一粒稻种的十年攻关

作者: 谭剑 袁汝婷 周勉

2023年9月17日,湖南省株洲市龙门镇洪塘村。秋日阳光下,稻浪翻涌。田埂边,科研人员围成一圈,紧盯着检测仪器。外围有人焦急地发问:“多少?数值多少?”

“0.031!”人群中爆发出掌声与欢呼。专家组在评议意见书上郑重写下:大面积长势均衡、镉低积累特性显著、丰产稳产性好。建议加快推广应用。

“‘镉大米’,将会在我国成为历史。”中国工程院院士、湖南省农业科学院党委书记柏连阳一席话掷地有声、底气十足。

向着“伪命题”,集结出发

“低镉水稻的研究,极有可能是个伪命题。”多年前,就有业内知名的水稻专家下过这样的判断。

水稻是天生喜镉的植物。过去数十年,破解这一“天性”的科研工作一直在进行,但没有实质性突破。

直至2013年,湖南省委、省政府决定举全省农业科研之力、面向全国整合力量,开启低镉水稻品种选育的体系化攻关。柏连阳被任命为攻关的首席科学家。

这是一个几乎没有基础、形势却十分紧迫的任务。它成败攸关,却前路茫茫。

没有头绪,只能先着眼于救急。务实的科研工作者们决定,在当时已有的水稻品种里找,哪怕是找到“不太吸镉”“稍微好点”的应急性品种。

这是一个大海捞针的办法,却也是当时最能摸着门道的方向。湖南省农业科学院向全国各地科研单位、农业部门发出征集稻种的请求,3万多个表型、基因型不同的品种从四面八方汇集而来。

那段日子,农科院的科研楼实验室就像邮寄包裹的储存间,地上、桌子上、柜子顶上都堆放着贴上标记、装满稻谷样本的麻袋。

筛选低镉品种,不像观察高产、抗性等特征,稻谷无法在种植过程中通过肉眼判断,每一颗种子都必须经过100多天生长,成熟后再通过精密仪器检测其镉含量。

白天,科研人员在分布广泛的不同田块里做试验、观察水稻,夜晚才有时间回到农科院整理数据、开会讨论。

柏连阳记得,那段时间,他和同事们顶着太阳一块田一块田去观察、取样不同品种的水稻,然而,每一次测完镉含量,大家都垂头丧气。

“巴掌大一块田,种在东头和西头的同一个品种,镉含量很有可能不同。”柏连阳介绍。夜以继日地筛选了3万多个品种,也历经了上万次失望,他们得出基本判断:这不是一条能通往胜利的治本之路。

路不通,但意志不能退。

“背靠背”探索,也能相遇

“新知识+笨办法”,是湖南杂交水稻研究中心副主任李莉总结的秘诀。这位80后是湖南省水稻产业技术体系低镉水稻品种选育岗位专家。

加入低镉水稻选育的“大兵团作战”之前,李莉所在的团队长期从事水稻不育系研究。

“之前筛了那么多品种,都是杂交稻组合和恢复系材料。如果从不育系入手找,行不行呢?”李莉的“灵光一闪”,帮助她的团队探出了一条新路。

每年八九月,科研人员守在田间,把恢复系材料的花粉小心翼翼地抖洒在不育系的花柱上。“几百种不育系母本材料,每一株都是这么手工‘抖’下来的。”李莉说。

“李老师,找到了,有一株!”2019年秋天,正是丰收的季节,团队里85后博士王天抗激动地告诉李莉,在湖南岳阳湘阴县发现了一份表型低镉的不育系材料。

听到消息的李莉却很冷静,“先做重复试验,一定要严谨,还能得出同样的结果,再说下一步”。

当时,湖南的时令已不再适宜水稻生长,李莉和团队成员共同决定,立即前往更加温暖、阳光充裕的海南进行试验。

为了确保土壤镉含量条件不变,团队从湘阴县打包了50盆土壤,运到三亚师部农场。

4个月后,从海南传来好消息,重复种植的水稻材料,表型依然是低镉的!

