科技创新视域下杂交水稻育种技术的创新与发展

张 翔 康圣好 张 奎 汪仁举 曹明星

安徽华安种业有限责任公司，安徽 合肥 230088

0 引言

国无农不稳，民无粮不安。水稻是全球约50%人口的主粮，由此可见，水稻在稳定国计民生中具有重要作用。我国作为水稻原产地，在水稻栽培方面拥有绝对的主导权和话语权。为更好地适应现代农业的发展，全面提升水稻综合生产能力，我国有必要进一步创新杂交水稻育种技术，保障粮食安全。

1 水稻育种沿革

根据农业农村部统计数据，我国农作物良种覆盖率已经超过96%。从技术层面分析，水稻育种工作经历了矮化育种、杂种优势利用和超级稻培育3 次飞跃。其中，第一次的“矮化育种”在一定程度上提高了水稻的产量，被称为“第一次绿色革命”。然而，此次“绿色革命”并没有从根本上解决水稻“雄性不育系”这个关键性问题。在后续杂种优势利用和绿色超级稻培育两次调整的过程中，经历三系杂交稻培育、二系杂交稻培育、亚种间杂种优势利用、理想株型育种和绿色超级稻培育等5 个重要育种革新之后，“雄性不育系”这一难题取得突破性研究进展。

2 雄性不育株的发现与利用

相关农技人员发现雄性不育株是杂交水稻品质改良的重要基础。保障雄性不育多样性是实现杂交水稻种质多样性的有效途径，可预防种质单一带来的生产风险［1］。世界杂交水稻育种先驱袁隆平先生早在20世纪60 年代初期就开始了杂交水稻育种研究，并提出利用杂种优势的设想，然而苦于技术条件和野生水稻种质资源所限，收效甚微。时至1970 年，袁隆平先生和他的助手李必湖等人在海南省三亚市发现了花粉败育的野生稻及其不育细胞质（称为野败型细胞质雄性不育，CMS-WA），为杂交水稻雄性不育系的选育打开了突破口［2］。随后，袁隆平团队和全国多个育种单位利用该野败型细胞质雄性不育材料和其他种质资源育成一批不育系、保持系和恢复系杂交稻组合，宣告我国的三系杂交水稻培育成功。

3 现阶段杂交水稻育种工作面临的困难

3.1 杂交水稻育种周期长

为凸显杂交农作物“杂交”的特性，需要改变品种的基础生物特性，而这必须先确保有高质量、高纯度的父母本，然后才能够进入杂交再选育环节。很显然，从水稻的生长周期分析，这项初期工作很难在短时间内完成，即便是一切都顺利的情况下也需要3～5 年的时间，更何况还需要根据杂交水稻所显现出来的生物特性再进行调整和优化，加上后续的改良及大面积推广种植，使得育种周期较长。如此一来，杂交水稻的育种往往需要几代农技人员以“接力棒”的形式来完成。

3.2 抗性维持时间不确定

水稻属于粮食作物。为了能够有效提高其产量，育种人员必须要考虑品种的抗病性和抗虫性，在育种的过程中往往需要花费大量时间寻找具备特定抗性的野生种作为杂交材料。当获得野生种的抗性基因后，育种人员还要通过回交等方式评估杂交后的新品系是否具备大规模推广种植的价值。回交的过程需要一定的时间，且后续所得到的抗性是否具备持续性，在这个阶段往往也是未知的。

4 科技创新视域下杂交水稻育种技术措施

通过梳理杂交水稻育种过程中所面临的问题可知，从表象上来看，是由于时效性或者周期性的影响而导致育种周期被延长。究其本质发现，过度依赖和强调“手工”在其中的作用，忽视科技创新，特别是在信息技术支持下的科技创新，是最大的负面影响因素。

针对这种情况，农技人员需要有的放矢地加以解决，大幅度提升社会资源的综合利用效率，进而在缩短杂交水稻育种周期的同时，提升杂交水稻品种的科技含量。农技人员具体可从两个方面开展工作。

