綠色超級稻品種培育及其發展

莫伊凡吳伊寧余四斌，2*

（1華中農業大學，武漢430070；2湖北洪山實驗室，武漢430070；*通訊作者：ysb@mail.hzau.edu.cn）

糧食安全是中國以及世界都一直關注的重大問題。面對人口持續增長、資源日益匱乏和環境變化加劇的壓力，糧食安全是農業生產面臨的重大挑戰。到2050年，世界人口預計將達到100億，需要在現有基礎上增加約70%糧食產量才能滿足人口的增長需求。水稻是亞洲國家的主要食物來源，提供了近90%的熱量，我國超過60 %人口以稻米為主食[1]。從20世紀50年代開始，水稻育種經歷了矮稈育種、雜種優勢利用及超級稻的發展，使水稻產量大幅提升。伴隨著矮稈品種、雜交稻和超級稻的大面積生產和應用，化肥和農藥施用量也成倍攀升，糧食生產資源投入激增，資源消耗與產量增長不成比例。農藥化肥的過量使用造成了嚴峻的環境問題。如何以可持續的方式穩步提高產量，同時降低糧食生產對水肥等資源的大量消耗以及對環境的不良影響，國內外科學家進行了大量有益的探索和努力。2005年，張啟發院士提出了“少打農藥、少施化肥、節水抗旱、高產優質”的“綠色超級稻”（Green Super Rice,GSR）育種和生產理念，主張新品種要兼顧抗病蟲、節水抗旱、養分高效利用和高產優質等特性[2]。中國政府立項支持“綠色超級稻新品種選育”重大項目，國內30多家科研育種單位參與了項目的研究。比爾及梅琳達·蓋茨基金會同期資助了綠色超級稻品種選育的國際合作項目。項目研究內容包括GSR的育種理論與方法、基因組育種技術體系、綠色性狀的基因聚合和種質創新，GSR品種選育以及高產高效栽培技術體系等[1]。至今，綠色超級稻項目已在綠色性狀重要基因的鑒定與發掘，水稻基因組育種技術體系建立，品種的快速定向改良，以及綠色超級稻品種選育與應用等方面取得了系列重大成果，帶動了作物育種目標的創新，推動了綠色品種和綠色生產體系的發展。

1 綠色超級稻品種選育與應用

綠色超級稻品種涉及許多綠色性狀，如抗生物逆境（如稻瘟病、白葉枯病，褐飛虱、二化螟等），對非生物脅迫（如高低溫、干旱、淹水、鹽、堿等）的耐性，以及高效利用土壤中氮、磷營養元素等（圖1）。綠色超級稻不僅是指具備綠色性狀的高產優質新品種，還代表“綠色高效、生態安全”的栽培理念[3-4]。因此，綠色性狀還包括滿足輕簡化和機械化等綠色高效栽培模式的品種特性（圖1），如早發快發、再生能力強等。綠色超級稻品種選育與生產目標就是實現資源節約、環境友好和生活健康。

圖1 綠色超級稻的目標

綠色性狀多為多基因控制的復雜數量性狀，要同步改良這些性狀（基因）并非易事。因此，在GSR項目實施中，科學家制定了兩步走的戰略。第一步，通過大規模雜交、回交育種程序結合分子標記輔助選擇技術，將種質資源中大量綠色性狀有利基因導入到優良骨干品種中，構建大批綠色性狀的導入系和近等基因系（Near isogenic lines，NIL）。導入系和NILs間高度相似的遺傳背景極大地簡化了數量性狀位點（quantitative trait loci,QTL）和基因的檢測能力。同時，優良品種的背景可以使QTL鑒定和育種實踐同步進行。項目利用水稻核心種質構建不同生態區優良品種的回交導入系和近等基因系，開展了大規模鑒定與篩選，獲得一大批具有抗病蟲、氮磷高效利用、抗旱、高產優質等目標性狀的材料，定位到大量重要性狀的QTL，培育出以黃華占、93-11和IR64等優良品種為背景的優質、抗病水稻新品種[5-7]。第二步，將導入系或近等基因系相互雜交，實現基因聚合，通過分子標記輔助選擇或全基因組選擇技術實現不同優良基因向優良品種累加，培育大量優良基因聚合的綠色超級稻品種[1,8]。截止2019年初，國內外育種家已經培育具備多個綠色性狀（如抗病、抗蟲、養分高效利用等）的水稻新品種125個，其中，66個具備多種綠色性狀的新組合（品種）通過品種審定或認定（圖2）。除此之外，41個品種被認定為氮高效的GSR品種[1]，22個品種具有較強的節水抗旱能力[9]；還有超過100個水稻新品系正在參加各級區域試驗和品種審定[10]。這些品種在中國和非洲、東南亞地區已累計示范推廣近1 699萬hm2[1]。

