我觉得农学的研究、我们的多年生水稻研究,可以为农民减轻负担,降低劳动强度,可以节本增效——这就是我的研究的价值。 所以我经常庆幸自己当时被命运安排了一下。
大家好,我叫张石来,来自云南大学农学院。我的研究方向是多年生稻的遗传育种。
什么是多年生稻呢?多年生稻的特点就是种植一次,连续收获多年,有点像韭菜,种一次反复收割。
我们现在看到的水稻、玉米、小麦等主粮作物都是一年生的。实际上,这些粮食作物都是我们的老祖先花了近万年时间,从多年生野生种选育成现在的一年生栽培种。
除此之外,一年生的作物也带来了一些挑战。比如,种植水稻是一个非常复杂的过程,需要买种子、犁田、耙田、育秧、移栽等,是一个大量消耗人工的过程。
具体来说,云南的梯田通常只有一两米宽,但需要人和牛在里面打转,劳动强度非常大。在稍微平原一点的地方,如果机械化程度不高,也是一个需要大量人工的劳动。
这个问题在我们国家的南方尤为突出。因为南方是一个典型的双季稻区。双季稻区现在面临的一个很大的问题就是所谓的“双抢”:早稻成熟时要抢收,晚稻又要抢种,中间的窗口期大概只有三周左右。这三周要完成高强度的劳动。
我国西南地区有一种陆稻——就是坡地上种植的稻作生产类型。云南有94%的国土面积是山地,所以这些地方的老百姓为了吃大米,只能种植陆稻。
传统的陆稻种植方式需要烧一片林子,然后简单犁耙一下,撒一把种子,接下来靠自然降雨,就可以有一定的收获。
但这个生产方式有一个问题,经过一个冬天的暴晒后,第二年雨季来临时,整个有营养的表层土壤都被雨水带走了,造成了严重的水土流失问题。
这种传统的陆稻生产方式不仅在我们国家的西南部,在周边的老挝、越南、缅甸也是广泛存在的。
所以基于上述问题,上个世纪九十年代,国际水稻所提出了五个前沿课题,其中一个就是要培育多年生的陆稻,通过多年生陆稻来解决山区吃粮和生态保护的问题,也就是粮食安全和生态保护之间的矛盾。
科学家认为,如果做成多年生,从生产环节上讲,可以从六个环节降为两个,带来的好处首先是减少劳动力的投入。
除此之外,可能还有一些其他的好处:
比如减少水肥的投入,因为不再需要犁田耙田这个大量用水和化肥的环节;在平原地区还能减少化石能源的依赖,比如减少了农机具的使用。当然,最直接的好处是直接提高了种粮效益和粮食生产的可持续性。
多年生的课题最早在其他作物上可以追溯到上个世纪的二三十年代。上世纪三十年代,前苏联科学家也进行了探索,用中间偃麦草——一种小麦的近亲草进行直接驯化,想把它做成多年生的小麦。这个进行了很长时间的探索。
目前国际上已经形成了这一系列的研究,包括多年生的小麦、高粱、向日葵、豆科等。其中进展比较好的多年生小麦,目前已经可以做到正常小麦大约1/4的产量。多年生高粱已经在非洲开始了一定的试验示范。
回到水稻上,多年生稻的研究可以追溯到上个世纪的七八十年代,最早由四川农科院的李勤修研究员进行,但限于当时的分子技术发展,实际最后没有成功。
我们团队的故事始于1996年。我们首先思考的第一个问题是:怎么把丢失的多年生性再找回来。
我们知道,地下茎是许多植物实现多年生的一个重要器官。比如说竹子,它就是靠地下的竹鞭,走到哪长到哪,每一个竹鞭上的节都有芽点,这个芽点就能实现再生,是一个很重要的再生器官。
回到水稻上,稻属有22个野生种,其中有4个种具有地下茎,也就是具有无性繁殖的特性,可以实现多年生。而这4个种里面也仅仅只有1个种,来自非洲的长雄野生稻,和水稻具有相同的基因组。因此,它就具备了跟正常水稻杂交的一种可能性。
但野生稻跟栽培稻其实是属于不同的物种,不同物种之间有很严格的生殖隔离,也就是说,正常的杂交基本上不可能得到后代。
我们课题的负责人陶大云研究员1996年去泰国进修的时候,从日本科学家那里获得了一株长雄野生稻。他利用这株长雄野生稻跟我们的栽培稻做了大量的杂交。
他总共做了119个杂交组合,最后通过幼胚挽救,获得了仅有的一颗杂种F1代。获得这个F1为什么这么难?
