储成才:找回丢失的基因,开启新的绿色革命

60年来,我国化肥用量增加100倍,但粮食产量只增加4.13倍。在“少投入,多产出,保护环境”的新的绿色革命理念下,他带领团队通过找回水稻氮高效基因,培育出减肥增效的绿色超级稻品种,破解了只有增化肥才能保高产的科学难题。

我是中国科学院遗传与发育生物学研究所的储成才。今天我给大家讲的是《找回丢失的基因 开启新的绿色革命》。

什么是绿色革命呢?我们讲绿色往往都和生态连到一起。但是在农业生产上,我们讲绿色革命通常是指什么?是指一项革命性的技术,而导致的农作物产量的大幅度提升。

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上个世纪50年代、60年代,那时候我们种植水稻是这个样子的,基本上就是高秆。但是这种高秆水稻有个什么缺点呢?当施肥的时候特别容易倒伏,倒伏就导致减产。

1956年,我们国家华南农学院的黄耀祥先生,就用广西的一个农家品种矮子占,和高秆的水稻品种去杂交,培育了第一个矮秆品种叫广场矮。十年之后的1966年,在菲律宾的国际水稻所,同样用我国台湾省的一个农家种低脚乌尖,和高秆水稻品种杂交,培育了第一个半矮秆品种叫IR8。这个矮秆品种和半矮秆品种的培育和推广,使亚洲的水稻产量获得大幅度提升。

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上世纪50年代,我们国家的水稻亩产大概是164公斤,但是到70年代初,我们国家水稻产量就已经到238公斤,单产提高了45%,这就是我们经常讲的第一次水稻绿色革命。为什么高秆变矮秆,水稻产量会有大幅度提升呢?从遗传上讲,实际上高秆变矮秆,就是一个基因的突变叫Sd1。矮秆水稻由于它对肥料不是特别敏感,也就是说:你施肥,它不至于倒伏,所以这时候施肥,产量就会提高。

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结果我们看:上世纪绿色革命以前,1958年~1963年,我们平均每施一公斤纯氮,能够增产15~20公斤的稻谷;但是到80年代,我们可以看到,我们每施一公斤纯氮,就增产9.1公斤稻谷;然而现在,我们每施一公斤纯氮 大概增产5公斤。为什么会出现这种局面呢?因为矮秆品种对氮肥不敏感,所以农民就有一种观念:“施肥越多,产量越高”。这时候育种家也会有一个观念:“我要适应农民的需求或者适应市场需求,培育耐肥品种,这样农民就可以拼命施肥。”

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我们可以看到,第一次绿色革命,导致化肥利用效率大幅度降低。我们来看一组数据:从1950年~2010年 这六十年中间,我们国家粮食产量增加多少呢?是4.13倍。但是我们国家的化肥用量增加多少?100倍。

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大家可以看这张图 ,红色这一部分,到2015年我们国家施肥6000万吨,不是6000万公斤,是6000万吨。我们国家的施肥,占全世界化肥总产量的33%。

我们经常讲:我们用8%的耕地面积,养活了19%的人口。但是我们很多人不知道:我们用8%耕地面积,也消耗了世界上33%的化肥。

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我们国家的化肥利用率,只有发达国家的一半左右 30%,那么我们就会问,还有70%干嘛去了?

其余的化肥,有很大一部分,流失到江、河、湖、海,不同的水体里面,这就是我们经常发现的,水体的富营养化污染。

还有一部分,以氮氧化物和氨的形式,挥发到大气中间。当然氮氧化物,我们很多人都耳熟能详,我们知道,雾霾的组成成分是:氮氧化物,二氧化硫和可吸入颗粒物。也许大家不知道,我们这里面有一个被忽略的,雾霾的真正的元凶,就是吸附在可吸入颗粒物上面的铵。

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有统计数据表明,在轻污染天,硫酸铵和硝酸铵的质量浓度总和,占着PM2.5的20%;在重污染天可以高达40%~60%。你可以想象,我们吸入的可吸入颗粒物,如果含有40%~60%的铵是什么状况?

