雜交水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

中國水稻研究所 胡培松

創(chuàng)新是種業(yè)的核心價值。我國雜交水稻獨(dú)步世界的關(guān)鍵是雜交水稻育種材料的突破和育種技術(shù)的創(chuàng)新。如今，面對雜交水稻巨大市場和在技術(shù)、資金、營銷網(wǎng)絡(luò)、管理優(yōu)勢明顯的跨國種業(yè)集團(tuán)競爭，加速健全監(jiān)督管理體系，建立種業(yè)發(fā)展扶持機(jī)制，提高雜交稻種業(yè)研發(fā)能力和企業(yè)競爭力，加快種子產(chǎn)業(yè)集約化、市場化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迫在眉睫。

雜交水稻是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重大科技成果。由于缺乏對核心技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，雜交水稻種業(yè)培育錯失良機(jī)。針對我國雜交稻研發(fā)現(xiàn)狀，為應(yīng)對跨國種業(yè)集團(tuán)競爭，需要不斷提高雜交稻種業(yè)研發(fā)能力和企業(yè)競爭力，加快種子產(chǎn)業(yè)集約化、市場化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，確保糧食安全。

水稻是我國的民族產(chǎn)業(yè)

中國是稻作歷史古國，也是水稻原產(chǎn)地之一。亞洲栽培稻的祖先種普通野生稻分布極廣，南起海南三亞，北至江西東鄉(xiāng)，西起云南盈江，東至臺灣桃園。水稻栽培歷史極為悠久，新石器時代遺址有稻谷、米粒、稻稈等遺物出土者達(dá)70余處，尤以太湖地區(qū)的江蘇南部、浙江北部最為集中，最早的是浙江桐鄉(xiāng)羅家角和余姚河姆渡，且已有秈粳并存。水稻在我國推廣種植后，很快傳到了東亞近鄰國家，大約在3000多年前的殷周之交，我國水稻北傳朝鮮、日本，南傳印度、越南。公元5世紀(jì)，水稻經(jīng)伊朗傳到西亞，然后經(jīng)非洲傳到歐洲，新大陸被發(fā)現(xiàn)后，再由非洲傳到美洲以至全世界。

中華民族文明發(fā)源于黃河流域，但是在秦統(tǒng)一中國之后，趨向于從渭水流域與中原地區(qū)往長江下游平原轉(zhuǎn)移。到了明清時期，整個國家的經(jīng)濟(jì)幾乎完全依賴于長江以南地區(qū)的錢糧賦稅。這一重要現(xiàn)象大體與水稻種植進(jìn)展息息相關(guān)，當(dāng)時，黃河流域種植小麥、谷子、高粱都是旱地種植作物，該流域干燥的環(huán)境使水分蒸發(fā)得非?？欤瑝A性的黃土失去水分之后容易產(chǎn)生板結(jié)，造成土地鹽堿化，土壤肥力一年比一年貧瘠，以至于不能耕種。與當(dāng)時的小麥等旱糧相比，水稻產(chǎn)量高，農(nóng)民撒下去的種子通?？梢允斋@20倍左右的稻谷，這與小麥4倍于種子的產(chǎn)量相比顯然是非?？捎^的。再加上長江流域以南地區(qū)氣候溫暖濕潤，一年可以種植兩季甚至三季。北宋開始，中國古代王朝的經(jīng)濟(jì)重心便從黃河流域轉(zhuǎn)移到了長江流域，北方人口大量南遷。民間也有“蘇湖熟，天下足”和“湖廣熟，天下足”之說，充分反映了江南水稻生產(chǎn)對于供應(yīng)全國糧食需要和保證政府財政收入的重要性。據(jù)《天工開物》估計，明末時的糧食供應(yīng)，大米約占70%，麥類和粟、黍等占30%。北宋以前中國人口從未超過6000萬，但是北宋以后人口急劇增加。到清朝末年達(dá)到了4億。作為人口增長的基礎(chǔ)，主要糧食作物發(fā)生變化無疑具有決定性意義。

