讓種子少“吃”肥料多打糧

《 農民日報 》（ 2015年05月04日   06 版）

    編者按

    雖然氮肥對作物生長起著增加產量、提高質量的作用，而實際上，農作物對肥料的吸收率也各不相同，施肥量與糧食產量并不是正比例關系。就如同人一樣，腸胃消化吸收不好，怎么吃也不會胖。因此，研究揭示氮高效利用作物種子機理，選育氮高效利用作物品種是大勢所趨。

用分子手段設計氮高效大麥種子

    想讓農民少用化肥？或許可以讓種子更好地吸收肥料。上海市農業(yè)科學院生物技術研究所所長黃劍華正以大麥種子作為突破口，研究氮肥的高效利用問題。這一研究如果成功，可將農作物的氮肥利用率從目前的35%左右提升到約60%。這還將惠及與大麥近源的水稻和小麥，并為上海打造種源農業(yè)基礎創(chuàng)新平臺，提供育種共性技術的支持。

    我國農業(yè)高肥耗向來被人詬病，水稻單產跟日本差不多，氮肥用量卻是日本的3倍。“和每個人的胃口大小有差異一樣，農作物對肥料的吸收率也各不相同。”黃劍華說，“目前農作物的氮肥平均利用率只有35%左右，這也意味著絕大部分肥料由于不能被農作物吸收，隨農田排水流向江河湖?；驖B透到土壤中。”據(jù)統(tǒng)計，這種污染已經(jīng)成為了我國農業(yè)面源污染的主要來源之一。

    我國正在打造環(huán)境友好型和資源節(jié)約型的農業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，減少農藥和化肥使用量是其中的一篇重頭文章。黃劍華說，要減少污染，一個“治本”的辦法是從提高農作物對氮肥的吸收能力入手，減少化肥的流失量。目前，他主持了一個名為“基于細胞、基因水平的節(jié)肥、抗病、抗旱種質創(chuàng)新新方法”的項目，計劃利用3年~5年培育出一個能高效吸收氮肥的大麥新品種，在比常規(guī)用肥少20%~30%的情況下，保證產量、品質等持平。

    對農業(yè)稍熟悉點的人都知道，三五年想搞出一個新品種，談何容易。從挑選出所需性狀到雜交純合，再到育成穩(wěn)定品種，花費10年也很平常。黃劍華說：“這幾年，國外育種技術有了突飛猛進的進展。”黃劍華指的是國際流行的分子標記技術和加倍單倍體技術，前者能夠很快從分子層面篩選到農作物的所需性狀，后者則能夠快速將性狀穩(wěn)定下來形成新品種，用這種復合育種技術，只要三五年就能推出一個新品種。

    黃劍華對單倍體加倍技術有很深的研究，但想要推出“氮高效種子”，他卻苦于沒有一個好的分子標記。“事實上，在農業(yè)科技含量最高的育種技術上，我國與國外有相當大的差距。”

    黃劍華說，以前我國對農作物育種的主要目標是高產，但如今，營養(yǎng)、氮高效和抗病蟲害等因素也變得越來越重要。發(fā)展我國自己的分子育種技術，是他心系的另一個目標。

    不久前，每斤10萬元的荷蘭布利塔茄子種子讓人們意識到，農產品也能賣出蘋果手機的價格，然而想要成為賣得出高價的種子，卻需要大量的科學研究。黃劍華表示，世界種業(yè)研究已從傳統(tǒng)的常規(guī)技術育種階段，進入到依靠生物技術育種階段。世界種業(yè)巨頭在生物技術和新品種研發(fā)領域投入巨資，開發(fā)出了一大批攜帶抗病、抗蟲、耐除草劑等目標基因的玉米、棉花、大豆新品種，并十分重視種質資源的收集。通過并購，跨國公司不僅獲取了技術和市場，也掌握了大量的種質資源。

    數(shù)年后，黃劍華希望把近30年的育種經(jīng)驗整合成共性技術，為上海打造種源農業(yè)基礎創(chuàng)新平臺。“農業(yè)科技體系建設是科技創(chuàng)新中心建設的重要組成部分，上海加快發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)，必須抓住附加值最高的種源環(huán)節(jié)。”黃劍華說。(沈湫莎 本報記者胡立剛）

專家解讀：何以節(jié)氮又高產？

    都說化肥用得少，還能實現(xiàn)高產。那么，怎么節(jié)氮、如何推廣等一系列問題便隨之而來。多年來致力于水稻節(jié)氮降污栽培技術研究的國家雜交水稻工程技術研究中心副主任馬國輝，對此是這樣解釋的——

