經(jīng)過近萬年的人工選擇，人類把糧食作物從其多年生野生近緣種馴化成了一年生栽培種，為人類的繁衍生息提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。水稻是我國重要的糧食作物，也是亞洲近90%人口的主要糧食作物。
那么，能否創(chuàng)制出像果樹、甘蔗一樣的稻作新類型，即多年生稻，實現(xiàn)種植一次連續(xù)收獲多年？這聽起來有些像天方夜譚，卻被云南大學胡鳳益研究團隊成功實現(xiàn)。
不久前，國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》雜志公布“2022年度十大科學突破”，云南大學胡鳳益團隊創(chuàng)制的多年生稻研究成果入選該榜單，成為中國唯一入選也是農(nóng)業(yè)類唯一入選的科學突破。我們邀請研究團隊成員張石來向讀者介紹這項研究。
a.多年生稻母本：RD23，亞洲栽培稻。b.多年生稻父本：長雄野生稻,具有發(fā)達地下莖。c.PR23多年生稻。d.PR23多年生稻成熟期表現(xiàn)。e–h.PR23多年生稻在云南省勐海縣實現(xiàn)多年生持續(xù)生產(chǎn)
經(jīng)過近萬年的人工選擇，人類把糧食作物馴化成了一年生栽培種。水稻在經(jīng)歷了矮化育種（第一次綠色革命）和雜種優(yōu)勢利用（第二次綠色革命）后，單產(chǎn)和品質(zhì)有了很大的提高，但即便如此，種植水稻的比較效益依然低下。概括起來，一年生稻作生產(chǎn)方式存在種子投入量大、勞動力和農(nóng)機具投入大、水土流失加劇、土壤結(jié)構(gòu)破壞和養(yǎng)分失衡等社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境問題。
如果能夠創(chuàng)制出像果樹、甘蔗一樣的稻作新類型，即多年生稻，就可以實現(xiàn)種植一次，連續(xù)收獲多年。自第二年（季）起，不需要犁田耙田、買種育秧、移栽等生產(chǎn)過程，中間只需和水稻一樣的田間管理，可以極大地減少稻作生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)稻作生產(chǎn)輕簡化，進而達到節(jié)本增效，提高種糧效益。
我們常說的水稻，即亞洲栽培稻，經(jīng)過近萬年馴化和人工選擇，是沒有多年生性的，即便有些品種在某些熱帶合適地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)再生，但其產(chǎn)量與當季正常移栽的水稻產(chǎn)量有一定差距，不適合商業(yè)化生產(chǎn)。因此，尋找具有多年生性的種質(zhì)資源成了創(chuàng)制多年生稻的關(guān)鍵因素。
地下莖是許多植物實現(xiàn)無性繁殖和維持多年生的重要器官，是培育多年生作物的重要供體。稻屬有22個野生種，其中的長雄野生稻因具有地下莖無性繁殖特性且與水稻具有相同的AA基因組，而被看作是培育多年生稻的理想材料。
在實踐過程中，長雄野生稻與栽培稻間存在嚴重的種間生殖隔離，如雜交幼胚致死、雜種不育等，極大地限制了長雄野生稻包括多年生性等有利性狀（基因）向栽培稻轉(zhuǎn)移的進程。
國內(nèi)最早開展這項研究的當屬四川農(nóng)科院的李勤修研究員，他于1977年將柳州野生稻和栽培稻的后代與長雄野生稻繼續(xù)雜交，獲得了具有地下莖的雜交一代植株，期望繼續(xù)選育出宿根雜交稻并實現(xiàn)“一次制種無性繁殖用多年”的目標，但經(jīng)過20年的努力并未成功，他在1997年《西南農(nóng)業(yè)學報》發(fā)表的文章指出：“由于高產(chǎn)與越冬性不能兼顧，以及后代很難純合等多方面原因，很難培育出高產(chǎn)的宿根稻。”之后，隨著李勤修研究員的離世，團隊終止了該研究。
1996年，云南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所的陶大云研究員在泰國農(nóng)業(yè)大學進修學習期間，開展了大量的栽培稻與長雄野生稻種間遠緣雜交，其中一個雜交組合，母本為泰國水稻研究中心的品種RD23（泰國主栽的優(yōu)質(zhì)稻品種），父本為來自尼日爾的長雄野生稻，由日本物理與化學研究所藤原浩（Hiroshi Hyakutake）博士友好提供。在授粉后3天，通過幼胚挽救技術(shù)成功獲得了具有部分育性、地下莖發(fā)達的雜交一代植株。
據(jù)當時報道，利用長雄野生稻做成種間雜交且后代有地下莖的全球僅有3例，可見其雜交難度之大。當然，隨著植物組培技術(shù)的成熟，利用幼胚挽救的方式來完成種間雜交成功率有了較大提升。
