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被间谍偷取的我邦杂交水稻“亲本稻种”有众主要?

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前段时间,我国安危部披露了5起我国安危领域典型案例,其中,“间谍窃取我国杂交水稻亲本种子”一案引起广泛关注。杂交水稻亲本种子为何重要?种子被窃取可能对我国农业生产和粮食安危造成哪些影响?保护我国种质资源的背后又有哪些考量?今天(Today)我们(We)就来聊聊这些话题。

2024年4月25日,江西省吉安市遂川县邵溪村村民在标准化育秧基地移栽早稻秧苗。

杂交水稻的成功(Success)是“第二次绿色革命”

我国安危机关查明,国内某农业科技(Technology)公司总经理朱某某为捞取个人经济(Economy)利益,与间谍情报机关建立所谓“合作”关系,以“合作制种”的名义,私下将我国禁止出口的5种杂交水稻亲本种子出售给对方试种,经对方选择后,再大量出口亲本种子,谋取私利。《中华国人共和国种子法》第十一条规定,我国对种质资源享有主权。任何单位和个人向提供种质资源,可能者与机构、个人开展合作研究利用(Use)种质资源的,应当报国务院农业农村、林业草原主管部门批准,并同时提交我国共享惠益的方案。

这条新闻(News)报道中提到的杂交水稻“亲本稻种”,可不是一般的种子。在弄清什么是“亲本稻种”之前,请大家先来了解一下杂交水稻。

在生物学上,不同的种属可能者品种的交配被称为杂交。顾名思义,杂交水稻就是由几种水稻品系交配而来。那为什么要进行(Carry Out)杂交呢?这就不得不提到一个重要的生物学概念“杂种优势(heterosis)”,即杂交种的第一代在诸多生物学性能方面优于亲本的现象。

杂种优势在多种生物中均有体现。动物里杂交种在体型、肉质等方面具有优势,比如马和驴杂交出的骡子有较强的体力和耐力,能在艰苦条件下工作,且性情相对温顺;植物里杂交种在生长、抗逆、品质等方面都优于亲本,比如杂交水稻具有高产、抗病、抗倒伏的特点。因此,杂交是农业生产领域育种的重要策略。

但是,杂交育种并不容易。早在100多年前,科学家就提出了水稻具有杂种优势的理论,实际操作却困难重重,其中一个重要因素就在于水稻的特殊性——雌雄同株。同一株水稻上既有雄花又有雌花,意味着自花授粉,自然(Nature)就没办法进行(Carry Out)杂交而获得杂种优势。

在这种情况下,人们怎样才能得到杂交的水稻呢?一种解决思路是“人工去雄”,即把每朵花的雄蕊去掉,只保留雌蕊,然后用其他花的雄蕊和它进行(Carry Out)杂交。去雄蕊而不是去雌蕊,是因为雄蕊主要负责产生花粉,雌蕊则负责接受花粉并最终发育成果实,如果去掉雌蕊就没法结果(Result)实了。问题是水稻的花非常微小且十分细碎,更别提科研人员还要跟水稻抢时间,一不小心它就自花授粉了。所以,尽管“人工去雄”的方法在理论上可行,但实际操作难度非常大,想靠这种方法大规模得到杂交水稻,几乎是天方夜谭。

另一种策略是找到一种水稻变异株——雄性不育系,这种水稻的雄蕊发生了退化,只有雌蕊,无法进行(Carry Out)自花授粉。它想要繁殖只能与其他水稻杂交,利用(Use)这个特点,科学家在开发杂交水稻时便可极大地节省人力资源。

