杂交水稻产业发展与技术创新

中国水稻研究所 胡培松

创新是种业的核心价值。我国杂交水稻独步世界的关键是杂交水稻育种材料的突破和育种技术的创新。如今，面对杂交水稻巨大市场和在技术、资金、营销网络、管理优势明显的跨国种业集团竞争，加速健全监督管理体系，建立种业发展扶持机制，提高杂交稻种业研发能力和企业竞争力，加快种子产业集约化、市场化、产业化发展迫在眉睫。

杂交水稻是我国具有自主知识产权的重大科技成果。由于缺乏对核心技术的知识产权保护，杂交水稻种业培育错失良机。针对我国杂交稻研发现状，为应对跨国种业集团竞争，需要不断提高杂交稻种业研发能力和企业竞争力，加快种子产业集约化、市场化、产业化发展，确保粮食安全。

水稻是我国的民族产业

中国是稻作历史古国，也是水稻原产地之一。亚洲栽培稻的祖先种普通野生稻分布极广，南起海南三亚，北至江西东乡，西起云南盈江，东至台湾桃园。水稻栽培历史极为悠久，新石器时代遗址有稻谷、米粒、稻秆等遗物出土者达70余处，尤以太湖地区的江苏南部、浙江北部最为集中，最早的是浙江桐乡罗家角和余姚河姆渡，且已有籼粳并存。水稻在我国推广种植后，很快传到了东亚近邻国家，大约在3000多年前的殷周之交，我国水稻北传朝鲜、日本，南传印度、越南。公元5世纪，水稻经伊朗传到西亚，然后经非洲传到欧洲，新大陆被发现后，再由非洲传到美洲以至全世界。

中华民族文明发源于黄河流域，但是在秦统一中国之后，趋向于从渭水流域与中原地区往长江下游平原转移。到了明清时期，整个国家的经济几乎完全依赖于长江以南地区的钱粮赋税。这一重要现象大体与水稻种植进展息息相关，当时，黄河流域种植小麦、谷子、高粱都是旱地种植作物，该流域干燥的环境使水分蒸发得非常快，碱性的黄土失去水分之后容易产生板结，造成土地盐碱化，土壤肥力一年比一年贫瘠，以至于不能耕种。与当时的小麦等旱粮相比，水稻产量高，农民撒下去的种子通常可以收获20倍左右的稻谷，这与小麦4倍于种子的产量相比显然是非常可观的。再加上长江流域以南地区气候温暖湿润，一年可以种植两季甚至三季。北宋开始，中国古代王朝的经济重心便从黄河流域转移到了长江流域，北方人口大量南迁。民间也有“苏湖熟，天下足”和“湖广熟，天下足”之说，充分反映了江南水稻生产对于供应全国粮食需要和保证政府财政收入的重要性。据《天工开物》估计，明末时的粮食供应，大米约占70%，麦类和粟、黍等占30%。北宋以前中国人口从未超过6000万，但是北宋以后人口急剧增加。到清朝末年达到了4亿。作为人口增长的基础，主要粮食作物发生变化无疑具有决定性意义。

我国是稻谷生产大国。目前水稻播种面积占世界水稻播种面积约19%，仅次于印度；稻谷年均总产占世界稻谷总产35%，居世界第一。我国是稻种资源富国。水稻在我国分布跨越热带、亚热带、暖温带、中温带、寒温带等五个气候带；世界上种稻最北点（黑龙江省漠河，53°27′N）位于我国。到2000年年底为止，我国已编入国家稻种资源目录的国内资源达75597份，其中古老的地方品种达52320份。建国以来，我国政府十分重视粮食与水稻的生产，一靠政策、二靠科技、三靠投入，取得了以占世界9%耕地、生产出占世界25%粮食、养活了占世界22%人口的举世公认伟大成就。稻谷总产从1949年来60余年间增加约4倍。