然而,下一个难关来了——

要通过这份稳定低镉的资源获得低镉新品种,需要6到8个世代,这意味着,在一年种两季的湖南需要3—4年,而在海南,也需要2—3年。必须把周期再缩短。

为此,团队部分科研人员长期驻留海南,每天守在田间。为了在有限的种植空间里尽可能多地获得种子,在水稻还未完全成熟时,大家就会一茬茬地手工“分蔸”,通过“一分十、十分百、百分千”的办法获取更多种子。

李莉自豪地说,基于这一低镉资源培育出的“西子3号”低镉品种,获得“湖南省首届农作物十大优异种质资源”称号,并在今年成为第一个通过国家初审定的低镉水稻品种。

几乎在同时,另一个团队也取得了重大突破——

湖南杂交水稻研究中心副主任袁定阳长期从事水稻基因组研究。他带领团队通过两年时间仔细分析了全球范围内6000多份亲本材料的基因数据,对1143份材料进行全基因测序,终于在2019年夏天找到了缺失OsNRAMP5镉吸收主效基因的唯一一份材料。

而这份亲本材料,和李莉团队找到的正是同一份:武汉大学早先培育的不育系“珞红3A”及其衍生系“珞红4A”。

李莉团队用“笨办法”海选母本材料和袁定阳团队“从内到外”海量基因测序,出发点不同,却在终点处相遇。

谈及成功的关键,他们不约而同提到了攻关最初对3万多个品种的大海捞针。“错误的路已全都探了一遍,我们才没有走更多弯路”。

只有“下田去”,才有好种子

突围的还有杂交水稻国家重点实验室副主任赵炳然团队。其创制低镉水稻示范品种“臻两优8612”的过程,同样体现了科技创新型举国体制的实践。

2018年,赵炳然团队开始尝试通过物理、化学手段诱使优质常规稻、杂交水稻父本和母本的OsNRAMP5基因发生定向突变,实现低镉高产。

这是一条艰难的路,尤其难在“定向”。“能试的办法都试了一遍。”赵炳然说,团队采用化学试剂、伽马射线、电子加速器等各种方式,“甚至把种子送上了太空”,但近30万株亲本材料,一株成功的都没有。

数十万株的尝试失败了,最后一线希望系于重离子诱变技术——

位于甘肃兰州的重离子加速器,是宝贵的国家大科学装置,其束流时间是极其稀缺的资源。赵炳然回忆,按常规要求,一个研究团队每年使用重离子加速器的束流时间一般不超过2个小时,且需要排队。他们原本要排到2020年下半年。

可低镉水稻研究是时间紧迫的任务。为此,中国科学院近代物理研究所的李文建老师主动让出了自己团队的2小时。

2019年3月,赵炳然团队带着由制种产业链龙头企业——隆平高科提供的最优父本材料和母本材料奔向了兰州。功夫不负有心人,实验成功了!经过反复检测和验证,他们得到了具有低镉特性的母本“莲1S”。

也是在2019年,赵炳然团队受到肿瘤检测靶向技术的启发,发明了具有自主知识产权的M1TDS技术,其核心价值在于能通过靶向技术从海量的基因诱变品种中,迅速、高效地鉴定筛选出发生了定向突变的品种。

可杂交水稻的种质创制,不仅需要基因突变的低镉母本,也需要基因突变的低镉父本。这意味着,他们还需要更多束流时间。

但2个小时已经用完了,怎么办?

2019年12月1日,赵炳然和团队成员带着一封向中国科学院近代物理研究所申请束流时间的信件,来到了老师袁隆平院士家中。彼时,袁隆平的身体已大不如前,但他仍拿着放大镜,一字一句仔细读了信,又细细询问了研究进展与突破,很是欢喜。

随后,袁隆平在信件上郑重地签下了自己的名字。

12月3日,中国科学院近代物理研究所复信,将尽最大可能优先安排束流时间,全力支持低镉水稻科研。

2020年,兰州重离子加速器用于处理植物的所有束流时间,全部用于低镉水稻研究,共计20余个小时。

这一年腊月,正是南方农历小年,赵炳然终于拿到了经过检测验证的结果:送往兰州处理的10万多颗种子长出了7万株秧苗,团队一片片取样、编号、测序、分析,找到了那株宝贵的低镉父本。

由此,全球第一个真正大面积推广种植的低镉杂交水稻品种“臻两优8612”诞生了!

柏连阳说:“一粒稻种的十年攻关,背后有湖南杂交水稻科研扎实的基础、接续的队伍,也与体系化的科研组织方式、举全省乃至全国之力支持等密切相关。”

(摘自《新华每日电讯》)

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