我國是稻谷生產(chǎn)大國。目前水稻播種面積占世界水稻播種面積約19%，僅次于印度；稻谷年均總產(chǎn)占世界稻谷總產(chǎn)35%，居世界第一。我國是稻種資源富國。水稻在我國分布跨越熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶等五個氣候帶；世界上種稻最北點(diǎn)（黑龍江省漠河，53°27′N）位于我國。到2000年年底為止，我國已編入國家稻種資源目錄的國內(nèi)資源達(dá)75597份，其中古老的地方品種達(dá)52320份。建國以來，我國政府十分重視糧食與水稻的生產(chǎn)，一靠政策、二靠科技、三靠投入，取得了以占世界9%耕地、生產(chǎn)出占世界25%糧食、養(yǎng)活了占世界22%人口的舉世公認(rèn)偉大成就。稻谷總產(chǎn)從1949年來60余年間增加約4倍。

雜交水稻是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)重大科技成果，被喻為第二次“綠色革命”。1964年，袁隆平偶然發(fā)現(xiàn)了水稻的雜交優(yōu)勢。1966年，袁隆平發(fā)表了《水稻的雄性不孕性》的論文，突破了“自花授粉作物沒有雜種優(yōu)勢”的傳統(tǒng)觀念，奠定了中國雜交水稻研究的基礎(chǔ)。1970年在野生稻中發(fā)現(xiàn)花粉敗育株，1973年實(shí)現(xiàn)了不育系、保持系和恢復(fù)系“三系”配套，袁隆平發(fā)表了題為《利用野敗選育三系的進(jìn)展》的論文，正式宣告中國秈型雜交水稻“三系”配套成功，這是中國水稻育種的一個重大突破。1975年又研制出一整套制種技術(shù)，1976年開始大面積推廣。根據(jù)雜交水稻“三系配套”理論，顏龍安育成的野敗型不育系“珍汕97A”廣泛應(yīng)用，組合累計推廣應(yīng)用20多億畝。1980年，謝華安培育出恢復(fù)系“明恢63”并配組雜交水稻推廣速度、年種植面積、累計種植面積、增產(chǎn)稻谷總量四個全國之最的“汕優(yōu)63”。除了野敗型雜交水稻外，朱英國發(fā)明的紅蓮型雜交水稻，周開達(dá)發(fā)明的岡?D型雜交稻均廣泛應(yīng)用生產(chǎn)，豐富我國雜交理論技術(shù)水平。加上全國水稻科技工作者大協(xié)作，科研、生產(chǎn)、推廣部門緊密結(jié)合，雜交稻組合不斷更新、種植面積不斷擴(kuò)大，近年年種植面積大約1800萬公頃左右，單產(chǎn)比常規(guī)稻增產(chǎn)15%～20%，使水稻單產(chǎn)水平實(shí)現(xiàn)第二次飛躍。雜交水稻已推廣超過3.3億公頃，累計增產(chǎn)稻谷5億噸。我國雜交水稻技術(shù)被世界糧農(nóng)組織列為解決世界上糧食短缺國家的首選技術(shù)，目前全世界已有40多個國家和地區(qū)引進(jìn)和推廣了我國的雜交水稻，在海外年推廣面積近300萬公頃。

我國雜交水稻育種和種業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題

建國以來，我國水稻育種取得了輝煌的成就，糧食生產(chǎn)能力得到大幅度提高，有力支撐了農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。水稻矮稈育種、特別是雜交水稻研究利用為解決我國糧食安全起到關(guān)鍵的作用，近年來水稻分子育種研究也接近國際先進(jìn)水平。

——我國雜交水稻產(chǎn)業(yè)研究與管理總體現(xiàn)狀

從野敗三系雜交稻大面積推廣，岡、D型、紅蓮型等雜交稻應(yīng)用，兩系雜交稻和超級雜交稻研發(fā)，我國雜交稻無論在理論研究和技術(shù)開發(fā)上仍居世界領(lǐng)先地位。但這一地位正在削弱。主要表現(xiàn)在：