圖2 綠色超級稻品種的推廣應用

綠色超級稻在中國不同水稻產區的生產示范試驗表明，在平均減少30%氮肥、農藥及減少灌溉水的條件下，表現出顯著的增產和穩產性能[10]。在一些國家（如菲律賓、孟加拉國、莫桑比克等）的貧困地區，其稻田完全依賴雨水澆灌，選用GSR品種可顯著提高水稻產量和當地農民的凈收入[11]。2018年莫桑比克審定GSR品種Simo，并在3個省份種植，產量提高，成本降低，效果非常明顯[12]。由于綠色超級稻的培育與應用對資源環境以及農業綠色發展產生的積極影響，2018年，“綠色超級稻”入選改革開放40周年大型成果展覽。2021年，第26屆聯合國氣候大會將綠色超級稻作為全球“迎接2050挑戰”、建立低碳與適應氣候變化的食品系統的科技方案[1]。

2 綠色超級稻的育種技術體系

2.1 優異基因資源發掘與利用

水稻種植歷史悠久，稻種資源極為豐富。豐富的栽培稻及野生稻種資源為剖析抗病蟲、養分高效利用、抗逆、優質高產等重要性狀的遺傳基礎奠定了基礎，也為培育具有綠色高產優質性狀（基因）新品種提供了關鍵基因資源。近10多年來，隨著功能基因組學和種質資源基因組測序研究的快速發展，科學家從水稻種質資源中鑒定和發掘到大量功能基因及其自然變異。GSR項目對來源于89個國家3 010份亞洲栽培稻進行基因組測序與分析，檢測到約2 900萬個單核苷酸多態性位點、超過24萬個插入缺失變異及9萬余個結構變異[13]，揭示了亞洲栽培稻種內基因組遺傳多樣性和群體遺傳結構特征，加快了水稻重要基因等位變異的發現與利用。截至2022年2月，國內外科學家鑒定分離到4 100多個水稻功能基因[14]，涉及不同綠色性狀相關基因，其中包括抗?。s占8%）、抗蟲（1%）、逆境響應（16%）、營養高效（7%）、產量（7%）、品質（3%）、抽穗期（10%）和育性（6%）等基因[3]。一批重要基因的自然等位變異和關鍵核苷酸功能位點的鑒定與發掘[1,15]，為精準定向改良GSR品種提供了基因組育種選擇的可操作目標。許多鑒定分離的綠色性狀基因顯示出巨大的育種利用前景，如最近克隆的抗稻瘟基因PICI1、rod1、ipa1-1D和bsr-k1[16-19]，抗水稻黑條矮縮病毒基因Os－AP47[20]，抗褐飛虱基因BPH30、BPH40和BPH6[21-22]，響應水稻低溫脅迫基因ipa1-2D、CTB2和CTB4a[23-24]，耐高溫基因HTH5、TT2[25-26]和響應水稻干旱脅迫基因DROT1[27]等；提高氮、磷肥利用率基因OsDREB1C、OsTCP19、OsPHO1;2和NGR5[28-31]，以及水稻產量基因Ghd7和Ghd8等[32-33]。功能基因組學的發展和越來越多功能基因的鑒定為綠色優質新品種的基因組設計育種奠定了理論基礎。

