|
60年来，我国化肥用量增加100倍，但粮食产量只增加4.13倍。在“少投入，多产出，保护环境”的新的绿色革命理念下，他带领团队通过找回水稻氮高效基因，培育出减肥增效的绿色超级稻品种，破解了只有增化肥才能保高产的科学难题。 储成才 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员  我是中国科学院遗传与发育生物学研究所的储成才。今天我给大家讲的是《找回丢失的基因 开启新的绿色革命》。 什么是绿色革命呢？我们讲绿色往往都和生态连到一起。但是在农业生产上，我们讲绿色革命通常是指什么？是指一项革命性的技术，而导致的农作物产量的大幅度提升。  上个世纪50年代、60年代，那时候我们种植水稻是这个样子的，基本上就是高秆。但是这种高秆水稻有个什么缺点呢？当施肥的时候特别容易倒伏，倒伏就导致减产。 1956年，我们国家华南农学院的黄耀祥先生，就用广西的一个农家品种矮子占，和高秆的水稻品种去杂交，培育了第一个矮秆品种叫广场矮。十年之后的1966年，在菲律宾的国际水稻所，同样用我国台湾省的一个农家种低脚乌尖，和高秆水稻品种杂交，培育了第一个半矮秆品种叫IR8。这个矮秆品种和半矮秆品种的培育和推广，使亚洲的水稻产量获得大幅度提升。  上世纪50年代，我们国家的水稻亩产大概是164公斤，但是到70年代初，我们国家水稻产量就已经到238公斤，单产提高了45%，这就是我们经常讲的第一次水稻绿色革命。为什么高秆变矮秆，水稻产量会有大幅度提升呢？从遗传上讲，实际上高秆变矮秆，就是一个基因的突变叫Sd1。矮秆水稻由于它对肥料不是特别敏感，也就是说：你施肥，它不至于倒伏，所以这时候施肥，产量就会提高。  结果我们看：上世纪绿色革命以前，1958年~1963年，我们平均每施一公斤纯氮，能够增产15~20公斤的稻谷；但是到80年代，我们可以看到，我们每施一公斤纯氮，就增产9.1公斤稻谷；然而现在，我们每施一公斤纯氮 大概增产5公斤。为什么会出现这种局面呢？因为矮秆品种对氮肥不敏感，所以农民就有一种观念：“施肥越多，产量越高”。这时候育种家也会有一个观念：“我要适应农民的需求或者适应市场需求，培育耐肥品种，这样农民就可以拼命施肥。” 我们可以看到，第一次绿色革命，导致化肥利用效率大幅度降低。我们来看一组数据：从1950年~2010年 这六十年中间，我们国家粮食产量增加多少呢？是4.13倍。但是我们国家的化肥用量增加多少？100倍。  大家可以看这张图 ，红色这一部分，到2015年我们国家施肥6000万吨，不是6000万公斤，是6000万吨。我们国家的施肥，占全世界化肥总产量的33%。 我们经常讲：我们用8%的耕地面积，养活了19%的人口。但是我们很多人不知道：我们用8%耕地面积，也消耗了世界上33%的化肥。  我们国家的化肥利用率，只有发达国家的一半左右 30%，那么我们就会问，还有70%干嘛去了？ 其余的化肥，有很大一部分，流失到江、河、湖、海，不同的水体里面，这就是我们经常发现的，水体的富营养化污染。 还有一部分，以氮氧化物和氨的形式，挥发到大气中间。当然氮氧化物，我们很多人都耳熟能详，我们知道，雾霾的组成成分是：氮氧化物，二氧化硫和可吸入颗粒物。也许大家不知道，我们这里面有一个被忽略的，雾霾的真正的元凶，就是吸附在可吸入颗粒物上面的铵。  有统计数据表明，在轻污染天，硫酸铵和硝酸铵的质量浓度总和，占着PM2.5的20%；在重污染天可以高达40%~60%。你可以想象，我们吸入的可吸入颗粒物，如果含有40%~60%的铵是什么状况？ 