一粒稻种的十年攻关

2023-10-24 15:52 作者：谭剑袁汝婷周勉谢奔新华每日电讯责任编辑：吴静

9月17日，湖南株洲龙门镇洪塘村。秋日阳光下，稻浪翻涌。田埂边，科研人员围成一圈，紧盯着检测仪器。外围有人焦急发问：“多少？数值多少？”

“0.031！”人群中爆发出掌声与欢呼。

这片稻田是今年5月种下的低镉水稻示范品种“臻两优8612”。专家组在评议意见书上郑重写下：大面积长势均衡、镉低积累特性显著、丰产稳产性好。建议加快推广应用。

“‘镉大米’，将会在我国成为历史。”中国工程院院士、湖南省农业科学院党委书记柏连阳一席话掷地有声、底气十足。

底气源于实打实的数据：2023年，湖南在52个区县推广种植107万亩“臻两优8612”。截至今年10月8日，共取示范田土样94个，稻谷样品182个。经第三方专业机构检测，低镉水稻稻谷样品镉含量平均0.0213mg/kg，所有样品镉含量均显著低于0.2mg/kg的国家标准限量值，而对照组普通稻谷的镉含量为0.541mg/kg。

同时，测产的58个丘块低镉水稻单季平均亩产量，达到701.1公斤。

柏连阳的思绪回到十年前——

2013年，一场“镉米”危机席卷洞庭湖畔的鱼米之乡，许多米厂停工停产，不少农民茫然无措，“毒大米之忧”悬在人们心头。

粮安天下。中央高度重视水稻镉超标问题，十年来，我国实施了包括重金属污染耕地修复综合治理在内的多项举措。在湖南省委、省政府大力支持下，湖南省农业农村厅、省科技厅、省农科院等部门牵头，在全国范围内组织整合多方力量，开启了“大兵团作战”式的低镉水稻品种选育攻关。

作为攻关首席科学家，柏连阳比任何人都清楚，短短几行数据，浓缩着多少个艰辛的日夜，凝结着多少人共同的心血，“跑了十年的马拉松，终于跑到了撞线的一刻。”

向着“伪命题”，集结出发

“低镉水稻的研究，极有可能是个伪命题。”多年前，就有业内知名的水稻专家下过这样的判断。

水稻是天生喜镉的植物。过去数十年，破解这一“天性”的科研工作一直在进行，但没有实质性突破。

直至2013年，湖南省委、省政府决定举全省农业科研之力、面向全国整合力量，开启低镉水稻品种选育的体系化攻关。柏连阳被任命为攻关的首席科学家。

这是一个几乎没有基础、形势却十分紧迫的任务。它成败攸关，却前路茫茫。柏连阳愁得整夜睡不着觉。

没有头绪，只能先着眼于救急。务实的科研工作者们决定，在当时已有的水稻品种里找，哪怕是找到“不太吸镉”“稍微好点”的应急性品种。

这是个大海捞针的办法，却也是当时最能摸着门道的方向。湖南省农科院向全国各地科研单位、农业部门发出征集稻种的请求，3万多个表型、基因型不同的品种从四面八方汇集而来。

那段日子，农科院的科研楼实验室就像邮寄包裹的储存间，地上、桌子上、柜子顶上都堆放着贴上标记、装满稻谷样本的麻袋。

筛选低镉品种，不像观察高产、抗性等特征，它无法在种植过程中通过肉眼判断，每一颗种子都必须经过100多天生长，成熟后再通过精密仪器检测其镉含量。

白天，科研人员在分布广泛的不同田块里做试验、观察水稻，夜晚才有时间回到农科院整理数据、开会讨论。

柏连阳记得，他和同事们顶着日头一块田一块田去观察、取样不同品种的水稻，然而，每一次测完镉含量，都令人垂头丧气。

“巴掌大一块田，种在东头和西头的同一个品种，镉含量很有可能不同。一脚在田里踩出一个坑，坑里和坑外种同一个品种，可能有的镉含量低，有的就很高。”柏连阳介绍，种植土壤、灌溉用水等都可能成为水稻吸镉的来源，而其镉吸收特性极不稳定，即使是一些偶尔测出镉含量较低的品种，也可能只是个欺骗性的结果——一旦种植环境、条件稍作改变，立马打回原形。

科研人员们只好一边苦苦寻找“镉低吸附”表现相对稳定的品种，一边从土壤调理剂、阻隔剂、灌溉水源等农技和配套措施上想办法应急。日以继夜地筛选了3万多个品种，也历经了上万次失望，他们得出基本判断：这不是一条能通往胜利的治本之路。