4.1 调整和优化杂交水稻育种方式，明显缩短杂交水稻育种周期

在杂交水稻育种过程中，如果违背水稻自然生长规律，一味地以缩短育种周期为目标开展相关工作，非但不能提升水稻质量，反倒容易降低水稻品质，因此整个杂交水稻育种周期属于“绝对定量”范畴。然而，也绝非没有变量因素可以对其产生影响。例如，可以采取分段的方法，把原本属于一个团队需要负责的工作拆分给若干个团队，从而形成一种合力，最大限度地减少整个育种过程中的重复性工作，为实现机械化制种工作奠定基础。结合当下情况来看，行之有效的方式是采取优化的“研企合作”形式，采用此方式可达到集中力量、集结物资的目的。所谓优化的“研企合作”形式，指的是较为专业的杂交水稻科学研究机构，同主业为育种的企业进行多角度、多维度的合作。农研机构出技术，企业出资金，二者形成优势互补之后，在农研机构和企业分设不同性质的专业实验室，以同步和不同步相结合、定向与不定向相补充的方式开展杂交水稻的机械化、阶段性制种工作［3］。

在这方面，部分相关技术团队取得了一定成绩。例如，复旦大学生命科学学院罗小金、杨金水课题组与湖南杂交水稻研究中心袁隆平院士团队合作，揭示了细胞程序性死亡基因OsPDCD5 突变改良水稻株型结构及产量的分子机制。该课题组之前通过消减抑制杂交技术在水稻中克隆了一个与哺乳动物同源的程序性死亡基因OsPDCD5，发现OsPDCD5 基因通过调控赤霉素、细胞分裂素和生长素的生物合成和信号转导途径中的一些基因来影响水稻产量。此外，OsPDCD5基因通过与OsAGAP的互作来部分调控水稻的株型结构和产量。此项研究结果揭示了OsPDCD5 基因控制水稻株型结构和籽粒产量的部分分子特征，为超级稻育种提供了优良的基因资源。

在此基础上，安徽省农业科学院水稻研究所（以下简称水稻所）大胆尝试，获得了可观的研究成果。首先，在得到安徽省农业科学院的首肯后，水稻所连续数年以生物育种产业技术创新战略联盟暨安徽省水稻良种重大科研联合攻关成果展示交流会的形式，发挥资源和平台优势，加强协同创新，加速科技成果转化。其次，水稻所同相关企业建立较为成熟的杂交水稻育种科技成果转让流程，实现水稻所和企业的合作双赢［4］。水稻所和安徽华安种业有限责任公司完成了科技成果（如不育系瑞18S 等水稻品系）转让的相关流程，为水稻育种成果的进一步开发和利用提供一个良好的平台，充分发挥新型杂交水稻的优势和潜力，实现成果价值的最大化。这种科技成果转化能够在较短的时间内完成，完全得益于安徽省农业科学院水稻遗传育种实验室和水稻所庐江试验基地相关技术人员的努力。这些科技力量相互交融且各司其职，产生的作用远远超过叠加效应。回交二代建立5～10 个株系，每个株系种植20～30 株；在回交三代群体中选择综合性状最好的株系扩大回交四代群体至少1 000株，就可以让不同的团队同步采取不同的方式对各性状的整齐度和育性进行鉴定。如各项指标均符合不育系要求，即可投入生产试验，以期达到初期的机械化制种规模。最后，在机械化制种完全脱离实验室阶段，投入实践之后，水稻所的相关技术人员以“跟踪服务”的方式，再同企业的相关技术人员进行合作。一是能够有效提升杂交水稻的直接播种面积，确保杂交水稻的机械化制种规模可持续扩大；二是能够获取第一手的信息和资料，为下一步的技术改良做好技术储备；三是能够极大地缩短实验室阶段的育种周期［5］。但是，在开展相关技术研究，尤其是涉及杂交水稻基因编辑等相关高科技含量的技术研究过程中，由于所涉及的试验较多且所需的时间较长，各合作单位必须摒弃各自为阵的“小团队”意识，应在多媒体信息技术的支持下，充分发挥信息共享优势，特别是远程模拟信息共享的技术优势，有效弱化相关技术壁垒对涉及杂交水稻育种过程中深度技术研究造成的影响，从而为杂交水稻育种工作的开展夯实基础。中国农业大学张洪亮及李自超课题组和湖南杂交水稻研究中心王伟平课题组就是在原有的合作机制上，针对水稻遗传改良和杂交育种优化的实验室阶段研究进行相关探索。例如，在开展“杂种优势以及非加性效应的形成高度依赖环境以及遗传背景”相关研究过程中，418 个水稻杂种组合及其亲本在多个环境下的表型分析结果，在两个相隔数千里的课题组所设的实验室中实现了信息共享，因此在开展相关技术研究过程中，无论是原属哪个课题组或者团队的技术人员只要发现数据信息异常，就能够及时实现“预警式”互动，从而保障技术研究人员尽早开展下一阶段的研究。在这种“数据共享”的支持下，两个课题组能够在做到明确且有效分工的基础上，最大限度地完成骨干型技术人员的交叉式工作，一改之前冗长的不同方向技术人员搭配所造成的研究资源浪费情况，明显地提升了杂交水稻育种的专业性技术研究工作效率，也有效地提升了杂交水稻育种过程中上下游资源的综合利用效率。据了解，这种全新的在高科技信息化技术支持下的杂交水稻育种方式，已经在多地的科研机构中陆续铺开。上海腾拔、南京农业大学万建民实验室也相继借助这种全新的合作方式为杂交水稻育种相关技术性研究工作提供助力。

