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大米和面粉是中國人日常食用的主要糧食品種，被稱為細糧。因此，水稻和小麥的種植成為中國農業(yè)生產結構的主體，農業(yè)科研的重點也以提高稻、麥產量為核心。選育高產的稻、麥良種一直是緊迫的農業(yè)科研任務。
“三系雜交水稻”技術的創(chuàng)立
雜交育種是指對作物的不同品種間進行雜交，并在其雜交后代中通過選擇而育成純合品種的方法，是提高農作物產量和品質的主要技術，世界各國的主要作物品種大都是采用此法育成。雜種優(yōu)勢是指雜交種在生長勢、生活力、抗逆性、繁殖力、適應性、產量、品質等方面優(yōu)于其雌雄雙親的現象；自花授粉作物利用雜種優(yōu)勢提高產量和品質，是?20?世紀農業(yè)科學的重大創(chuàng)舉。
“雜交水稻之父”、中國工程院院士袁隆平在水稻育種工作中
袁隆平開創(chuàng)了“三系雜交水稻”的先河，我國因此成為世界上第一個大面積成功應用水稻雜種優(yōu)勢的國家。水稻是純粹的自花授粉植物，當它的谷粒穎殼開花時，已經在殼內完成了授粉過程。通常情況下，如果需要進行少量谷粒的水稻雜交，就必須在穎殼開花前進行人工去雄，阻斷穎內授粉。但是在大田生產的場合，實際上不可能進行人工去雄的田間操作。這時候，選擇一種自身就是雄性不育（或稱花粉敗育）的水稻植株，就是開展水稻雜種優(yōu)勢利用的關鍵。
因此，“三系雜交”需要由?3?個不同功能的水稻親本配合組成：
雄性不育系，其谷粒穎殼內的雌蕊發(fā)育正常，而雄蕊花粉敗育，不能自花授粉結實；
保持系，其雌蕊和雄蕊的發(fā)育都正常，將其花粉授予雄性不育系的雌蕊，可正常結成種子，而且其后代保持雄性不育，故稱保持系；
恢復系，將其花粉授予雄性不育系的雌蕊，也可正常結成種子，但其后代恢復了可育性，成為大田生產用的種子。
由此可見，“三系雜交”的關鍵是獲得“雄性不育”的水稻植株。在過去很長的時期內，全世界的育種學家都在苦苦尋找自然界“雄性不育”的水稻植株。非常幸運的是，袁隆平和他的學生?1970?年在海南省的一個野生稻群體中發(fā)現了雄性不育株。他以敏銳的科研洞察力使這次偶然發(fā)現變成了改寫水稻栽培史的大事件。
在?20?世紀?70?年代，我國始終依靠社會主義集中力量辦大事的制度優(yōu)勢，探索跨區(qū)域、跨學科、跨部門的協(xié)同攻關模式，有效解決了不同時期制約農業(yè)、農村發(fā)展的重大關鍵技術難題。成立了由中國農業(yè)科學院、湖南省農業(yè)科學院等幾十家農業(yè)科研教學單位、生產部門共同參與的“全國雜交水稻科研協(xié)作組”，有力促進了雜交水稻研究，在世界上率先實現了“三系”配套，推動了我國糧食生產水平的飛躍。
“三系雜交水稻”的育成品種
從?1976?年起，雜交水稻開始迅速向全國推廣，其主要品種（組合）為“南優(yōu)”“矮優(yōu)”“汕優(yōu)”“威優(yōu)”“岡優(yōu)”“D?優(yōu)”“Ⅱ優(yōu)”“協(xié)優(yōu)”等系統(tǒng)?！澳蟽?yōu)?2?號”是世界上第一個實用高產雜交水稻品種，“汕優(yōu)?63”在?1986?年成為全國雜交水稻播種面積最廣的品種，此后?16?年連續(xù)穩(wěn)居首位。
2001?年，以袁隆平為首席專家的全國雜交水稻科研協(xié)作組選育成功的“秈型雜交水稻”榮獲國家技術發(fā)明獎特等獎。頒獎詞說：利用我國普通野生稻雄性不育株經過連續(xù)回交及廣泛測交篩選，于?1973?年完成“三系”配套，并配制出光合效率高、根系活力強等優(yōu)勢雜交組合。1976—1980?年，全國累計播種面積?2.5?億多畝，增產糧食?130?多億千克，增產效果顯著。
兩系雜交法的發(fā)明