許多重要基因的優異等位變異已經在綠色超級稻育種實踐中得到了應用[1,3]。以控制水稻直鏈淀粉含量（AC）的關鍵基因Waxy(Wx)為例，該位點存在至少11個 等 位 基 因（Wxa、Wxb、Wxla、Wxlv、wx、Wxt、Wxg1、Wxg3、Wxin、Wxop、Wxmp等）[34-35]。其功能的強弱決定了稻米的AC差異，進而影響稻米蒸煮食味品質。其中，Wxa多存在于秈型品種中，其AC在25%或以上；含Wxin的稻米AC為18%～22%；Wxb多存在于粳稻中，其AC含量為15%～18%；攜帶Wxop和Wxmq的稻米AC一般在10%或以下；wx基因是功能缺失基因，存在于糯稻品種中，使其AC含量極低。因此，育種家可以依據Wx基因變異及功能差異信息，針對市場多樣化的需求，選擇合適的等位基因開展綠色超級稻的品質改良。Ghd7編碼CCT蛋白，是一個同時控制穗粒數、抽穗期和株高等性狀的多效基因。Ghd7在栽培稻中至少存在9種等位基因[36]，既有缺失或無功能的等位基因，也有表達差異的功能等位基因，不同等位基因的感光性差別很大，在地理分布上具有鮮明的特點。在長日照條件下，強表達Ghd7推遲抽穗、增加每穗粒數，而功能弱化或無功能的等位基因有利水稻在高緯度地區和生長期較短的條件下種植[32]。因此，Ghd7在增加水稻產量和環境適應性方面具有重要的利用價值。

許多性狀間往往存在相互聯系，在改良目標性狀（基因）時，往往存在“一因多效”或基因連鎖的現象，會導致非目標性狀的改變。弄清楚基因多效性和基因間相互作用是發揮綠色性狀基因聚合效果的關鍵。最近研究發現，轉錄因子DREB（Dehydration Responsive Element Binding）的家族成員OsDREB1C是一個同時提高產量和氮素利用率且提早抽穗的基因，光和低氮狀態能誘導其表達調控光合作用能力、氮素利用效率和開花時間。過表達OsDREB1C的水稻株系產量顯著提高41.3%～68.3%，氮素利用率提高25.8～56.6%[28]。該基因的發現為解決水稻長期存在的早熟不高產的矛盾提供了一種可能方案。Ghd7作為轉錄因子，可與提高水稻氮肥利用率的關鍵因子ARE1結合并抑制其表達，正調控水稻氮素利用效率和產量[37]。Ghd7調控產量與氮利用效率的研究為培育氮高效品種奠定了基礎。水稻株型基因IPA1/ipa1-1D編碼植物特有的SPL（SQUAMOSA promoter-binding protein-like）轉錄因子，是一個同時提高產量與抗病性的基因。IPA1受稻瘟病菌誘導磷酸化，改變IPA1與DNA序列結合。通常情況下，IPA1結合穗發育相關基因的啟動子，增強其表達，調控水稻產量；受稻瘟病菌誘導后，IPA1更傾向于結合抗病相關基因如WRKY45，誘導其表達，從而提高抗病性；而且IPA1很快可恢復低磷酸化狀態，以保證水稻發育的正常進行[18]。IPA1通過維持生長和免疫之間的平衡來提高產量和抗病能力，為培育抗病又高產的新品種提供了新的思路。

綜合提高品種品質、抗性和產量等表現，需要有效聚合不同有利性狀（基因）。由于植株生長的資源分配與遺傳上的連鎖效應，選育高產、優質和抗病等性狀于一體的新品種存在一定困難。而應用基因組育種技術可以有效地選育出具備高產、優質、抗病等性狀的GSR品種（圖2）。最近有許多根據不同功能基因的信息開展綠色超級稻育種的實踐案例。例如，抗褐飛虱基因BPH14編碼CC-NB-LRR蛋白，BPH15編碼凝集素受體激酶。2個基因之間存在不同的抗蟲防御反應機制。BPH15通過細胞表面受體蛋白引發的免疫反應與BPH14激活下游抗性信號通路完全不同[38]。因此，聚合BPH14和BPH15品種的抗褐飛虱效果要優于只含BPH14或BPH15單個基因的品種[39]。類似地，聚合產量相關基因TGW6、OsSPX1，抗病基因Pigm和品質基因Wxmp，可以培育出高產、優質、高抗稻瘟病的新品種[40]，提供了解決普遍存在的“高產而不抗病”或“優質而不高產”等育種問題的案例。不過，現階段同時具備高效利用氮磷營養、節水抗旱、抗病蟲和抗逆特性的新品種還較少（圖2）。為此，鑒定發掘更多具有綠色性狀基因并剖析其相互作用效應，將是加快選育GSR新品種的重要內容。

