人均耕地面積持續(xù)萎縮,，雜交技術(shù)也臻于極致,、進(jìn)入瓶頸,，研究人員不得不將糧食增產(chǎn)的希望寄于C4技術(shù)
2012年12月17日至19日,，來(lái)自英,、美,、中等多個(gè)國(guó)家的17支科研團(tuán)隊(duì)匯聚于菲律賓馬尼拉，在亞洲最大的國(guó)際農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)——國(guó)際水稻研究所(IRRI),，參加一年一度的“C4年會(huì)”,。與會(huì)者興奮地發(fā)現(xiàn)：根據(jù)研究進(jìn)度時(shí)間表，幾乎可以肯定,，三年之內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)雙細(xì)胞碳4(C4)水稻的代謝原型,，其不再僅僅是個(gè)“計(jì)劃”。
四年前,，這些科研團(tuán)隊(duì)組成了“國(guó)際C4水稻聯(lián)盟”(下稱(chēng)C4聯(lián)盟),，希望將玉米中的高效光合作用機(jī)制，安裝進(jìn)水稻中,，以提升水稻產(chǎn)量,。這個(gè)新品種水稻被稱(chēng)為C4水稻。若C4水稻研發(fā)成功,，它將減少化肥的使用,，比傳統(tǒng)水稻更適應(yīng)干旱等惡劣環(huán)境，重要的是,，可以使水稻增產(chǎn)50%,。
亞洲供應(yīng)并消費(fèi)著世界范圍內(nèi)90%的水稻，平均每公頃土地供養(yǎng)27人,，這一數(shù)字到2050年,，將是每公頃必須供養(yǎng)43人。在世界范圍內(nèi),，人均耕地面積在減少,，平均每天約有2.5萬(wàn)人的死亡與饑餓相關(guān)。“土地耕種面積已經(jīng)沒(méi)有可能進(jìn)一步增加,，所以我們需要提高單產(chǎn)和耕種效率,。”康奈爾大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)支持計(jì)劃第二期(ABSPII)項(xiàng)目主任弗蘭克·紹科斯基(Frank Shotkoski)說(shuō)。
探索新的增產(chǎn)途徑成為科研工作者們努力的目標(biāo),。國(guó)際水稻研究所計(jì)劃,，未來(lái)三年研制出C4水稻的原型,。這離C4水稻真正研發(fā)成功還很遠(yuǎn)，至少需要15年,。
雖然這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)還存在許多不確定性,，中國(guó)工程院院士袁隆平在2012年9月的一次演講中表示，C4技術(shù)將被融入第四期超級(jí)雜交水稻的研發(fā),，達(dá)到畝產(chǎn)1000公斤的目標(biāo),。來(lái)自各國(guó)的研究者們相信，這是實(shí)現(xiàn)新一輪糧食增產(chǎn)的極有潛力的路徑,。
改造水稻生理
雜種優(yōu)勢(shì)和形態(tài)改良是雜交水稻增產(chǎn)的兩個(gè)核心路徑,。如今，科學(xué)家們幾乎用盡了作物中所有與提高產(chǎn)量相關(guān)的有利基因,，增產(chǎn)已接近極限,。
2012年9月，湖南省溆浦,、隆回等五個(gè)縣的攻關(guān)田中,，第三期超級(jí)雜交水稻終于成熟，專(zhuān)家組對(duì)其中三塊田進(jìn)行驗(yàn)收,，平均畝產(chǎn)達(dá)到917.72公斤,，實(shí)現(xiàn)了袁隆平六年前提出的“超級(jí)雜交稻第三期畝產(chǎn)900公斤攻關(guān)”設(shè)定的目標(biāo)。
然而,，受到研究人員精心照顧的試驗(yàn)田與實(shí)際農(nóng)田存在不小差距,。“第三期超級(jí)雜交水稻的產(chǎn)量潛力和適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究。目前我們推廣的超級(jí)稻主要是二期,。”湖南雜交水稻研究中心雜交水稻重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任趙炳然說(shuō),。
包括雜交育種在內(nèi)的傳統(tǒng)育種方式，主要依靠挖掘水稻自身的有利性狀達(dá)到增產(chǎn)目的,。早在140多年前,，奧地利植物學(xué)教師孟德?tīng)?Gregor Johann Mendel)將1英尺高的豌豆與6英尺高的豌豆進(jìn)行雜交，種出的豌豆竟然都超過(guò)了6英尺的高度,，這就是所謂的“雜種優(yōu)勢(shì)”,。