    怎么節(jié)氮？

    從2002年起，馬國輝帶領課題組在湖南瀏陽、醴陵等10多個縣市開始嘗試水稻節(jié)氮高產栽培，通過對比試驗研究和大面積示范，取得了重要進展。這一技術的核心主要從基因挖潛、應用先進的施肥技術和技術物化提高氮肥利用率3個方面展開。

    “基因挖潛”主要是選育水稻品種時，將以產量、氮肥農學生產效率和生態(tài)適應性作為多向選擇的目標，從而篩選出產量高、生態(tài)適應性較廣而氮肥農學生產效率較高、或耐低氮能力較強的優(yōu)良品種。

    在“先進的施肥技術”方面，主要采用不同的施肥技術，如實時實地氮肥管理技術、節(jié)氮栽培技術，能較大幅度提高氮肥利用率。

    “技術物化”是將諸如平衡施肥技術、提高氮肥利用率等技術以物化產品的形式出現(xiàn)，將技術融于產品中，如緩控釋肥、高效復合肥是今后節(jié)氮高產栽培技術的重要基礎。

    如何推廣？

    “建立雜交水稻高產高效產業(yè)技術聯(lián)盟迫在眉睫，通過共建平臺，才能真正實現(xiàn)企業(yè)創(chuàng)收、農民增效，實現(xiàn)水稻產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。”馬國輝說，“現(xiàn)在我們已經(jīng)在湖南、湖北、江西、四川、廣東等地展開了推廣工作，但目前在技術推廣上還面臨農民科學素質偏低、專家不重視品種培育、中試階段被忽視等問題。”

    馬國輝表示，氮肥施用過多，會增加蛋白質含量，雖然我國現(xiàn)有品質標準沒有強行規(guī)定蛋白質含量多少，但蛋白質含量高了肯定口感差。通過節(jié)氮栽培技術，降低氮肥使用量，有利于提高稻米品質，也有利于糧食貯藏。對此，馬國輝建議，從一個作物、幾個品種開始著手，構建產業(yè)聯(lián)盟，利用這樣一個體制，讓成果服務于生產、服務于企業(yè)，使農民受益。         陳瑜
 

營造讓育種者全身心投入的環(huán)境

    “通過細胞工程復合育種新方法獲得氮素利用率高、抗病能力強、品質產量基本持平的大麥新品系已經(jīng)在大田里了，估計兩三年后能推出來。”說到此，上海市農業(yè)科學院生物技術研究所植物細胞工程研究團隊首席專家黃劍華內心很激動，但回憶育種歷程，他卻滿懷遺憾。“其實氮高效大麥新品種并不是橫空出世的，過去因為缺乏科研經(jīng)費無法傾全力而為之，后來終于等到不再為經(jīng)費發(fā)愁時，團隊建設又跟不上節(jié)奏了。否則氮高效大麥新品種應該早幾年就能推出。”

    如今，在植物細胞工程研究室里，一個小小的器皿可以培育成百上千個小孢子，從而在輻射光能的作用下快速長成成株。值得欣慰的是，以往依賴大田作業(yè)選擇性狀，如今被高科技環(huán)境下的實驗室操作所替代，現(xiàn)代科技讓育種變得更快捷更有效，我國在種源競爭中將更有底氣。

    然而，種源的競爭，更依賴科研人員的專業(yè)素養(yǎng)和忘我精神。如果我們的制度能讓科研人員從精神、物質上感到更“體面”，激發(fā)出他們更多的創(chuàng)造力，我國農業(yè)在面對資源硬約束、土地過度利用的挑戰(zhàn)時可能就會更多一份從容。

    從1975年籌建植物體細胞雜交課題組，40年來這個團隊已是“三世同堂”，成就斐然。第一代在國際上首次報道水稻葉組織培養(yǎng)再生成株，證實谷類作物葉細胞存在細胞全能性，從而為原生質體培養(yǎng)及融合提供了技術與理論上的支持；第二代在運用雜交、誘變結合小孢子脅迫篩選復合育種技術上，育成了系列細胞工程大麥新品種；當下，年輕科技人員正在研發(fā)分子標記結合加倍單倍體育種技術，攻堅大麥、小麥小孢子脅迫結合分子標記的生物育種技術。團隊的骨干分子先后獲得上海市勞動模范、上海市優(yōu)秀共產黨員、全國優(yōu)秀科技工作者，上海市三八紅旗手等榮譽。

    很顯然，這是個有作為有影響力的育種團隊。“我們團隊現(xiàn)在是12人，從科研需求上看，需要擴大到二三十人，可惜，在現(xiàn)有的待遇狀況下，很難招到合適的人才。”黃劍華說，“很多科研人員知道育種大有作為，也愿意為之奉獻自己的才華，但這是個除了勤奮還需要天分和‘福分’的職業(yè)，科研人員需要熱愛事業(yè)、奉獻事業(yè)，但政府需從制度上優(yōu)化，保障從業(yè)人員體面的收入和社會地位，讓研究人員沉得下心來。”

