文|何強(qiáng) 湖南雜交水稻研究中心 編輯|孫潔
兩系法雜交水稻技術(shù):“領(lǐng)跑”世界技術(shù)成果
文|何強(qiáng) 湖南雜交水稻研究中心 編輯|孫潔
項(xiàng)目成果:兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用
課題單位:湖南雜交水稻研究中心
兩系法是國(guó)際首創(chuàng)的重大科技成果,其特點(diǎn)是種子生產(chǎn)程序簡(jiǎn)單,配組自由,稻種資源利用率高,因此選到優(yōu)良組合的機(jī)率大大提高,是更為先進(jìn)的方法,能夠較好地解決三系法難以克服的難題,可以說(shuō)是雜交水稻發(fā)展中新的里程碑。
農(nóng)作物雜種優(yōu)勢(shì)利用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的重大成就之一,三系法是最經(jīng)典的方法,包括不育系、保持系、恢復(fù)系。三系法雜交水稻為我國(guó)糧食安全作出了巨大貢獻(xiàn),于1981年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)。
但是,三系法雜交稻自推廣以來(lái)優(yōu)勢(shì)水平一直徘徊不前,存在種子生產(chǎn)程序復(fù)雜、配組不自由和稻種資源利用率低的不足,難以解決培育優(yōu)良組合周期長(zhǎng)、效率低,高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)、早熟與高產(chǎn)難協(xié)調(diào)的難題。雜交水稻的進(jìn)一步發(fā)展寄希望于新材料的發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)、新途徑的運(yùn)用。
1981年,雜交水稻專(zhuān)家石明松報(bào)道發(fā)現(xiàn)粳型光敏核不育水稻“農(nóng)墾58S”,提出一系兩用的思路,即光敏不育系在長(zhǎng)日條件下表現(xiàn)不育用于生產(chǎn)雜交稻種子,在短日條件下恢復(fù)可育自交繁殖生產(chǎn)不育系種子,不需要保持系。1987年,國(guó)家雜交水稻工程技術(shù)研究中心鄧華鳳發(fā)現(xiàn)并隨后育成秈型光敏不育水稻“安農(nóng)S-1”。光敏不育水稻的發(fā)現(xiàn)為兩系雜交水稻的研究提供了新材料。
兩系法的特點(diǎn)是種子生產(chǎn)程序簡(jiǎn)單,配組自由,稻種資源利用率高,因此選到優(yōu)良組合的幾率大大提高,是更為先進(jìn)的方法,能夠較好地解決三系法難以克服的難題,可以說(shuō)是雜交水稻發(fā)展中新的里程碑。
早期研究認(rèn)為光敏不育系的育性只受光照長(zhǎng)度的影響,而光照長(zhǎng)度的變化是有規(guī)律的,兩系法應(yīng)用于生產(chǎn)指日可待,全國(guó)很快掀起兩系法研究的高潮。
1989年7月底出現(xiàn)異常低溫,導(dǎo)致在長(zhǎng)日照條件下當(dāng)時(shí)所謂的“光敏不育系”恢復(fù)可育、制種失敗。隨后的研究證明,農(nóng)墾58S和安農(nóng)S-1的育性轉(zhuǎn)換都受溫度影響,溫度是育性轉(zhuǎn)換的主導(dǎo)因子,因此,將上述不育系統(tǒng)稱(chēng)為光溫敏不育系。
鑒于自然界溫度的變化更為頻繁,不像光長(zhǎng)變化那么有規(guī)律,利用這種易受溫度影響的不育系進(jìn)行繁殖和制種,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??萍冀绾凸芾聿块T(mén)都對(duì)兩系法能否應(yīng)用于生產(chǎn)產(chǎn)生了質(zhì)疑,很多學(xué)者甚至放棄對(duì)兩系法的研究。兩系雜交水稻研究陷入低谷。
針對(duì)上述困難局面,“中國(guó)雜交水稻之父”袁隆平及時(shí)提出了選育實(shí)用光溫敏不育系的新思路,明確指出不育起點(diǎn)溫度低是實(shí)用光溫敏不育系的關(guān)鍵指標(biāo)。隨后,該研究得到總理基金立項(xiàng)和“863”計(jì)劃的大力支持,組織全國(guó)性大協(xié)作攻關(guān),解決了系列技術(shù)難題,逐漸掀起兩系法研究的新高潮。
“兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用”獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng),圖為袁隆平團(tuán)隊(duì)領(lǐng)獎(jiǎng)?wù)掌?/p>
經(jīng)過(guò)近20年的協(xié)作研究,兩系雜交水稻主要實(shí)現(xiàn)了以下7個(gè)方面的創(chuàng)新與突破,取得了國(guó)際獨(dú)創(chuàng)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科技成果。
建立了雜交水稻育種理論體系。提出了雜交水稻育種戰(zhàn)略,促進(jìn)了兩系法雜交水稻的發(fā)展。提出育種方法從三系法→兩系法→一系法由繁到簡(jiǎn)效率越來(lái)越高的方向發(fā)展,雜種優(yōu)勢(shì)水平從品種間→亞種間→遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢(shì)利用優(yōu)勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)的方向發(fā)展的雜交水稻育種戰(zhàn)略,得到國(guó)內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)同。《雜交水稻育種的戰(zhàn)略設(shè)想》被國(guó)內(nèi)外引用502次。
