一篇惊世骇俗的论文,半世纪后仍在影响中国乃至世界

作者:科技日报

本文转载自:科技日报(ID:kjrbwx)

◎ 科技日报记者 俞慧友

2000年,2004年,2011年,2014年。

700公斤,800公斤,900公斤,1000公斤。

两组对应数字,一个攻关目标。

1996年,我国启动“中国超级稻育种项目”。最初,计划分两期,到2000年、2005年,分别育成亩产可达700公斤和800公斤的水稻品种。

可“计划”没能赶上“变化”。超级杂交水稻的“故事”开了个头,就没有结束。

中稻亩产900公斤、1000公斤、1100公斤,双季稻亩产1500公斤……在以中国工程院院士袁隆平为首的科研人员不懈努力下,我国超级杂交水稻亩产产量,不断跟自己的成绩“PK”,一次次刷新着自己创下的世界纪录,保障着国家粮食安全和百姓能吃饱饭的“安全感”。

一篇惊世骇俗的论文,半世纪后仍在影响中国乃至世界

这是第三代杂交水稻新组合试验示范衡南基地测产现场待收割的水稻。新华社记者 陈泽国 摄

今天的中国,真正意义上叫人刻骨铭心的“饿肚子”感受,已成为了不再可能的“体验”。岁月静好的生活中,人们知否,中国科学家在人类反饥饿史上奋斗的历程?

这篇论文半个多世纪后仍光彩熠熠
一篇惊世骇俗的论文,半世纪后仍在影响中国乃至世界

“一株小小的水稻,解决了全中国乃至世界人民的吃饭问题。开启我国水稻育种杂种优势利用序幕的,则是袁隆平先生1966年发表的一篇标志性论文。”《科学通报》编审彭斌曾如此评价。

1966年2月28日,袁隆平一篇名为《水稻的雄性不孕性》的论文,发表在了《科学通报》中文版第17卷第4期。4月15日,经《科学通报》编辑部摘译的英文版,发表在其外文版第17卷第7期。

谁也不曾想,这样一篇挑战经典理论、“惊世骇俗”的论文,竟然直到今天,都被科研应用证实着它的正确性。

这是一次对水稻育种“禁区”跨越的“预测”。有了它,才有了后来我国杂交水稻育种与产业的迅猛发展,为我国乃至世界粮食安全作出了巨大贡献。

“水稻具有杂种优势”“要利用水稻杂种优势,首推利用水稻的雄性不孕性”“通过进一步选育,有望找到雄性不育系、保持系和恢复系,实现三系配套,使利用杂交水稻第一代优势成为可能,并将给水稻带来大幅增产”,《水稻的雄性不孕性》一文中如此开宗明义。

一篇惊世骇俗的论文,半世纪后仍在影响中国乃至世界

图片来源:《中国科学》杂志社

结论的背后,是袁隆平及若干水稻科研工作者的“初体验”。

“做系统选育,要选大穗子。每年水稻抽穗到成熟期间,我都去田里选种。”袁隆平曾这么回忆。1961年7月的一天,他发现了一株颗粒饱满、有10多个8寸长稻穗、长势犹如“瀑布”的稻株。因为它的“鹤立鸡群”,袁隆平自认找到了“良种”。小心翼翼地做标记、培育,他期待着自己的“宝贝疙瘩”,来年奉上亩产试验的大增收。

怎知第二年,他满心期盼的“良种”,抽穗却参差不齐。

沮丧的袁隆平,独自坐在田埂上,望着稻株发呆。期间,竟突然来了灵感:自花授粉的水稻,出现了杂种后代才有的“分离”现象,是否说明自花授粉作物可能也有杂种优势?

想到这里,他赶紧记载和反复统计稻穗参差不齐的分离比例。3∶1!完全符合孟德尔分离规律!袁隆平很兴奋:他选到的“鹤立鸡群”植株,确为天然杂交稻!水稻也确实存在杂种优势!

