制造一颗克隆种子，破解杂交水稻留种难题|王克剑

　　“对于育种家而言，制种也非常辛苦，它不仅要讲究郎才女貌、门当户对，还要讲究性格相投、优势互补。这些还不行，还要讲究在合适的时间、合适的地点，遇到合适的人。”

　　王克剑

　　中国水稻研究所研究员

　　2020年度陈嘉庚青年科学奖生命科学奖获得者

　　俗话说，民以食为天，历史上有很多因为粮食短缺导致社会动荡，甚至战争的例子。

　　粮食危机是长期困扰我们的难题。其中一次发生在上世纪五六十年代，当时，二战刚刚结束不久，全世界人民生孩子的积极性特别高。所以，世界人口以历史上最快的速度进行爆发式的增长。

　　这时候，世界各国人民都感到非常恐慌，觉得这样发展下去，粮食很快就不够吃了。粮食一旦不够吃，带来的后果就是，可能第三次世界大战很快就爆发。

　　当时，粮食生产的主要问题是传统的小麦和水稻长得很高，很容易发生倒伏。

　　这时候出现了一位伟大的育种家诺曼·勃劳格，他花了将近20年的时间，培育了一个高产矮秆的小麦，提高了它抗倒伏的能力，实现了小麦产量的快速翻番。 后来，小麦的经验被成功地推广到水稻当中来，也实现了水稻产量的快速翻番，缓解了粮食危机。这就是我们大家都知道的第一次绿色革命。

　　据估计，诺曼·勃劳格等人的工作挽救了大约10亿人的生命，其本人也因此获得了1970年的诺贝尔和平奖。

　　正当全世界都在为绿色革命的成功而欢欣鼓舞的时候，我们中国也开展了自己的绿色革命，袁隆平先生开始了杂交水稻的应用研究。

　　杂交品种的优势与劣势

　　什么是杂种优势呢？通俗地讲，就是不同亲本杂交产生的后代比父母更加优异的现象。

　　我们从图中可以看到父本、母本，还有杂交种。很明显，中间的杂交种，它比父本和母本都长得高大、健壮。

　　其实杂种优势应用得很早，大约100年前，最先是在玉米当中得到应用，现在我们吃到的几乎每一个玉米，都是杂交品种。

　　但是，不管它是杂交玉米、杂交水稻，或者杂交高粱，只要是杂交品种，都存在一个问题，就是无法留种。

　　杂交稻种植当代

　　这是我们的杂交水稻，当代种在田里，它显示出强大的杂种优势，长得高大威武、英俊潇洒，而且非常整齐划一。但是，如果我们把这些种子收下来再种下去之后，会发生什么情况呢？

　　杂交稻后代发生性状分离

　　在下一代，杂交水稻有的高，有的矮，有的胖，有的瘦，有的长了两个星期就开花出穗，而有的到了秋天收种的时候还没有开花。所以到下一代 ，它的产量大幅度下降，杂种优势就丧失了。

　　这就像我们人类，一个妈妈生很多小孩，每一个小孩都会长得不一样，那杂种优势也会随之丧失。所以，如果我们需要利用杂种优势，就必须每年进行杂交制种。

　　在了解杂交制种环节之前，我们先来看一下水稻花的结构，在绿色的颖壳里面包裹着雄花和雌花，就好像一对孪生兄妹。

　　水稻花结构示意图

　　正常的情况下，它们两个一起生长，到了开花结果的时候，雌花只能接受它的雄花，相当于妹妹只能和她的哥哥进行婚配，产生后代。

　　如果要与其他品种杂交，必须要赶在雄花，就是她的哥哥性成熟之前，用手术剪刀把雄的去掉。这样就可以用这个作为母本，与其他的父本进行杂交，产生杂交种。

　　水稻人工去雄的现场

　　这是水稻人工去雄的现场，大家可以找找看，我也在这里面。我的技术还算比较熟练，但是一天最多也只能做几百棵的去雄工作。很显然，这无法满足大规模的生产应用需求，那怎么办呢？