路不通，但意志不能退。“种子是农业的芯片，我们始终坚定信念，解决这个问题，最终要靠种子。”回望最初的艰难历程，柏连阳这样说。

有统计显示，全球水稻种植面积有20余亿亩。由于纬度接近，世界上大部分水稻主产国的种植环境和土壤条件都与我国稻区类似，“镉米”并非湖南一域之困，也并不仅是中国粮食生产面临的挑战。在全球范围内，不少国家也面临严峻形势，国际科研领域一直在研究。

在中国科学家埋首寻找低镉稻种的同时，日本科学家在水稻中发现了决定镉元素吸收的主效基因OsNRAMP5。然而，他们改变这一基因后培育出的一个品种，产量仅为此前的11%，这意味着不具备推广种植的价值。简而言之，就是“找到了病灶，却治不好病”。

柏连阳团队在获知日本科学家的科研成果后，一方面严谨地验证其发现，另一方面也通过基因编辑的手法来进行品种培育。2016年，他们在全球范围内率先创制出了低镉又高产的基因编辑低镉水稻品种。中国科学家发表的“不减产同时低镉的杂交水稻”科研论文，成为动植物研究领域引用频次极高的文章。

然而，由于基因编辑品种被纳入我国转基因品种管理，这一品种暂时还不能大面积推广种植，更无法端上餐桌。至今，它仍被收藏在湖南省农科院的储物柜中。

征途漫漫，终点仍然遥远，但科研工作者们由此看见了宝贵的曙光——“我们一定能通过其他的办法，培育出稳定低镉且高产的品种！”

于是，多个科研团队、多条技术路线，继续朝着同一个“伪命题”，并行攻关。

“背靠背”探索，也能相遇

“新知识+笨办法”，是湖南杂交水稻研究中心副主任李莉总结的秘诀。这位“80后”是湖南省水稻产业技术体系低镉水稻品种选育岗位专家。

加入低镉水稻选育的“大兵团作战”之前，她所在的团队长期从事水稻不育系研究。

湖南是我国杂交水稻种植面积最大的省，每年为全国提供杂交水稻种子8000多万公斤。在杂交水稻亲本材料中，恢复系是负责传花粉的父本，而不育系是母本。

“之前筛了那么多品种，都是杂交稻组合和恢复系材料。那如果从不育系入手找，行不行呢？”李莉的“灵光一闪”，帮助她的团队探出了一条新路。

科研工作者们基于多年研究、试验结果分析判断，母本上结的谷子是否吸镉，只和母本自己有关，与父本花粉基因型无关，所以，用大量不同的父本来向母本授粉，通过对母本上的籽粒镉含量分析，就可以找到具有低镉特性的母本。这成为李莉团队的核心攻关口。

找资料、搜资源库、联络各地研究机构……尽管手上已有数百份不育系母本材料，李莉团队还是将寻找范围扩大到全球。

广泛搜罗来的母本材料，被种在了镉污染田里。不同品种的不育系开花时间不同，他们就在周边种上花期不同的多个恢复系父本材料。

每年八九月，科研人员守在田间，把恢复系材料的花粉小心翼翼地抖洒在不育系的花柱上。“几百种不育系母本材料，每一株都是这么手工‘抖’下来的。”李莉说。

“李老师，找到了，有一株！”2019年秋天，正是丰收的季节，团队里“85后”博士王天抗激动地告诉李莉，在湖南岳阳湘阴县发现了一份表型低镉的不育系材料。

听到消息的李莉却很冷静，因为变量因素太多，失望也经历过不少。“先做重复试验，一定要严谨，还能得出同样的结果，再说下一步。”

“水稻生长时节已经过了，等明年再试种一次吗？”王天抗有些不甘心地问。

“时间不等人，就现在，我们去三亚再种一次。”当时，湖南的时令已不再适宜水稻生长，李莉和团队共同决定，立即前往更加温暖、阳光充裕的海南进行试验。

为了确保土壤镉含量条件不变，团队从湘阴县打包了50盆土壤，运到三亚师部农场。

4个月后，从海南传来了好消息，重复种植的水稻材料，表型依然是低镉的！

然而，下一个难关来了——

要通过这份稳定低镉的资源获得低镉新品种，需要6到8个世代，这意味着，在一年种两季的湖南需要3到4年，而在海南，也需要2到3年。必须把周期再缩短。

为此，团队部分科研人员长期驻留海南，每天守在田间。为了在有限的种植空间里尽可能多地得到种子，在水稻还未完全成熟时，大家就会一茬茬地手工“分蔸”，通过“一分十、十分百、百分千”的办法获取更多种子。

