Science 2022年十大科學(xué)突破解讀：更易于耕種的多年生稻

水稻是人類重要的糧食作物，據(jù)估計(jì)全球水稻種植面積目前已達(dá)24億畝，養(yǎng)活了近一半的世界人口?！盾髯印芬粫袑懙馈按焊⑾脑?、秋收、冬藏，四者不失時(shí)，故五谷不絕，而百姓有余食也”。水稻成熟收獲之后，植株枯萎還田，到來年春天還需從頭耕種。人們就一直在設(shè)想，能不能像種果樹那樣，水稻播種一次后可多次收獲,這樣就無需每年重復(fù)播種育秧、耕田移栽，可省去很多農(nóng)業(yè)勞作環(huán)節(jié)，節(jié)省人力物力。
道法自然，這種能連續(xù)生活多年、多次開花結(jié)實(shí)的多年生特性其實(shí)在水稻的近親中就廣泛存在。栽培水稻所在的稻屬有二十多種野生稻，其中很多都具有多年生的特性。真正的難點(diǎn)在于如何把野生稻中的多年生特性導(dǎo)入到栽培稻中。為了解決這個(gè)難題，我國(guó)云南大學(xué)胡鳳益團(tuán)隊(duì)二十余年一直在做著艱辛探索。
難點(diǎn)之一是供體的選擇。利用普通野生稻的匍匐莖和長(zhǎng)雄野生稻的地下莖等方式都有可能實(shí)現(xiàn)多年生特性。然而，匍匐莖對(duì)冬季的低溫和干旱敏感，通過反復(fù)試錯(cuò)，證明地下莖才是切實(shí)可行的方式。因此，胡鳳益團(tuán)隊(duì)選用了長(zhǎng)雄野生稻和栽培稻進(jìn)行雜交，將長(zhǎng)雄野生稻通過地下莖進(jìn)行無性繁殖的特性導(dǎo)入栽培稻中。
另一個(gè)難點(diǎn)是需要在反復(fù)雜交、回交過程中既維持栽培稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)又完整添加地下莖發(fā)育的特性。整個(gè)選育過程涉及多個(gè)世代大量中間材料的選擇，單純依靠表型篩選容易產(chǎn)生誤判。胡鳳益團(tuán)隊(duì)鑒定出了控制地下莖發(fā)育的遺傳位點(diǎn)，利用這些位點(diǎn)上的分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇，不斷地用分子標(biāo)記去跟蹤，保證了多年生特性的穩(wěn)定遺傳，同時(shí)還提高了后代品系的選育效率。
克服了一個(gè)又一個(gè)困難，胡鳳益團(tuán)隊(duì)最終取得了突破性的進(jìn)展，培育出了單次播種后可越冬、免耕、能連續(xù)收獲多次的多年生稻。規(guī)模化試種后，多年生稻取得了不俗的成績(jī)。其中的一個(gè)品種“多年生稻23”于2022年9月被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部指定為全國(guó)推廣新品種，預(yù)計(jì)將進(jìn)一步擴(kuò)大推廣面積。
接下來，科學(xué)家有望通過圖位克隆等方法發(fā)掘到長(zhǎng)雄野生稻中地下莖發(fā)育的關(guān)鍵基因，利用分子育種將多年生特性精準(zhǔn)導(dǎo)入到更多的栽培稻品種中。此外，目前的多年生稻遇到連續(xù)5天低于4 ℃的低溫天氣時(shí)，再生性會(huì)受到顯著的影響，限制了多年生稻在華中、華東等水稻種植區(qū)的推廣，提高耐寒性將是多年生稻研究的重要課題。幸運(yùn)的是，野生稻中也發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)耐寒性的種質(zhì)資源。例如，位于江西東鄉(xiāng)和湖南茶陵等地區(qū)的普通野生稻，可以在-9 ℃的低溫下安全過冬，具有很強(qiáng)的耐寒性。如果將這些野生稻的耐寒基因資源導(dǎo)入多年生稻，有望提高其耐寒性。
多年生稻的成功培育也是半個(gè)世紀(jì)以來中國(guó)科學(xué)家在植物遺傳育種領(lǐng)域取得的研究成果的一個(gè)縮影。相信在不久的未來，中國(guó)科學(xué)家在植物重要性狀的分子解析和突破性品種的培育上還會(huì)取得更多原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和成果，為探索生物學(xué)基本科學(xué)問題和解決糧食問題做出更多貢獻(xiàn)。
圖片
圖6 通過一年生的栽培稻（a）和多年生的長(zhǎng)雄野生稻（b）的雜交選育出多年生的栽培稻（c，d）（圖片來源:https://www.nature.com/articles/s41893-022-00997-3）