杂交水稻是我国具有自主知识产权重大科技成果，被喻为第二次“绿色革命”。1964年，袁隆平偶然发现了水稻的杂交优势。1966年，袁隆平发表了《水稻的雄性不孕性》的论文，突破了“自花授粉作物没有杂种优势”的传统观念，奠定了中国杂交水稻研究的基础。1970年在野生稻中发现花粉败育株，1973年实现了不育系、保持系和恢复系“三系”配套，袁隆平发表了题为《利用野败选育三系的进展》的论文，正式宣告中国籼型杂交水稻“三系”配套成功，这是中国水稻育种的一个重大突破。1975年又研制出一整套制种技术，1976年开始大面积推广。根据杂交水稻“三系配套”理论，颜龙安育成的野败型不育系“珍汕97A”广泛应用，组合累计推广应用20多亿亩。1980年，谢华安培育出恢复系“明恢63”并配组杂交水稻推广速度、年种植面积、累计种植面积、增产稻谷总量四个全国之最的“汕优63”。除了野败型杂交水稻外，朱英国发明的红莲型杂交水稻，周开达发明的冈•D型杂交稻均广泛应用生产，丰富我国杂交理论技术水平。加上全国水稻科技工作者大协作，科研、生产、推广部门紧密结合，杂交稻组合不断更新、种植面积不断扩大，近年年种植面积大约1800万公顷左右，单产比常规稻增产15%～20%，使水稻单产水平实现第二次飞跃。杂交水稻已推广超过3.3亿公顷，累计增产稻谷5亿吨。我国杂交水稻技术被世界粮农组织列为解决世界上粮食短缺国家的首选技术，目前全世界已有40多个国家和地区引进和推广了我国的杂交水稻，在海外年推广面积近300万公顷。

我国杂交水稻育种和种业发展现状与问题

建国以来，我国水稻育种取得了辉煌的成就，粮食生产能力得到大幅度提高，有力支撑了农业农村经济的快速发展。水稻矮秆育种、特别是杂交水稻研究利用为解决我国粮食安全起到关键的作用，近年来水稻分子育种研究也接近国际先进水平。

——我国杂交水稻产业研究与管理总体现状

从野败三系杂交稻大面积推广，冈、D型、红莲型等杂交稻应用，两系杂交稻和超级杂交稻研发，我国杂交稻无论在理论研究和技术开发上仍居世界领先地位。但这一地位正在削弱。主要表现在：

一是新组合越来越多，突破性组合鲜见。1981年配组的“汕优63”，1987年起，“汕优63”连续15年种植面积冠居全国，一口气创下了杂交水稻推广速度、年种植面积、累计种植面积、增产稻谷总量四个全国第一，单年最大种植面积超过1亿亩，累计种植近10亿亩，增产稻谷700多亿公斤，堪称世界稻作史之最。“汕优63”还走出国门，被越南等东南亚国家引进，大面积种植，增产效果达70%～130%，被誉为“东方神稻”。与之相比，我国目前种植杂交组合越来越多，种植面积10万亩以上组合从1998年的189个到2008年的480个（表1），2008年种植面积1万亩以上的更是达743个。而单个组合种植面积越来越小，如2008年推广面积最大的丰两优1号仅551万亩（表2）。

二是杂交水稻产业组织管理亟待加强。自1970年发现野败不育株以来，对杂交水稻的研究与杂交水稻新组合的选育开展全国性的大协作，为杂交水稻的研究推广奠定了基础。我国杂交水稻发展前期，组织管理是非常成功的，全国和各地都成立了攻关协作组和专家顾问组。1972～1980年召开了8次全国杂交水稻科研协作会，制定了全国性的攻关措施，育种材料、信息和技术交流也做得很好。应该说，杂交水稻最初的推广应用，计划经济体制下的行政命令和当时完善推广体系作用明显。而在市场经济的今天，由于杂交水稻种子经营上存在的巨大利润的诱惑，各级种子管理、生产经营和推广部门均介入到杂交水稻种子生产、销售行业，个别地区甚至许多个人也介入到这一行，导致杂交水稻的种子质量良莠不齐，假冒伪劣种子坑农的事件时有所闻，新组合的成果转化速度已相应下降。在计划经济时期的管理模式已不适用的情况下，特别是跨国公司对杂交稻庞大种子市场觊觎下，急需建立和完善行业管理机制，成立全国和地方的行业协会，以加强管理，组织和协调研发力量和扩大生产规模，做到可持续发展，确保粮食安全。