李莉自豪地说，基于这一低镉资源培育出的“西子3号”低镉品种，获得“湖南省首届农作物十大优异种质资源”称号，并在今年成为第一个通过国家初审定的低镉水稻品种。

几乎在同时，另一个团队也取得了重大突破——

湖南杂交水稻研究中心副主任袁定阳长期从事水稻基因组研究。他带领团队花了两年，仔细分析了全球范围内6000多份亲本材料的基因数据，却没有找到一份是缺失OsNRAMP5镉吸收主效基因的。

2018年，团队又搜集了大量来自全国各个稻区的杂交水稻亲本材料。科研人员吕启明介绍，他们对1143份材料进行全基因测序，终于在2019年夏天找到了缺失OsNRAMP5镉吸收主效基因的唯一一份。

而这份亲本材料，和李莉团队找到的，正是同一份：武汉大学早先培育的不育系“珞红3A”及其衍生系“珞红4A”，

事实上，“珞红3A”“4A”不是天然缺失OsNRAMP5，而是武汉大学团队人工培育的结果。只是当时武汉大学另有科研目标，并没有注意到它们有低镉特性。

李莉团队用“笨办法”海选母本材料和袁定阳团队“从内到外”海量基因测序，出发点不同，却在终点处相遇。

柏连阳说，在多个团队共同参与的这场科研大攻关中，为了确保过程中立、客观、严谨，也为了得到最经得起检验的稳固成果，不同的技术路径之间往往是“背靠背”做研究。

谈及成功的关键，他们不约而同提到了攻关最初对3万多个品种的大海捞针。“错误的路已全都探了一遍，我们才没有走更多弯路。”

在人类探索自然的进程上，是无数探路者遭遇的挫折，让后来者的思考走上了正确的道路。在关于一粒稻种的这个故事里，一条“走不通”的路，帮助攻关者们走向了胜利。

只有“下田去”，才有好种子

“背靠背”突围的还有杂交水稻国家重点实验室副主任赵炳然团队。其创制低镉水稻示范品种“臻两优8612”的过程，同样体现了科技创新新型举国体制的实践。

科学家发现，OsNRAMP5不仅决定镉吸收，也影响锰吸收，而后者是影响水稻叶绿素形成的关键元素。此外，OsNRAMP5存在于几乎所有水稻的母本和父本里，天然缺失该基因的水稻材料迄今未被发现。

2016年，赵炳然指导团队成员唐丽等，通过基因编辑研创出低镉高产水稻品种。尽管不能推广，但这为瞄准OsNRAMP5基因进行后续研究，打开了关键突破口。

除了基因编辑，还有没有别的路？

2018年，赵炳然团队开始尝试通过物理、化学手段诱使优质常规稻、杂交水稻父本和母本的OsNRAMP5基因发生定向突变，实现低镉高产。

这是一条艰难的路，尤其难在“定向”。赵炳然说，诱发基因突变的手段有很多，但基因往哪个方向变，变了之后会表现出什么性状，却难以捉摸，只能不断地试，失败了再试。

“能试的办法都试了一遍。”赵炳然说，团队采用化学试剂、伽马射线、电子加速器等各种方式，“甚至把种子送上了太空”，但近30万株亲本材料，一株成功的都没有。

“每一次都是几万株种在田里，等四五个月，却等不来好的结果。那几年，我们就做这一件事。”科研人员韶也生于1988年，从30岁开始加入低镉水稻理化诱变的攻关。

三十几岁，正是出成果的当打之年。与韶也同龄的许多青年科研人员，通过一些研究取得了不同程度的进展，手里有了不少论文、项目，他却全身心投入了一场成果只分“有”和“没有”的探险。

老师赵炳然告诉他，研究杂交水稻就要甘于坐冷板凳、舍得下笨功夫。“没有发那么多文章，也是在实实在在作贡献，我们从事的是关系国计民生的重大科研问题。”

数十万株的尝试失败了，最后一线希望系于重离子诱变技术——

2018年底，通过安徽省农科院相关专家引荐，赵炳然带着韶也前往合肥参加了一场重离子诱变技术的学术会议。会议现场，他们毛遂自荐，不仅介绍了低镉水稻的攻关目标，还认识了中国科学院近代物理研究所重离子加速器国家实验室的科研人员。经过沟通争取，2019年双方签署了重离子加速器的使用合同。

位于甘肃兰州的重离子加速器，是宝贵的国家大科学装置，其束流时间是极其稀缺的资源。赵炳然回忆，按常规要求，一个研究团队每年使用重离子加速器的束流时间一般不超过2小时，且需要排队。他们原本要排到2020年下半年。