云南大學胡鳳益團隊的長雄野生稻相關(guān)研究尤其是多年生稻創(chuàng)制工作，都是基于這一雜交組合繼續(xù)進行的。當然，后續(xù)的多年生稻創(chuàng)制工作也是十分艱辛的，直到2018年才成功審定了第一個多年生稻品種“多年生稻23”（由于其母本編號是RD23，所以沿用23），距離成功配制這一種間雜交組合已過去整整22年。
實際上，研究團隊之前想象的多年生稻應(yīng)該是像長雄野生稻那樣具有非常發(fā)達的地下莖，同時稻穗又像栽培稻那么結(jié)實。經(jīng)過幾年的實踐，研究人員發(fā)現(xiàn)這基本無法實現(xiàn)且沒有生產(chǎn)意義。因為對多年生稻來說，地下莖與地上的稻穗都屬于“庫”，而在“源”沒辦法擴大的情況下，很難同時充實兩個“庫”，表現(xiàn)為，如果地下莖發(fā)達，多年生性極強，那么籽粒結(jié)實率就會顯著下降，也就無法獲得高產(chǎn)。因此，團隊提出多年生稻應(yīng)該具有“宿根（莖）聚集，多年再生，產(chǎn)量穩(wěn)定，經(jīng)濟可行”的特點，既能適用現(xiàn)代高產(chǎn)栽培技術(shù)，也能連續(xù)多年高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。
實踐中遇到無法克服的困難，根源還在于基礎(chǔ)理論的薄弱，因此，研究轉(zhuǎn)向了基礎(chǔ)理論。通過大量細致的研究，發(fā)現(xiàn)了兩個顯性互補基因控制長雄野生稻地下莖發(fā)生的遺傳規(guī)律，并定位了10個影響地下莖豐度的數(shù)量性狀位點；第一次從頭測序組裝了長雄野生稻基因組，解析了長雄野生稻地下莖遺傳網(wǎng)絡(luò)。這些研究結(jié)果為多年生稻創(chuàng)制提供了遺傳理論基礎(chǔ)。
在育種方法方面，基于基礎(chǔ)理論的研究結(jié)果，研究人員通過長期艱苦的探索與實踐，發(fā)明了“利用長雄野生稻地下莖無性繁殖特性培育多年生稻的方法”，并獲國家授權(quán)發(fā)明專利，構(gòu)建了以分子標記輔助選擇為核心的、成熟穩(wěn)定且高效的多年生稻分子育種技術(shù)體系，創(chuàng)制了一批包括不同地下莖表達強度的育種中間材料，為多年生稻育種提供了材料基礎(chǔ)。
在品種創(chuàng)制方面，研究團隊通過篩選攜帶長雄野生稻多年生性不同遺傳位點組合的材料，克服了種間遠緣雜交存在的雜種不育等野生種質(zhì)資源利用普遍存在的問題，按照現(xiàn)代栽培稻的標準，經(jīng)過12代連續(xù)自交、長達20余年的選育，育成了13份多年生稻候選品系，最終篩選出PR23、PR24、PR25、PR101、PR107等5個多年生稻品系。
之后，在云南省種子管理站的支持下，通過農(nóng)作物品種審定綠色通道開展多年生稻區(qū)域試驗，PR23于2018年通過了云南省農(nóng)作物品種審定委員會審定，并正式命名為多年生稻23（PR23）。該品種分蘗強，多年生性強，千粒重24.87克，生育期147天，株高102.85厘米，連續(xù)4季稻樁成活率最低為86.84%，和當?shù)匾荒晟Ｒ?guī)水稻品種產(chǎn)量相當，且年度間和季節(jié)間的產(chǎn)量無顯著差異。此外，多年生稻云大25（PR25）和云大107（PR107）也于2020年通過了云南省農(nóng)作物品種審定委員會審定，獲得農(nóng)作物品種審定證書，開始進行商業(yè)化生產(chǎn)。
在全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心的組織下，從2017年起，多年生稻在云南12個州市的76個縣市區(qū)累計種植20多萬畝，在河南、湖北、湖南、江西、浙江、廣東、廣西、貴州等省區(qū)，及在“一帶一路”倡議沿線的老撾、柬埔寨、越南、泰國、孟加拉國、伊朗、烏干達、科特迪瓦、塞拉利昂等國家進行試種。其中，云大107經(jīng)過非洲烏干達的國家測試和試驗，于2022年通過烏干達的國家登記認定，意味著多年生稻可以在烏干達進行商業(yè)化應(yīng)用，開啟了多年生稻在非洲的應(yīng)用之門。
多年生稻創(chuàng)制了以“免耕”和“越冬”為核心的顛覆性多年生稻輕簡化生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)明了“一種多年生稻的栽培技術(shù)”，獲國家授權(quán)發(fā)明專利。多年生稻生產(chǎn)方式分為“一種兩收”和“一種多收”兩種模式，在受到越冬期低溫影響的稻樁無法越冬的雙季稻區(qū)，可以布局“一種兩收”模式，即早稻收獲后，利用稻樁地下莖上的腋芽快速發(fā)新苗，可以安全再收獲晚稻，緩解了雙季稻區(qū)早晚稻生產(chǎn)的“雙搶”問題，減少勞動力投入、降低勞動強度，進而有助于增加早稻種植面積。