2.2 基因組育種技術體系

基因組育種是以基因的遺傳、功能和育種效應為基礎，以高通量檢測全基因組DNA序列多態性為手段，對目標基因（性狀）、非目標基因和基因組背景進行精準選擇、替換，達到定向、精確和高效培育新品種的目的。全基因組選擇技術和目標基因選擇技術是基因組育種選擇的關鍵。前者以高通量測序技術和育種芯片技術為核心，后者包括目標基因的特異標記及其側翼標記組成的標記選擇體系[1]。

隨著高通量測序技術的發展，低成本獲得全基因組水平上單核苷酸序列多態性（Single nucleotide polymorphism,SNP）信息成為現實。目前，科學家根據不同的遺傳育種需求，開發出基于測序技術的高通量基因型鑒定方法和多款不同通量的SNP芯片[41-42]。高通量基因分型和育種芯片技術已成功應用于品種真實性鑒定、基因指紋分析、性狀位點的全基因關聯分析、育種系譜溯源分析以及標記輔助選擇等各個育種環節[43-44]。目標基因選擇技術體系是利用分子標記檢測手段對目標基因進行精準選擇，同時降低因遺傳連鎖累贅帶來的不良性狀。該選擇系統一般由基因內的功能標記和基因兩側的側翼（例如，＜100 kb）標記組成，功能標記是根據引起功能差異的變異序列開發而來。

GSR項目建立的基因組育種技術體系（圖3），主要包括以下幾個方面的內容：（1）根據育種目標選擇優良水稻品種為受體親本，分析親本基因組序列和功能基因，確定待改良的基因及供體種質資源，設計育種方案；（2）以優良品種為受體親本，以具有優異等位基因的種質為供體親本，進行雜交和連續多次回交；利用回交育種程序結合全基因組選擇技術，創制大量以優良品種為背景、含不同目標基因的NILs；（3）為了實現每個目標基因的精準定向替換，減少連鎖累贅的不利影響，采用2輪目標基因選擇和1輪基因組背景選擇的策略選擇回交后代單株（圖3），即在BC1F1，利用基因特異標記體系選目標基因及一側發生重組交換的單株，再與受體親本回交；同樣在BC2F1選目標基因并另一側交換單株，連續回交獲得BC3F1，育種芯片選擇基因組背景與改良親本基本一樣，且帶有目標基因片段（一般＜200 kb），在BC4F2，篩選目標基因純合單株；（4）利用上述目標基因的NILs，根據不同生態區域和基因組設計育種方案，設計聚合不同有利基因，采用全基因組選擇技術體系選育出符合“少打農藥、少施化肥、節水抗旱、優質高產”的綠色超級稻新品系。聚合系或新品系經過田間考察和品系比較試驗（圖3），完成品種生產性試驗和品種審定與推廣。

圖3 綠色超級稻基因組育種體系

利用基因組育種選擇技術策略，新品種培育的全程只需選擇少量單株進行雜交，且大大縮短育種年限（2～3年），提高選擇效率[3]，極大地提高了育種選擇效率和精確性。同時，結合快速育種技術的研發利用，如建立由計算機對作物生育過程的光照、溫度環境以及養分等進行自動精準控制的“植物工廠”，不受或很少受自然條件制約，可進一步縮短育種周期，加快育種進程，實現新型高效的育種模式[45]。利用“無人植物工廠育種加速器”可以實現水稻從播到收只需60多天的超短生育期的水稻生產[46]。另外，配合植物工廠模式，研發超矮稈水稻材料等作為回交受體親本，可提高時空利用效率，為開展大規模的基因功能以及基因互作效應等研究提供新的策略和途徑[47]。