因为种群杂交的生殖隔离会让胚乳没有正常发育,导致胚不能成熟,长到大概七八天的时候就会死掉。而陶大云用了幼胚挽救技术,在胚胎还没有正式长成的时候,大概长到5天左右,就要把它取下来,去做一个离体培养。就这样,我们获得了一个F1。
这个非常难,当时公开报道的全世界只有3例成功案例。
生殖隔离还表现在,有后代,但是后代不能产生后代。最常见的可能大家知道,就是马跟驴的后代是骡子,但是骡子就不可能有后代了。
我们也担心得到的这个F1到底能不能有后代。但庆幸的是我们得到的这个F1,除了具有父本长雄野生稻的地下茎这个性状,可以实现多年生。
同时它也有一定的结实率,也就是说,它可以产生可育的后代。这就为我们后面的基础研究以及育种提供了很好的材料。
我的导师胡凤益研究员,2003年利用上述这些材料对长雄野生稻的地下茎性状进行了定位,首次从基因组的水平去看哪一些片段决定了地下茎的有无和长短。
这个发现其实是很重要的,为我们后续从分子水平开展育种解析、打破多年生性状跟不良性状的连锁奠定了一个很好的基础。
这种连锁是什么意思呢?举个例子,我们刚刚提到,多年生性和结实率或者产量的是存在竞争关系的。胡老师的研究为打破这个关系,提供了一个很好的基础。
当然有了理论基础之后,还需要去田间试验的。
我是2009年加入团队的,当时胡凤益研究员是我的研究生导师。2010年,有一次我刚上完课,他就把我带到海南三亚去了。三亚是我们国家很重要的一个育种基地,做育种的科学家一般冬季都会去海南。但是我们团队夏季也在三亚。
后面我们种完之后就抽穗,去田里选种。路过的一些当地的村民就说我们种的是草,因为看上去基本上没什么收成。他们说,你们所有这块田收起来不够吃一顿的吧。
这也足以说明当时结实率非常低。因为再生性会对产量有一定影响。
其实我们农学也不光只会挖地种田,也有一些所谓的高大上的东西。我们现在面试的时候问同学,你要做什么方向,同学都说我要做分子。所谓的分子,就是我们基于前面的基础理论,开发了一套分子标记辅助选择育种的流程。
也就是说,我们可以像做亲子鉴定一样,把田里面的材料取回来,然后通过实验室的鉴定,很明确知道田里面这一大堆材料里哪一株是我想要的,哪一株可能不行。这大大缩短了我们的育种周期,提高我们的选择效率。
当然在那之后,我们获得了一系列的品系。通常来说,品系、准品种,就是可以使用的品种,但是还没有通过审定。
2011-2013年,我们获得了22个品系,在云南以及老挝设立了一个多年多点的实验去筛选,最终筛选到5个多年生性非常好、适应性和产量也很好的品系。后面,我们又陆续在云南进行了第二轮的实验,最终我们筛选到多年生稻23。
2018年,我们开始做品种审定实验,最终多年生稻23在2018年的时候通过了云南省的审定。这是多年生粮食作物里面第一个通过审定的品种。它具有一个里程碑式的意义,标志着多年生稻可以进行商业化使用。
2017年还没有审定的时候,我就把材料拿回老家江西赣州去试种了。因为我们老家是一个比较典型的双季稻区,我知道干活很累。
我只告诉父母这个材料可以多年生、可以一种多收,然后就让他们按照自己平时管理的经验去种了。最后很成功地连续收了两年,一年可以收两季,而且产量跟当地的水平也差不多。
我挺开心的,说明这个基本成功了。但是问他们,他们跟我说,这个可能很难推广,因为口感跟我们平时吃的不一样。
南方是吃籼稻的,长粒形的米,而我给的材料是粳稻,短圆形的米,因为当时我们只培育出了粳稻的多年生品种。当然这为我们提供了一个思路,后续的育种需要更多考虑口感、不同区域的适应性还有抗病性等等。
三年后,我们的第一个籼稻品种云大107就获得了审定。这样我们就有了多年生的籼稻品种,可以在南方稻区推广试用了。
品种出来了,具体生产效果怎么样,其实我们也没有底,我们就在云南组织了一系列的生产实验。
我们长期跟踪了其中的三个实验点,对这三个实验点进行各方面的调查。最后发现确实成功了,它确实可以不用买种子、翻耕、犁田耙田,种一次连续收3-4年。
中间还有个小插曲。冬天的时候,我们因为当时没跟农户讲清楚,农户就给田里放了一把火,本来就很干枯了,我当时心想可能就完蛋了。结果第二年春季一来,它又长出来了,实现了我们说的“野火烧不尽,春风吹又生”。
除此之外,从经济效益来说,它的产量基本上跟当地常规稻品种是相当的。但因为少了几个环节,就节约了50%左右的生产成本。
此外还有生态效应,比如说对土壤有一定的保育作用。因为不去翻耕,有机质就会埋在地底下,土壤就变得更肥沃一些,有机质上升,土壤的全氮上升。
更重要的是,它确实带来了很好的社会效应。比如说每亩每季从再生季开始,它就不需要再去重复这些过程,节约了6-10个人工。尤其现在农村基本都是留守的儿童或者老人居多,这是对他们比较友好的一个事情。
2022年,我们的研究以科学论文的方式发表在了Nature Sustainability(《自然可持续》)上,同年被Science(《科学》)选入年度十大科学突破,这个突破是近几年来中国唯一入选的突破,也是全世界近几年来农业类唯一入选的项目。
我们当时就觉得很好奇,为什么我们这个能入选?组委会跟我们说,一个世纪前,前苏联科学家就开始探索把粮食作物做成多年生,我们首先实现了人类花了近一个世纪才完成的目标,这就是它的一个伟大意义。
以上是我们的一些科研成果。在我们的实验条件下,它表现得非常好,到底真正的生产过程中怎么样,我们需要去农田里检验。
我们首先来到了云南的一个粮食主产县,就是西双版纳的勐海县。在这里我们选了一个村叫曼拉村,派了很多老师和学生长期驻扎在那里。当时这个模式我们叫多年生稻科技小院,也是响应我们研究生人才培养的模式。
曼拉村是一个非常典型的傣族村落,稻文化其实是傣文化里面很重要的一个组成部分。我们就想,我们的成果在这里能不能有用武之地?