一是新組合越來越多，突破性組合鮮見。1981年配組的“汕優(yōu)63”，1987年起，“汕優(yōu)63”連續(xù)15年種植面積冠居全國，一口氣創(chuàng)下了雜交水稻推廣速度、年種植面積、累計種植面積、增產(chǎn)稻谷總量四個全國第一，單年最大種植面積超過1億畝，累計種植近10億畝，增產(chǎn)稻谷700多億公斤，堪稱世界稻作史之最。“汕優(yōu)63”還走出國門，被越南等東南亞國家引進(jìn)，大面積種植，增產(chǎn)效果達(dá)70%～130%，被譽(yù)為“東方神稻”。與之相比，我國目前種植雜交組合越來越多，種植面積10萬畝以上組合從1998年的189個到2008年的480個（表1），2008年種植面積1萬畝以上的更是達(dá)743個。而單個組合種植面積越來越小，如2008年推廣面積最大的豐兩優(yōu)1號僅551萬畝（表2）。

二是雜交水稻產(chǎn)業(yè)組織管理亟待加強(qiáng)。自1970年發(fā)現(xiàn)野敗不育株以來，對雜交水稻的研究與雜交水稻新組合的選育開展全國性的大協(xié)作，為雜交水稻的研究推廣奠定了基礎(chǔ)。我國雜交水稻發(fā)展前期，組織管理是非常成功的，全國和各地都成立了攻關(guān)協(xié)作組和專家顧問組。1972～1980年召開了8次全國雜交水稻科研協(xié)作會，制定了全國性的攻關(guān)措施，育種材料、信息和技術(shù)交流也做得很好。應(yīng)該說，雜交水稻最初的推廣應(yīng)用，計劃經(jīng)濟(jì)體制下的行政命令和當(dāng)時完善推廣體系作用明顯。而在市場經(jīng)濟(jì)的今天，由于雜交水稻種子經(jīng)營上存在的巨大利潤的誘惑，各級種子管理、生產(chǎn)經(jīng)營和推廣部門均介入到雜交水稻種子生產(chǎn)、銷售行業(yè)，個別地區(qū)甚至許多個人也介入到這一行，導(dǎo)致雜交水稻的種子質(zhì)量良莠不齊，假冒偽劣種子坑農(nóng)的事件時有所聞，新組合的成果轉(zhuǎn)化速度已相應(yīng)下降。在計劃經(jīng)濟(jì)時期的管理模式已不適用的情況下，特別是跨國公司對雜交稻龐大種子市場覬覦下，急需建立和完善行業(yè)管理機(jī)制，成立全國和地方的行業(yè)協(xié)會，以加強(qiáng)管理，組織和協(xié)調(diào)研發(fā)力量和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，做到可持續(xù)發(fā)展，確保糧食安全。