还有一组数据,京津冀地区,每年、每平方公里的氮沉降是多少呢?6.1吨,氮沉降的主要成分主要是铵。那么铵主要从哪来的呢?其中40%是来源于化肥的污染,我们经常讲,汽车也停了,工厂也关了,但是雾霾照旧。

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除了前面说的污染以外,生产一吨的氮肥,我们还需要消耗2.8吨的优质煤,1600度电能,同时造成大概2.5吨的碳排放。我们可以看到,氮肥的生产,实际上也是一个高耗能,高污染的行业。

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从前面我们讲的这些数据,我们可以感觉到,以前我们讲的绿色革命,从生态和环保角度来讲,其实并不“绿色”。

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1999年,我们国家三位科学家,就想怎么改变这种局面,有没有可能通过品种的培育,在提高产量的同时,大幅度减少化肥和农药的投入,所以提出:少投入,多产出,保护环境的“新绿色革命”理念。

如果我们要实现这一宏大目标,首先要知道,怎么能够从植物中间,找到控制氮肥利用效率的基因。我们知道,水稻95%是种植在亚洲,亚洲栽培稻有两个主要亚种:一个叫籼稻,一个叫粳稻。我们很多朋友知道,籼稻种植在南方,粳稻种植在北方,所以籼稻和粳稻,温度的耐受性,还有株型,口感都不一样。东北大米,北方人都喜欢吃,南方主要是杂交米,所以口感也不一样。

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2001年,当时我回国没多久,育种家告诉我一个非常令我吃惊的事:籼稻和粳稻之间有非常大的区别,就是肥料的利用效率,籼稻比粳稻氮肥利用效率要高30%~40%。我们就在想,能不能通过一种新的技术,让粳稻具有像籼稻一样的,氮肥利用效率呢?在相同的产量同时,我们就可以减少30%~40%的化肥。

我们团队经过十五年的努力,克隆的第一个基因叫NRT1.1B,解开了氮肥利用效率之谜。如果我们把籼稻的NRT1.1B,通过杂交的方法转入到粳稻里面以后,就可以实现粳稻氮肥减半而产量不减。

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我们不禁要问,为什么籼稻有氮高效基因,育种可以选育出来,粳稻没有呢?

我们就对籼稻和粳稻的野生稻祖先的NRT1.1B,进行跟踪分析,在籼稻的野生稻祖先中间,含有两种基因型,也就是说两种突变,一种是氮高效的,一种是氮低效的。在我们育种的选择过程中间,我们先民不停地选择,差不多一万年,把氮高效的选出来了。当我们去看粳稻的野生稻祖先的时候,它只有一种氮低效类型,那么你可以知道,因为它没有氮高效的,无论你选多长时间,无论是一百年、一千年或者一万年,它还是氮低效的。

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这一结果给我们一个非常好的启示:我们育种,实际上从野生稻到农家品种,从农家品种到现代品种,经过上万年的时间,在选择过程中,我们丢掉了很多基因。

我们在近一百年左右育种过程中间,是不是也丢掉一些好的基因,特别是当我们大量施肥,去筛选耐肥品种的时候,是不是把一些氮高效的基因丢掉了呢?如果是,我们能不能通过现代测序方法,把这些现代品种中间,丢掉的氮高效基因,从早期的农家品种中间找回来,去改良现代品种,所以我们必须找到,这些在氮肥施用之前的农家品种。

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我们得知,美国农业部在过去一百年期间,从全世界116个种植水稻的国家,收集了18412个水稻品种,这些水稻品种绝大部分都是农家品种,也就是在施化肥之前的品种。当然一万多种实际上是很多的,我们很难去做,所以我们通过分析田间表型和序列,把18000多种逐步减少到203种,我们叫水稻的微核心种质资源。

微核心种质资源,也可以代表全世界不同地方的,水稻多样性。这张地图大家可以看到,是203份品种的不同的类型,以及在全世界分布情况。

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我们和华大基因合作,把所有的水稻品种基因全检测了,因为我们知道,表型都是由基因决定。从这张图上可以看到就四个碱基 A、G、C、T,哪些是编码氮高效基因,你是不清楚的。

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为此我们和华南农业大学的廖红教授合作,把这些品种都种植在含氮不同的田里面,低氮、中氮、高氮,去看它产量要素的变化情况。然后把基因型和表型,通过计算生物学和群体遗传学,还结合其他的多重组学去关联,看在水稻的染色体什么地方存在氮高效基因。

