水稻的一生只有短短的120~150天，非常短暫。.
而中國(guó)水稻研究所所長(zhǎng)、全國(guó)超級(jí)稻研究與示范專(zhuān)家組組長(zhǎng)程式華，則把自己的目光聚焦到了水稻更短的時(shí)間周期——水稻生殖生長(zhǎng)期。
“實(shí)際上，水稻產(chǎn)量的30%~35%依靠水稻后期生長(zhǎng)時(shí)光合作用的積累，因此，后期生長(zhǎng)對(duì)于水稻產(chǎn)量有至關(guān)重要的作用。”正是認(rèn)識(shí)到其重要性，程式華才對(duì)水稻的這個(gè)發(fā)育階段情有獨(dú)鐘。
功夫不負(fù)有心人。2011年，程式華的“后期功能型超級(jí)雜交稻育種技術(shù)及應(yīng)用”通過(guò)了國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)評(píng)審，該項(xiàng)目創(chuàng)建了新的超級(jí)雜交水稻育種技術(shù)體系。而這個(gè)體系，正是以提高水稻生育后期光合作用能力為目標(biāo)的。
其實(shí)早在1986年，程式華就開(kāi)始了他的超高產(chǎn)雜交水稻研究。
超級(jí)水稻遭遇“早衰”
民以食為天，中國(guó)的糧食安全應(yīng)先解決溫飽問(wèn)題。中國(guó)的水稻育種研究有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，水稻單產(chǎn)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)兩次重大突破。
第一次是始于上世紀(jì)50年代末60年代初的矮化育種，主要通過(guò)降低水稻株高來(lái)培育新品種，所培育的新品種的耐肥抗倒性和收獲指數(shù)大幅度提高；第二次是上世紀(jì)70年代初期，雜種優(yōu)勢(shì)的利用（所謂雜種優(yōu)勢(shì)是指雜合體在一種或多種性狀上優(yōu)于兩個(gè)親本的現(xiàn)象，雜種一代往往比它的雙親表現(xiàn)出更強(qiáng)大的生長(zhǎng)速率和代謝功能），而成功培育出的雜交水稻使水稻平均畝產(chǎn)提高到400公斤以上。
一般來(lái)說(shuō)，水稻主要有兩個(gè)亞種——粳稻和秈稻。早期的雜交育種主要是粳稻與粳稻之間，秈稻與秈稻之間進(jìn)行，由于親本之間存在親緣關(guān)系，差異性小，因此產(chǎn)量有限。到上世紀(jì)80年代，雜交水稻的產(chǎn)量就很難實(shí)現(xiàn)突破。于是，超級(jí)稻開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。
1981年，日本最早提出水稻超高產(chǎn)育種。中國(guó)、韓國(guó)和國(guó)際水稻研究所也先后開(kāi)展超高產(chǎn)育種研究。國(guó)際水稻所在上世紀(jì)90年代初提出了新株型育種理論，并利用包括中國(guó)“沈農(nóng)366”在內(nèi)的粳稻種質(zhì)資源選育出新品系。1994年，通過(guò)小面積試種，一些品系獲得了超高產(chǎn)。
1996年，在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)楊守仁等專(zhuān)家的積極倡議下，農(nóng)業(yè)部正式啟動(dòng)了“中國(guó)超級(jí)稻育種計(jì)劃”，從而拉開(kāi)了中國(guó)超級(jí)稻研究的序幕。
從第一個(gè)超級(jí)稻品種誕生至今，農(nóng)業(yè)部認(rèn)定的超級(jí)稻品種已達(dá)到92個(gè)。推廣種植面積約占全國(guó)水稻種植總面積的四分之一，平均畝產(chǎn)達(dá)到575.2公斤，推動(dòng)了中國(guó)水稻增產(chǎn)、增收。但是，一些早期的超級(jí)稻在推廣種植，甚至是實(shí)驗(yàn)階段就出現(xiàn)了問(wèn)題。
“超級(jí)稻是由粳稻和秈稻雜交而成的，就像是混血兒，親本之間的差異性很大，因此很可能出現(xiàn)后期功能性差的問(wèn)題。”程式華直言不諱。
據(jù)了解，雖然某些超級(jí)稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)良好，體型十分高大健壯，但是容易出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，生殖生長(zhǎng)期光合作用出現(xiàn)減弱情況，根系也不夠發(fā)達(dá)，致使水稻顆粒不夠飽滿(mǎn)，從而影響到水稻高產(chǎn)的發(fā)揮。一般來(lái)說(shuō)，即使這樣的超級(jí)稻在氣候條件良好的種植區(qū)也能正常生長(zhǎng)，而一旦遇到惡劣的氣候，其劣勢(shì)將暴露無(wú)疑。超級(jí)稻的早衰問(wèn)題成為提高超級(jí)稻產(chǎn)量亟待解決的問(wèn)題。
1999年，程式華提出“超級(jí)稻后期功能型”這一概念。“那時(shí)還只是一個(gè)模糊的念頭。”程式華回憶道。
而正是從這個(gè)模糊的概念開(kāi)始，程式華走上了超級(jí)稻后期功能研究的道路，花費(fèi)了9年才在2008年完成項(xiàng)目。如果再加上前期的一些基礎(chǔ)性工作和后來(lái)的大面積推廣，整個(gè)項(xiàng)目持續(xù)了20多年。
瞄準(zhǔn)后期突破瓶頸
