并骄傲地向我们展示了他的参观者签名册,那上面还有化学农药公司代表的签名!

在1972年之前,Masajo参与了企业农场的商业水稻种植。那里每一季、每一株水稻,都会喷洒三到四次甚或五次杀虫剂。他观察到了害虫如何繁殖,在种植季的任何时间,都能够发现处于不同生长阶段的害虫,用化学农药防治几乎没有效果。他认为,杀虫剂破坏了水稻田里自然天敌的平衡。即使喷施一次农药都将给稻农带来灾难。



国际水稻研究所的科学家和一张宣传无农药农业的海报

Masajo认为他28公顷水稻田产量的提升是由于他使用了无杀虫剂策略。1972年,稻田最高产量仅为每公顷5.2吨。到了1993年,他将同一个稻田的大米产量提高到了每公顷9.6吨——这是全菲律宾平均产量的三倍。

更加令人惊奇的是,Masajo对无化学农药的热情感染了他的周边邻里。他对此非常自豪。在Victoria区域内大约有550名农民,截止1995年,他们全部停止了杀虫剂的使用。据Masajo说,那些农民都相信水稻的产量和质量都因无杀虫剂而变得更好。

结语

带着对大米米粒的新认识,我离开了Los Banos。毫无疑问,由于引入现代水稻品种,使用化肥和灌溉技术,60年代水稻产量的巨量增长刷新了世界的粮食供应量。但是,全球每年新增约1亿的水稻食用者迫切需要更高的粮食产量。

像世界水稻研究所这样的农业研究中心正面临世界最困难也最基础的科学挑战。通过应用尖端的科学,他们必须解决这个难题,同时还需要减轻密集水稻种植对自然资源和环境的负面影响。(@RhettZhang译,@叮当蓝色鱼 校,本文部分章节经中国农业科学院植物保护研究所研究员何康来校对)

【基因农业网独家稿件,欢迎转载,转载请注明版权。】

来源:基因农业网

相关文章