——從悄然布局到全方位進(jìn)入，種業(yè)跨國公司步伐加快

首先，種業(yè)跨國公司已全面布局我國農(nóng)作物種子研發(fā)。在國際化與市場化的種業(yè)發(fā)展大背景下，杜邦（Dupout）、孟山都（Momsanto）、先正達(dá)（Syngenta）等跨國公司從20世紀(jì)80年代國際種業(yè)巨頭悄然布局中國市場，除建立研發(fā)中心外，開始紛紛參股本土市場的優(yōu)勢種子企業(yè)，成立合資公司，步伐不斷加快，開始全面覬覦我國龐大種子市場。由于缺乏知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，雜交水稻這樣獨(dú)創(chuàng)的具有重大實(shí)用價值和經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)，1980年，美國西方石油公司所屬圓環(huán)種子公司向中國種子公司支付20萬美元專利轉(zhuǎn)讓費(fèi)，只申請到僅占1/60的花期相遇措施的單項專利。目前雜交水稻核心技術(shù)已廣泛無償使用，加上雜交水稻巨大市場，跨國種業(yè)公司20世紀(jì)90年代開始重視雜交水稻相關(guān)研究。如目前東南亞國家推廣200多萬公頃雜交稻中，除了中國出口少部分種子外，技術(shù)多為拜爾、先鋒、孟山都等控制，如拜爾在印度發(fā)放PA6201，PA6444、Arize等組合占印度市場40%左右，拜爾還在越南、菲律賓、印度尼西亞、巴西等國發(fā)放一批優(yōu)良組合，先鋒的PHB—71組合，孟山都的RH204、RH209組合也紛紛推向市場。冷靜分析，在國外，我國雜交水稻技術(shù)已無多大優(yōu)勢可言。除了東南亞和南美市場外，種業(yè)跨國公司十分看重我國目前年推廣約1800萬公頃雜交稻市場。

——我國雜交水稻種業(yè)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

我國每年雜交稻用種量在2.5億公斤左右，以每公斤25～30元計算，市場份額為60億～75億元。世界每年水稻種植面積1.5億公頃，而我國以外的地區(qū)雜交水稻的種植面積近300萬公頃左右。如果世界種植0.67億公頃雜交水稻，世界雜交水稻市場份額250億～300億元，市場潛力巨大。盡管近年來，種業(yè)跨國公司開始著力布局雜交稻市場，并占領(lǐng)了除中國外的主要市場，但與其他作物相比，雜交水稻育種材料的突破和育種技術(shù)的不斷創(chuàng)新，我國雜交水稻研究依然居領(lǐng)先地位，特別是近年兩系雜交水稻、超級雜交水稻研究突破性進(jìn)展為種業(yè)發(fā)展奠定扎實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。另外，從全球前10大種子公司近年業(yè)務(wù)情況表(表3)，明顯看出,除了進(jìn)入種業(yè)相對較晚的BayerCrop Science以雜交水稻為主業(yè)外，其他公司雜交水稻技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱。

大力開展雜交水稻科技創(chuàng)新，贏得雜交稻種業(yè)發(fā)展未來

創(chuàng)新是種業(yè)的核心價值。我國雜交水稻獨(dú)步世界的關(guān)鍵是雜交水稻育種材料的突破和育種技術(shù)的創(chuàng)新。野敗三系配套促成了我國水稻雜種優(yōu)勢利用成為現(xiàn)實(shí)。在充分利用野敗胞質(zhì)和改良野敗型不育系的基礎(chǔ)上，充分發(fā)掘新的不育胞質(zhì)源為我國的雜交水稻發(fā)展增加了后勁。岡、D型、紅蓮型、印水型、K型雜交稻大面積應(yīng)用生產(chǎn)。在品種間雜種優(yōu)勢利用取得成功的基礎(chǔ)上，通過廣親和基因的利用、適當(dāng)擴(kuò)大親本間的遺傳距離等技術(shù)，秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用也獲得成功。近年來，兩系雜交稻因其品質(zhì)優(yōu)勢開始廣泛應(yīng)用生產(chǎn)，面積已占雜交面積15%以上，超級雜交稻、粳雜研究也取得重大進(jìn)展。

然而，隨著人民生活水平的提高，人口的快速增長、雜交水稻國際市場的急劇膨大，目前的水稻雜種優(yōu)勢利用技術(shù)已亟待創(chuàng)新。主要表現(xiàn)為：一是缺少用于配制優(yōu)質(zhì)雜交稻的育種材料，使得現(xiàn)有大面積推廣的雜交稻組合除少數(shù)組合外，極大部分組合的米質(zhì)不理想，特別是三系不育系品質(zhì)問題十分突出，這也是我國的雜交水稻難以打進(jìn)國際市場的主要原因；二是缺少具有多抗性的不育系，我國轉(zhuǎn)育并在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的不育系具有較高的配合力，但無一可抵擋或躲避稻飛虱和若干病毒病的毀滅性的危害，且不適應(yīng)熱帶稻作環(huán)境，豐產(chǎn)性狀難以發(fā)揮，熱帶國家必須重新轉(zhuǎn)育；三是缺少具有突破性的恢復(fù)系和不育系，配制出的雜交組合產(chǎn)量潛力有限；四是缺少切實(shí)可行的預(yù)測雜種優(yōu)勢的方法，導(dǎo)致將大量的工作用于目的性不強(qiáng)的廣泛測配上；五是雜交稻制種技術(shù)落后，制種成本越來越高，嚴(yán)重制約雜交稻面積擴(kuò)大。

