30年,为了找到优良作物,我在田里海选“演员”

淘宝特卖精选

  我们在过去几十年的核能育种过程中,就是靠眼睛在田间筛选,像大海捞针,海选演员一样,围绕我们确定的目标去海选。

  我们做育种,不管是做核能育种还是其他育种,下地是最基本的核心要素。下地的次数跟下地的质量, 跟品种的产出、成果高度正相关。

  2020年9月19日,“科普中国-我是科学家”第25期演讲现场,中国农业科学院作物科学研究所副所长、中国原子能农学会理事长刘录祥带来演讲:《核能辐照后,我要快速找出高铁锌的那株小麦》。

  以下为刘录祥演讲实录:

  2020.9.19 天津

  大家好,我叫刘录祥。我的工作是利用核能辐射去进行农作物的改良,选育更优质、更高产的农作物品种。

  谈到核能,大家可能会想到核辐射很可怕,谈核色变。但实际上,核技术的和平利用,在国际范围内非常广泛。

  我今天要跟大家分享的是我从事核能育种30年的一点心得——谈谈核技术与我们盘中餐的故事。

  

  什么是核能育种?

  核能育种是一种利用核技术辐射改变基因的一种新的技术方法。

  

  这张图片的背景,反映了我们现在吃的小米、谷子来源于狗尾草这个野生种的过程。这个进化过程是非常漫长的——可能几千万年才能进化成这样一个现代栽培的物种。

  利用核能进行人工诱变育种,就是想加快这样一种变异的过程。

  新品种的改良,归根结底的核心就是如何发现变异,然后利用变异的过程。从最原始的系统选择,到70年代的杂交育种,再到现在的生物育种,都是在不断的更新发现变异、利用变异的过程。

  核能辐射育种,与餐桌上的食物是密切相关的。

  它不仅可以在大米、面粉、小米、玉米、大豆等等这些主粮作物中发挥作用,同时在丰富多彩的蔬菜、水果以及美化环境的花卉上,都发挥重要的作用。目前国际上已经育种了3000多个核能辐射的品种。

  核能辐射的作用不仅在育种上。

  我们知道的核工、核医,特别是核医。我们在医院看病都要做X射线照射,那么照射的过程,实际上就是核能辐射。

  通过核能辐射,还可以进行食品的灭菌、保鲜,使得货架期延长,品质更好。核能辐射还可以用于动物的疾病诊断,特别是灭活疫苗的生产,去永久的防治动物疾病。

  雄性昆虫不育是现代生物技术里最前沿的技术之一,有害昆虫危害农作物,危害庄稼,非常可怕。

  那怎么不洒农药就根除病害?

  我们通过核能辐射的办法使得雄昆虫不育,然后使它的后代夭亡,从而根除有害昆虫,保护农作物。

  

  怎么知道买的苹果是原产地的知名商标?

  如何判断今天买的这一罐蜂蜜是真是假?

  我们有一种办法——稳定同位素的方法。这种方法既定量又定性,非常精准,可以试出这个农产品是从什么地方来的。这项工作在欧美得到广泛应用,我们国家经过两个五年计划的应用,已经取得了非常好的效果。

  小麦是我们的口粮作物,粮食安全的重中之重。改革开放40多年来,小麦的生产的面积从4.6亿亩降到了3.4亿亩,整整减少了1亿多亩,但是生产量却从0.5吨增长到了1.43亿吨。

  是什么原因呢?

  因为单位面积的产量的大幅度提升。小麦单位面积的产量从1978年的一亩100多斤,提高了今年386.5公斤,整整增长了20多倍。

  单产的提升靠什么?

  靠科学技术、靠品种。数据表明,优良品种在粮食生产力的贡献超过40%,甚至高达50%。所以我们一定要培育优良的品种。

  从事25年的核能辐射,我们主要做了三件事。

  

  第一件事,就是建立一种能够诱发创造人工变异的技术体系。

  第二件事,我们利用这样一个体系能够有效地筛选出诱发的突变材料。

  第三件事,我们把筛选到的突变材料能够有效的直接利用,或者间接利用,培育出我们所期望的模型的优良品种。

  围绕这三个方面的工作,我们首先建立了多样化的诱变技术体系,我们先后探索了十几种不同的方法,包括传统的伽马射线、电子束、粒子束、中子、X射线等等。

  这样的方法形成一个完整的体系,在国内的协作网,以及亚太区域、甚至国际原子能机构的这样一个成员国的体系里面,得到了有效的应用,取得了非常好的效果。

  这样一个体系建立起来以后,我们在实际应用过程中要确定目标。比如说小麦育种,我们要诱变成什么样的性状呢?