提出不育起點(diǎn)溫度低是實(shí)用光溫敏不育系關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的選育理論,為選育實(shí)用光溫敏不育系指明了方向。研究發(fā)現(xiàn),7月中旬到8月下旬,長(zhǎng)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℃的幾率為零。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,華南稻區(qū)≤24℃。
探明了溫敏感時(shí)期和敏感部位,為種子生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。發(fā)現(xiàn)并證明了育性轉(zhuǎn)換對(duì)溫度的敏感部位是幼穗,敏感時(shí)期為花粉母細(xì)胞形成至減數(shù)分裂初期。
闡明了光溫敏不育起點(diǎn)溫度遺傳漂變的機(jī)理,為不育系原種生產(chǎn)提供了理論支撐。提出光溫敏不育系育性遺傳由兩種不同類(lèi)型基因控制的假說(shuō):即育性轉(zhuǎn)換特性屬質(zhì)量性狀,不育的起點(diǎn)溫度屬數(shù)量性狀。
創(chuàng)立了實(shí)用光溫敏不育系選育與鑒定技術(shù),奠定了兩系法雜交稻應(yīng)用基礎(chǔ)。為了確保育成的不育系起點(diǎn)溫度低于23.5℃或24℃,研創(chuàng)了實(shí)用光溫敏不育系選育與鑒定技術(shù),是兩系法育種的核心,應(yīng)用該技術(shù)全國(guó)育成了170個(gè)不育系通過(guò)審定和應(yīng)用于生產(chǎn)。
建立了核心種子與原種生產(chǎn)技術(shù),為安全制種提供了保障。光溫敏不育系繁殖幾代后,起點(diǎn)溫度會(huì)逐步升高(由23.5℃升高到24~25℃),制種時(shí)如遇較低的溫度(24℃—25℃),容易導(dǎo)致制種失敗,從而使之失去應(yīng)用價(jià)值。為了解決這一難題,研究建立了光溫敏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》,有效防止了不育系育性起點(diǎn)溫度的漂變,保證了不育系群體不育起點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性。
建立了兩系法超級(jí)雜交稻的育種技術(shù)路線,促進(jìn)了超級(jí)雜交稻的發(fā)展。建立了形態(tài)改良、亞種間雜種優(yōu)勢(shì)及遠(yuǎn)緣有利基因利用相結(jié)合的兩系超級(jí)雜交稻育種技術(shù)路線。
設(shè)計(jì)出高冠層、矮穗層、中大穗,上三葉長(zhǎng)、直、窄、凹、厚的超級(jí)雜交稻理想株型模式。該株型及選育技術(shù)登載在《Science》(Vol283,1999),被引用531次。
通過(guò)超級(jí)雜交稻理想株型塑造,能夠協(xié)調(diào)高生物學(xué)產(chǎn)量、高收獲指數(shù)和高度抗倒伏三者之間的矛盾,達(dá)到有效增源,實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)。
運(yùn)用兩系超級(jí)雜交稻育種技術(shù),分別于2000、2004、2012年先后實(shí)現(xiàn)了我國(guó)超級(jí)稻育種計(jì)劃第一期畝產(chǎn)700公斤、第二期畝產(chǎn)800公斤、第三期畝產(chǎn)900公斤的育種目標(biāo)。這些超級(jí)雜交稻新組合不僅超高產(chǎn),而且米質(zhì)優(yōu),抗兩種或兩種以上主要病蟲(chóng)害。
建立了安全高產(chǎn)制種技術(shù)體系,解決了兩系法雜交水稻規(guī)?;踩弋a(chǎn)制種技術(shù)難題。建立了兩系雜交稻的制種氣象分析決策系統(tǒng),區(qū)劃了兩系法雜交稻安全制種的地區(qū)和安全敏感期、安全揚(yáng)花期、安全成熟期的時(shí)段。
建立了兩系法高產(chǎn)制種技術(shù)體系,制種平均畝產(chǎn)高達(dá)210.6公斤,比三系法提高16.5%。制訂了《兩系法雜交水稻制種技術(shù)規(guī)范》,為兩系法雜交稻大面積推廣提供了技術(shù)支撐。
建立了不育系高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)繁殖技術(shù)體系,為規(guī)?;N子生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。光溫敏不育系不育起點(diǎn)溫度≤23.5℃,水稻安全揚(yáng)花期的溫度≥21℃,適宜繁殖的溫度范圍很窄,為了解決這一難題,研創(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)386.5千克,比三系法增產(chǎn)153.4%,成本減少了50%,解決不育系繁殖困難的難題。
除此之外,兩系雜交水稻還突破了兩系雜交粳稻育種與種子生產(chǎn)技術(shù)瓶頸,促進(jìn)了雜交粳稻的發(fā)展。
兩系法雜交水稻拓展了作物雜種優(yōu)勢(shì)利用的范圍,促進(jìn)了作物遺傳育種學(xué)科的發(fā)展,這種技術(shù)的成功應(yīng)用,確保了我國(guó)雜交水稻技術(shù)的世界領(lǐng)先地位,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。