　　杂交水稻技术

　　我们必须要提到袁隆平先生。1964年，他在中国科学院主办的《科学通报》杂志上发表了一篇重要文章“杂交的雄性不孕性”。

　　袁隆平（左），《科学通报》（中）以及文章《杂交的雄性不孕性》（右）

　　当时，他提出了利用雄性不孕的材料来完成杂交制种，免去去雄的过程。

　　上图中虽然雄花和雌花能够一起正常生长，但是它的雄花是不育的。这就免去了它自交的过程，只能和其他的水稻花进行杂交。

　　抱着这个想法，袁隆平和他的助手进行了长期的探索。他们在1970年成功地找到了一个雄性不育的野生稻，并以这个野生稻作为基础材料，成功地发展起了杂交水稻技术。

　　因为它雄性不育，可以和其他的水稻进行杂交。但是，它还有一个问题，就是刚刚提到的，杂交种必须每年进行制种，但是雄性不育系是没有生存能力的。

　　所以，不育系往后代繁殖必须借助于其他材料。这时候，育种家必须还要给她配一个堂兄弟，借助堂兄弟的花粉，来完成她的授粉。这样，它的雄性不育系材料也能够有后代，这就是我们通常所说的三系法杂交水稻技术。

　　三系法杂交水稻技术虽然做成了杂交的事情，但还是比较复杂。

　　后来，石明松先生发现了一个非常特殊的材料。这个特殊材料在夏天高温的时候是雄性不育的，正好能够和其他材料进行杂交。但是到了秋天，温度降下来之后，它又是可育的。

　　因此，它的雄性不育材料自己也能够繁种，省去了配堂兄弟的过程，节省了很多时间和精力。

　　但是，不管三系法或两系法，它们的应用都需要进行杂交制种。那么，杂交制种是怎么制的？

　　正午杂交制种赶粉

　　上图中长得比较高的，就是杂交的父本，它将来要提供花粉，而长得比较矮的，就是雄性不育系，将来要接受花粉。

　　水稻一般是在夏天最热的中午时分开花。如果要杂交，农民必须在最热的时候到田间，通过竹竿或者绳子敲打雄性花粉，让花粉飘到空中，然后降到不育系的头上，才能够完成杂交制种过程。

　　这个过程是非常辛苦的。对于育种家而言，制种也非常辛苦，它不仅要讲究郎才女貌、门当户对，还要讲究性格相投、优势互补。

　　这些还不行，还要讲究在合适的时间、合适的地点，遇到合适的人，即开花时间必须要保持一致，这样才能完成杂交的授粉过程。

　　这些条件都满足了，可以吗？还不行，还有一个很重要的因素，它还要求在婚配之后，必须能够生出足够多的孩子。有足够多的孩子，种子价格才不至于过高，这样它才会有生产利用价值。

　　每一粒米都包含了育种家以及农民的辛勤汗水，所以我们要珍惜粮食。

　　杂交品种面临的问题

　　杂交品种共面临三个问题：品种选育难，杂交制种难，种子成本高。

　　因为这些问题的存在，很多杂种优势根本就没有办法利用起来。据估计，现在实际利用的杂种优势可能还不到千分之一。比如小麦和大豆当中，虽然也存在杂种优势，但是一直没有办法进行大规模的商业化利用。

　　这时候，大家可能想有没有办法让杂交种自我繁殖，这样就免去每年杂交制种的过程，以上存在的所有问题，都一起被解决了。实际上，在上世纪三十年代，当刚刚开始利用杂交玉米的时候，科学家就提出来这么一个想法。

　　正常情况下它们都是有性生殖，后代会高的高，矮的矮，会发生性状分离。那么，有没有可能让它自我繁殖、克隆繁殖，产生的后代和它的妈妈长得一模一样。这样它的杂种优势就能够被维持住，能够一代一代地传下去。