“三系雜交”所產生的雜種優(yōu)勢是十分明顯的，在當時產生了巨大的轟動效應。但是，“三系雜交”也有其局限性，主要是育種過程比較繁雜，操作環(huán)節(jié)多，以及不同品系的水稻植株很難調控花期相遇實現授粉雜交等。于是，人們開始新的探索，尋找“光溫性不育”植株替代上述的“遺傳性不育”植株。如果能做到人為環(huán)境控制下實現“雄性不育”，就能將繁雜的“三系雜交”變成相對簡易的“兩系雜交”。
幸運再次降臨于中國的育種學家。1973?年，湖北省沔陽縣沙湖原種場石明松在“農墾?58”晚粳大田中發(fā)現了一種被稱為“光敏感核不育”的水稻植株。他通過細致觀察發(fā)現，這種水稻植株的“雄性不育”和“雄性可育”可以相互轉化。在長日照條件下抽穗會“雄性不育”，而在短日照條件下抽穗則“雄性可育”。也就是說，通過調控稻田的光照時長可以變換雄性花蕊的育性。這個重要的發(fā)現，開啟了“光敏感核不育水稻”育種的先河。
在深入探明石明松發(fā)現的“光敏感核不育”水稻植株的不育機制的基礎上，袁隆平于?1987?年提出了雜交水稻從“三系”到“兩系”的發(fā)展戰(zhàn)略，開創(chuàng)了“兩系”雜交水稻育種的新階段。先后選育出“兩系雜交水稻”良種“培矮?64S”“廣占?63S”和“Y58S”等，從?2000?年后開始進入推廣應用階段。以“兩優(yōu)培九”“揚兩優(yōu)?6?號”“Y?兩優(yōu)?1?號”等為代表的“兩系雜交稻”推動了我國水稻單產和總產的提高。
超級稻栽培模式研究
1996?年，農業(yè)部啟動旨在提高水稻產量潛力的“中國超級稻研究”重大項目，明確提出超級稻要通過理想株型塑造與雜種優(yōu)勢利用相結合的技術路線，培育大幅提高單產、重點提升大米品質、綜合抗性較強的新型水稻品種。
2000?年前后，“協(xié)優(yōu)?9308”“兩優(yōu)培九”“沈農?265”等一批超高產新品種完成第一階段超級稻育種目標，進入大面積推廣階段。此后，超級稻百畝示范的單產水平不斷取得突破，每公頃產量先后于?2004?年、2011?年和?2014?年達到?12?000?千克、13?500?千克和?15?000?千克的高產目標。截至?2017?年，農業(yè)部先后?12?批次確認了?166?個超級稻品種。由此可見，超級稻已經實現了單季畝產超過?1?噸的高產目標。
圍繞雜交稻高產高效開展綜合配套高產栽培技術集成應用研究，發(fā)明了許多因地制宜的高產栽培模式。例如：
南方稻區(qū)集成和推廣了“稀少平”“葉齡模式”“小群體、壯個體、高積累”“少免耕與拋秧高產”“三高一增”“雙兩大”“紙筒育苗拋秧”和“多蘗壯秧少本”等栽培技術；
東北稻區(qū)形成了“旱育稀植高產”與“節(jié)水灌溉”等栽培技術。
這些技術從不同層面推動了我國稻作水平的大幅提升。水稻新品種選育與栽培種植技術進步，帶動我國水稻單產實現新的飛躍。1998?年全國平均單產達到?6.37?噸/公頃，比?1976?年增長?84%，比?1952?年增幅達到?164%。
進入?21?世紀以來，農業(yè)科學家在系統(tǒng)探明水稻高產群體生育基本規(guī)律的基礎上，完善了“葉齡模式”“群體質量指標”等理論，建立了“水稻生育各期診斷指標”，創(chuàng)建了“水稻精確定量栽培理論”，指導水稻栽培技術的創(chuàng)新。
此外，提出了“水稻實地氮肥管理理論與技術”“水稻籽粒灌漿與調控”“水稻主要生長指標的光譜監(jiān)測機理與定量診斷技術”等創(chuàng)新理論和技術改進方面的新技術與新方法，為水稻高產高效栽培提供了理論指導和技術方法。
通過水稻栽培理論和新技術的綜合運用，注重高產與高效協(xié)同演進的一系列技術模式的應用，實現了“精確定量栽培”“雙季稻旺根壯稈重穗栽培”“實地養(yǎng)分氮肥管理栽培”“水稻高產與水分養(yǎng)分高效利用栽培”“水稻缽形毯狀秧苗機插技術”“超級稻高產栽培”“超級稻三定栽培”“機插水稻高產栽培”“基于模型與?GIS?耦合水稻管理決策支持系統(tǒng)”等在各水稻產區(qū)增產提優(yōu)中發(fā)揮重要作用。
