第444期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《育种新说（上）》
讲座题目：透视新科技——育种新说（上）
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：李家洋，中国科学院院士。
种 康，中国科学院院士。
讲座时间：2023年4月3日～4月9日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——育种新说（上）
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。说起水稻大家都不陌生，这是我们国家的主要粮食品种之一，而且我们国家的水稻品种有很多，南北方又有一定的差异。那随着育种科技的不断发展，未来会出现更多品种的水稻吗？来，关注一下我们今天的节目。水稻是我们日常生活中的主要粮食作物，现在世界上1/3的人们也都以稻米作为主食。随着人口的增长，可用耕地面积减少，粮食紧缺越来越成为全球所面临的问题。如何大幅提高水稻的产量，便成为世界各国科学家积极研究的课题。几十年来，我国科研人员攻坚克难，通过人工育种改良，取得了一个又一个丰硕的成果，这不仅解决了我国人民吃饱饭的问题，正逐步实现吃得更好的理想目标。那么，水稻的产量是如何提高的？在提高产量的同时，怎么才能让稻米飘香？营养口感俱佳呢？欢迎回到我们的演播室当中来，首先，我们给大家介绍一下，我们今天请来的两位嘉宾，第一位是中国科学院的李家洋院士，欢迎您！主持人好！观众朋友们好！另一位也是我们中国科学院的院士种康，欢迎您种院士！主持人好！观众朋友大家好！平时我们经常说种瓜得瓜，种豆得豆，那现在我们的水稻这个种子到底是从哪儿来的？
人类现在所吃的食物包括动物类的、植物类的和菌物类的，实际上都是从最早的野生的培育选择过来的，从野生到现在我们种植或者饲养的这个过程就是驯化和育种，驯化实际上是在人类早期的发展过程当中，对野生的动植物进行选择培育，然后获得的这样一些一定的群体。这个植物的驯化过程是什么样的？那这个植物我们就把它收集起来，然后来年再种，然后再收集起来挑好的，然后再去种下去，这样一个过程不断地重复，然后就变成我们现在生产上可以种植的就变成农作物，就变成作物了。最早的这个水稻它的特点是什么样的呢？最早的这些野生稻，它在驯化过程当中，跟我们今天（的水稻）比其实差别非常大，不像我们今天稻米这么好吃，产量也没有这么高。比如说它容易落粒，它散生，不符合现在的这些高产种植的条件，也更不能适应现在的机械化，但是它的产量（在当时）较高，而且跟别的一些植物来比，它的淀粉含量和经济价值也比较高，而且相对比较稳定容易种植。
那我们现在能看到各种类的这个稻米、水稻，它们的祖先都是一个吗？水稻它也是个栽培稻，有两个种：一个是亚洲栽培稻，一个是非洲栽培稻，非洲栽培稻这个（种植）面积比较小，现在全世界栽培的绝大部分都是亚洲栽培稻，这个亚洲栽培稻里面有东北的（粳）米，或者我们南方的籼稻、籼米。那么像（粳）稻，就是它直链淀粉含量低，直就是垂直的这个直线，支链淀粉分支，支链淀粉含量高，因此吃起来有黏的这个感觉，很多人都很喜欢吃（这种米）。籼稻它是直链淀粉含量高，支链淀粉含量低，因此吃起来是一粒一粒，它适合做米粉，因此不同的栽培稻它有不同地区人的喜欢。最早发现这个稻米的时候，经过驯化之后，这个给人类带来的改变到底是什么？我觉得首先在这个过程当中，它是为人类的发展提供了一个稳定的生物来源，这是很重要的能量来源，另外一个就是我们的生活方式发生了一些变化。过去比如说，早期的原始人他靠狩猎为主，他获得的东西就不是那么稳定，今天你打到野生的动物，你可能就有食物能果腹，如果你打不到你不行。但是作物驯化出来以后，这个生产方式就发生了变化，把我们过去完全靠运气获得的猎物变成我可以种在那，可以定期地，定时地去收割。我们有储备了。对，有储备，而且可持续。