經(jīng)過(guò)反復(fù)選育和研究，程式華發(fā)現(xiàn)多數(shù)青稈黃熟的水稻抽穗后，其光合作用下降很慢，且根系極為發(fā)達(dá)。為了解決超級(jí)稻生育后期根葉早衰，結(jié)實(shí)、灌漿差等綜合性狀不良的問(wèn)題，程式華又將注意力集中在了水稻后期葉片光合作用和根系生長(zhǎng)兩大問(wèn)題上。
那么，追根溯源，青稈黃熟的雜交水稻，其親本組成怎樣？
帶著這個(gè)疑問(wèn)，程式華開(kāi)始進(jìn)行秈、粳反復(fù)雜交試驗(yàn)，最終他發(fā)現(xiàn)在父本為秈粳中間型時(shí)，雜種一代營(yíng)養(yǎng)優(yōu)勢(shì)和生殖優(yōu)勢(shì)最協(xié)調(diào)，后期光合作用下降很慢，營(yíng)養(yǎng)優(yōu)勢(shì)與生殖優(yōu)勢(shì)都突出，單株產(chǎn)量最高。
“采用這種親本選配方法，可實(shí)現(xiàn)超級(jí)稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。”程式華說(shuō)。
為了更好地選出良種，程式華還開(kāi)發(fā)出了與秈、粳形態(tài)指數(shù)顯著相關(guān)的高效、準(zhǔn)確的DNA特異標(biāo)記，能夠快速地選擇良種。
在水稻研究中，根系的研究更為困難。根系埋藏在土壤中，在不損傷根系的前提下很難完全挖出，同時(shí)如何清理掉附在根系上的泥土，這些都讓程式華頗費(fèi)腦筋。
柳暗花明又一村。正當(dāng)程式華為此發(fā)愁的時(shí)候，他想到了水面種稻。水面種稻是指運(yùn)用無(wú)土栽培技術(shù)，將水稻種在水面浮體物上。采用這種技術(shù)，具有取樣簡(jiǎn)便、不易損傷根系等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的水田挖掘根系研究法對(duì)根系損傷重、工作量大、無(wú)法對(duì)育種大群體開(kāi)展研究的缺點(diǎn)。非常湊巧，他所帶的一位博士原先的研究方向正是水面種稻，這可解了程式華“燃眉之急”。
后來(lái)，研究證明，根深指數(shù)越大，水稻葉片更直立、結(jié)實(shí)率更高，齊穗期不發(fā)根節(jié)的數(shù)量與綠葉數(shù)量也顯著相關(guān)。而粳稻的根深指數(shù)和不發(fā)根節(jié)數(shù)大于秈稻。通過(guò)秈、粳雜交，將粳稻的兩個(gè)根系特性導(dǎo)入到秈稻背景中，有利于提高秈稻的后期功能，進(jìn)而提高結(jié)實(shí)率。
“利用根系指標(biāo)選育超級(jí)稻的方法，可保證超級(jí)稻在生育后期具有較高的根系活力和較多的功能葉片。”程式華說(shuō)。
以中國(guó)工程院院士、武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授朱英國(guó)等國(guó)內(nèi)頂尖專(zhuān)家組成的鑒定委員會(huì)給予了該項(xiàng)目高度評(píng)價(jià)：“以提高水稻生育后期光合能力為目標(biāo)的后期功能型超級(jí)稻育種技術(shù)體系，豐富了超級(jí)稻育種理論，完善了超級(jí)稻育種技術(shù)體系，居同類(lèi)研究的國(guó)際領(lǐng)先水平。”
同時(shí)，該技術(shù)還獲得了國(guó)外同行的好評(píng)，國(guó)際著名水稻育種學(xué)家、世界糧食獎(jiǎng)得主G.S. Khush表示，程式華博士開(kāi)發(fā)出了秈、粳特異DNA標(biāo)記，并在確定親本和雜種秈、粳屬性中加以應(yīng)用，為提高水稻產(chǎn)量作出了巨大的貢獻(xiàn)。
規(guī)劃未來(lái)繼續(xù)前行
從1986年就開(kāi)始研究超高產(chǎn)雜交水稻的程式華，到今天已經(jīng)走過(guò)了26個(gè)年頭，程式華及其項(xiàng)目組在超級(jí)稻領(lǐng)域共獲得4項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和4項(xiàng)品種權(quán)，直接育成7個(gè)“國(guó)稻”系列超級(jí)稻組合，累計(jì)推廣3000多萬(wàn)畝，全國(guó)許多科研單位利用他們研發(fā)的技術(shù)，共培育出85個(gè)雜交稻新組合，累計(jì)推廣面積超過(guò)1.5億畝，獲得了不俗的經(jīng)濟(jì)效益。
而程式華的想法很簡(jiǎn)單：“干一行，愛(ài)一行”，樂(lè)于為保障中國(guó)的糧食安全作貢獻(xiàn)。當(dāng)被問(wèn)及他將來(lái)的工作重點(diǎn)時(shí)，程式華毫不猶豫地回答說(shuō)，要繼續(xù)進(jìn)行雜交水稻研究，將后期功能型超級(jí)稻育種技術(shù)進(jìn)一步完善。
“現(xiàn)在水稻良種選育的目的性不強(qiáng)，只是大規(guī)模篩選，但是當(dāng)水稻基因的遺傳性研究取得一定成果后，就可以進(jìn)行分子設(shè)計(jì)育種，能夠加強(qiáng)水稻雜交育種的目的性，縮短育種時(shí)間。”程式華說(shuō)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)雜交稻分子設(shè)計(jì)育種也是他下一步的工作重點(diǎn)之一。■
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2012年第2期 焦點(diǎn))