兩系法雜交水稻技術(shù)的推廣應(yīng)用,不僅促進(jìn)了我國(guó)水稻生產(chǎn)水平的穩(wěn)步提高,為確保國(guó)家糧食增產(chǎn)作出了重要貢獻(xiàn),而且為解決世界糧食安全問(wèn)題提供了新的技術(shù)。
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。
兩系法雜交水稻技術(shù)創(chuàng)新與規(guī)?;瘧?yīng)用項(xiàng)目單項(xiàng)成果共獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)31項(xiàng),授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利9項(xiàng)、植物新品種權(quán)38項(xiàng)、軟件版權(quán)1項(xiàng),制訂省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng),出版專(zhuān)著13部,發(fā)表論文549篇。
兩系雜交稻的相關(guān)研究成果,被兩院院士評(píng)選為1996年、2003年、2011年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞之一。
中國(guó)科學(xué)院李家洋、張啟發(fā)和謝華安院士,中國(guó)工程院傅廷棟、陳溫福院士認(rèn)為兩系法是國(guó)際首創(chuàng)的重大科技成果,是我國(guó)農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域的又一偉大創(chuàng)新,是對(duì)遺傳育種學(xué)科的巨大貢獻(xiàn)。
美國(guó)先鋒公司水稻研究部(亞洲)主任認(rèn)為,“兩系法是對(duì)以水稻作為主食國(guó)家糧食安全的又一技術(shù)保障”。
美國(guó)路易斯安娜大學(xué)教授報(bào)道,兩系法雜交水稻比美國(guó)主栽品種增產(chǎn)21%~40%。
國(guó)際水稻研究所副所長(zhǎng)認(rèn)為,“中國(guó)兩系雜交水稻的發(fā)展及商業(yè)化應(yīng)用是作物科學(xué)與技術(shù)的重大突破”。
兩系法雜交水稻推廣區(qū)域遍布全國(guó)16個(gè)省、市,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。2005-2012年推廣面積最大的雜交稻組合中,兩系雜交稻連續(xù)8年蟬聯(lián)第一,近3年,全國(guó)推廣面積前3名均為兩系雜交水稻。目前,安徽、湖南等省的兩系品種種植面積超過(guò)了三系品種。
全世界有67個(gè)國(guó)家(來(lái)自美洲、非洲、東南亞地區(qū)等)先后派3000多名專(zhuān)家來(lái)湖南雜交水稻研究中心培訓(xùn)學(xué)習(xí),希望學(xué)習(xí)和引進(jìn)兩系法雜交稻技術(shù),雜交稻已成為我國(guó)對(duì)外技術(shù)援助的重要方法和手段,在我國(guó)外交事務(wù)中發(fā)揮了重要作用。
兩系法雜交水稻已在美國(guó)大面積推廣,現(xiàn)年推廣面積占美國(guó)水稻總面積的30%,平均增產(chǎn)20%以上,近年來(lái),美國(guó)每年給湖南雜交水稻研究中心提供技術(shù)使用費(fèi)400多萬(wàn)美元。擴(kuò)大了我國(guó)科學(xué)家和科學(xué)技術(shù)在國(guó)際上的影響力,提高了我國(guó)的國(guó)際地位。
截至2012年,兩系雜交水稻已累計(jì)種植4.99億畝以上,總產(chǎn)2358.2億公斤以上,增產(chǎn)稻谷110.99億公斤;總產(chǎn)值5777.59億元,增收271.93億元,對(duì)保障我國(guó)糧食安全、促進(jìn)農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效作出了巨大貢獻(xiàn),為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件。
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兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用自2013年獲得國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)以后,又取得了以下成就:
1.2014年兩系法雜交稻“Y兩優(yōu)900”在湖南溆浦百畝連片平均畝產(chǎn)1026.7公斤,實(shí)現(xiàn)中國(guó)超級(jí)稻畝產(chǎn)1000公斤育種目標(biāo),為國(guó)家糧食安全和繼續(xù)保持水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用國(guó)際領(lǐng)先地位作出重要貢獻(xiàn)。
2.2013-2015年,新增10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。
3.2013-2015年,兩系法雜交水稻在全國(guó)南方稻區(qū)16省市推廣,3年累計(jì)推廣面積約2.0億畝,總產(chǎn)900億公斤以上,增產(chǎn)稻谷近50億公斤;總產(chǎn)值超過(guò)2000億元,增收近90億元。