第三个我认为作为水稻来说，可能还有个更重要的一个特点，就是（成就了）中华民族的一个水稻的文化，因为种水稻它一定要解决水利问题，在必要的时候，能够去灌溉，水稻才能长得好。那这个水利在早期的时候，我们是建渠道，然后我们把水给囤起来，在干旱的时候，我们要发明工具。比如说水车等等，把水给提上来，然后去浇灌，那这个时候就不是靠一家一户，要建水渠，建水利，那需要一个大集体，因为只有集体才能克服那些个人小群体无法做的事，所以我觉得水稻的驯化和一些农作物的驯化，对于人类的发展进程是有重大影响的。那最早人类种植水稻，应该是一个自然繁育的过程，这样的一个过程它的局限性体现在哪些方面？首先就获得的这些材料能不能是一个比较稳定的？第二，这些材料他会不会有很好的生产性状？比如说在某一个地区把这个驯化出来的（作物），换到另一个地区它很可能就长不好。那这样的话，这也是对它有很大的一个限制。随着以后的科学技术这种发展进去以后，我们慢慢就打破了这个过程，就要把这一个早期育种的选育为主的这样一个方式，就进化到有组织的、大规模的科学研究，去培育更好的品种。
在人类漫长的发展史上，水稻从散生，颗粒容易掉落，不高产，口感差的野生稻，经过无数次的自然选育，发展到相对稳定适用种植的栽培稻。随着人口逐年的大幅增加，自然选育的方式已满足不了农业生产发展的需要，从此，水稻从野生驯化的时代便逐步进入到有组织，大规模的人工育种时代。我们平时经常听到育种这个词，这育种是什么概念？这个育种实际上就是从字面上讲，“育”实际上就是培育的意思，就是我们最早的时候，从野生驯化成农家品种，然后从农家品种我们再到现在这个品种。那么“种”那就是最早源头，那怎样从一粒种子，或者很小的种子然后扩大，这样就是形成育种，这样子可以理解。（从）我们国家的水稻育种来看，就是在世界上水稻生物学和水稻育种，（研究水平）应该在世界上是领先的。自然育种这个经历了多长时间？这个是个什么样的过程？促进了人工育种的开始。（人工）育种和我们自然的进化过程，它这个方向是不一样的。我们（人工）育种的方向，就是我希望不管是动物、植物，希望它产生的这些东西能够作为我们的食品，就是能越多越好，既高产还好吃。那么这些性状对我们育种来讲，这是我们追求的目标，但对于植物、动物，它这个进化过程，它的方向，它是要保证它这个物种能够存续下来。但是对植物来讲，它这都是互相打架，因为能量守恒的，你一个能量你用到高产里头，它必然优质能量就不够了。因此，这个就是和自然进化这个方向就有问题的时候，那你人类就得要想办法，怎么样能够利用进化的这个规律，怎么样能够协同，既高产还要好吃，这个就是在自然育种里头是很难做到的。
那人工育种技术到底是什么事件促成的？早期实际上在1930年到1940年之前的基本上大概都是靠经验，大概从1930年1940年以后，就是利用遗传学的原理，实际上这就是和遗传学的几个里程碑的事情相联系的。应该最早的杂交是孟德尔1865年发现的孟德尔遗传规律，那么这就是用豌豆去杂交总结出这遗传规律。另外，1911年摩尔根的遗传分离学说，提出基因的存在，它怎么样能够在这个育种上能够用上，那么这些都是奠定了我们怎么样从自然育种到人工育种这样的一个过程。被称为遗传学之父的孟德尔，在1857年到1865年的八年时间里，通过选用上万株具有明显差异性状的豌豆作为亲本进行杂交实验，在获得了大量的实验数据后，进行仔细的研究分析，最后发现遗传学中最基本最重要的规律，这就是基因的分离定律和自由组合定律。现代作物杂交育种是孟德尔遗传规律，在实践中的一个重要应用范例。
我们都知道北方是一季稻，可南方还多几季，一年一季稻，每年找它的规律，这个人工育种具体都有哪些技术？这个过程大概可以分成：第一个在这之前就是靠自然变异，人工选择为主。人工育种在早期的时候，主要是靠选择，选优就是你种在地里，你可以去看它。比如说水稻穗子大，长得好，长得壮，那这样的话，你就把它给选择下来，留下来，然后再去种。这个选择的基础是自然变异，就是天然的紫外线，或者是其他的因素造成的。偶然的一点点变化，我们在术语叫突变，那这种偶然的基因突变，这个过程是非常漫长的。那第二个阶段，主要就是靠人为地增加遗传变异，然后进行选择，进行组合。但是遗传学介入之后，我们就通过遗传学的这些知识处理这些材料，让它产生更多的变异，变异多了，然后就选择，所以后来的育种我们通常都加一个词，叫遗传育种，就是通过遗传学（实践）增加它的更多的变异，然后去选择。