雜交水稻的重大成果
1988?年，“雜交水稻新組合汕優(yōu)”榮獲國家科學技術進步獎一等獎。該雜交組合以兼具強恢復基因及高抗稻瘟病基因的“明恢?63”為恢復系的基本營養(yǎng)型的雜交水稻新組合，具有優(yōu)勢大、抗瘟性強等特點。南方?14?個省份累計推廣?1?億多畝，增產稻谷?47.013?億千克，增值?19?083?億元，減少藥劑防治稻瘟病成本?20?億元。
1993?年，“高產優(yōu)質多抗雜交水稻新組合汕優(yōu)?10號”榮獲國家科學技術進步獎一等獎。該雜交組合是用秈稻不育系“珍汕?97A”為母本，與含有粳稻親緣的“密陽?46”為父本，經多次單株成對測交和反復提純而選育成的中秈型雜交晚稻，其選育技術和各種優(yōu)良性狀達國際先進水平，累計推廣近億畝。
2013?年，“兩系法雜交水稻技術研究與應用”榮獲國家科學技術進步獎特等獎。頒獎詞說：針對三系法存在的配組不自由等問題，利用水稻光溫敏核不育新材料，圍繞光溫敏不育系育性轉換機理、實用光溫敏核不育系創(chuàng)制、兩系雜交稻組合選育技術、安全高效繁殖制種技術等進行深入研究，創(chuàng)立了兩系法雜交水稻的理論和技術體系，解決了水稻雜種優(yōu)勢利用的三大難題，開辟了作物雜種優(yōu)勢利用新領域，帶動和促進了我國油菜、高粱、棉花、玉米、小麥等作物兩系法雜種優(yōu)勢利用的研究與應用。兩系法雜交水稻是國際首創(chuàng)的擁有自主知識產權的科技成果，為農作物遺傳改良提供了新的理論和技術方法，確保了我國雜交水稻研究與應用的世界領先地位。
稻栽培技術的重獎成果
2010?年，“抗條紋葉枯病高產優(yōu)質粳稻新品種選育及應用”榮獲國家科學技術進步獎一等獎。針對我國水稻條紋葉枯病抗性鑒定和分子標記聚合育種技術體系尚未建立，以及抗病種質、基因和品種匱乏等突出問題，開展了抗條紋葉枯病高產優(yōu)質粳稻新品種選育及應用研究，育成不同生態(tài)類型的抗條紋葉枯病優(yōu)質高產水稻新品種?10?個，實現了南方粳稻區(qū)抗病品種的快速覆蓋。通過種質、基因、技術和信息共享，構建了南方粳稻品種選育與應用的綜合平臺，圍繞抗條紋葉枯病育種開展聯合攻關。2009?年推廣面積占南方粳稻區(qū)種植面積的?78%，有效解決了南方粳稻區(qū)受條紋葉枯病流行危害的難題，極大地促進了水稻生產的發(fā)展，為保障我國糧食安全、農民增收和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出了重要貢獻。
2017?年，“水稻高產優(yōu)質性狀形成的分子機理及品種設計”榮獲國家自然科學獎一等獎。圍繞“水稻理想株型與品質形成的分子機理”這一重大科學問題，鑒定、創(chuàng)制和利用水稻資源，創(chuàng)建了直接利用自然材料與生產品種進行復雜性狀遺傳解析的新方法；揭示了影響水稻產量的理想株型形成的關鍵基因和分子基礎；闡明了稻米食用品質精細調控網絡，用于指導優(yōu)質稻米品種培育；示范了高產優(yōu)質為基礎的分子設計育種，為解決水稻產量品質協(xié)同改良的難題提供了有效策略。研究成果引領了水稻遺傳學的發(fā)展，是“綠色革命”的新突破和新起點。
朱冠楠 南京農業(yè)大學副教授。主要從事農業(yè)史、農業(yè)民俗的教學和研究。
（文章摘編自：朱冠楠, 曹幸穗. 雜交水稻和雜交小麥的選育（1960—2000年）——面向國民經濟主戰(zhàn)場的新中國農業(yè)科技. 中國科學院院刊, 2019, 34(9): 1036-1045.）
來源： 中國科學院院刊
責任編輯：王旭泉
