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為什么有的水稻品種耐旱，有的不耐旱，有的抗病，有的不抗病，有的自帶清香，有的不帶清香？

近年來，福建省水稻育種工作者深入基因?qū)用?，破譯水稻遺傳密碼，在此基礎上，開展分子設計育種研究與實踐，進行一場水稻育種的“精準革命”。

建寧縣溪口鎮(zhèn)楓元村雜交水稻制種基地的水稻 肖開涯 攝

尋找水稻耐旱“開關”

春耕時節(jié)，福州市科技情報研究所科技下鄉(xiāng)服務團隊來到羅源縣松山鎮(zhèn)北山村，開展農(nóng)技指導。一見到城里來的水稻專家，于國胤就迫不及待提出了技術(shù)需求：“能不能推薦幾個耐旱品種？”

于國胤是羅源縣北山灣農(nóng)業(yè)合作社理事長，合作社的120多畝耕地連年種植水稻。去年夏天的那場旱情，讓他心有余悸?！耙贿B熱了兩個月，沒下幾場雨，又趕上中稻拔節(jié)孕穗期，花粉活性下降，影響了結(jié)實率?！泵鎸O端天氣，于國胤在田埂上急得團團轉(zhuǎn)。后來，他不得不打機井引水，并在農(nóng)技專家的建議下調(diào)整施肥方案，才勉強保住了產(chǎn)量。

之后，于國胤就產(chǎn)生了引種耐旱品種的想法。一直關注“三農(nóng)”動態(tài)的他，不久前從報紙上看到了一則利好消息——《水稻耐旱“開關”，找到了》。這里的“開關”，指的是被稱為“IPA1”的水稻基因。省農(nóng)科院水稻抗逆分子育種研究團隊（以下簡稱“研究團隊”）最新發(fā)表的研究成果表明，該基因?qū)λ灸秃敌跃哂姓{(diào)節(jié)作用。

為了找到這個“開關”，該團隊花了十余年時間。

“我國農(nóng)業(yè)用水占總用水量的60%以上，水稻種植又是用水大戶?！笔∞r(nóng)科院水稻研究所所長張建福說，每年，全國都有大量稻田因干旱或缺乏灌溉條件而減產(chǎn)。因此，提高耐旱性，一直是水稻育種的重要方向之一。

為什么有的水稻品種耐旱，有的不耐旱？為了讓育種更加有的放矢，張建福希望從基因?qū)用嫫谱g與水稻耐旱有關的“遺傳密碼”。

這里不能不提到明星基因“IPA1”。在水稻育種界，其更廣為人知的名稱是“理想株型基因”。理想株型是育種家們提出的概念，基本特征是莖稈粗壯、抗倒伏、穗子大、粒子多，這樣產(chǎn)量就高。2010年，中科院院士李家洋團隊在國際上首次發(fā)現(xiàn)了能夠塑造水稻理想株型的基因“IPA1”。

“既然它能夠調(diào)節(jié)水稻植株的形態(tài)，是否也有助于應對干旱等逆境呢？”研究團隊提出了假設。為了驗證假設，首先需要觀測含有“IPA1”基因的稻株是否能應對干旱脅迫。這個過程被稱為“表型鑒定”。

“可以通過化學劑誘導使植株細胞脫水，也可以在光照培養(yǎng)室中模擬干旱環(huán)境?！毖芯繄F隊成員陳飛鶴說，表型鑒定在水稻的“四葉一芯期”就要開始，在歷經(jīng)10天的極端干旱后再恢復澆水。經(jīng)過多批次反復對比試驗后，研究人員發(fā)現(xiàn)：敲除了“IPA1”基因的水稻，存活率極低；過量含有“IPA1”的水稻，復水后收縮的葉片逐漸舒展。

可見，“IPA1”不僅能夠塑造水稻理想株型，還能賦予水稻耐旱能力。這個過程是如何發(fā)生的？這就需要進一步摸清基因的作用機制，也就是解析“代謝通路”。

陳飛鶴正在做聚合酶鏈反應試驗。張輝 攝

研究團隊通過實時熒光定量、酵母單雜、凝膠遷移、雙熒光酵素酶等一系列復雜試驗，解構(gòu)了這條通路：一方面，“IPA1”能夠激活另一耐旱基因“SNAC1”的表達，在與之互作中產(chǎn)生耐旱性；另一方面，干旱導致水稻植株中過氧化氫等物質(zhì)大量積累，“IPA1”則能誘導清除這些物質(zhì)以抵御干旱。

