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(shí)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(xué)胡鳳益研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)。
不久前，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志公布“2022年度十大科學(xué)突破”，云南大學(xué)胡鳳益團(tuán)隊(duì)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(xué)突破。我們邀請研究團(tuán)隊(duì)成員張石來向讀者介紹這項(xiàng)研究。
胡鳳益（左三）和他的團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)田里
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(dá)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(shí)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(dòng)力和農(nóng)機(jī)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)稻作生產(chǎn)輕簡化，進(jìn)而達(dá)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(dāng)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(shí)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(gè)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(shí)踐過程中，長雄野生稻與栽培稻間存在嚴(yán)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(jìn)程。
國內(nèi)最早開展這項(xiàng)研究的當(dāng)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(shí)現(xiàn)“一次制種無性繁殖用多年”的目標(biāo)，但經(jīng)過20年的努力并未成功，他在1997年《西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)》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(tuán)隊(duì)終止了該研究。
1996年，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所的陶大云研究員在泰國農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)修學(xué)習(xí)期間，開展了大量的栽培稻與長雄野生稻種間遠(yuǎn)緣雜交，其中一個(gè)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(xué)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(dá)的雜交一代植株。
據(jù)當(dāng)時(shí)報(bào)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(dāng)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(xué)胡鳳益團(tuán)隊(duì)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(jìn)行的。當(dāng)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(gè)多年生稻品種“多年生稻23”（由于其母本編號(hào)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(shí)際上，研究團(tuán)隊(duì)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(dá)的地下莖，同時(shí)稻穗又像栽培稻那么結(jié)實(shí)。經(jīng)過幾年的實(shí)踐，研究人員發(fā)現(xiàn)這基本無法實(shí)現(xiàn)且沒有生產(chǎn)意義。因?yàn)閷Χ嗄晟緛碚f，地下莖與地上的稻穗都屬于“庫”，而在“源”沒辦法擴(kuò)大的情況下，很難同時(shí)充實(shí)兩個(gè)“庫”，表現(xiàn)為，如果地下莖發(fā)達(dá)，多年生性極強(qiáng)，那么籽粒結(jié)實(shí)率就會(huì)顯著下降，也就無法獲得高產(chǎn)。因此，團(tuán)隊(duì)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(jì)可行”的特點(diǎn)，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(shí)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(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)顯性互補(bǔ)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(gè)影響地下莖豐度的數(shù)量性狀位點(diǎn)；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(shí)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(biāo)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(dá)強(qiáng)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(tuán)隊(duì)通過篩選攜帶長雄野生稻多年生性不同遺傳位點(diǎn)組合的材料，克服了種間遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過12代連續(xù)自交、長達(dá)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(gè)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(yàn)，PR23于2018年通過了云南省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定，并正式命名為多年生稻23（PR23）。該品種分蘗強(qiáng)，多年生性強(qiáng)，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(dāng)?shù)匾荒晟Ｒ?guī)水稻品種產(chǎn)量相當(dāng)，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(huì)審定，獲得農(nóng)作物品種審定證書，開始進(jìn)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(gè)州市的76個(gè)縣市區(qū)累計(jì)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(dá)、科特迪瓦、塞拉利昂等國家進(jìn)行試種。其中，云大107經(jīng)過非洲烏干達(dá)的國家測試和試驗(yàn)，于2022年通過烏干達(dá)的國家登記認(rèn)定，意味著多年生稻可以在烏干達(dá)進(jìn)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(dòng)力投入、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)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(shí)現(xiàn)一種多收。通過對多年生稻適宜區(qū)域進(jìn)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(tuán)隊(duì)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(dāng)，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(dòng)力68至77人次，節(jié)約生產(chǎn)投入46.8%至51%。基于免耕生產(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(jī)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(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了稻作生產(chǎn)的免耕栽培，從而有利于生態(tài)保護(hù)，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(dòng)）。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)（云南省勐海縣）
多年生稻育種工作得到了國際同行的廣泛關(guān)注和認(rèn)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(dòng)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(yàn)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(yuǎn)緣雜交，多年生稻就屬于由這種方法創(chuàng)制的。
中國科學(xué)院種康院士認(rèn)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(xué)團(tuán)隊(duì)利用多年生野生種和一年生栽培種雜交，經(jīng)過長期堅(jiān)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(jìn)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(xué)院錢前院士評價(jià)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(shí)間，云南大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)種植一次連續(xù)收獲3至4年，大幅度減少勞動(dòng)力投入和節(jié)約生產(chǎn)成本，是一項(xiàng)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(huì)科學(xué)家、美國土地研究所原副所長杰瑞·格洛弗（Jerry Glover）高度評價(jià)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(xué)家對谷物多年生性的持續(xù)探索，將會(huì)產(chǎn)生劃時(shí)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(xiàng)研究為全球糧食生產(chǎn)提供了一種重要的新途徑
| 