4.2 有效应用大数据分析和多媒体仿真技术，明显提升杂交水稻的抗性

传统理念下的人工杂交水稻抗性检测，不仅需要耗费大量的人力、物力，而且受其中诸多人为不确定性因素的影响，有可能会对检测结果造成干扰。在这个过程中应用大数据分析技术和多媒体仿真技术，可起到事半功倍的效果。育种人员在前期可借助大数据分析技术推断气候、土壤等环境因素的影响，中期借助多媒体仿真技术在信息化终端上最大限度地模拟真实环境下水稻的抗性延续性，后期将这部分模拟数据中较为关键的信息直接代入有针对性、有目的性的杂交水稻抗性实验室阶段试验中，再根据实测结果，对相关难点进行专题技术攻克。特别是针对DUS 测试［植物新品种进行特异性（Distinctness）、一致性（Uniformity）和稳定性（Stability）的栽培鉴定试验或室内分析测试的过程简称DUS 测试］而言，这种借助大数据分析和多媒体仿真技术的有效综合性利用，为其实验室阶段带来了原始资料信息支持，其所产生的作用绝非某一个单项试验的作用可以比拟的［6］。例如，针对亲本中恢251 的相关技术革新过程，安徽华安种业有限责任公司依托农业农村部科技发展中心、中国水稻研究所、安徽省农业科学院、南京农业大学等专业研究机构和院校，聚合了一流的育种专家进行研发和主题科技攻关，为该杂交水稻实验室阶段育种过程中相关DUS 测试数据的整合提供了信息与技术层面上的支持，为全面增强该品种的抗性做出了积极贡献。根据农业农村部的相关统计数据，该杂交水稻品种仅在长江流域的阶段性推广种植就已突破百万亩。除了为农民带来较为可观的经济收益之外，其为相关科研团队在此基础上进一步加强技术创新积累了宝贵的农业数据。

5 科技创新视域下杂交水稻育种技术发展展望

杂交水稻育种工作随着新科学技术在农业发展上的应用在不断创新发展。基于现有研究基础，在广大社会力量和资源同专业的科研团队形成合力之后，未来5～10年，杂交水稻育种技术发展将走上“快车道”。