  变异是随机的,但选择必须是定向的。

  比如说我们要选择一些抗旱节水的、抗白粉病、抗赤霉病、抗叶锈病的突变材料,我们还要选一些优质的、营养多元的材料。

  目标确定下来以后,我们就用自己建立的体系,围绕目标进行筛选。

  

  这张图片是2012年在我们实验室里拍摄的——我们当时在地里发现了一个非常有趣的突变。它不像小麦苗子了,它的叶片变得像兰花一样短粗。这种改变对增加产量不一定有多大的正效应,但它是一种非常奇特的基因改变,是研究基因功能非常重要的材料。

  我们在过去几十年的核能育种过程中,就是靠眼睛在田间筛选,像大海捞针,海选演员一样,围绕我们确定的目标去海选。海选几率、效率是很低的。

  即便如此,我们也得到了很多有用的突变基因。

  比如说抗白粉病这个突变基因——白粉病严重影响小麦产量,减产能达到10%~20%。我们及时通过目测的办法,筛选到了高抗,甚至免疫的一个材料。这个材料非常有用,在育种过程中可以作为杂交亲本,用于优良品质的培育。

  我们也发现了其他突变。

  比如说矮杆早熟的,它株高显著降低,生长期缩短。这样的材料,既能够增加抗倒伏的能力,又能够提前它的生殖期。所以我们在未来品种培育中,把他作为最为重要的优质材料之一。

  还有一些大穗大粒的突变。要高产,就需要大穗大粒。这样的现状都是我们育种中特别重要的性状,都是我们靠眼睛在田里面海选出来的。

  

  我们有一些早熟的材料,还有一些优良的种子资源材料。它的穗子很大,品质很好,但是晚熟,不能在生产中应用。通过诱变的方法,我们获得了生育期缩短了14~15天的材料。这样的材料在保持优质高产的情况下,它的生长期显著缩短。

  那么我们能不能不靠这种海选的办法,在大田里面进行育种?

  我们做了三件事来改良。

  我们做的第一件事就是开发了钼蓝染色法——一种筛选高铁锌含量小麦的方法。实验研究表明,高铁锌的含量,跟种子里的高无机磷正相关。高无机磷的含量越高,那么它的铁锌的含量越高。我们就用这样一个关系,直接筛选无机磷含量高的材料。用这种酶标仪96孔板,加上种子,用钼蓝染色液4个小时 显示颜色很深的,就是这种突变基因。

  第二种快速定向筛选方法是一种物理图谱法、物理光谱法。我们基于近红外光谱法,测试不同的个体。这个种子的外观看不出差别,但是我们通过光谱的分析,发现突变体蛋白质含量,提高了2~3个百分点。这也是一种快速的、高通量的定向筛选的方法。

  第三件这个方案就更直接了。我们直接用基因筛选的方法——用已知基因的序列,在整个突变体里调用目标基因,直接筛选基因型,实现目标突变基因的筛选。通过这三种方式,能够提高筛选的效率,避免随机性。

  突变的随机性,也是一个辩证的问题。

  随机可能产生更多不可预见的突变。比如我们创造的各种类型的突变体库,有很多突变实际对我们人类毫无益处。但是在研究基因的功能的时候,又非常的弥足珍贵。

  像有一些没有叶片的小麦植株,像有一些大穗的、但是籽粒很少的突变体,都是研究基因功能非常重要的材料。

  回想过去,我20年前刚开始这项工作的时候,这些所谓坏的突变体,让我在地里面直接就淘汰掉了。但是最近10年来,我认为这些突变体是非常珍贵的。因为分子生物学的发展,使得基因功能的研究方法更为丰富,途径更为先进。这些坏的材料可能是研究基因功能最好的材料。

  我们筛选出来突变体以后,就要利用。有两种利用方案——一种是直接利用培育品种;更多的时候,是跟其他优良性状再集合形成新的品种。

  

  比如说航麦247就是我们用突变体,与另外一个品种做杂交,筛选出来一个高产的品种。它的亩穗数特别多的,可以达到55~60万,亩产600~650公斤。另一个航麦2566是大穗大粒型的,它的千粒重可以达到47~50克,实现了大穗大粒高产,一亩地可以产生625公斤。

  千粒重的数量在我看来非常重要。

  每增加1克的粒重 一亩地可以多十几公斤的粮食,增加2克的重量,可以产生25公斤的额外产量。

  鲁原502是我们跟山东农科院合作,利用航天诱变跟我们常规育种相结合培育出来的。它目前是全国第二大栽培品种,2019年获得了国家科技进步二等奖。

  这个品种的产量三要素——亩穗数、千粒重、穗粒数,非常协调。在高产栽培下,它能够达到亩产800公斤,有效的解决了我们生产中重穗型品种容易倒伏的重大难题。

  由于国内的大协作,以及国际上的大交流,我们中国的核能辐射育种目前处于在国际领先水平。在研究应用上,特别是在品种培育方面,我们育成的品种数量,占国际同期育种平均的1/3。

