两系法杂交水稻技术：“领跑”世界技术成果

文|何强 湖南杂交水稻研究中心 编辑|孙洁

两系法杂交水稻技术：“领跑”世界技术成果

文|何强 湖南杂交水稻研究中心 编辑|孙洁

项目成果：两系法杂交水稻技术研究与应用

课题单位：湖南杂交水稻研究中心

两系法是国际首创的重大科技成果，其特点是种子生产程序简单，配组自由，稻种资源利用率高，因此选到优良组合的机率大大提高，是更为先进的方法，能够较好地解决三系法难以克服的难题，可以说是杂交水稻发展中新的里程碑。

农作物杂种优势利用是现代农业科技的重大成就之一，三系法是最经典的方法，包括不育系、保持系、恢复系。三系法杂交水稻为我国粮食安全作出了巨大贡献，于1981年获国家技术发明特等奖。

但是，三系法杂交稻自推广以来优势水平一直徘徊不前，存在种子生产程序复杂、配组不自由和稻种资源利用率低的不足，难以解决培育优良组合周期长、效率低，高产与优质、早熟与高产难协调的难题。杂交水稻的进一步发展寄希望于新材料的发现和新技术、新途径的运用。

1981年，杂交水稻专家石明松报道发现粳型光敏核不育水稻“农垦58S”，提出一系两用的思路，即光敏不育系在长日条件下表现不育用于生产杂交稻种子，在短日条件下恢复可育自交繁殖生产不育系种子，不需要保持系。1987年，国家杂交水稻工程技术研究中心邓华凤发现并随后育成籼型光敏不育水稻“安农S-1”。光敏不育水稻的发现为两系杂交水稻的研究提供了新材料。

两系法的特点是种子生产程序简单，配组自由，稻种资源利用率高，因此选到优良组合的几率大大提高，是更为先进的方法，能够较好地解决三系法难以克服的难题，可以说是杂交水稻发展中新的里程碑。

早期研究认为光敏不育系的育性只受光照长度的影响，而光照长度的变化是有规律的，两系法应用于生产指日可待，全国很快掀起两系法研究的高潮。

1989年7月底出现异常低温，导致在长日照条件下当时所谓的“光敏不育系”恢复可育、制种失败。随后的研究证明，农垦58S和安农S-1的育性转换都受温度影响，温度是育性转换的主导因子，因此，将上述不育系统称为光温敏不育系。

鉴于自然界温度的变化更为频繁，不像光长变化那么有规律，利用这种易受温度影响的不育系进行繁殖和制种，其繁殖的稳产性和制种的安全性都将受到极大的挑战，生产应用的难度将非常大。科技界和管理部门都对两系法能否应用于生产产生了质疑，很多学者甚至放弃对两系法的研究。两系杂交水稻研究陷入低谷。

针对上述困难局面，“中国杂交水稻之父”袁隆平及时提出了选育实用光温敏不育系的新思路，明确指出不育起点温度低是实用光温敏不育系的关键指标。随后，该研究得到总理基金立项和“863”计划的大力支持，组织全国性大协作攻关，解决了系列技术难题，逐渐掀起两系法研究的新高潮。

“两系法杂交水稻技术研究与应用”获国家科技进步特等奖，图为袁隆平团队领奖照片。

主要创新及技术突破

经过近20年的协作研究，两系杂交水稻主要实现了以下7个方面的创新与突破，取得了国际独创的具有完全自主知识产权的重大科技成果。

建立了杂交水稻育种理论体系。提出了杂交水稻育种战略，促进了两系法杂交水稻的发展。提出育种方法从三系法→两系法→一系法由繁到简效率越来越高的方向发展，杂种优势水平从品种间→亚种间→远缘杂种优势利用优势越来越强的方向发展的杂交水稻育种战略，得到国内外同行的广泛认同。《杂交水稻育种的战略设想》被国内外引用502次。

提出不育起点温度低是实用光温敏不育系关键技术指标的选育理论，为选育实用光温敏不育系指明了方向。研究发现，7月中旬到8月下旬，长江中下游连续3天出现低于23.5℃的几率为五十年一遇，连续6天出现低于23.5℃的几率为零。只要选育出不育起点温度低于23.5℃的不育系就可应用于生产，保证制种安全，华南稻区≤24℃。

探明了温敏感时期和敏感部位，为种子生产提供了理论依据。发现并证明了育性转换对温度的敏感部位是幼穗，敏感时期为花粉母细胞形成至减数分裂初期。

阐明了光温敏不育起点温度遗传漂变的机理，为不育系原种生产提供了理论支撑。提出光温敏不育系育性遗传由两种不同类型基因控制的假说：即育性转换特性属质量性状，不育的起点温度属数量性状。

创立了实用光温敏不育系选育与鉴定技术，奠定了两系法杂交稻应用基础。为了确保育成的不育系起点温度低于23.5℃或24℃，研创了实用光温敏不育系选育与鉴定技术，是两系法育种的核心，应用该技术全国育成了170个不育系通过审定和应用于生产。

建立了核心种子与原种生产技术，为安全制种提供了保障。光温敏不育系繁殖几代后，起点温度会逐步升高（由23.5℃升高到24～25℃），制种时如遇较低的温度（24℃—25℃），容易导致制种失败，从而使之失去应用价值。为了解决这一难题，研究建立了光温敏不育系核心种子和原种生产程序，制订了《不育系核心种子和原种生产技术规范》，有效防止了不育系育性起点温度的漂变，保证了不育系群体不育起点温度的稳定性。