——从悄然布局到全方位进入，种业跨国公司步伐加快

首先，种业跨国公司已全面布局我国农作物种子研发。在国际化与市场化的种业发展大背景下，杜邦（Dupout）、孟山都（Momsanto）、先正达（Syngenta）等跨国公司从20世纪80年代国际种业巨头悄然布局中国市场，除建立研发中心外，开始纷纷参股本土市场的优势种子企业，成立合资公司，步伐不断加快，开始全面觊觎我国庞大种子市场。由于缺乏知识产权保护，杂交水稻这样独创的具有重大实用价值和经济效益的技术，1980年，美国西方石油公司所属圆环种子公司向中国种子公司支付20万美元专利转让费，只申请到仅占1/60的花期相遇措施的单项专利。目前杂交水稻核心技术已广泛无偿使用，加上杂交水稻巨大市场，跨国种业公司20世纪90年代开始重视杂交水稻相关研究。如目前东南亚国家推广200多万公顷杂交稻中，除了中国出口少部分种子外，技术多为拜尔、先锋、孟山都等控制，如拜尔在印度发放PA6201，PA6444、Arize等组合占印度市场40%左右，拜尔还在越南、菲律宾、印度尼西亚、巴西等国发放一批优良组合，先锋的PHB—71组合，孟山都的RH204、RH209组合也纷纷推向市场。冷静分析，在国外，我国杂交水稻技术已无多大优势可言。除了东南亚和南美市场外，种业跨国公司十分看重我国目前年推广约1800万公顷杂交稻市场。

——我国杂交水稻种业发展机遇与挑战

我国每年杂交稻用种量在2.5亿公斤左右，以每公斤25～30元计算，市场份额为60亿～75亿元。世界每年水稻种植面积1.5亿公顷，而我国以外的地区杂交水稻的种植面积近300万公顷左右。如果世界种植0.67亿公顷杂交水稻，世界杂交水稻市场份额250亿～300亿元，市场潜力巨大。尽管近年来，种业跨国公司开始着力布局杂交稻市场，并占领了除中国外的主要市场，但与其他作物相比，杂交水稻育种材料的突破和育种技术的不断创新，我国杂交水稻研究依然居领先地位，特别是近年两系杂交水稻、超级杂交水稻研究突破性进展为种业发展奠定扎实技术基础。另外，从全球前10大种子公司近年业务情况表(表3)，明显看出,除了进入种业相对较晚的BayerCrop Science以杂交水稻为主业外，其他公司杂交水稻技术基础相对薄弱。

大力开展杂交水稻科技创新，赢得杂交稻种业发展未来

创新是种业的核心价值。我国杂交水稻独步世界的关键是杂交水稻育种材料的突破和育种技术的创新。野败三系配套促成了我国水稻杂种优势利用成为现实。在充分利用野败胞质和改良野败型不育系的基础上，充分发掘新的不育胞质源为我国的杂交水稻发展增加了后劲。冈、D型、红莲型、印水型、K型杂交稻大面积应用生产。在品种间杂种优势利用取得成功的基础上，通过广亲和基因的利用、适当扩大亲本间的遗传距离等技术，籼粳亚种间杂种优势利用也获得成功。近年来，两系杂交稻因其品质优势开始广泛应用生产，面积已占杂交面积15%以上，超级杂交稻、粳杂研究也取得重大进展。

然而，随着人民生活水平的提高，人口的快速增长、杂交水稻国际市场的急剧膨大，目前的水稻杂种优势利用技术已亟待创新。主要表现为：一是缺少用于配制优质杂交稻的育种材料，使得现有大面积推广的杂交稻组合除少数组合外，极大部分组合的米质不理想，特别是三系不育系品质问题十分突出，这也是我国的杂交水稻难以打进国际市场的主要原因；二是缺少具有多抗性的不育系，我国转育并在生产上大面积应用的不育系具有较高的配合力，但无一可抵挡或躲避稻飞虱和若干病毒病的毁灭性的危害，且不适应热带稻作环境，丰产性状难以发挥，热带国家必须重新转育；三是缺少具有突破性的恢复系和不育系，配制出的杂交组合产量潜力有限；四是缺少切实可行的预测杂种优势的方法，导致将大量的工作用于目的性不强的广泛测配上；五是杂交稻制种技术落后，制种成本越来越高，严重制约杂交稻面积扩大。

——超级杂交稻分子育种的重要理论研究

充分利用超级稻亲本93-11和培矮64的基因组工作框架图，应用高通量检测技术（EST标记和DNA芯片）和mRNA差异显示等技术，明确杂种优势产生的遗传机理、杂种优势与杂种劣势的进化关系及分子生物学基础；形成基于杂种优势和优质分子生物学研究成果的超级杂交稻育种新途径。

