水稻的一生只有短短的120~150天，非常短暫。.
而中國水稻研究所所長、全國超級(jí)稻研究與示范專家組組長程式華，則把自己的目光聚焦到了水稻更短的時(shí)間周期——水稻生殖生長期。
“實(shí)際上，水稻產(chǎn)量的30%~35%依靠水稻后期生長時(shí)光合作用的積累，因此，后期生長對(duì)于水稻產(chǎn)量有至關(guān)重要的作用。”正是認(rèn)識(shí)到其重要性，程式華才對(duì)水稻的這個(gè)發(fā)育階段情有獨(dú)鐘。
功夫不負(fù)有心人。2011年，程式華的“后期功能型超級(jí)雜交稻育種技術(shù)及應(yīng)用”通過了國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)評(píng)審，該項(xiàng)目創(chuàng)建了新的超級(jí)雜交水稻育種技術(shù)體系。而這個(gè)體系，正是以提高水稻生育后期光合作用能力為目標(biāo)的。
其實(shí)早在1986年，程式華就開始了他的超高產(chǎn)雜交水稻研究。
超級(jí)水稻遭遇“早衰”
民以食為天，中國的糧食安全應(yīng)先解決溫飽問題。中國的水稻育種研究有很長的發(fā)展歷史，水稻單產(chǎn)曾經(jīng)出現(xiàn)過兩次重大突破。
第一次是始于上世紀(jì)50年代末60年代初的矮化育種，主要通過降低水稻株高來培育新品種，所培育的新品種的耐肥抗倒性和收獲指數(shù)大幅度提高；第二次是上世紀(jì)70年代初期，雜種優(yōu)勢(shì)的利用（所謂雜種優(yōu)勢(shì)是指雜合體在一種或多種性狀上優(yōu)于兩個(gè)親本的現(xiàn)象，雜種一代往往比它的雙親表現(xiàn)出更強(qiáng)大的生長速率和代謝功能），而成功培育出的雜交水稻使水稻平均畝產(chǎn)提高到400公斤以上。
一般來說，水稻主要有兩個(gè)亞種——粳稻和秈稻。早期的雜交育種主要是粳稻與粳稻之間，秈稻與秈稻之間進(jìn)行，由于親本之間存在親緣關(guān)系，差異性小，因此產(chǎn)量有限。到上世紀(jì)80年代，雜交水稻的產(chǎn)量就很難實(shí)現(xiàn)突破。于是，超級(jí)稻開始進(jìn)入人們的視野。
1981年，日本最早提出水稻超高產(chǎn)育種。中國、韓國和國際水稻研究所也先后開展超高產(chǎn)育種研究。國際水稻所在上世紀(jì)90年代初提出了新株型育種理論，并利用包括中國“沈農(nóng)366”在內(nèi)的粳稻種質(zhì)資源選育出新品系。1994年，通過小面積試種，一些品系獲得了超高產(chǎn)。
1996年，在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)楊守仁等專家的積極倡議下，農(nóng)業(yè)部正式啟動(dòng)了“中國超級(jí)稻育種計(jì)劃”，從而拉開了中國超級(jí)稻研究的序幕。
從第一個(gè)超級(jí)稻品種誕生至今，農(nóng)業(yè)部認(rèn)定的超級(jí)稻品種已達(dá)到92個(gè)。推廣種植面積約占全國水稻種植總面積的四分之一，平均畝產(chǎn)達(dá)到575.2公斤，推動(dòng)了中國水稻增產(chǎn)、增收。但是，一些早期的超級(jí)稻在推廣種植，甚至是實(shí)驗(yàn)階段就出現(xiàn)了問題。
“超級(jí)稻是由粳稻和秈稻雜交而成的，就像是混血兒，親本之間的差異性很大，因此很可能出現(xiàn)后期功能性差的問題。”程式華直言不諱。
據(jù)了解，雖然某些超級(jí)稻營養(yǎng)生長良好，體型十分高大健壯，但是容易出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，生殖生長期光合作用出現(xiàn)減弱情況，根系也不夠發(fā)達(dá)，致使水稻顆粒不夠飽滿，從而影響到水稻高產(chǎn)的發(fā)揮。一般來說，即使這樣的超級(jí)稻在氣候條件良好的種植區(qū)也能正常生長，而一旦遇到惡劣的氣候，其劣勢(shì)將暴露無疑。超級(jí)稻的早衰問題成為提高超級(jí)稻產(chǎn)量亟待解決的問題。
1999年，程式華提出“超級(jí)稻后期功能型”這一概念。“那時(shí)還只是一個(gè)模糊的念頭。”程式華回憶道。
而正是從這個(gè)模糊的概念開始，程式華走上了超級(jí)稻后期功能研究的道路，花費(fèi)了9年才在2008年完成項(xiàng)目。如果再加上前期的一些基礎(chǔ)性工作和后來的大面積推廣，整個(gè)項(xiàng)目持續(xù)了20多年。
瞄準(zhǔn)后期突破瓶頸
經(jīng)過反復(fù)選育和研究，程式華發(fā)現(xiàn)多數(shù)青稈黃熟的水稻抽穗后，其光合作用下降很慢，且根系極為發(fā)達(dá)。為了解決超級(jí)稻生育后期根葉早衰，結(jié)實(shí)、灌漿差等綜合性狀不良的問題，程式華又將注意力集中在了水稻后期葉片光合作用和根系生長兩大問題上。