  这一点是我们国家核能辐射育种最值得骄傲的地方。

  

  为此,国际原子能机构2014年为我们团队颁发了育种成就奖。2019年,把我们这个团命名为核能诱变技术协作中心,面向全亚洲或者全球,进行技术培训和技术转移。

  我们在这个过程中,实际上也在不断的做另外一件事情,就探索新的诱变因素。

  为什么要做这件事情?

  因为我们想在随机性和效率上面,得到进一步的改进。

  我们先后尝试了重离子、零磁空间、混合粒子场,以及航天搭载。不同的诱变因素,获得了非常有趣的效应。

  比如我们利用正负电子对撞机产生的混合粒子场,进行小麦种子处理。混合粒子场损伤效应明显的大于传统的伽马射线,说明它的相对生物学效应要高于传统的伽马射线,一定程度上可以改变诱变的效率。

  类似的工作我们仍在持续进行。

  我们牵头全国的协作攻关,包括发射航天育种卫星,包括协调组织全国的重点研发计划,在国际上牵头大协作网,牵头国际的诱变育种项目。这些交流、协作,反过来更有效地促进了我们工作的水平跟进度。

  到现在为止,我谈的都是研究工作非常顺利,非常有成效的部分。

  但是在我看来,科学研究90%是失败的。我们所选育的品种,可能只有10%都不到能够进入市场,90%在不同的环节被淘汰。

  那为什么还要坚持?

  因为我们在不断的失败中去总结经验,去寻找我们所需要的目标性状,目标突变体的方法,不断的改变我们科研的质量,满足我们科研的需求。

  我要讲的一个最深的体会——下地。

  我们做育种,不管是做核能育种还是其他育种,下地是最基本的核心要素。下地的次数跟下地的质量, 跟品种的产出,跟品种的成果高度正相关。我们要从不同的时间阶段,在地里面进行观察、筛选、淘汰、评价、鉴定。

  在苗期的时候,原有的对照组植株和突变体植株的株高没有差别, 但是拔节以后,突变体就蹭蹭蹭的往上涨,这叫阶段性快速发育。小朋友在不同的时期也有这样的,有的小朋友刚开始长得快,有的后期长得快。但是到最后,穗抽齐了,它的株高又一样了。

  开头的时候一样高,后期的时候一样高,但是中间是不一样高。

  如果说我们不下地,缺了中间这一环,你怎么能看出来?怎么能知道它有阶段性快速发育的过程?

  一个更有趣的故事来自我的助手——可以开玩笑地说,突变体是他用脚选出来的。

  怎么是用脚选出来?

  他每天在地里面不停地观察的过程中,一不小心一脚踹下去,拆断了几个小麦的植株。再捡起来一看,是脆杆的,很容易骨折。

  脆杆的突变体就是用脚踹出来的。如果说我们一直不去下地观察,这样一个脆杆突变体肯定选不到。脆杆突变体在未来,可能在饲料中有一定的应用。所以下地是我们农学一个最为重要的环节。

  我也想到了我的小时候的情形。我出生在农村,陕西关中平原那地区。小时候家里面粮食缺乏,亲眼目睹了父母亲为解决粮食饥饿付出的艰辛。所以我对粮食有一种特殊的感情。我大学在西北农学院学了农学,研究生在北京的农学院又做了小麦育种,最后做了小麦的核能育种。

  一晃30余年,我回顾下来,学了农学非常有成就感。因为这样的事业,是解决人民吃饭的问题的一个重大的议题。

  作为一个科学工作者,我的感悟是学有所长、学以致用、用有所成。我们一定要有一技之长,去把我们每一个人的位置、我们的选择做好。我们整个中华民族的版图,就靠着每一个人在自己的位置上的成就,累积起未来的复兴。

  那么马上到了国庆节,我们核能育种的小麦、玉米、杂豆、花生、粳稻,就要丰收了。我有很大的期待。

  我也祝愿各位朋友,你们的工作、事业也有新的收获。

  谢谢大家。

  

  演讲嘉宾刘录祥:《核能辐照后,我要快速找出高铁锌的那株小麦》| 摄影:VPhoto

本文由程序自动从互联网上获取,其版权均归原作者所有,文章内容系原作者个人观点,不代表 为什么 对观点赞同或支持。如有侵权,请联系删除。
淘宝特卖精选