    黃劍華的語氣依然平穩(wěn)，但他說這話的音調則高了一度，這個老育種專家對育種科研人員的現(xiàn)狀“有點急”。

    因為工作的關系，筆者跟來自各個國家、大陸各個地區(qū)的育種專家有不少接觸，很方便就能感受到不同國家、不同地區(qū)育種科研人員待遇、社會地位等方面的差距，深切感受到國內育種產業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)從業(yè)人員待遇和社會地位的倒掛現(xiàn)象。但是，上海畢竟是一個人才高地，早就致力于打造種源農業(yè)基礎創(chuàng)新平臺，去年又被賦予了全球科技創(chuàng)新中心的重任，黃劍華的感慨感嘆與此形成一種足以引起社會關注的對比。

    “‘育、繁、推’種業(yè)體系主要該圍繞哪個層面，這是聚焦種業(yè)的原則性問題，我們應該把體系中5成以上的資源用于育種，把這5成資源又重點用于重點人才和優(yōu)秀團隊，讓團隊和成員在精神上、物質上都感受到滿足，這樣，中國才有可能趕超世界育種水平，中國農業(yè)才能贏得話語權，在面對全球政治經(jīng)濟挑戰(zhàn)時多一分從容。”黃劍華說。（胡立剛）

    鏈接

    近年來，通過研究實驗，科學家們陸續(xù)破譯了一些能夠促進作物氮高效吸收利用的“基因密碼”……

    OsPTR9基因提高水稻氮吸收效率和產量

    OsPTR9是水稻寡肽/硝酸根運輸基因家族（PTR/NRT）的一個基因，該基因超量表達后，能使正常的水稻吸收氮肥的效率提高，分蘗能力增強，穗長增加，千粒重增加，產量提高。在大田不施肥條件下，超表達植株的產量比對照增幅最大，達到18.6%；在正常施肥下，超表達植株的兩個株系每畝比對照分別增產7.2%和8.1%。此外，銨肥有利于轉基因植株獲得較高的產量。

    OsPTR9基因不僅對水稻在低氮條件下氮吸收增加及稻谷增產有促進作用，同時也可以減輕因氮素損失對環(huán)境帶來的負面影響，在闡述氮素影響植物生長發(fā)育過程以及水稻高效利用氮肥等方面具有重要的應用價值。

    SIE3基因

    促進豆科植物共生固氮

    空氣成分中約有80％的氮，但一般植物無法直接利用，只能通過外加氮肥來供應農作物的生長，作物成本以及環(huán)境壓力成為廣受關注的問題。而花生、大豆、苜蓿等豆科植物，與根瘤菌有著獨特的共生固氮“合作關系”，形成固氮根瘤，把空氣中的分子態(tài)氮轉變?yōu)橹参锟衫玫陌睉B(tài)氮，植物就能直接利用空氣中的氮素來供給自身的生長。因此，每個根瘤相當于一座供給植物養(yǎng)料的“微型氮肥廠”。

    豆科植物與根瘤菌之間這種獨一無二的“合作關系”，受到科學家的關注。張忠明教授課題組自2006年開始著手相關研究，連續(xù)找到多個關鍵的調控因子，即在探索固氮根瘤這座“微型氮肥廠”的組建過程中不斷破譯密碼，其研究成果引起國際同行的極大興趣。

    SIE3基因在共生固氮中起著重要的調控作用，若能有效利用固氮細菌與植物、農作物相互作用，來自自身產生固氮，可大量減少化肥在農業(yè)中的使用。

    DEP1基因

    使水稻少施肥還能產量高

    研究發(fā)現(xiàn)，中國超級稻增產關鍵基因DEP1在水稻氮高效利用方面也能起到關鍵作用。DEP1基因的等位突變體在營養(yǎng)生長期表現(xiàn)出對氮肥鈍感，但在生殖發(fā)育期對氮的吸收和利用率提高，最終使得水稻在適當減少施氮肥條件下有更高產量。

    另外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，DEP1基因能夠編碼植物G蛋白γ亞基。G蛋白是調控動植物生長發(fā)育的重要信號傳導蛋白，包括a、b和γ亞基。減弱Ga或增強Gb亞基的活性，均能對水稻造成氮肥鈍感效應。這表明G蛋白參與調控植物對環(huán)境中氮信號的感知與響應，人為調控G蛋白信號途徑能在同等肥力條件下帶來水稻的穩(wěn)步增產。

    DEP1基因這一新功能的發(fā)現(xiàn)，為“生態(tài)友好型”水稻高產和穩(wěn)產提供了保證，也為揭示農作物氮高效利用的分子調控機制提供了線索。