——超級雜交稻分子育種的重要理論研究

充分利用超級稻親本93-11和培矮64的基因組工作框架圖，應(yīng)用高通量檢測技術(shù)（EST標(biāo)記和DNA芯片）和mRNA差異顯示等技術(shù)，明確雜種優(yōu)勢產(chǎn)生的遺傳機(jī)理、雜種優(yōu)勢與雜種劣勢的進(jìn)化關(guān)系及分子生物學(xué)基礎(chǔ)；形成基于雜種優(yōu)勢和優(yōu)質(zhì)分子生物學(xué)研究成果的超級雜交稻育種新途徑。

——特異性雜交稻育種種質(zhì)發(fā)掘與創(chuàng)新

野敗不育株和光溫敏不育株發(fā)現(xiàn)是三系雜交稻、兩系雜交稻培育成功關(guān)鍵。近年來，雜交稻技術(shù)無突破性進(jìn)展也在于特異性雜交稻種質(zhì)創(chuàng)新不足。從種業(yè)跨國巨頭發(fā)展歷史分析，多依賴個別“排它”核心技術(shù)。過去由于缺乏對核心技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，雜交水稻種業(yè)培育錯失良機(jī)。1980年，美國圓環(huán)種子公司（RICE Tec前身）購買雜交水稻專利后，歷時20余年，雜交水稻在美國一直沒有大面積推廣。美國Louisiana州立大學(xué)水稻試驗(yàn)站發(fā)現(xiàn)非轉(zhuǎn)基因抗咪唑啉（imidazoline）除草劑水稻（CLEARFIELD? 水稻）以來，該技術(shù)廣泛應(yīng)用美國水稻育種，美國RICE Tec公司利用該基因，雜交水稻機(jī)械化制種純度得到有效保障，雜交稻面積迅速得到推廣，2008年已占美國水稻面積40%。

——三系雜交稻不育系和恢復(fù)系分子改良

水稻功能基因組學(xué)研究飛速發(fā)展，為優(yōu)質(zhì)、多抗、高配合力不育系和恢復(fù)系分子改良奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。重點(diǎn)利用已克隆重要功能基因，開展不育系和恢復(fù)系的分子聚合育種。如品質(zhì)相關(guān)基因（Wx，ALK，fgr等），抗性相關(guān)基因（Bph—1，Bph—3，Bph14、Bph15，Pi ta，Pi b，Pi 9，Pi 2，Pi 9，Xa1，Xa4，xa5，Xa21，Xa23，Xa26等），產(chǎn)量相關(guān)基因（Ghd7，Gn1，GS3，GW2，GW—5，S5，dep1，Rf1，Rf3，Rf4，orf79等）。

——雄性不育和可育進(jìn)行調(diào)控研究

利用基因工程技術(shù)，對水稻雄性不育和可育進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)建新的不育系和恢復(fù)系，按照需要對與雄性不育和育性恢復(fù)進(jìn)行誘導(dǎo)，從而達(dá)到繁殖不育系和恢復(fù)系以及制種目的，對雌性育性表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，使恢復(fù)系在制種時表現(xiàn)雌性不育，雄性可育，在繁殖時進(jìn)行簡單誘導(dǎo)，可恢復(fù)可育，繁殖恢復(fù)系，這樣恢復(fù)系在制種時由于雌性不育而不結(jié)實(shí)，只有不育系接受恢復(fù)系花粉生產(chǎn)一代種子。