3 綠色超級稻的產業化應用

綠色品種還需要結合綠色栽培模式，才能達到“綠色高效、生態安全”的生產目標。我國科學家開展了“資源節約、環境友好”的綠色高效栽培技術和綠色綜合防控技術的研發與應用，進一步實現大面積水稻增產增效[48-51]。針對氮肥施用過量和氮素利用效率低的問題，建立了實時實地氮肥管理栽培技術，通過調控灌溉方式和種植密度，協同提高氮肥利用效率[52]。目前，綠色超級稻品種配套的“兩型”栽培技術模式在湖北、湖南、安徽、江蘇和廣東等大面積示范推廣已超過347.0萬hm2，節本增收123.4億元[53-54]。項目開展的綠色超級稻品種免耕撒播、免耕機插、免耕拋秧等綠色輕簡化栽培的大面積試驗示范，取得了明顯的經濟效益和社會效益；綠色超級稻品種與綠色高效栽培技術的結合，可以減少30%農藥、化肥施用量以及減少灌溉水量，促進穩產與高產[55]。

稻田種養是以稻田為基礎，在水田中放養魚、蝦、蟹、鴨等水產動物，通過水稻與水產動物互惠互利而形成的種養產業模式[56]。近年來，湖北省等地興起的“雙水雙綠”產業模式，作為一種產出高效、資源節約、環境友好的生態農業模式，受到高度重視?！半p水雙綠”旨在通過利用湖區稻田和水資源的優勢，將“綠色水稻”和“綠色水產”有機結合起來，推動稻田種養產業邁向新階段[53]。綠色超級稻品種的培育為綠色水稻、綠色水產協同發展提供了技術支撐。研究表明，與傳統水稻單作模式相比，“雙水雙綠”的稻蝦模式在增肥、改土、活水、控草、控病、控蟲等方面體現出較好的效果，基本實現了不施用農藥、大量減少肥料以及減少水產養殖的抗生素和生長調節劑等農化品的施用[56-57]，從而增加稻米和水產品的安全性，提高稻田經濟效益，達到綠色倍增的效果。培育更多適合“雙水雙綠”模式的綠色優質水稻品種，將加快農業產業的提質增效和農業綠色發展。

4 綠色超級稻研究展望

為了滿足人們對糧食安全、食品安全和生活健康的需求，綠色超級稻的目標也在不斷發展。水稻作為我國和其他亞洲國家的主要食物來源，除了提供能量外，還應該具有營養健康價值。

優質稻米需要好看、好吃而且營養健康。營養健康是消費者對稻米提出的更高要求。目前，糖尿病、心腦血管疾病、癌癥等非傳染性慢性病進入高發、頻發的階段，開發滿足特殊人群個性化需要的功能產品，如適合腎病、糖尿病患者等食用的稻米逐漸受到關注。營養學家倡導有效干預慢性病發生的全谷健康膳食理念[58]。全谷（糙米）包括種果皮、糊粉層、胚和胚乳等部分。全谷食品相較于精米（僅含胚乳），富含更多的蛋白質、不飽和脂肪、礦物質、維生素、膳食纖維、微量元素和營養活性物質[59]。黑米不僅含有糙米中的營養成分，而且還含有白糙米所沒有的花青素等一些特殊營養組分，它們具有抗氧化、抗炎癥和抗衰老等生物學功能。因此，張啟發院士最近提出主食全谷化，尤其是黑米替代精米作為主食的主張[60]，以提高營養健康水平。

到2050年，全球人口預計將增加到100億，糧食、資源和健康將面臨更加嚴峻的挑戰。如何減少糧食生產對環境的影響，如何在低碳環保的要求下，實現糧食安全和營養健康，需要從基礎研究、技術創新和產業實踐等多領域展開協同研究。隨著基因組學、分子生物學和表型組學技術的迅速發展，系統剖析綠色、營養、優質性狀的功能基因及其調控網絡以及基因與環境等互作效應成為遺傳育種的重要內容。育種技術將進一步向有利于精準化、高效化、智能化的基因組設計育種方向發展。依靠基因組育種技術體系，快速培育符合市場多樣化要求的綠色營養優質水稻新品種，將極大促進農業產業的發展，不斷滿足人民對美好生活需求。綠色超級稻的實踐及其發展為建立適應氣候變化的糧食生產系統的可持續發展提供了范例，并將在推動作物育種目標和農業產業模式的改變中發揮積極的作用。