Science 2022年十大科學突破解讀：更易于耕種的多年生稻

水稻是人類重要的糧食作物，據(jù)估計全球水稻種植面積目前已達24億畝，養(yǎng)活了近一半的世界人口。《荀子》一書中寫道“春耕、夏耘、秋收、冬藏，四者不失時，故五谷不絕，而百姓有余食也”。水稻成熟收獲之后，植株枯萎還田，到來年春天還需從頭耕種。人們就一直在設(shè)想，能不能像種果樹那樣，水稻播種一次后可多次收獲,這樣就無需每年重復(fù)播種育秧、耕田移栽，可省去很多農(nóng)業(yè)勞作環(huán)節(jié)，節(jié)省人力物力。
道法自然，這種能連續(xù)生活多年、多次開花結(jié)實的多年生特性其實在水稻的近親中就廣泛存在。栽培水稻所在的稻屬有二十多種野生稻，其中很多都具有多年生的特性。真正的難點在于如何把野生稻中的多年生特性導(dǎo)入到栽培稻中。為了解決這個難題，我國云南大學胡鳳益團隊二十余年一直在做著艱辛探索。
難點之一是供體的選擇。利用普通野生稻的匍匐莖和長雄野生稻的地下莖等方式都有可能實現(xiàn)多年生特性。然而，匍匐莖對冬季的低溫和干旱敏感，通過反復(fù)試錯，證明地下莖才是切實可行的方式。因此，胡鳳益團隊選用了長雄野生稻和栽培稻進行雜交，將長雄野生稻通過地下莖進行無性繁殖的特性導(dǎo)入栽培稻中。
另一個難點是需要在反復(fù)雜交、回交過程中既維持栽培稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的特點又完整添加地下莖發(fā)育的特性。整個選育過程涉及多個世代大量中間材料的選擇，單純依靠表型篩選容易產(chǎn)生誤判。胡鳳益團隊鑒定出了控制地下莖發(fā)育的遺傳位點，利用這些位點上的分子標記進行輔助選擇，不斷地用分子標記去跟蹤，保證了多年生特性的穩(wěn)定遺傳，同時還提高了后代品系的選育效率。
克服了一個又一個困難，胡鳳益團隊最終取得了突破性的進展，培育出了單次播種后可越冬、免耕、能連續(xù)收獲多次的多年生稻。規(guī)?；嚪N后，多年生稻取得了不俗的成績。其中的一個品種“多年生稻23”于2022年9月被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部指定為全國推廣新品種，預(yù)計將進一步擴大推廣面積。
接下來，科學家有望通過圖位克隆等方法發(fā)掘到長雄野生稻中地下莖發(fā)育的關(guān)鍵基因，利用分子育種將多年生特性精準導(dǎo)入到更多的栽培稻品種中。此外，目前的多年生稻遇到連續(xù)5天低于4 ℃的低溫天氣時，再生性會受到顯著的影響，限制了多年生稻在華中、華東等水稻種植區(qū)的推廣，提高耐寒性將是多年生稻研究的重要課題。幸運的是，野生稻中也發(fā)現(xiàn)了強耐寒性的種質(zhì)資源。例如，位于江西東鄉(xiāng)和湖南茶陵等地區(qū)的普通野生稻，可以在-9 ℃的低溫下安全過冬，具有很強的耐寒性。如果將這些野生稻的耐寒基因資源導(dǎo)入多年生稻，有望提高其耐寒性。
多年生稻的成功培育也是半個世紀以來中國科學家在植物遺傳育種領(lǐng)域取得的研究成果的一個縮影。相信在不久的未來，中國科學家在植物重要性狀的分子解析和突破性品種的培育上還會取得更多原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和成果，為探索生物學基本科學問題和解決糧食問題做出更多貢獻。
圖片
圖6 通過一年生的栽培稻（a）和多年生的長雄野生稻（b）的雜交選育出多年生的栽培稻（c，d）（圖片來源:https://www.nature.com/articles/s41893-022-00997-3）