还有一组数据，京津冀地区，每年、每平方公里的氮沉降是多少呢？6.1吨，氮沉降的主要成分主要是铵。那么铵主要从哪来的呢？其中40%是来源于化肥的污染，我们经常讲，汽车也停了，工厂也关了，但是雾霾照旧。  除了前面说的污染以外，生产一吨的氮肥，我们还需要消耗2.8吨的优质煤，1600度电能，同时造成大概2.5吨的碳排放。我们可以看到，氮肥的生产，实际上也是一个高耗能，高污染的行业。  从前面我们讲的这些数据，我们可以感觉到，以前我们讲的绿色革命，从生态和环保角度来讲，其实并不“绿色”。  1999年，我们国家三位科学家，就想怎么改变这种局面，有没有可能通过品种的培育，在提高产量的同时，大幅度减少化肥和农药的投入，所以提出：少投入，多产出，保护环境的“新绿色革命”理念。 如果我们要实现这一宏大目标，首先要知道，怎么能够从植物中间，找到控制氮肥利用效率的基因。我们知道，水稻95%是种植在亚洲，亚洲栽培稻有两个主要亚种：一个叫籼稻，一个叫粳稻。我们很多朋友知道，籼稻种植在南方，粳稻种植在北方，所以籼稻和粳稻，温度的耐受性，还有株型，口感都不一样。东北大米，北方人都喜欢吃，南方主要是杂交米，所以口感也不一样。 2001年，当时我回国没多久，育种家告诉我一个非常令我吃惊的事：籼稻和粳稻之间有非常大的区别，就是肥料的利用效率，籼稻比粳稻氮肥利用效率要高30%~40%。我们就在想，能不能通过一种新的技术，让粳稻具有像籼稻一样的，氮肥利用效率呢？在相同的产量同时，我们就可以减少30%~40%的化肥。 我们团队经过十五年的努力，克隆的第一个基因叫NRT1.1B，解开了氮肥利用效率之谜。如果我们把籼稻的NRT1.1B，通过杂交的方法转入到粳稻里面以后，就可以实现粳稻氮肥减半而产量不减。 我们不禁要问，为什么籼稻有氮高效基因，育种可以选育出来，粳稻没有呢? 我们就对籼稻和粳稻的野生稻祖先的NRT1.1B，进行跟踪分析，在籼稻的野生稻祖先中间，含有两种基因型,也就是说两种突变，一种是氮高效的，一种是氮低效的。在我们育种的选择过程中间，我们先民不停地选择，差不多一万年，把氮高效的选出来了。当我们去看粳稻的野生稻祖先的时候，它只有一种氮低效类型，那么你可以知道，因为它没有氮高效的，无论你选多长时间，无论是一百年、一千年或者一万年，它还是氮低效的。 这一结果给我们一个非常好的启示：我们育种，实际上从野生稻到农家品种，从农家品种到现代品种，经过上万年的时间，在选择过程中，我们丢掉了很多基因。 我们在近一百年左右育种过程中间，是不是也丢掉一些好的基因，特别是当我们大量施肥，去筛选耐肥品种的时候，是不是把一些氮高效的基因丢掉了呢？如果是，我们能不能通过现代测序方法，把这些现代品种中间，丢掉的氮高效基因，从早期的农家品种中间找回来，去改良现代品种，所以我们必须找到，这些在氮肥施用之前的农家品种。 我们得知，美国农业部在过去一百年期间，从全世界116个种植水稻的国家，收集了18412个水稻品种，这些水稻品种绝大部分都是农家品种，也就是在施化肥之前的品种。当然一万多种实际上是很多的，我们很难去做，所以我们通过分析田间表型和序列，把18000多种逐步减少到203种，我们叫水稻的微核心种质资源。 微核心种质资源，也可以代表全世界不同地方的，水稻多样性。这张地图大家可以看到，是203份品种的不同的类型，以及在全世界分布情况。 我们和华大基因合作，把所有的水稻品种基因全检测了，因为我们知道，表型都是由基因决定。从这张图上可以看到就四个碱基 A、G、C、T，哪些是编码氮高效基因，你是不清楚的。 为此我们和华南农业大学的廖红教授合作，把这些品种都种植在含氮不同的田里面，低氮、中氮、高氮，去看它产量要素的变化情况。