刚才我们提到了一个词叫杂交水稻，最早这个杂交技术是直接就是用在水稻上的？还是在其他植物身上？到底什么时候开始用在水稻上的？杂交技术其实在育种学上是比较早，大概在上个世纪二三十年代，在玉米这一方面，这个技术已经就发展起来了，也慢慢走向成熟，然后在不同的作物上，比如像高粱，或者是其他的一些作物上，包括蔬菜等等之类都会有应用。你比如说玉米，它本身雄性和雌性是分开的，就是说它长在上面的是产生雄花，它雌花这个穗子是长在叶腋里面，它本身是分开的，我们有个专门术语叫异花授粉，就是说自己的一朵花里面，雄的和雌的它不能在一起授粉，那这样杂交就很容易。另一个植株是雄性的，很容易这个花粉就飘到另一个植株的雌性的上面去，然后让它产生杂种，很多这一类的作物，最先完成了，杂交育种的技术体系建立。水稻是比较严格的自花授粉，95%或者95%以上的水稻都是靠自己一朵花里面，自己就授粉了，所以水稻的杂交就比较困难。
简单地说，杂交育种就是人工选用两个在遗传上有一定差异，同时它们的优良性状又能互补的品种进行繁殖，生产出具有杂种优势的第一代杂交品种。然而水稻属于自花授粉作物，雌雄同体，水稻的每朵花里面都有雄蕊和雌蕊，所以很难实现异交授粉。要培育出具有杂交优势的水稻，就希望母本植株，它雄性部分是不育的，这样它不能给自己授粉，同时还得找到一颗性状优良的父本植株给母本植株授粉，才能产生杂种一代。即使这样，杂种一代不一定就有希望成为水稻繁育的种子，寻找雄性不育的母本和优良植株的父本不断的杂交和选择，最终才有可能培育出优良的杂交水稻。在上个世纪60年代，（水稻）杂交育种之父袁隆平先生，就带领他的课题组就建立了这个水稻杂交育种的（体系），这是最先在中国建立起来。而在（上世纪）70年代就得到推广，也获得国家最高的科技大奖，（杂交）水稻之父，也被称为杂交水稻之父，所以水稻（的杂交育种）比玉米和其他作物要晚，但是它很重要，尽管是在上个世纪70年代才发展起来，但它发展非常迅。
那说到这，水稻杂交育种技术它的应用表现具体有哪些优势？您给我们来说一说，杂交技术它这个优势，实际上就是能够很好地利用杂种优势这样一个生物学现象，杂交以后产生的后代就是当代，在各个方面如果是正好对上了，优势显示出来它会有强大的杂种优势这个能力，它在产量上就是能让产量一下提高百分之二十、三十，甚至都能成倍地增加，那这么好的东西大家都想用。那早期的杂交水稻到底解决了哪些问题？最早期的（目的）主要是想提高产量，作物产量有大幅的提高，那主要有化肥、种子、农药的整个在一起，特别是种子当中的矮化育种，长的比较大（壮），这个时候穗子也大（壮），它也容易倒伏。那在小麦和水稻这两种作物当中，特别是在小麦最早期，发现一些半矮化的（种类）就比较好，那这个就可以长得很壮实，也不倒伏，那产量就显著提高。但是慢慢地以后，就发现了在水稻一些重要的作物当中，它没有很好地发挥起来，那考虑到原来这个杂交育种有很好地（发挥优势），那就是说做这个杂交水稻主要是解决最初是产量问题。
除了杂交之外，还听到一个词叫嫁接，说这个嫁接算不算是一种杂交的方式？种院士您给我们解释一下。杂交它从遗传学上来讲，它就是有性生殖的这个融合。因为嫁接它不存在有性生殖，实际上它是一个无性（繁殖的方式），嫁接有砧木和接穗，那么把接穗放在砧木上，那么利用砧木上面从根里面或者从叶片里面输送的营养给接穗，使接穗上面它能够产生它原来遗传控制的一些比如果实。那么就是砧木和接穗之间，它这个信息交换或者信息控制，这是另外一套理论，是和我们杂交它不是一回事。尽管嫁接不属于严格的杂交技术，但实际上在生产上是广泛应用的，比如说茄子的生产，越来越多的是利用葫芦的这个苗，它的这个根做砧木，然后把茄子嫁接上去，葫芦它可是非常高抗一种土壤传的病，那茄子缺乏这个能力，这样一嫁接以后它就可以高抗病，这个茄子它最后长出来还是正常的茄子，但是它也通过葫芦的这个根系能够把这个水分、营养都能有效地利用上去，根系更强大、更好。
你比如说解决了这些植物的杂交的技术之后，这些问题对于整个世界育种技术，它的影响是什么？咱们这个杂交稻在国际上应该是有引领作用的一个技术，那么它在国际上的一个影响力，那就是除了解决我们自己人口这个粮食问题，同时也在世界上的粮食的供应安全上面提供了非常重要的保证，包括现在我们一些非洲国家，现在也开始种杂交稻。那么，它在非洲种植了以后，能够提高它两到三倍（产量），因此这就是大大地解决了我们特别是发展中国家一些粮食供应的这些问题。杂交技术作为人工育种的一种方法，在农业生产中得到广泛应用，尤其是袁隆平发明的杂交水稻，已于2004年、2012年分别实现中国超级稻，百亩示范田亩产800千克、900千克。2018年5月22日，位于三亚水稻国家公园的试验示范田进行测产验收，测得亩产1065.3千克，创下海南省水稻单产历史最高纪录。如今袁隆平的杂交水稻，不仅从根本上解决了大部分中国人吃饱饭的问题，而且已经推广到全世界30多个国家和地区，也解决了世界部分人口粮食不足的难题，杂交育种技术不仅大幅度提高农作物的产量，同时也对人类社会产生了巨大影响。
