金安江 彭光芒 张启发 林拥军 华中农业大学
水稻是植物大家庭中的一位大名鼎鼎的成员。这是因为，它与我们的生活有着太密切的联系。在千家万户的餐桌上，几乎每顿都少不了摆上一盆白花花、香喷喷的大米饭。在广袤的江南农村，绿油油的水稻秧苗构成的巨幅“绿色地毯”是夏日最常见的风景。在中小学生的课本里，“稻花香里说丰年，听取蛙声一片”是孩子们必读的经典名句。在中国知识分子的传统文化观念中，脱离劳动实践，缺乏生产知识，“四体不勤，五谷不分”，更是为世人所不耻。水稻是如此的让我们熟悉，以致端起一碗米饭不用考虑的就把它吃掉似乎成了我们的一种习惯；水稻又是那么的陌生，它的成长轨迹中蕴藏着太多也许我们没有留意或不知道的故事。 水稻生产是国之大事 在说水稻之前，有必要先说一下粮食。国以民为本，民以食为天。古今中外，粮食从来都是安定天下稳定民心的战略物资。粮食问题既是经济、政治问题，也是社会问题，更是影响国家安全的重大战略问题。在中国古代历史上，因粮食问题而引发的社会动荡十分常见。例如，以黄巾起义为代表的东汉末年此起彼伏的农民起义，既源于政治的腐败黑暗，也与严重的自然灾害密不可分，年年饥荒，使农民陷入绝境。在现代社会，粮食的社会影响力更是有增无减。2008年以来，席卷全球的粮食危机令人记忆犹新，国际粮价飞速上涨，已经在一些国家引发了社会动荡，甚至直接导致了政权更迭。尤其令人印象深刻的是，英国人拉吉-帕特尔在2008年出版的《粮食战争》一书中，将粮食列为美国维持世界超级大国地位、打击新兴工业化国家经济的战略武器。 而水稻是世界上主要的粮食作物之一，是全球2亿多农户安身立命的基础。全球有30多亿的人口，包括几乎整个东亚和东南亚，都以稻米为主食。在中国，水稻是最重要的粮食作物，播种面积占全国粮食的1/3, 产量占全国粮食近1/2。因此，作为粮食作物中的“主力军”，水稻的生产其重要性无论对中国还是对世界都是不言而喻的。 水稻的祖先是“野草” 在人们的印象中，水稻生命周期短，喜高温、多湿的环境，根系发达，碧绿的茎叶生长整齐茂盛，生长期间需要不断的施肥、浇灌、打药、除草，成熟时能长出一串串色泽金黄的稻穗，产量很高，做成的米饭清香可口、百吃不厌。这是水稻本来的面目吗？回答是否定的。实际上，我们现在种在稻田中的水稻都是栽培稻。追根溯源，栽培稻的祖先是大自然中自生自灭的野生种，即野生稻。它们能够多年生长，生存能力强，外型“面目可憎”，成熟时每穗只结几颗谷粒，谷粒细小，芒长，壳硬，脱壳困难，成熟参差不齐，产量很低，做成米饭很难下咽。在我国云南、广西、广东、海南、江西等省的沼泽地里，至今还可以看到野生稻的身影。这些野生稻会像杂草一样蔓延，产生有害影响，很不受当地农民的欢迎，被称为“鬼禾”。 从令人讨厌的“鬼禾”野生稻演变为令人喜爱的栽培稻，是我们的祖先和育种家们在数千年的历史长河中历经千辛万苦不断“驯化”、选育和改良的结果。野生稻的驯化过程，主要是我们的祖先在采食野生稻的同时，对它进行有目的的选择和有意识的种植，年复一年的“优中选优”，使野生稻的种性逐渐向人类需要的方向发展，最终成为栽培型品种。1973年，在举世闻名的河姆渡遗址，人们发现了保存完好、数量众多的稻谷。据考古鉴定，这些稻谷的年代在公元前5000年，是迄今中国最早的稻谷实物之一，也是世界上目前最古老的人工栽培稻。这是我们的祖先很早就成功进行了稻种驯化和选育的有力证据。 水稻的改良靠基因变异和重组 经过科学家们的长期努力探索，现在我们都知道了基因是控制生物性状的遗传密码。水稻的形态、产量、品质、抗性等重要的生物学性状都受基因的控制。因此，我们的祖先和育种家们对稻种的“驯化”、选育和改良的过程实际上就是对不同类型稻种中的优良基因进行筛选和积累的过程。过去的几千年里，我们的祖先和育种家们对水稻选育和改良的主要方式是对自然突变产生的优良基因和重组体的选择和利用，通过随机和自然的方式来积累优良基因。遗传学创立后的百多年来，随着人们对动植物遗传机理了解的深入，水稻育种则是采用了人工杂交的方法，进行优良基因的重组和外源基因的导入而实现遗传改良。例如，产量远高于常规稻的杂交稻就是通过科学选配，将具有不同优良性状的父本和母本进行杂交而产生的第一代水稻种子，因具有明显的“杂种优势”，在生产上增产效果十分突出。 1973年，美国科学家斯坦利•科恩首次开发出转基因技术。相对于人工杂交等传统育种技术，转基因技术与之是一脉相承的，其本质都是通过获得优良基因进行遗传改良。但这一技术能够跨越物种界限，将某一生物的外源基因更精确、高效的导入到受体生物的基因组中，使之获得人们所期望的新性状。因此，转基因技术随后被广泛的应用于动植物的遗传改良。