然后把基因型和表型，通过计算生物学和群体遗传学，还结合其他的多重组学去关联，看在水稻的染色体什么地方存在氮高效基因。 非常令人兴奋的是，我们在第六染色体上，发现一个非常明显的信号，这就是TCP19氮高效基因。我们通过在所有水稻品种中，序列比较的时候就发现，可以分成两种类型，一个氮高效类型，一个氮低效类型。 这时候我们就想把氮高效的基因，通过杂交转育的方法，转到不同的氮低效基因品种中。我们可以看到，在低氮和中氮条件下，如果把品种改良的，含有氮高效基因的水稻种下去，它的产量可以提高20%~30%。 这是一张亚洲地图，大家可以看到，上面有蓝色、有红色、有紫色，不同的颜色代表土壤里面氮的含量，蓝色越深，代表土壤中的氮含量越低；红色越深，代表土壤中氮含量越高。你可以看到，在印度、巴基斯坦、孟加拉国是蓝色，中国华南地区可以看到是红色，到东北和日本是紫红色，土壤是不一样的。 如果把这些地区的不同基因型(氮高效基因型，氮低效基因型)的水稻，进行分析后，放在这个地图上，你就可以惊喜的发现：在印度、孟加拉、巴基斯坦，含氮高效的水稻品种是96%；到中南半岛70%；到印度尼西亚、马来西亚30%；到中国的华南地区 7%；到了中国东北和日本，氮高效的品种仅仅是5%。这说明什么呢？说明土壤氮含量越低，氮高效品种越高，土壤氮含量越高，氮高效品种越低，所以含氮高效TCP19水稻比例，和土壤氮含量呈负相关。 如果我们进一步把这些细分到不同的国家，你就发现非常有意思的现象，在孟加拉国，氮高效品种占81%，马来西亚78%，印度尼西亚77%，到美国21%，到韩国、日本6.7% ，中国6.5%。也就是说像中国、朝鲜、韩国、日本、美国，施肥越多，氮高效品种越低，施肥越少，氮高效品种越高。 这项工作，今年元月六日发表在《Nature》上面，这项工作发表以后，引起国内外媒体的广泛关注。 我们进一步和著名的育种家姚海根合作，把刚才我们讲的这些氮高效基因，转移到我们现在栽培的主栽品种中。 2017年，他们把这个品种送到华中农业大学，由一位栽培学家彭少兵老师第三方去栽培。你可以看到，早期种下去是看不到差别的，这是把肥料从每公顷180公斤减少到100公斤，就是减掉44%的氮肥，到后期你可以看到，没有改良的这些材料，叶片变黄，我们改良的这几个材料，可以看到叶片还是深绿的，最后收获的时候就可以看到，改良的水稻品种产量可以折合，每公顷9.22~10.17吨。我可以告诉大家，我们国家平均每公顷水稻产量是7吨。 2018年，他们又重复了这个试验，这是一个航拍的数据，在三块不同的田里面可以看到，红色是我们送去的改良品种，它呈现深绿色，那么每公顷也可以达到10.6~11.7吨。 氮高效改良的水稻，在减氮44%的情况下，产量还可以达到9.2~11.7吨，这给我们非常大的一个希望。在2019年，我们这三个品种，被科技部重大专项组，认定为首批"绿色超级稻"品种。 大家设想一下，我们国家每年种植水稻面积多少呢？4.6亿亩。每亩施化肥平均在20~25公斤，那么每年化肥的投入是多少呢？大概是450亿人民币。如果我们能够减30%的化肥，那就意味着我们可以减少130亿元人民币的化肥投入，同时可以减少很多的污染源。 还有重要一点，想提醒大家，刚才我们讲的是在减肥的条件下，实际上产量并没有显著的降低。那么这时候我们也可以提醒我们的农民朋友，不需要大量施肥，不是肥料施的越多，产量越高。 所以只有我们配合起来，从品种到栽培结合起来，我们就可以真正做到，少投入，多产出，保护环境，也可以通过这种方法，通过科学造福全人类。 |
|
|