可低镉水稻研究是时间紧迫的任务。为此，中科院近代物理研究所的李文建老师主动让出了自己团队的2小时，赵炳然团队得以在2019年3月进行了第一次重离子诱变实验。

“我们创制的低镉品种，一定要与杂交水稻的高产优势结合。要带最好的亲本材料去诱变，才能让农民用得好。”下定决心的赵炳然，立即联系了隆平高科副总裁杨远柱。

什么是最实用、最高产、最稳定的亲本材料，处于产业链前沿的企业最清楚，而隆平高科就是这样一家龙头企业。

尽管优秀的亲本材料是制种产业领域的竞争性资源，但杨远柱毫无保留，向赵炳然提供了综合表现最优的父本材料和母本材料各一份。

赵炳然团队带着它们奔向兰州！功夫不负苦心人，实验成功了。经过反复检测和验证，他们得到了具有低镉特性的母本“莲1S”。

也是在2019年，赵炳然团队受到肿瘤检测靶向技术的启发，发明了具有自主知识产权的M1TDS技术，其核心价值在于能通过靶向技术从海量的基因诱变品种中，迅速、高效地鉴定筛选出发生了定向突变的品种。

可杂交水稻的种质创制，不仅需要基因突变的低镉母本，也需要基因突变的低镉父本。这意味着，他们还需要更多束流时间。

但2个小时已经用完了，怎么办？

2019年12月1号，赵炳然和韶也带着一封向中科院近代物理研究所申请束流时间的信件，来到了老师袁隆平院士家中。彼时，袁隆平的身体已大不如前，但他拿着放大镜，一字一句仔细读了信，又细细询问了研究进展与突破，很是欢喜。

随后，袁隆平在信件上郑重地签下了自己的名字。

12月3日，中国科学院近代物理研究所复信，将尽最大可能优先安排束流时间，全力支持低镉水稻科研。

2020年，兰州重离子加速器用于处理植物的所有束流时间，全部用于低镉水稻研究，共计20余个小时。

这一年腊月，正是南方农历小年，赵炳然终于拿到了经过检测验证的结果：送往兰州处理的10万多颗种子长出了7万株秧苗，团队一片片取样、编号、测序、分析，找到了那株宝贵的低镉父本。

由此，全球第一个真正大面积推广种植的低镉杂交水稻品种“臻两优8612”诞生了！

“这个成果背后，有许多机构和个人的付出，比如隆平高科毫无保留地给我们提供了两份最好的原始材料。”赵炳然说，因为有创新链和产业链的精准对接，原创技术才得以和优良“底盘品种”结合，从研发迅速走向推广。

“低镉水稻选育，是湖南农业科技创新的旗帜性成果。”湖南省科技厅农村科技处处长尹文辉介绍，围绕低镉水稻品种培育，湖南连续布局实施了多个省级科技重大专项、重点研发计划项目，10年来累计投入资金超过2亿元。

柏连阳说：“一粒稻种的十年攻关，背后有湖南杂交水稻科研扎实的基础、接续的队伍，也与体系化的科研组织方式、举全省乃至全国之力支持等密切相关。”

“我们农民就是最大受益人！”湖南省益阳市桃江县三堂街镇三堂街村种粮大户胡群，一直积极配合当地的低镉品种推广试验。他告诉记者，当地土壤镉含量在0.5mg/kg到1.5mg/kg不等，多年来，自己300多亩耕地产出的数十万斤稻谷，每年只能以每百斤125元左右的国家最低收购价交给政府专门处理，长期处于亏损边缘。

“现在，种低镉品种跟种其他品种一样，完全不用额外投入，比我过去种的‘超标粮’，每百斤至少多卖10块钱，每年能增收几万块钱。”胡群高兴地说。

“书本和电脑里种不出水稻来。”——这是袁隆平生前时常对后辈们念叨的一句话。

从“60后”柏连阳、赵炳然，到“70后”袁定阳，再到“80后”李莉、韶也，一代代湖南水稻人通过不同的道路，奔向了同一个终点。

赵炳然说，他们共同的诀窍就是“不停地下田”。“有时候在田埂上我就会想，如果袁老在，他一定会站在田里大声喊：‘小赵，你给我下来！’”

1973年10月，袁隆平发表了《利用“野败”选育“三系”的进展》一文，正式宣告中国籼型杂交水稻“三系”配套成功，攻克了杂交水稻难关。

2023年10月，“臻两优8612”试种全面成功、“西子3号”率先通过国家初审定。“这是对袁隆平老师最好的告慰。”中国科学院院士钱前说。

（本报记者谭剑袁汝婷周勉谢奔）

关键词：主效基因,大科学装置,优异种质资源,土壤调理剂,丰产稳产性

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