5.1 非接触性活体检测技术应用于杂交水稻育种

2022 年末，湖南农业大学叶能辉教授与香港浸会大学张建华教授团队合作，利用雌性不育技术实现了杂交水稻育种技术的新突破［7］。相比于生产杂交水稻种子常用的雄性不育技术“三系法”，应用此项新技术不会产生“恢复系”自花授粉所孕育的水稻种子，可提升杂交水稻种植效率。新技术的应用可实现利用机器全面自动化收割水稻，大幅度降低制种成本，从而为杂交水稻真正实现机械化、规模化的量产制种工作奠定坚实的基础，也为有效降低农民种植杂交水稻的基础性成本投入做出积极贡献。

5.2 分子标记育种技术应用于杂交水稻育种

分子标记是指以核苷酸序列变异为基础的遗传标记，能够直接反映个体基因组DNA的差异。在分子标记技术应用之前，相关技术人员制作“遗传图谱”用的是遗传标记方式，一般分为性状标记和生化标记两种。这两种标记方式的优势在于借助生化检测可以有效判断后代中性状的连锁程度，但其必须遵从一个必要前提，即在染色体上距离较近的两个基因必须降低相互交换的频率，这直接导致最终制作出来的图谱精度偏低，延缓了相关研究进度。借助分子标记能够让DNA序列形成一些比较特殊的序列，尤其是针对杂交后代中性状的连锁程度等较为重要的参数，其重复序列和酶切点位等主观要素的参照指标数量明显得到提升。将其直接应用于杂交水稻育种过程，不仅能够明显提升遗传图谱的精度，而且能够大幅度缩短相关研究时间。在这方面，国家杂交水稻工程技术研究中心已经取得了重大突破。国家杂交水稻工程技术研究中心以马来西亚普通野生稻为供体亲本、以93-11 为受体亲本进行杂交和回交，通过分子标记辅助选择技术育成了携带野生稻增产QTL yld1.1 和yld2.1 的新品系R163。虽然该品系目前仍然处于实验室研究阶段，但是随着试验数据的不断完善和诸多类似分子标记育种技术的农业新技术的涌现及其在杂交水稻育种方面应用程度的不断加深，其经过不断完善和优化得以大面积推广指日可待。

必须强调的是，高新科技应用于杂交水稻育种研究会成为主流趋势。考虑到高新科技资源相对较多，仅凭政府相关职能部门的一己之力难以有效支撑庞大的科研体系正常运转。就目前的情况来说，在这些科研成果转化应用于杂交水稻育种过程中，已经有来自不同层级的科研团队分别以不同的合作形式，全面加强同社会资源和力量的合作。因此，无论是政府部门还是相关科研机构，都必须重视社会力量的规模与灵活性优势，在下一阶段的工作中可以引入其积极投入杂交水稻育种相关研究。在客观条件具备的情况下，有必要采取集群化管理、集中化投入、集约化产出的方式，合理且高效利用各方面资源。针对高新技术在农业产业升级上的应用，特别是针对杂交水稻育种这种直接关乎国计民生的新型农业产业技术创新，政府及相关职能部门在秉持因势利导的主要方针之外，还应有指向性、目标性地在科研人员投入、资金及其他政策方面给予大力支持，从而使杂交水稻育种不仅具备极高的科技含量，而且能进一步迸发出可持续发展动力。

6 结语

党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央引领推进新时代农业农村现代化事业发展，党的二十大报告也强调“加快建设农业强国”。为了实现科技兴农，农业技术人员需要高度重视高新科技在农业发展中的应用。杂交水稻育种是一项长期且具有延续性的工作。因此，政府相关职能部门在协调好各方资源的同时，需要加大科技研发的投入力度，扩大社会资源和专业科研团队的介入范围，加快实现杂交水稻品种选育和机械化制种工作的步伐。