　　所以，科学家就提出了利用无融合生殖的策略去做。当时，全世界很多的科学家和研究所都围绕这个方向进行攻关，把这认为是农业领域的一个圣杯。

　　我们正常都是进行有性生殖，有性生殖就是必须要父亲和母亲共同参与，才能产生下一代。

　　什么是无融合生殖呢？无融合生殖比较特殊，它只需要妈妈参与，生下来的孩子和妈妈长得一样。这就好像到了女儿国，妈妈喝了子母河的水，直接生出小孩，和爸爸没有关系。

　　无融合生殖形成克隆种子

　　无融合生殖的发生一般伴随着有性生殖同时发生，它们一起开花结果。最后不一样的地方就是结的种子不一样，一个和妈妈一样，一个和妈妈不一样，还带着爸爸的一些基因。

　　所以科学家都想，两者这么相似，那他们之间肯定有一个沟通的渠道，即两者之间可能存在着一条密道。

　　科学家花了很长时间在找这条密道，但一直没有找到，为什么呢？

　　大家仔细想一下也很好理解，对一个物种而言，有性生殖是非常关键的，它是物种繁衍的最关键的因素。它受到成千上万基因的精密调控，一旦出现错误，一步不顺，可能就会掉入不孕不育的悬崖。

　　因为一直没有找到这个密道，过了很久之后，很多科学家开始怀疑，可能根本就没有这条密道。如果说好听一点，这可能是一条密道，如果说得不好听，这可能就是一个坑，已经坑了很多科学家。

　　俗话说：“知己知彼，百战百胜”，现在我们对无融合生殖也依然缺乏了解。但是对有性生殖，我们相对了解比较多一点。

　　我们生活在大千世界里，有各种植物、动物。植物有小麦、水稻、玉米、高粱、大豆，动物有苍蝇、蚊子、猪、牛、羊、鸡、鸭和鹅，当然还包括我们人类。看起来差别很大，但是到了有性生殖的环节，应该说是众生平等，它们都非常相似，我把它简单地概括为“聚、散、离、合”。

　　有性生殖

　　经历“聚、散、离、合”四个环节之后，来自父亲和母亲的基因会发生交流，最后产生的受精卵，或者下一代，都跟父亲、母亲是不一样的。同时，不同个体之间，即兄弟姐妹之间，也会长得不一样。

　　从有性生殖到无融合生殖

　　从有性生殖到无融合生殖这些环节对有性生殖都太重要了，所以“聚、散、离、合”任何一个环节出了错误，都可能导致不孕不育现象的发生，而且这种不孕不育是雄性和雌性共同不孕不育。