建立了两系法超级杂交稻的育种技术路线，促进了超级杂交稻的发展。建立了形态改良、亚种间杂种优势及远缘有利基因利用相结合的两系超级杂交稻育种技术路线。

设计出高冠层、矮穗层、中大穗，上三叶长、直、窄、凹、厚的超级杂交稻理想株型模式。该株型及选育技术登载在《Science》（Vol283,1999），被引用531次。

通过超级杂交稻理想株型塑造，能够协调高生物学产量、高收获指数和高度抗倒伏三者之间的矛盾，达到有效增源，实现超高产。

运用两系超级杂交稻育种技术，分别于2000、2004、2012年先后实现了我国超级稻育种计划第一期亩产700公斤、第二期亩产800公斤、第三期亩产900公斤的育种目标。这些超级杂交稻新组合不仅超高产，而且米质优，抗两种或两种以上主要病虫害。

建立了安全高产制种技术体系，解决了两系法杂交水稻规模化安全高产制种技术难题。建立了两系杂交稻的制种气象分析决策系统，区划了两系法杂交稻安全制种的地区和安全敏感期、安全扬花期、安全成熟期的时段。

建立了两系法高产制种技术体系，制种平均亩产高达210.6公斤，比三系法提高16.5%。制订了《两系法杂交水稻制种技术规范》，为两系法杂交稻大面积推广提供了技术支撑。

建立了不育系高产稳产繁殖技术体系，为规模化种子生产奠定了基础。光温敏不育系不育起点温度≤23.5℃，水稻安全扬花期的温度≥21℃，适宜繁殖的温度范围很窄，为了解决这一难题，研创了低纬度海南冬繁、常温加冷水灌溉夏秋两季繁殖、高海拔自然低温夏繁等技术体系，解决了繁殖的高产稳产难题。繁殖平均亩产高达386.5千克，比三系法增产153.4%，成本减少了50%，解决不育系繁殖困难的难题。

除此之外，两系杂交水稻还突破了两系杂交粳稻育种与种子生产技术瓶颈，促进了杂交粳稻的发展。

对行业科技进步的影响

两系法杂交水稻拓展了作物杂种优势利用的范围，促进了作物遗传育种学科的发展，这种技术的成功应用，确保了我国杂交水稻技术的世界领先地位，推动了世界杂交水稻的快速发展，带动了水稻种子产业的整体进步。

两系法杂交水稻技术的推广应用，不仅促进了我国水稻生产水平的稳步提高，为确保国家粮食增产作出了重要贡献，而且为解决世界粮食安全问题提供了新的技术。

借鉴两系法杂交水稻的理论和经验，两系油菜、高粱、小麦等相继研究成功，为难以实现三系法杂种优势利用的作物提供了新途径。

第三方评价

两系法杂交水稻技术创新与规模化应用项目单项成果共获省部级奖励31项，授权发明专利9项、植物新品种权38项、软件版权1项，制订省级标准5项，出版专著13部，发表论文549篇。

两系杂交稻的相关研究成果，被两院院士评选为1996年、2003年、2011年中国十大科技进展新闻之一。

中国科学院李家洋、张启发和谢华安院士，中国工程院傅廷栋、陈温福院士认为两系法是国际首创的重大科技成果，是我国农业科研领域的又一伟大创新，是对遗传育种学科的巨大贡献。

美国先锋公司水稻研究部（亚洲）主任认为，“两系法是对以水稻作为主食国家粮食安全的又一技术保障”。

美国路易斯安娜大学教授报道，两系法杂交水稻比美国主栽品种增产21%～40%。

国际水稻研究所副所长认为，“中国两系杂交水稻的发展及商业化应用是作物科学与技术的重大突破”。

推广应用情况及社会经济效益

两系法杂交水稻推广区域遍布全国16个省、市，有20个两系杂交稻组合被农业部确认为超级稻主推品种。2005-2012年推广面积最大的杂交稻组合中，两系杂交稻连续8年蝉联第一，近3年，全国推广面积前3名均为两系杂交水稻。目前，安徽、湖南等省的两系品种种植面积超过了三系品种。

全世界有67个国家（来自美洲、非洲、东南亚地区等）先后派3000多名专家来湖南杂交水稻研究中心培训学习，希望学习和引进两系法杂交稻技术，杂交稻已成为我国对外技术援助的重要方法和手段，在我国外交事务中发挥了重要作用。

两系法杂交水稻已在美国大面积推广，现年推广面积占美国水稻总面积的30%，平均增产20%以上，近年来，美国每年给湖南杂交水稻研究中心提供技术使用费400多万美元。扩大了我国科学家和科学技术在国际上的影响力，提高了我国的国际地位。

截至2012年，两系杂交水稻已累计种植4.99亿亩以上，总产2358.2亿公斤以上，增产稻谷110.99亿公斤；总产值5777.59亿元，增收271.93亿元，对保障我国粮食安全、促进农民增收、农业增效作出了巨大贡献，为我国现代化建设和经济的快速发展创造了条件。

相关链接

两系法杂交水稻技术研究与应用自2013年获得国家科技进步特等奖以后，又取得了以下成就：

1.2014年两系法杂交稻“Y两优900”在湖南溆浦百亩连片平均亩产1026.7公斤，实现中国超级稻亩产1000公斤育种目标，为国家粮食安全和继续保持水稻杂种优势利用国际领先地位作出重要贡献。

2.2013-2015年，新增10个两系杂交稻组合被农业部确认为超级稻主推品种。

3.2013-2015年，两系法杂交水稻在全国南方稻区16省市推广，3年累计推广面积约2.0亿亩，总产900亿公斤以上，增产稻谷近50亿公斤；总产值超过2000亿元，增收近90亿元。