——雜交水稻機(jī)械化制種技術(shù)創(chuàng)新

雜交水稻的制種技術(shù)自播種至收獲完全靠人工操作，工序繁雜，只適宜于勞力密集型的國家使用。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，勞工不斷升值等原因，致使制種成本居高不下，影響雜交水稻進(jìn)一步大面積推廣。目前，美國RICE Tec公司從育種材料、機(jī)械等方面不斷創(chuàng)新，全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化制種。我國科學(xué)家利用苯達(dá)松敏感基因，創(chuàng)建含苯達(dá)松敏感基因的雜交水稻新資源，探索機(jī)械化制種技術(shù)。另外我國科學(xué)家利用谷殼顏色區(qū)別于正常谷殼色的水稻不育系種子和谷殼顏色正常的水稻恢復(fù)系種子機(jī)械混播，在開花期機(jī)械趕粉，結(jié)實(shí)后經(jīng)機(jī)械混收谷殼顏色區(qū)別于正常谷殼色的雜交種種子和自交的谷殼顏色正常的恢復(fù)系種子，再用色選機(jī)分選，分別獲得所述的雜交種種子和恢復(fù)系種子。這些技術(shù)從原理上可提高雜交水稻種子生產(chǎn)的機(jī)械化水平，但距生產(chǎn)利用，仍有不小差距。

雜交水稻是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)重大科技成果，也是打造中國種業(yè)航空母艦最佳選擇。過去由于缺乏對核心技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，雜交水稻種業(yè)培育錯失良機(jī)。面對雜交水稻巨大市場和在技術(shù)、資金、營銷網(wǎng)絡(luò)、管理優(yōu)勢明顯的跨國種業(yè)集團(tuán)競爭，加速健全監(jiān)督管理體系，建立種業(yè)發(fā)展扶持機(jī)制，提高雜交稻種業(yè)研發(fā)能力和企業(yè)競爭力，加快種子產(chǎn)業(yè)集約化、市場化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迫在眉睫。在現(xiàn)有種業(yè)一時難以成為創(chuàng)新主體的現(xiàn)實(shí)情況下，為加強(qiáng)我國種業(yè)發(fā)展，提出如下建議：

一是增加科研投入，建立長效穩(wěn)定的投入機(jī)制。從“六五”以來，國家科技支撐（攻關(guān)）計劃、“863”計劃等對育種科研給予了大力支持，但育種科研經(jīng)費(fèi)存在投入較分散，課題越分越細(xì)，直接導(dǎo)致研究上的低水平重復(fù)。

二是加強(qiáng)資源配置，建立有效的分工協(xié)作機(jī)制。由于科研機(jī)構(gòu)及人員分屬中央和地方不同層次、產(chǎn)學(xué)研不同部門，如何在科研資源、優(yōu)勢領(lǐng)域等方面統(tǒng)籌安排和組織全國性的協(xié)作攻關(guān)，明確任務(wù)分工，建立有效分工協(xié)作機(jī)制成為管理部門的重要課題。

三是育、產(chǎn)、加、銷結(jié)合，建立有力的利益保障機(jī)制。目前從事種子經(jīng)營的主要是國有企業(yè)。企業(yè)沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的品種，依附性強(qiáng)，規(guī)模經(jīng)營的水平低，抵御風(fēng)險的能力弱；同時，育種單位由于多缺乏市場前瞻能力和開發(fā)能力，其研究成果或與市場需求脫節(jié)、或得不到有效利用。新品種選育和產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的科研、生產(chǎn)、銷售體系脫節(jié)已嚴(yán)重制約我國種業(yè)發(fā)展；加強(qiáng)育、產(chǎn)、加、銷結(jié)合，建立有力的利益保障機(jī)制，是現(xiàn)階段種業(yè)發(fā)展的必然方向。