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非常令人兴奋的是,我们在第六染色体上,发现一个非常明显的信号,这就是TCP19氮高效基因。我们通过在所有水稻品种中,序列比较的时候就发现,可以分成两种类型,一个氮高效类型,一个氮低效类型。

所有品种在田间我们都种过,种了以后,把TCP19氮高效类型或氮低效类型,和田间的表型去关联的时候就发现,氮高效类型的基因,它在田间产量性状要好,氮低效的基因在田间产量要差,所以这两者是高度关联的。

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这时候我们就想把氮高效的基因,通过杂交转育的方法,转到不同的氮低效基因品种中。我们可以看到,在低氮和中氮条件下,如果把品种改良的,含有氮高效基因的水稻种下去,它的产量可以提高20%~30%。

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这是一张亚洲地图,大家可以看到,上面有蓝色、有红色、有紫色,不同的颜色代表土壤里面氮的含量,蓝色越深,代表土壤中的氮含量越低;红色越深,代表土壤中氮含量越高。你可以看到,在印度、巴基斯坦、孟加拉国是蓝色,中国华南地区可以看到是红色,到东北和日本是紫红色,土壤是不一样的。

如果把这些地区的不同基因型(氮高效基因型,氮低效基因型)的水稻,进行分析后,放在这个地图上,你就可以惊喜的发现:在印度、孟加拉、巴基斯坦,含氮高效的水稻品种是96%;到中南半岛70%;到印度尼西亚、马来西亚30%;到中国的华南地区 7%;到了中国东北和日本,氮高效的品种仅仅是5%。这说明什么呢?说明土壤氮含量越低,氮高效品种越高,土壤氮含量越高,氮高效品种越低,所以含氮高效TCP19水稻比例,和土壤氮含量呈负相关。

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如果我们进一步把这些细分到不同的国家,你就发现非常有意思的现象,在孟加拉国,氮高效品种占81%,马来西亚78%,印度尼西亚77%,到美国21%,到韩国、日本6.7% ,中国6.5%。也就是说像中国、朝鲜、韩国、日本、美国,施肥越多,氮高效品种越低,施肥越少,氮高效品种越高。

这项工作,今年元月六日发表在《Nature》上面,这项工作发表以后,引起国内外媒体的广泛关注。

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我们进一步和著名的育种家姚海根合作,把刚才我们讲的这些氮高效基因,转移到我们现在栽培的主栽品种中。

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2017年,他们把这个品种送到华中农业大学,由一位栽培学家彭少兵老师第三方去栽培。你可以看到,早期种下去是看不到差别的,这是把肥料从每公顷180公斤减少到100公斤,就是减掉44%的氮肥,到后期你可以看到,没有改良的这些材料,叶片变黄,我们改良的这几个材料,可以看到叶片还是深绿的,最后收获的时候就可以看到,改良的水稻品种产量可以折合,每公顷9.22~10.17吨。我可以告诉大家,我们国家平均每公顷水稻产量是7吨。

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2018年,他们又重复了这个试验,这是一个航拍的数据,在三块不同的田里面可以看到,红色是我们送去的改良品种,它呈现深绿色,那么每公顷也可以达到10.6~11.7吨。

氮高效改良的水稻,在减氮44%的情况下,产量还可以达到9.2~11.7吨,这给我们非常大的一个希望。在2019年,我们这三个品种,被科技部重大专项组,认定为首批"绿色超级稻"品种。

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大家设想一下,我们国家每年种植水稻面积多少呢?4.6亿亩。每亩施化肥平均在20~25公斤,那么每年化肥的投入是多少呢?大概是450亿人民币。如果我们能够减30%的化肥,那就意味着我们可以减少130亿元人民币的化肥投入,同时可以减少很多的污染源。

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还有重要一点,想提醒大家,刚才我们讲的是在减肥的条件下,实际上产量并没有显著的降低。那么这时候我们也可以提醒我们的农民朋友,不需要大量施肥,不是肥料施的越多,产量越高。

所以只有我们配合起来,从品种到栽培结合起来,我们就可以真正做到,少投入,多产出,保护环境,也可以通过这种方法,通过科学造福全人类。

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