那么，追根溯源，青稈黃熟的雜交水稻，其親本組成怎樣？
帶著這個(gè)疑問，程式華開始進(jìn)行秈、粳反復(fù)雜交試驗(yàn)，最終他發(fā)現(xiàn)在父本為秈粳中間型時(shí)，雜種一代營養(yǎng)優(yōu)勢(shì)和生殖優(yōu)勢(shì)最協(xié)調(diào)，后期光合作用下降很慢，營養(yǎng)優(yōu)勢(shì)與生殖優(yōu)勢(shì)都突出，單株產(chǎn)量最高。
“采用這種親本選配方法，可實(shí)現(xiàn)超級(jí)稻營養(yǎng)生長與生殖生長的協(xié)調(diào)發(fā)展。”程式華說。
為了更好地選出良種，程式華還開發(fā)出了與秈、粳形態(tài)指數(shù)顯著相關(guān)的高效、準(zhǔn)確的DNA特異標(biāo)記，能夠快速地選擇良種。
在水稻研究中，根系的研究更為困難。根系埋藏在土壤中，在不損傷根系的前提下很難完全挖出，同時(shí)如何清理掉附在根系上的泥土，這些都讓程式華頗費(fèi)腦筋。
柳暗花明又一村。正當(dāng)程式華為此發(fā)愁的時(shí)候，他想到了水面種稻。水面種稻是指運(yùn)用無土栽培技術(shù)，將水稻種在水面浮體物上。采用這種技術(shù)，具有取樣簡便、不易損傷根系等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的水田挖掘根系研究法對(duì)根系損傷重、工作量大、無法對(duì)育種大群體開展研究的缺點(diǎn)。非常湊巧，他所帶的一位博士原先的研究方向正是水面種稻，這可解了程式華“燃眉之急”。
后來，研究證明，根深指數(shù)越大，水稻葉片更直立、結(jié)實(shí)率更高，齊穗期不發(fā)根節(jié)的數(shù)量與綠葉數(shù)量也顯著相關(guān)。而粳稻的根深指數(shù)和不發(fā)根節(jié)數(shù)大于秈稻。通過秈、粳雜交，將粳稻的兩個(gè)根系特性導(dǎo)入到秈稻背景中，有利于提高秈稻的后期功能，進(jìn)而提高結(jié)實(shí)率。
“利用根系指標(biāo)選育超級(jí)稻的方法，可保證超級(jí)稻在生育后期具有較高的根系活力和較多的功能葉片。”程式華說。
以中國工程院院士、武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授朱英國等國內(nèi)頂尖專家組成的鑒定委員會(huì)給予了該項(xiàng)目高度評(píng)價(jià)：“以提高水稻生育后期光合能力為目標(biāo)的后期功能型超級(jí)稻育種技術(shù)體系，豐富了超級(jí)稻育種理論，完善了超級(jí)稻育種技術(shù)體系，居同類研究的國際領(lǐng)先水平。”
同時(shí)，該技術(shù)還獲得了國外同行的好評(píng)，國際著名水稻育種學(xué)家、世界糧食獎(jiǎng)得主G.S. Khush表示，程式華博士開發(fā)出了秈、粳特異DNA標(biāo)記，并在確定親本和雜種秈、粳屬性中加以應(yīng)用，為提高水稻產(chǎn)量作出了巨大的貢獻(xiàn)。
規(guī)劃未來繼續(xù)前行
從1986年就開始研究超高產(chǎn)雜交水稻的程式華，到今天已經(jīng)走過了26個(gè)年頭，程式華及其項(xiàng)目組在超級(jí)稻領(lǐng)域共獲得4項(xiàng)發(fā)明專利和4項(xiàng)品種權(quán)，直接育成7個(gè)“國稻”系列超級(jí)稻組合，累計(jì)推廣3000多萬畝，全國許多科研單位利用他們研發(fā)的技術(shù)，共培育出85個(gè)雜交稻新組合，累計(jì)推廣面積超過1.5億畝，獲得了不俗的經(jīng)濟(jì)效益。
而程式華的想法很簡單：“干一行，愛一行”，樂于為保障中國的糧食安全作貢獻(xiàn)。當(dāng)被問及他將來的工作重點(diǎn)時(shí)，程式華毫不猶豫地回答說，要繼續(xù)進(jìn)行雜交水稻研究，將后期功能型超級(jí)稻育種技術(shù)進(jìn)一步完善。
“現(xiàn)在水稻良種選育的目的性不強(qiáng)，只是大規(guī)模篩選，但是當(dāng)水稻基因的遺傳性研究取得一定成果后，就可以進(jìn)行分子設(shè)計(jì)育種，能夠加強(qiáng)水稻雜交育種的目的性，縮短育種時(shí)間。”程式華說，實(shí)現(xiàn)超級(jí)雜交稻分子設(shè)計(jì)育種也是他下一步的工作重點(diǎn)之一。■
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2012年第2期 焦點(diǎn))