——特异性杂交稻育种种质发掘与创新

野败不育株和光温敏不育株发现是三系杂交稻、两系杂交稻培育成功关键。近年来，杂交稻技术无突破性进展也在于特异性杂交稻种质创新不足。从种业跨国巨头发展历史分析，多依赖个别“排它”核心技术。过去由于缺乏对核心技术的知识产权保护，杂交水稻种业培育错失良机。1980年，美国圆环种子公司（RICE Tec前身）购买杂交水稻专利后，历时20余年，杂交水稻在美国一直没有大面积推广。美国Louisiana州立大学水稻试验站发现非转基因抗咪唑啉（imidazoline）除草剂水稻（CLEARFIELD® 水稻）以来，该技术广泛应用美国水稻育种，美国RICE Tec公司利用该基因，杂交水稻机械化制种纯度得到有效保障，杂交稻面积迅速得到推广，2008年已占美国水稻面积40%。

——三系杂交稻不育系和恢复系分子改良

水稻功能基因组学研究飞速发展，为优质、多抗、高配合力不育系和恢复系分子改良奠定坚实基础。重点利用已克隆重要功能基因，开展不育系和恢复系的分子聚合育种。如品质相关基因（Wx，ALK，fgr等），抗性相关基因（Bph—1，Bph—3，Bph14、Bph15，Pi ta，Pi b，Pi 9，Pi 2，Pi 9，Xa1，Xa4，xa5，Xa21，Xa23，Xa26等），产量相关基因（Ghd7，Gn1，GS3，GW2，GW—5，S5，dep1，Rf1，Rf3，Rf4，orf79等）。

——雄性不育和可育进行调控研究

利用基因工程技术，对水稻雄性不育和可育进行调控，构建新的不育系和恢复系，按照需要对与雄性不育和育性恢复进行诱导，从而达到繁殖不育系和恢复系以及制种目的，对雌性育性表达进行调控，使恢复系在制种时表现雌性不育，雄性可育，在繁殖时进行简单诱导，可恢复可育，繁殖恢复系，这样恢复系在制种时由于雌性不育而不结实，只有不育系接受恢复系花粉生产一代种子。

——杂交水稻机械化制种技术创新

杂交水稻的制种技术自播种至收获完全靠人工操作，工序繁杂，只适宜于劳力密集型的国家使用。随着农村经济的快速发展，劳工不断升值等原因，致使制种成本居高不下，影响杂交水稻进一步大面积推广。目前，美国RICE Tec公司从育种材料、机械等方面不断创新，全面实现机械化制种。我国科学家利用苯达松敏感基因，创建含苯达松敏感基因的杂交水稻新资源，探索机械化制种技术。另外我国科学家利用谷壳颜色区别于正常谷壳色的水稻不育系种子和谷壳颜色正常的水稻恢复系种子机械混播，在开花期机械赶粉，结实后经机械混收谷壳颜色区别于正常谷壳色的杂交种种子和自交的谷壳颜色正常的恢复系种子，再用色选机分选，分别获得所述的杂交种种子和恢复系种子。这些技术从原理上可提高杂交水稻种子生产的机械化水平，但距生产利用，仍有不小差距。

杂交水稻是我国具有自主知识产权重大科技成果，也是打造中国种业航空母舰最佳选择。过去由于缺乏对核心技术的知识产权保护，杂交水稻种业培育错失良机。面对杂交水稻巨大市场和在技术、资金、营销网络、管理优势明显的跨国种业集团竞争，加速健全监督管理体系，建立种业发展扶持机制，提高杂交稻种业研发能力和企业竞争力，加快种子产业集约化、市场化、产业化发展迫在眉睫。在现有种业一时难以成为创新主体的现实情况下，为加强我国种业发展，提出如下建议：

一是增加科研投入，建立长效稳定的投入机制。从“六五”以来，国家科技支撑（攻关）计划、“863”计划等对育种科研给予了大力支持，但育种科研经费存在投入较分散，课题越分越细，直接导致研究上的低水平重复。

二是加强资源配置，建立有效的分工协作机制。由于科研机构及人员分属中央和地方不同层次、产学研不同部门，如何在科研资源、优势领域等方面统筹安排和组织全国性的协作攻关，明确任务分工，建立有效分工协作机制成为管理部门的重要课题。

三是育、产、加、销结合，建立有力的利益保障机制。目前从事种子经营的主要是国有企业。企业没有自主知识产权的品种，依附性强，规模经营的水平低，抵御风险的能力弱；同时，育种单位由于多缺乏市场前瞻能力和开发能力，其研究成果或与市场需求脱节、或得不到有效利用。新品种选育和产业化相关的科研、生产、销售体系脱节已严重制约我国种业发展；加强育、产、加、销结合，建立有力的利益保障机制，是现阶段种业发展的必然方向。