杂种优势,本是生物界普遍存在的现象。但根据遗传学经典理论及当时国际上的普遍观点,水稻作为花器很小的自花授粉作物,并无杂种优势。

可即便自己的结论与当时的权威相悖,他依然坚持着自己的想法。他和其他科研人员一起,每天风吹日晒,在几千、几万株稻穗里“寻他千百度”。据记载,仅1964年、1965年,他们就检查了几十万株稻穗,并反复试验和积累,最终发表了世界杂交水稻历史上,截至目前也熠熠生辉的论文《水稻的雄性不孕性》。

“这篇论文,是杂交水稻研究领域的开创性工作,指明了杂交水稻育种发展的战略方向,对后来全国杂交水稻育种和发展的协作攻关,具有永恒的指导性。”中国水稻研究所所长程式华说。

1971年,我国科学家育成雄性不育系。1973年,我国科学家找到三系配套模式,成立了“全国杂交水稻研究协作组”。1976年,我国成功实现三系配套大规模制种。前后只有6年时间,这是让人惊讶的中国速度。

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1976年,袁隆平(右)与同事李必湖在观察杂交水稻生长情况。新华社发

1981年6月6日,因为这一杰出贡献,新中国第一个特等发明奖授予了全国籼型杂交水稻科研协作组。

事实上,受论文启发,杂交水稻的研究也逐步在国外兴起。1977年,国际水稻研究所启动杂交水稻研究项目;上世纪90年代初,项目扩展到南亚、东南亚诸国;1991年,国际水稻所在菲律宾育成并释放了首个国外的商业化杂交水稻品种……

他们的科研也曾遭遇“灭顶之灾”
一篇惊世骇俗的论文,半世纪后仍在影响中国乃至世界

“别看今天中国超级杂交水稻技术引人瞩目,但攻关过程与其他科研一样,也免不了‘挨打’‘走错路’。”湖南杂交水稻研究中心原党委书记谢长江,曾对科技日报记者这样吐槽。

中国杂交水稻技术,在世界科技发展史上都是浓墨重彩的一笔。它也是保障国家粮食安全的“国宝”,解决十几亿人口吃饭问题的“重器”。但杂交水稻技术的攻关之路,也并非“顺风顺水”。比如,三系法育种之后的两系法攻关,就曾让两系杂交水稻技术研究差点被终止。

所谓两系法杂交水稻育种技术,是建立在一种光温敏雄性不育系基础上的育种技术。与之前的三系法杂交水稻育种技术相比,作为“母亲”的光温敏不育系,同时充当了不育系和保持系两种角色。换言之,杂交水稻育种从“一妻两夫”,发展成为了“一妻一夫”。

两系法的科研地位几何?2014年,北京人民大会堂,超级杂交水稻再一次获颁“2013年度国家科技进步特等奖”。获奖理由就是我国独创了“两系法杂交水稻技术”。这也是直到现在,我国超级杂交水稻育种的常用技术之一。

就是这项有如此地位的成果,但却在1989年“偶遇”盛夏低温时,遭遇严重挫折,因而差点被全盘否定。

研究之初,科研人员对这位“母亲”的育性转换习性并未完全了解。直到1989年,我国盛夏一场罕见低温的出现。

这场低温中,“母亲”表现得极为“心绪不宁”,在不育系和保持系角色间异常“切换”,最终导致当年全国两系法制种大面积失败。一时间,科研界普遍“唱衰”两系育种,研究甚至一度被国家和科研人员放弃。

袁隆平和科研人员咬牙顶着巨大压力,寻找原因,调整选育不育系技术策略,最终发现了导致雄性不育的“临界温度点”,解决了不育系繁殖过程中的临界温度“漂移”等问题。才有了后来,世界作物育种史上的这项育种技术的重大突破,也让我国杂交水稻研究水平继续领跑世界。

中国杂交水稻全球梦“步步惊心”
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1979年,袁隆平应邀到菲律宾出席国际学术会议作大会报告,这是我国首次将杂交水稻研究成果向国际社会公开。此后,中国杂交水稻开始走向世界。

没有几个人知道,中国杂交水稻走向国际的幕后,是怎样的“步步惊心”。对此,袁隆平曾这样回忆:“在缅甸中央农业研究院的水稻实验室,我和我的学生在田里工作。因为缅甸人信佛不杀生,水田里到处都是眼镜蛇。有次,从抽屉里冷不丁窜出8条小眼镜蛇,至今我都心有余悸。在热带雨林里,我们还要与吸血的旱地蚂蟥作斗争……”

一篇惊世骇俗的论文,半世纪后仍在影响中国乃至世界

图片来源:湖南省农科院

就是在这样的境况下,若干年前,尼日利亚的水稻生长黄金季,一群来自长沙的稻作专家,打“飞的”到当地,实施万亩杂交水稻的规模化种植。最初,在当地选一块能种上百亩稻田的“风水宝地”,都能让专家们前后忙碌一周多。现在的这里,已能种植出产量比当地品种翻倍的超2万公顷的杂交水稻……

今天,从美国大农场,到缅甸、菲律宾热带雨林;从印度高原,到非洲大草原……都有着中国杂交水稻的稻香。亚洲、非洲、“一带一路”沿线,杂交水稻已在40多个国家成功示范,并在10多个国家大面积推广。