当我们这种水稻杂交育种的（种植）面积不断增（扩）大，那产量不断地提高，是不是再次会改变人类社会的结构？因为现在随着社会的发展，人们对食物需求的目标，已经不仅仅是能够吃饱了，还必须要吃好，吃健康。那么这就是给育种学家提出来一个课题，那就是要高产，还要优质，还要能够绿色，就是这个少打农药，少施化肥对环境友好。那么在这样一种需求趋势牵动下，科学家也就培育出一系列的这样的一些品种，那么在培育出这样的品种，同时，农业的所谓现代化需要有一定现代科学知识武装头脑的这样一些年轻的农民，已经不需要再在地里面去干活了，有机器包括有无人机，那这些都替代了原来的一些纯劳动力的这样的一些劳动，这样对社会结构有非常大的一个影响。我就想到了杂交技术这么好，可以解决产量的问题，病虫害的问题，那能不能够用在，其他我们国家赖以生存的这个粮食作物上？比如说玉米、大豆、小麦等等，其实已经在广泛应用。比如说油菜，我们油菜现在，也做的非常好的，利用了杂种优势，再有一些这个作物，也在努力地做，包括小麦，但是小麦难度比较大。在一些蔬菜上我们也有很多，都是属于杂交出来的，大豆是一个更典型的严格的自花授粉。它这个花里面自己雄蕊和雌蕊里面，它这个花瓣它不分开，它就基本上100%的是靠自己，更难去进行杂交育种，所以你看现在大豆还没有杂交育种。
那说到这的时候，说这个育种的难，我们特别想问一个问题，通过这个杂交技术，是需要时间的，它培育出一个成功的种子，大概需要多长时间？前后需要哪些程序？种院士您给我们解释一下。就是你选亲本，选不育系，选恢复系，这个是要花很长时间。那么这个配好了以后，你要能够拿出来比较稳定的F1代，就是每次种这个F1代，它都可以有高产的性状，那么你才能够去审定成品种。第一步就叫区试，区域试验，你就先种两年看看是不是能够稳定？然后区域实验完了以后，还有一个试验，那么你必须要经过三年时间的试验，然后你才能够变成品种，后面就是一个，我们审定的一个过程，那这个也是不可少的，因此你要从一个真正杂交品种能够推广，大概也得十几年时间。目前我们的杂交技术，它的局限性体现在哪些方面？其实还是有很多的局限，首先，这个杂交是建立在，杂交优势的这个基础上，就是要找到合适的父母本。第二个问题就是说，有了父母本还不行，你还要知道父本和母本，他们之间在配对之后，就是它俩杂交以后，产生的后代就是我们说的叫杂种一代，这个杂种一代要性状特别好，并不是说任何一个父本和母本有着一个杂种优势，有这样一个基础的杂交以后，就一准会有很好的后代，不是这样的，这需要成千上万不同（组合）。尝试。我们叫杂交组合，一个育种专家，一年可能要做几千到几万个杂交组合，有可能才找到一对两对的杂交组合，这两个配合起来，有很强大的生产效益。
第三个最大的局限性，就是杂种当中产生的，这一个不育的母本，它的生产，它的纯度的保持，这是很难的。你想一想我们现在这个杂交，一定要有一个母本，它自己是雄性不育的，但你想如果它自己是雄性不育，它怎么保持下去，所以这是困难很大的。第四个杂种优势，杂交那一定要杂种一代产生，那杂种一代的种子，产生技术比较复杂，所以至少这四个方面来说，是我们（用）杂种优势，一个比较大的局限性和限制因素。那目前我们水稻，除了杂交育种技术还有哪些育种技术？还有分子育种技术，实际上说是在基因水平上了解的这样一个技术，因为实际上在研究的过程中，我们可以从DNA（脱氧核糖核酸）分子，可以从蛋白质分子，或者其他代谢物的分子水平上，去了解这个优势这样一个性状，比如说高产、优质、抗病、抗虫或者抗干旱，它的作用机制机理是什么？那从这个水平上去进行改造，培育新的这种品种，我们就统称为分子育种。好，今天也非常感谢两位院士来到我们演播室当中，共同跟我们聊关于育种的这样一个话题，那当我们人类真正地进入了分子育种的时代的时候，到底对我们的植物会有怎样的改变？同时，为了了解我们更多的节目内容，你也可以下载央视频。好，感谢您收看我们今天的《透视新科技》！我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