雜交水稻相較于純系水稻，產(chǎn)量可以提高15%－20%,。上世紀(jì)60年代,，美國(guó)植物病理學(xué)家諾曼·E·勃?jiǎng)诟?Norman E Borlaug)通過(guò)利用作物的矮化基因，令小麥,、玉米,、水稻等農(nóng)作物的莖干變短，使作物免于在風(fēng)中折斷，同時(shí)優(yōu)化田中的光線分布,，提高谷物產(chǎn)量。這種對(duì)植物形態(tài)的改良解決了世界數(shù)以?xún)|計(jì)人口的糧食問(wèn)題,，勃?jiǎng)诟褚惨虼双@得了諾貝爾和平獎(jiǎng),。
“改良水稻有很多方向，如果集合在一起,，也許會(huì)有一定效果,，但很難再做到更大幅度的突破。”臺(tái)灣國(guó)立嘉義大學(xué)講座教授古森本表示,，若雜交的種源依然是碳3(C3)水稻的話,，增產(chǎn)很難突破20%的瓶頸。
從1996年開(kāi)始,，“中國(guó)超級(jí)雜交水稻”項(xiàng)目使雜交水稻產(chǎn)量每五年就上一個(gè)新臺(tái)階,，但袁隆平也意識(shí)到雜交水稻的瓶頸。他在2011年發(fā)表的文章《超級(jí)雜交稻的培育需要基因工程的加盟》中表示,，未來(lái)若希望進(jìn)一步增產(chǎn),，面對(duì)如何從生理上突破水稻光能利用率等關(guān)鍵瓶頸。文章提到,，利用遠(yuǎn)緣有利基因是培育超級(jí)雜交稻的主要技術(shù)路線,。“基因工程技術(shù)在水稻遺傳育種中的巨大潛力將得到越來(lái)越多的顯現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因水稻在生產(chǎn)上的大面積應(yīng)用只是時(shí)間問(wèn)題,。”袁隆平寫(xiě)道,。
袁隆平團(tuán)隊(duì)已宣布C4技術(shù)將被融入第四期超級(jí)雜交水稻研發(fā)中。在農(nóng)作物中,，玉米,、高粱等為C4植物，水稻,、小麥等皆為C3植物,。目前主要的糧食作物多為C3植物。
C4光合作用機(jī)制是由C3植物在適應(yīng)惡劣環(huán)境中進(jìn)化而來(lái),。研究人員推測(cè),，大約在1000萬(wàn)年以前，水和二氧化碳的缺乏,，使得C3植物不得不進(jìn)化出更高效的C4光合作用機(jī)制,。C4有一個(gè)秘密武器：二氧化碳(CO2)濃縮機(jī)制。該機(jī)制包括C4代謝物穿梭機(jī)制及獨(dú)特的花環(huán)結(jié)構(gòu),，兩者合作促使C4植物獲得更高的光能利用效率,，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。
研究者們相信，人類(lèi)可以幫助水稻“進(jìn)化”出C4光合作用機(jī)制,。“這需要運(yùn)用轉(zhuǎn)基因?qū)崿F(xiàn)發(fā)育調(diào)控,，是最高水平的轉(zhuǎn)基因工作。”中科院遺傳與發(fā)育研究所發(fā)育生物學(xué)研究中心高級(jí)工程師姜韜說(shuō),。
在上世紀(jì)90年代,，古森本將玉米中的一種光合作用酶的基因?qū)胨局校顾镜墓夂献饔眯实玫讲糠痔岣?。雖然還遠(yuǎn)不及C4植物的水平,，但是證明了玉米中與光合作用相關(guān)的基因可以在水稻中表達(dá)。“當(dāng)時(shí)大家都不相信這個(gè)可行,。”古森本說(shuō),。
2000年初，古森本將玉米中兩個(gè)酶——PEPC和PPDK的基因整合進(jìn)水稻中,，并將這個(gè)水稻品種交給了袁隆平,，以及安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所焦德茂團(tuán)隊(duì)、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遺傳生理研究所李成荃團(tuán)隊(duì),，希望運(yùn)用雜交的方式,，產(chǎn)生既保留玉米基因，又適合中國(guó)環(huán)境的水稻,。“根據(jù)2011年5月的報(bào)告,，田間的產(chǎn)量可以增加15%－20%。”古森本說(shuō),。