如今,在每年的收获时节,水稻育种专家们可以“喜看稻菽千重浪”,而袁隆平“禾下乘凉”的梦想也成为了他们梦寐以求的追寻。

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亲历者说

邓启云:我们用7年解锁了杂交稻育种新路线

“从第一期超级稻攻关成功,到第二期超级稻攻关成功,时间间隔4年。第三期超级稻攻关成功,到第四期超级稻攻关成功,相隔3年。但从第二期超级稻攻关成功,到第三期超级稻攻关成功,花了7年时间。你知道为什么吗?”6月8日,长沙,杂交水稻国家重点实验室主任邓启云在他的办公室里,向科技日报记者问了这样一个听起来有点绕口的问题。

邓启云所说的是1996年我国启动的“中国超级稻育种项目”。根据这一项目计划,要在既定时间内,完成相应的超级杂交水稻品种百亩连片攻关的平均亩产攻关目标。

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受访者供图

项目总共实施了4期。在2000年、2004年、2011年和2014年,中国工程院院士袁隆平团队成功实现了百亩连片亩产突破700公斤、800公斤、900公斤和1000公斤的目标,一度成为业界的传奇。

“从亩产700公斤跨越到亩产800公斤,我们过了一个坎儿。从亩产800公斤到亩产900公斤,听起来只是100公斤的差别。但再提升100公斤亩产量,绝不是轻松的事情。”邓启云说。

他告诉记者,第一期和第二期超级稻代表性品种,都源自同一个父本,是“同父异母”的兄弟。“但从800公斤跨越到900公斤,我们有几个新挑战,一是要实现父本种质资源的创新突破。二是亟须寻找摸索出新技术路线。幸运的是,我们最终找到了一种‘动态理想株型+全株理想株型+亚种间杂种优势利用’的新技术路线。路线摸清楚了,后续攻关就提速了。”邓启云说。

在邓启云攻读袁隆平院士博士研究生期间,袁隆平院士交给了他一项任务:理想株型光合优势及形态性状遗传规律研究。即探索通过理想株型育种提高水稻品种产量潜力的理论和技术路径。

在前期研究中,邓启云发现,形态改良的确在提高水稻群体光能利用率方面有巨大的潜力。曾经,袁隆平院士研究出了一种经典的超级稻冠层理想株型模型。但要在800公斤的超高产基础之上进一步提高产量,他发现不仅要充分利用这一优良模型,还要尝试把冠层理想株型改为全株理想株型。换言之,水稻植株全株,从上至下的叶片形态都要优良。同步进行的,还有亟须改变水稻植株在全生育过程中,从早期到中期、晚期的动态理想株型。

带着这样的目标,邓启云和他的学生一道,做了大量实验和研究,其中就包括对水稻全生育期株型特点进行测定、数字化模拟等。

田间地头,他们一株一株、一片叶子一片叶子地测算,从水稻的“幼年”,每天在田里跟踪,直到它们“成年”。所做的工作,辛苦不说,还极为枯燥。翻来覆去,就像大浪淘沙般,以大量筛选,来“淘”出前期和中期理想的水稻株型。

“光‘动态理想株型+全株理想株型’的数据,我们就有整整超过7G的硬盘存储量。欣慰的是,我们成功了。”邓启云回忆。

2008年,通过邓启云等人创制的新父本所选育的Y两优2号新品种育成。3年后的2011年,基于这一高产新品种,中国超级杂交稻育种项目第三期攻关目标成功实现。

一篇惊世骇俗的论文,半世纪后仍在影响中国乃至世界

大事记
  • 1996年

原农业部设立“中国超级稻育种”项目。

  • 1997年

袁隆平院士提出了超级杂交稻育种的理论和技术路线,论文《杂交水稻超高产育种》在《杂交水稻》1997年第6期上发表。

  • 1999年

由湖南杂交水稻研究中心与江苏农科院合作选育的两优培九,亩产达700公斤,圆满实现第一期目标。

  • 2004年

由湖南杂交水稻研究中心选育的两系超级杂交中稻,实现亩产800公斤,第二期育种目标提前实现。

  • 2011年

“Y两优2号”平均亩产为926.6公斤,标志着超级杂交稻第三期攻关获得重大突破。

  • 2014年

“Y两优900”平均亩产达1026.7公斤。第四期攻关圆满完成。

  • 2020年

第三代杂交水稻新组合试验示范基地晚稻测产结果出炉,成功实现了双季稻亩产1500公斤的攻关目标。

(国家杂交水稻工程技术研究中心栽培室主任李建武搜集整理)

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