农业类的项目推广,很常见的情况是不断去给农民讲授好处。其实那是不管用的,你讲一千遍,不如做一遍给他看。
我们就在这个村里面租下了50亩地当实验基地,种下了我们的多年生稻。
第一次种下去,冬季收完之后,我们说要留着第二年,当地老百姓都很怀疑,觉得这个东西基本不可能,有点看笑话的成分看我们。
但是到第二年,效果非常好。村里面的会计就带头把他家里的30多亩地全部种上了我们的多年生稻。他还把多年生稻打造成一个小品牌,在村里面开了一个合作社,搞了一个门市,专门售卖多年生稻。不仅如此,后面整个村里50%的稻田都种了我们的多年生稻。
我们的成果在国内应用效果还是挺好的,那能不能走出去呢?
我们实验室有一个埃塞俄比亚的博士后,我问他有没有长雄野生稻的资源给我收集一点。然后他很怀疑地看着我,他说,长雄野生稻在我们那儿就是个杂草。
我们就尝试跟非洲的机构去合作,联系了非洲的稻作中心,在西非试种。最终,我们在非洲的乌干达、埃塞俄比亚、塞拉利昂跟科特迪瓦,还有“一带一路”倡议沿线的多个国家开展试验示范。
试验示范效果其实还是有一些很好的反馈。比如说云大107在乌干达就通过了他们的国家审定,也就意味着我们的多年生稻获得了他们的认可,在他们国家是可以正常去推广使用的。
在这个过程中,我们也发现,因为非洲的旱季非常漫长,有5-6个月的时间基本上没什么降雨,我们目前的品种没办法越过旱季实现多年生。但是这给我们提供了一个很好的思路,就是我们可以利用有限的雨季实现一种多收,比如,种一次可以连续收2-3次,这样的话整个粮食产量就会比以前上升,而且不需要更多的投入。
目前,在盖茨基金会的支持下,我们尝试在非洲把材料做成一种多收,去年才开始做这个项目,今年已经初显效果。
在乌干达已经有再生的情况了,且产量基本上跟第一季差不多。这也为非洲的粮食生产、粮食安全提供了一定的保障。
我非常高兴有机会在这里分享我们团队的长达二十多年的科研成果。当然,这也是一个有关「坚持」的故事。
我的导师胡凤益研究员2000年前后开始做这个课题,到现在二十多年了。我本人也从2009年加入这个团队,到现在15年。
▲ 团队合影
一开始,我其实非常忐忑。我来自农村,但是高考志愿填的是工科,后面阴差阳错研究生来到云南学了农学。我心想:好不容易从农村出来了,把锄头给丢了,结果读个研究生又把锄头给扛回来了。
但是,我加入这个团队之后一点都不后悔。我觉得农学的研究、我们的多年生水稻研究,可以为农民减轻负担,降低劳动强度,可以节本增效——这就是我的研究的价值。所以我经常庆幸自己当时被命运安排了一下。
当然,我是一名大学老师,也见了很多研究因为没有很好的传承而中断,背后的原因可能是没有注重人才的培养。具体到农业研究来说更是如此,因为农业研究通常周期比较长。像我到现在已经15年了,依然感觉自己也没有干出太多的成绩。
因此,对于多年生稻这个事业,更需要年轻人一起来加入,需要更多人共同解决这些问题。我们希望把更多有志于农学的年轻人带入门,让多年生稻事业真正做到生生不息。
谢谢大家。