　　我在中科院遗传发育所程祝宽实验室学习工作期间，主要就是找雄性跟雌性共同不孕不育的水稻。然后解剖它们的结构，在显微镜下仔细观察它们，最后找到控制的相关基因。

　　这些工作在大家看来，可能是很没有意义也很枯燥的工作。但是通过这些工作，我们渐渐对有性生殖的过程，特别是“聚、散、离、合”的每一个过程，有了一步一步的了解。

　　在做了这些工作之后，我们就想，有没有可能对有性生殖的“聚、散、离、合”同步进行突变，或者叫失活，它有没有可能从有性生殖走到无融合生殖的彼岸。

　　想到不如做到，我们就开始去尝试。

　　上图是一个正常的杂交稻在成熟。我们可以看到，它上面会结金黄色的种子，我们第一步对于“聚”的环节进行了突变，或者叫去除。

　　去除“聚”的环节之后，材料虽然也能够正常生长，但是它结实的时候，我们发现上面一粒种子也没有，我们进一步把“聚、散”同时去掉。

　　我们发现，“聚、散”同时去除的材料依然没有种子，这也和我们的预期是非常相符的。但是，当我们把“聚、散、离”三个步骤同时去除之后，意想不到的事情发生了。

　　我们发现，在正常生长的时候，这个水稻和正常的水稻不仅小时候长得一样，它成熟的时候也长得一模一样。

　　这非常的意外，当时我们也不敢相信，仔细地确认之后，发现确实是这个情况，“聚、散、离”确实已经去掉了。

　　所以，下一步我们把种子全部种下去，看下一代会发生什么情况，看它能否稳定地遗传。

　　我们把下一代种下去之后，发现它也能够正常生长。但是，它小时候有点不太对劲，长大之后，我们就发现它最后结的种子很少。

　　把它再往下种一代，我们发现下一代基本上就长不起来，它很小的时候就夭折了。

　　我们对这些材料进行观察，发现正常的材料里面都会有一个父亲和一个母亲的基因。但是到第二代的时候，父亲的基因会变成两套，母亲的基因也变成两套。再到第三代的时候，父亲的基因就有四套，母亲的基因也变成四套。这就好像一辆车只有油门，没有刹车，它会不停地加速，最后的结果就是车毁人亡。

　　因为是“聚、散、离、合”，我们去掉“聚、散、离”，现在就是最后一步，还差一个“合”，相当于一辆车还需要一个刹车。 我们想找这样的刹车，于是我们找了这样的基因，进行单独去除，找了不同材料。

　　正常情况下，都有不孕不育现象的发生，但是有一组材料，它能够结种子了。上图中红色标的地方就是种子，种子数量不是很多，但是非常珍贵。

　　我们把它种下去之后，到了第二代的时候，它小时候就表现得比别人矮，穗子也很小，最后它的穗子也是完全不孕不育的，再往后也就不能走了。

　　我们检测之后，发现第一代父母的基因是两套。到第二代的时候，它里面的基因只有一套，父亲母亲只有一半。它只知道做减法，就像刹车一样，踩住刹车，最后就停下来，无路可走。

　　既然“聚、散、离”可以做成，“合”也可以。假如“聚、散、离、合”聚到一起，同时去除会发生什么情况？

　　想到这里，我们开始去试，非常忐忑，我们最担心它会不孕不育。

　　但是很幸运，我们发现它能够结实，种子不是很多，红色标记标的地方就是种子。我们发现“聚、散、离、合”同时去除，油门和刹车聚在一起的时候，这辆车还能结种子。

　　我们把这个非常珍贵的种子种下去，不停地观察，第二代、第三代、第四代，现在已经到了第五代、第六代，发现它都能够结出种子。虽然种子都不是很多，但是它能够稳定遗传下去。

　　我们对它的基因进行检测，发现里面父亲、母亲的基因都各有一套，它也维持了稳定。这说明油门和刹车聚在一起，确实能实现一辆车的平稳行使。

　　在我们的工作发表之后，袁隆平先生第一时间对我们的工作进行了点评。第二天，他仍然觉得有点难以置信，赶紧联系我们，希望尽快当面交流，了解一下工作细节。

　　当年我们的工作只是证明了在有性生殖和无融合生殖之间，确实存在一条密道，但是当时这条密道还有一些问题。

　　我们刚开始十个人出发，最后有九个掉下，只有一个安全到达了彼岸。所以，将来我们将围绕这个方向继续不断地研究和探索，希望把这条钢索建成一个钢桥，将来十个种子都能够都能安全地过去。

　　因为杂交不能自留种的问题，现在杂种优势的利用很有限，实际利用可能不到千分之一。

　　所以，我们希望如果我们的工作成功之后，将来不仅仅应用于水稻当中，也能应用于更多的作物当中，比如小麦、玉米、大豆和西红柿等各种作物。只要存在杂种优势，希望都能够应用起来。

　　我们希望达到的终极目标是杂种优势代代相传。

　　最后我想用一粒正在黑暗中发芽的种子作为结尾。前方的路可能依旧困难重重，可是我想说，有种子就有希望。

　　本文经授权转载自格物论道（ID：SELFtalks），如需二次转载请联系原作者。

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