Science 2022年十大科学突破解读：更易于耕种的多年生稻

水稻是人类重要的粮食作物，据估计全球水稻种植面积目前已达24亿亩，养活了近一半的世界人口。《荀子》一书中写道“春耕、夏耘、秋收、冬藏，四者不失时，故五谷不绝，而百姓有余食也”。水稻成熟收获之后，植株枯萎还田，到来年春天还需从头耕种。人们就一直在设想，能不能像种果树那样，水稻播种一次后可多次收获,这样就无需每年重复播种育秧、耕田移栽，可省去很多农业劳作环节，节省人力物力。
道法自然，这种能连续生活多年、多次开花结实的多年生特性其实在水稻的近亲中就广泛存在。栽培水稻所在的稻属有二十多种野生稻，其中很多都具有多年生的特性。真正的难点在于如何把野生稻中的多年生特性导入到栽培稻中。为了解决这个难题，我国云南大学胡凤益团队二十余年一直在做着艰辛探索。
难点之一是供体的选择。利用普通野生稻的匍匐茎和长雄野生稻的地下茎等方式都有可能实现多年生特性。然而，匍匐茎对冬季的低温和干旱敏感，通过反复试错，证明地下茎才是切实可行的方式。因此，胡凤益团队选用了长雄野生稻和栽培稻进行杂交，将长雄野生稻通过地下茎进行无性繁殖的特性导入栽培稻中。
另一个难点是需要在反复杂交、回交过程中既维持栽培稻高产、优质的特点又完整添加地下茎发育的特性。整个选育过程涉及多个世代大量中间材料的选择，单纯依靠表型筛选容易产生误判。胡凤益团队鉴定出了控制地下茎发育的遗传位点，利用这些位点上的分子标记进行辅助选择，不断地用分子标记去跟踪，保证了多年生特性的稳定遗传，同时还提高了后代品系的选育效率。
克服了一个又一个困难，胡凤益团队最终取得了突破性的进展，培育出了单次播种后可越冬、免耕、能连续收获多次的多年生稻。规模化试种后，多年生稻取得了不俗的成绩。其中的一个品种“多年生稻23”于2022年9月被农业农村部指定为全国推广新品种，预计将进一步扩大推广面积。
接下来，科学家有望通过图位克隆等方法发掘到长雄野生稻中地下茎发育的关键基因，利用分子育种将多年生特性精准导入到更多的栽培稻品种中。此外，目前的多年生稻遇到连续5天低于4 ℃的低温天气时，再生性会受到显著的影响，限制了多年生稻在华中、华东等水稻种植区的推广，提高耐寒性将是多年生稻研究的重要课题。幸运的是，野生稻中也发现了强耐寒性的种质资源。例如，位于江西东乡和湖南茶陵等地区的普通野生稻，可以在-9 ℃的低温下安全过冬，具有很强的耐寒性。如果将这些野生稻的耐寒基因资源导入多年生稻，有望提高其耐寒性。
多年生稻的成功培育也是半个世纪以来中国科学家在植物遗传育种领域取得的研究成果的一个缩影。相信在不久的未来，中国科学家在植物重要性状的分子解析和突破性品种的培育上还会取得更多原创性的发现和成果，为探索生物学基本科学问题和解决粮食问题做出更多贡献。
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图6 通过一年生的栽培稻（a）和多年生的长雄野生稻（b）的杂交选育出多年生的栽培稻（c，d）（图片来源:https://www.nature.com/articles/s41893-022-00997-3）