這一結(jié)論，為水稻耐旱找到了新的“開關”，同時也進一步證實，“IPA1”不僅僅是理想株型基因，還是個多功能基因。目前，研究團隊正通過試驗論證它是否能有效提高水稻對氮肥的利用率。

水稻基因的“解碼人”

尋找水稻耐旱“開關”的背后，是科學家們年復一年的“解碼”之路。

“水稻是世界上最重要的糧食作物之一，育種技術(shù)的不斷突破，有效保證了糧食安全。”張建福說，新中國成立以來，我國水稻育種技術(shù)經(jīng)歷了多次迭代。

20世紀60年代，隨著矮稈水稻取代高稈水稻，我國水稻產(chǎn)量整體提升了30%。1973年，袁隆平院士團隊在世界上首次育成秈型雜交水稻。隨后，水稻雜交技術(shù)開始在全國推廣。這一突破，讓全國水稻再次增產(chǎn)20%。

當時，全國稻瘟病頻發(fā)，高溫高濕的福建尤甚?！暗疚敛〈竺娣e減產(chǎn)乃至絕收，有的農(nóng)民指著農(nóng)田無奈地說，放只雞下去都吃不飽?！敝锌圃涸菏恐x華安還記得當年在三明、南平等地調(diào)研時的見聞。因此，他決定將選育抗稻瘟病雜交水稻品種作為主攻方向。

謝華安院士在福建南繁基地。（資料照片）

1983年，在世界稻作史上具有里程碑意義的雜交水稻品種“汕優(yōu)63”應運而生。由于抗稻瘟，且豐產(chǎn)性好，適應范圍廣，該品種種植面積連續(xù)16年居全國首位，累計推廣近10億畝。

然而，無論是雜交技術(shù)，還是航天誘變育種，都屬于傳統(tǒng)育種范疇，存在著周期長、效率低、不確定性大等短板。

“我們需要從海量種質(zhì)資源中篩選出可能有用的材料，做大量雜交組合，種子種到田間后觀察其表現(xiàn)，再經(jīng)一代又一代篩選，如此循環(huán)往復?！睆埥ǜＵf，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，對種業(yè)提出了更快、更新、更多元的需求。

以抗稻瘟病水稻為例，盡管抗病品種層出不窮，但病原菌也在協(xié)同進化，需要不斷通過品種創(chuàng)新，持續(xù)構(gòu)建免疫屏障，抵御不同病原菌的進攻。同時，高產(chǎn)不再是唯一的育種目標，市場對優(yōu)質(zhì)、耐儲藏、功能性品種有了更大需求。

引入現(xiàn)代分子生物技術(shù)，提高育種效率，成為國際共識。

2002年，國際水稻基因組測序計劃工作組宣布，國際水稻基因組測序計劃圓滿完成，共測定12對染色體的3.66億個堿基。其中，中國獨立完成水稻第4號染色體精確測序，對該計劃貢獻率為10%。

“這相當于實現(xiàn)了對水稻基因的精準畫像。”張建福說，這張“畫像”記錄了水稻DNA中數(shù)以億個堿基的排序，不同的片段序列對應不同的基因。

但僅僅完成畫像還不夠——就好比面對一個陌生的英語單詞，你認識每一個字母，卻無從知道不同字母組合對應的具體含義。因此，完成水稻基因組測序后，擺在育種專家們面前的第二道難題，便是破譯“密碼”，挖掘功能基因?！笆裁礃拥幕蚰軌蜃屗靖秃?？什么樣的基因能夠讓水稻更抗稻瘟病？”

多年來，張建福、謝華安領銜的水稻抗逆分子育種團隊，一直扮演著水稻基因“解碼人”的角色。經(jīng)過他們年復一年的努力，一個一個水稻功能得以挖掘，一個個水稻遺傳密碼實現(xiàn)破譯——

去年11月，在持續(xù)研究20多年后，該團隊在期刊《分子植物》發(fā)表論文，揭示了一種水稻稻瘟病抗性新機制。研究表明，蛋白質(zhì)“SH3P2”起到了“安全閥”的作用，能使稻瘟病抗性基因“Pib”在日常處于穩(wěn)定失活狀態(tài)，以減少能量消耗，遭遇病原菌入侵時，又能迅速激活其功能。

本月3日，該團隊在國際期刊《植物分子生物學》在線發(fā)表最新研究成果。該研究證實，“OsLOX10”基因有助于提高種子壽命，增強其耐儲藏能力，同時在耐鹽堿方面也起著至關重要的作用。