鉴于水稻特殊的战略地位，许多国家的科学家在政府的支持下，很早就把目光投向通过转基因技术进行水稻抗病虫、抗旱抗逆、营养高效利用、高产、优质等重要农艺性状的改良上，如美国、加拿大、墨西哥、日本、伊朗、中国等。其中，美国已经批准了耐除草剂转基因水稻和转溶菌酶、乳铁蛋白、人血清白蛋白基因的三个药用转基因水稻品种的环境释放或商业化种植。中国则在2008年设立了转基因重大科技专项并将转基因水稻列为重点研发的五大转基因作物之一。 今天的水稻“任重道远” 经济社会的快速发展使人们对生活品质提出了更高的要求。具体到吃饭问题上，今天的人们不光要求吃饱，还要求吃出健康，吃出品味，甚至吃出人与自然的和谐。但实际的情况离人们的要求还有很大一段距离。今天的水稻可谓“任重道远”。 首先，世界上还有很多人处于饥饿状态。2009年11月13日，在世界粮食安全首脑会议召开前夕，为了警醒和敦促发达国家向受饥饿威胁严重的发展中国家提供援助，联合国秘书长潘基文、国际粮农组织总干事迪乌夫等联合国官员发起绝食行动，因为全球还有“10亿人处于慢性饥饿中”。为了不断提高水稻产量，国内和国际上纷纷开展以培育“超级稻”或“超级杂交稻”为目标的大的研究计划。这些计划尽管取得了进展，但目前水稻总产量的提高还不显著。我国水稻自1998年以来单产始终在420公斤/亩左右波动，新育出的品种如超级稻虽然在小面积试验示范表现出很高的产量，但要取得大面积增产还需要进一步努力。 其次，水稻产量的持续提高还面临着一系列严峻问题的挑战。这些问题包括日益严重的病虫害和无节制的农药的使用、过量化肥的使用、水资源的缺乏与干旱的频繁发生、耕地面积的减少、土地盐碱化、追求高产采用的高投入与环境可持续发展的难以协调等。特别是，病虫危害使得几乎所有水稻产区都减产，无节制的农药使用不仅大大提高种植成本，而且严重污染生态，影响生产者与消费者的健康；化肥施用量的巨增和不恰当使用在降低农民收入的同时，导致大面积水体富营养化，稻米的产量降低，还影响稻米的蒸煮食味和加工品质；在全球水资源溃乏的背景下，目前中国水稻生产用水占据了国内用水总量的一半，在中国许多水稻产区，干旱仍然是制约水稻生产最主要的因素。 水稻的可持续发展是现代农业可持续发展的重要组成部分。对中国而言，在外部生产资料投入趋近饱和的情况下，要想实现保证国家粮食安全、促进农民增收、提高食物品质、保护生态环境、节约自然资源等几大重要指标诉求上的平衡，必须依靠转基因技术等现代生物技术手段来突破当前农业生产模式的瓶颈，进一步挖掘水稻本身的潜力，从而为现代农业的发展提供强大的动力。 明天的水稻更加诱人 面对不断变化的社会需求和水稻生产的困境，科学家们正在确立和实施新的育种理念，如实施“品种设计”战略，通过杂交育种、转基因育种、分子标记辅助选择等各种技术的整合与集成，对水稻从基因(分子)到整体(系统)进行不同层次的设计和操作，以达到育种目标，最大化满足人们对各种类型水稻品种的需求。这将会为明天的水稻创造“无限”的可能，明天的水稻已经在逐渐的向世人展示它们诱人的“模样”。由于大米缺乏合成维生素A的前体β-胡萝卜素，瑞士、英国等国的科学家通过转基因技术先后培育出两代富含β-胡萝卜素的金大米（Golden Rice），已在亚洲和非洲地区试种，以帮助发展中国家应对因维生素A摄入不足而出现的每年数百万人死亡和儿童失明问题。国际水稻研究所的研究人员在金大米的基础上，还为了解决铁吸收的问题，往金大米中再转入3种基因：一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸（能与铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁）降解掉；一种是来自菜豆的能够储存铁的铁蛋白的基因；还有一种是来自印度香米的基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁。因此，理论上，吃这种转基因大米，要比吃普通大米更有益身体健康。 从“十一五”开始，中国科学家们大力推进“绿色超级稻”培育战略，以最优良的水稻品种为起点，综合应用品种资源研究和功能基因组研究的最新成果，充分利用水稻和非水稻来源的各种基因资源，在基因组水平上将各种育种技术有机整合，培育“少打农药、少施化肥，节水抗旱，优质高产”的绿色超级稻。目前，这一计划已取得许多令人鼓舞的进展：研发的转Bt基因抗虫水稻可使农药施用量减少70-80%，单产每亩提高8%，已经获得了农业部颁发的安全证书，这将使消费者在不久的将来有机会吃到更环保的大米；利用转基因技术和分子标记辅助选择已培育出一大批抗病、抗除草剂、抗旱、抗盐碱、抗高温冷害、养分高效利用以及优质高产新材料或品系；可以预期在未来10-15年内，“绿色超级稻”将成为现实。