解密两系法杂交水稻技术亮点

2014-01-20 | 作者: | 标签: 农民日报

    两系法杂交水稻的发展历程
    制图:李飞
农民日报,李竟涵/文)编者按:2014年1月10日,2013年度国家科学技术奖励大会在京举行,“两系法杂交水稻技术研究与应用”项目获得了国家科技进步奖特等奖。该项目由袁隆平院士领衔,全国10多家科研单位、几十位科研人员历经20余年不懈探索,建立了两系法超级杂交稻的育种技术路线,解决了三系法杂交稻的主要限制因素,使水稻杂种优势利用进入一个新阶段。与三系法相比,两系法有什么优点?技术上有哪些突破?产业化前景如何?近日,记者采访了项目相关负责人,为读者详细解读这一新技术。

将水稻亩产量由700公斤提高到988公斤;作为我国的独创技术体系被推广到美国,比当地的主栽品种增产20%以上;推动了世界杂交水稻的快速发展,带动了水稻种子产业的整体进步……这就是由袁隆平院士领衔攻关的“两系法杂交水稻技术研究与应用”。

日前该技术获得了2013年度国家科技进步奖特等奖,这是继1981年三系法杂交水稻技术获国家技术发明奖特等奖之后,杂交水稻研究第二次登上国家科技奖励大会特等奖的领奖台。从三系法到两系法,不仅是简单的一字之别,背后蕴含着杂交水稻育种技术的重大突破。

一项突破:从5%到95%的资源利用率

作为经典的杂交水稻培育方法,三系法曾经为我国的粮食自足作出了巨大贡献,“三系”就是不育系、保持系、恢复系,然而这也成为限制育种的难题。“按照三系法的要求,现有籼稻资源中,只有0.1%可转育成不育系或保持系,只有5%可用作恢复系。”两系法项目第三完成人、国家杂交水稻工程技术研究中心研究员邓华凤说。

种子生产程序复杂、配组不自由和稻种资源利用率低等不足,限制了杂交水稻优势的发挥,直到一种新材料的发现打破了僵局。

这个新材料就是像两栖动物一样强大的光温敏核不育系。

1981年,石明松发现粳型光敏核不育水稻“农垦58S”,首次提出光敏核不育系一系两用的思路。在长日照条件下,光敏不育系表现不育,可作为不育系,用于生产杂交稻种子;在短日照条件下,它又能恢复可育,自交繁殖产生不育系种子,不需要保持系。1987年,邓华凤发现并随后育成籼型温敏核不育系“安农S-1”。光温敏核不育水稻的发现为两系法杂交水稻的研究提供了新材料。

与三系法相比,两系法杂交水稻最大的特点就是不再需要保持系。如果将不育系比作女孩,在三系法中,她需要找两个丈夫,和“保持系”这个丈夫生出来的还是女孩,即繁殖出的不育系;和“恢复系”这个丈夫生出来的则是男孩,就是可以卖给农户的种子。而在两系法中,她只需要“恢复系”一个丈夫。

邓华凤说:“光温敏核不育系只根据日照和温度条件来决定表现不育还是可育,理论上现有水稻资源中95%都可以转育成不育系或用作恢复系,选到优良组合的几率大大提高。”两系法种子生产程序简单,配组自由,稻种资源利用率高,较好地解决了三系法难以克服的难题。

借鉴两系法杂交水稻的理论和经验,两系油菜、高粱、小麦等也相继研究成功,为难以实现三系法杂种优势利用的作物提供了新途径。

一种温度:决定成败的 23.5℃

光敏核不育系发现后,全国很快掀起两系法研究的高潮,然而一次失败让研究几乎难以继续。

1989年盛夏出现异常低温,导致在长日照条件下当时所谓的“光敏核不育系”恢复可育,制种失败。随后的研究证明,温度是育性转换的主导因子,光敏核不育系有了新的、更准确的名字——光温敏核不育系。

自然界温度的变化更为频繁,不像光照长度变化那么有规律,不育系易受温度影响,其繁殖的稳产性和制种的安全性都将受到极大的挑战,生产应用的难度将非常大。两系法杂交水稻研究陷入低谷。

关键时刻,袁隆平及时提出不育起点温度是实用光温敏核不育系的关键指标。低于不育起点温度,光温敏核不育系就会恢复可育,制种就会失败。

不育起点温度设定为多少合适?研究发现,7月中旬到8月下旬,长江中下游连续3天出现低于23.5℃的几率为五十年一遇,连续6天出现低于23.5℃的几率几乎为零。所以只要选育出不育起点温度低于23.5℃的不育系就可应用于生产,保证制种安全。

光温敏核不育系的不育起点温度要低于23.5℃,而水稻安全扬花期的温度又要高于21℃,适宜繁殖的温度范围很窄。怎样解决这一难题?研究团队开创了低纬度海南冬繁、常温加冷水灌溉夏秋两季繁殖、高海拔自然低温夏繁等技术体系,解决了繁殖的高产稳产难题。繁殖平均亩产高达386.5公斤,比三系法增产153.4%,成本减少了50%。

然而推广中发现,光温敏核不育系繁殖几代后起点温度会逐步升高,甚至可能升高到25℃,这就增大了制种难度。随着起点温度的升高,一旦遇到较低的温度就容易导致制种失败。为了解决这一难题,研究团队建立了光温敏核不育系核心种子和原种生产程序,制订了《不育系核心种子和原种生产技术规范》,保证了不育系群体不育起点温度的稳定性。

一场变革:将逐渐取代三系法杂交稻

隆平高科日前表示,随着两系法杂交水稻技术的成熟,公司会将该技术进行产业化普及。

这只是两系法杂交水稻产业化发展的一个缩影。目前,长江中下游地区育成两系法杂交水稻新品种9个,新品种推广面积达3235万亩,推广增速远超于三系法杂交水稻,有20个两系杂交稻组合被农业部确认为超级稻主推品种。

其中,“Y两优1号”属于两系法杂交水稻中的王牌品种,也是目前国内销量和推广面积最大的杂交稻品种。据资料显示,“Y两优1号”在2008年的推广面积只有113万亩,而2013年达到了630万亩,复合年均增长率高达41%。

2013年10月,农业部发布公告,两系法杂交水稻品种“Y两优1号”顺利通过国家上游审定,预示着该品种推广面积将由此前的长江中下游区域扩展至上游区域,品种的优势将会进一步扩大。

湖南种企科裕隆公司董事长孙梅元说:“从2010年我们第一个两系品种通过湖南审定开始,两系品种已经成为公司的主要盈利来源。公司目前经营的杂交水稻品种中,两系品种占了70%,已经基本取代三系品种。两系品种产业化的快速发展,主要是因为其产量高、品质优,更受农民喜欢。”

然而今年因为越来越多的种企加入,两系品种的价格有所下降。为应对这一情况,科裕隆公司开始自己培育不育系,新组合正在准备进行全国审定。用孙梅元的话说,就是要做到“别人有的我们有,别人没有的我们也有”。

两系法杂交水稻带来的,除了技术上的创新,还有产业化的巨大机遇。面对这一机遇,许多种企都已跃跃欲试。

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