從“開盲盒”到精準育種

破譯了水稻遺傳密碼后，如何將其應用到育種實踐？以分子標記輔助育種為代表的分子設計育種技術(shù)，正讓水稻育種從“開盲盒”走向“精準革命”。

去年豐收時節(jié)，黑土地上傳來好消息：在黑龍江省泰來縣示范種植的水稻新品種“閩龍1號”，在經(jīng)歷了北方稻區(qū)惡劣的天氣狀況下，依然實現(xiàn)了單季平均畝產(chǎn)干谷700公斤的好成績。

“閩龍1號”是福建省農(nóng)科院水稻研究所與黑龍江省農(nóng)科院生物技術(shù)研究所聯(lián)合培育的水稻新品種，該品種解決了第一積溫帶優(yōu)質(zhì)品種缺失、綜合抗性不強等問題。在選育過程中，育種團隊引入了分子標記輔助育種技術(shù)，精準定位抗病抗倒伏基因。

“常規(guī)育種中，要驗證一份材料好不好，需要種到地里，全程監(jiān)測其表現(xiàn)，再從中選優(yōu)汰劣，往往要多代多點栽培幾萬個單株?！睆埥ǜＵf，分子標記輔助育種則把“海選”提前到了“賽前”。

簡而言之，就是在秧苗下地前，就可以對葉片進行“掃描”，看看其中是否含有所需要的基因，提前淘汰一部分“選手”，從而大大減少后期田間鑒定和篩選的范圍。

建寧縣溪口鎮(zhèn)楓元村雜交水稻制種基地 肖開涯 攝

分子標記輔助育種，極大提高了篩選效率，加速育種進程。而隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、深度學習等現(xiàn)代科技在農(nóng)業(yè)領域的推廣應用，水稻育種逐漸實現(xiàn)智能化。

2021年，福建省作物全基因組選擇育種創(chuàng)新平臺投入使用。作為新一代育種技術(shù)，全基因組選擇可視為在系統(tǒng)思維下建立的育種模式。

“基因與性狀之間并非簡單的一對一關系?！笔∞r(nóng)科院生物技術(shù)研究所作物分子設計研究室副主任陳在杰說，一個基因可能同時控制多個性狀，一個性狀可能受多個基因控制，不同基因之間可能相互協(xié)作，也可能相互限制，“全基因組選擇關注的不是單個基因，而是全套基因”。

也就是說，系統(tǒng)在收集了大量基因數(shù)據(jù)和田間表現(xiàn)數(shù)據(jù)后，能夠自動生成一套數(shù)學預測模型。之后，拿到一份育種材料后，不用種到田里，只要提前“掃描”，系統(tǒng)就能自動“算出”它高不高產(chǎn)、抗不抗病、耐不耐旱、耐不耐儲藏。

目前，該平臺已引入了高通量基因分型、水稻表型自動化采集及稻米品質(zhì)分析等系統(tǒng)。這套系統(tǒng)，相當于為開展全基因組選擇育種提供了一套自動化的“工具包”。

以全國首臺投用的國產(chǎn)水稻種子切片機為例，它能夠給水稻種子做“微創(chuàng)手術(shù)”——既能自動切片取樣，用于分析基因型，又不影響種子日后正常萌芽。

“手工當然也能切，但采樣板有96個小孔，時間一長眼會花，效率也低?！笔∞r(nóng)業(yè)科學院作物分子設計研究室副主任楊紹華說，自動化切割水稻種子，相當于“螺螄殼里做道場”，技術(shù)難度很大。過去，這類設備主要依賴歐美進口，不但價格貴，還不好買。

此外，該平臺的其他核心設備也都實現(xiàn)了“中國造”。它們能實現(xiàn)種子切片取樣、基因分析、表型采集、數(shù)據(jù)分析全流程自動化?！耙酝?，國外的設備、技術(shù)和配套試劑都是捆綁銷售，以至于檢測成本居高不下，一年掃描50萬粒種子，要投入100萬元。國產(chǎn)技術(shù)則將單個數(shù)據(jù)點檢測成本降低到了0.5元以下?！睏罱B華說，該平臺每日可自動掃描并獲得3萬個表型與基因型數(shù)據(jù)。

“當數(shù)據(jù)積累到一定的程度之后，我們就可能坐在電腦前，像設計工業(yè)產(chǎn)品一樣，精準設計出一個水稻新品種?！标愒诮苷f。（記者 張輝 通訊員 胡海明 李平）