而在具備越冬條件的雙季稻區(qū)，可以布局“一種多收”模式，實現(xiàn)一種多收。通過對多年生稻適宜區(qū)域進行初步評估，在最冷月的月平均溫度不低于13.5℃，越冬期低于4℃持續(xù)不超過5天的稻作區(qū)域，即在中國北緯26°以南的無霜稻區(qū)，多年生稻具有廣泛的應(yīng)用潛力。
根據(jù)團隊連續(xù)多年的試種研究，目前培育的多年生稻品種連續(xù)種植4年8季，平均產(chǎn)量（6.8噸/公頃）與一年生稻產(chǎn)量（6.7噸/公頃）相當，但在第5年起由于雜草等問題，產(chǎn)量開始大幅度下降，需要重新種植。與一年生稻生產(chǎn)方式相比，多年生稻自第二季不再需要買種、育秧、犁田、耙田和插秧等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，每季每公頃節(jié)約勞動力68至77人次，節(jié)約生產(chǎn)投入46.8%至51%�；诿飧a(chǎn)方式，多年生稻播種一次持續(xù)收獲多年，改善了稻田耕層土壤結(jié)構(gòu)，培肥土壤，其土壤有機質(zhì)和全氮每年分別以0.95噸/公頃和0.11噸/公頃的速率增加。
多年生稻栽種一次之后，在后續(xù)的幾年中，就不再需要重新種植，即不僅不需要購買種子，而且省去了育秧、犁田、耙田、插秧等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，節(jié)省了勞動力的投入，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。多年生稻有利于穩(wěn)定南方小規(guī)模稻田（包括梯田）的生產(chǎn)，有利于恢復(fù)雙季稻區(qū)的早稻生產(chǎn)（緩解“雙搶”時間緊的矛盾），這不僅有利于提高農(nóng)民收入，更有利于保障國家糧食安全。多年生稻實現(xiàn)了稻作生產(chǎn)的免耕栽培，從而有利于生態(tài)保護，尤其是在我國南方梯田稻區(qū)，由于不用重復(fù)犁田、耙田，從而減少用水次數(shù)和用水量，能夠減少水資源投入，防止水土流失（減少土壤擾動）。這意味著多年生稻這一創(chuàng)新研究，將有助于糧食安全和生態(tài)安全的平衡。
多年生稻大面積田間生產(chǎn)（云南省勐�？h）
多年生稻育種工作得到了國際同行的廣泛關(guān)注和認可。多年生糧食作物的生產(chǎn)方式更接近自然生態(tài)系統(tǒng)，且減少勞動力和肥料的投入，所以育種十分受重視。培育多年生糧食作物主要有兩種策略：一是利用具有深根系的多年生野生種從頭馴化，如美國土地研究所李德瀚（Lee DeHaan）研究員培育的一種多年生小麥，也開始試驗示范（產(chǎn)量約為現(xiàn)代栽培小麥的四分之一）；二是利用現(xiàn)代作物栽培品種與其多年生野生近緣種遠緣雜交，多年生稻就屬于由這種方法創(chuàng)制的。
中國科學院種康院士認為，糧食作物多年生化是糧食作物育種和應(yīng)用的重要組成部分。云南大學團隊利用多年生野生種和一年生栽培種雜交，經(jīng)過長期堅持和探索，把長雄野生稻地下莖無性繁殖特性轉(zhuǎn)移到一年生栽培稻中，成功培育出多年生稻栽培品種并進行商業(yè)化生產(chǎn)，是全球多年生糧食作物育種的重要突破，對多年生糧食作物以及多年生牧草的遺傳改良具有重要借鑒作用。
中國科學院錢前院士評價道：從多年生野生種馴化成一年生栽培種，人類用了近萬年時間，云南大學團隊20余年磨一劍，把一年生栽培種改良成多年生栽培種，通過越冬和免耕實現(xiàn)種植一次連續(xù)收獲3至4年，大幅度減少勞動力投入和節(jié)約生產(chǎn)成本，是一項輕簡化稻作生產(chǎn)技術(shù)。這是我國種質(zhì)資源創(chuàng)新利用領(lǐng)域最具代表性的突破之一，為利用野生種質(zhì)資源提供了借鑒。
美國國家地理協(xié)會科學家、美國土地研究所原副所長杰瑞·格洛弗（Jerry Glover）高度評價多年生稻是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最重要的研究成果之一。未來更多科學家對谷物多年生性的持續(xù)探索，將會產(chǎn)生劃時代新發(fā)現(xiàn)。對于近萬年來全球糧食生產(chǎn)依靠一年生谷物而言，這項研究為全球糧食生產(chǎn)提供了一種重要的新途徑
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