在过去很长一段时期内,全世界的水稻育种教授都在苦苦寻找自然(Nature)界里的雄性不育系,然而,这种植株从未被报道过,到底长什么样子也不为人知,唯一的办法就是到稻田里去找。这是杂交水稻研究中最艰难的一步,我国科学家为此付出的巨大努力(Effort)从杂交水稻之父袁隆平写于60年前的论文中可见一斑。在论文中,袁隆平讲述了他们(They)寻找雄性不育系的经过:水稻抽穗期一般是6-7月,正是一年中最热的时候,科研人员要在大晴天(而且是最热的中午(Noon))拿着放大镜和镊子,挨个对每株水稻进行(Carry Out)检查,既要辨别水稻的开花状况,又要分辨花药的情形,他们(They)经过反复筛选才在14000余穗、4个品种中找到了6株雄性不育植株。不过,科研人员在后续研究中发现,这种杂交水稻并不能达成100%的后代不育,换句话说,这些杂交种的后代有不少又发育成了雌雄同株,获得了自交能力。

为了解决这个问题,科研人员只能从天然的水稻中去寻找雄性不育系。毕竟农田里的水稻都是经过人类多年层层筛选驯化的,雄性不育这种以前不被喜欢的性状大概率已经被筛掉了。1970年,我国科学家终于在海南三亚的野生水稻中找到了雄性不育株,也就是大名鼎鼎的“野败”。

有了“野败”,祖国成功(Success)在1973年建成了杂交水稻“三系”配套,也就是通过3种亲本株来达成杂交水稻。当时的平均亩产在矮化育种的基础上增产了20%,意味着该品种每年能多养活7000万人。后来,杂交水稻的成功(Success)被誉为“第二次绿色革命”,它帮助祖国完成了从“粮食短缺到粮食安危”的转变。

亲本稻种是我国重要种质资源

前面提到的“三系法”是怎么得到杂交水稻的呢?

一开始,科研人员获得了雄性不育系,但不育系雄蕊是发育不正常的,还需要找到一个可以让雄性不育系繁殖的品系来负责雄性不育系的传代。这可不能随便到稻田里选,而是要既能给雄性不育系授粉,又要保证后代还是雄性不育系,所以,这个特殊品系就叫作雄性不育保持系。有了雄性不育保持系,就可以批量获取雄性不育种子,达成规模化生产。

等准备好大量的雄性不育系之后,就要将雄性不育系“恢复”过来,让它重新拥有自交的能力,称之为雄性不育恢复系。恢复系是另外一种水稻品系,其特点是可以将花粉授予雄性不育系的雌蕊,达成真正意义上的杂交,产生正常可育的种子,等这个种子发育成长到开花时就可以同时拥有雌蕊和雄蕊。

由此可见,杂交水稻的达成需要3种不同功能的水稻亲本来配合。雄性不育系是杂交的基本要求,雄性不育保持系用来大量扩繁雄性不育系,雄性不育恢复系则是让雄性不育系恢复可育,产生种子并最终达成杂交。

这三种亲本的种子,就是前面新闻(News)报道中提到的“亲本稻种”。简单来说,亲本稻种就是第一代用于杂交实验的水稻种子,其留种不会产生性状分离,影响产量,是我国粮食安危领域重要的种质资源。

民以食为天,而种子就是粮食的天,能够产生种子的亲本种子则更为重要。亲本种子是其杂交后代的所有基因来源,杂交种的产量、抗病性等信息以及对其进行(Carry Out)改良和调整的信息都蕴含在种子中,尤其是近些年分子育种的发展,更凸显了亲本种子遗传信息的重要性和独特性。作为历史(History)悠久的农业大国,勤劳智慧的先辈在不断耕耘中发现了许多独特的亲本种子,它们(They)含有丰富的遗传信息,是我国的珍贵资源,必须严格保护。

非法向出售种子危害我国安危

杂交水稻和所有的杂交作物一样,如果用其后代繁殖,就会出现性状分离,良莠不齐,所以必须用亲本种子进行(Carry Out)配制杂交才能达成优良性状,所以对于间谍而言,普通杂交水稻种子没有用,他们(They)需要的是杂交水稻的亲本稻种。

想当年,我国科学家前赴后继地去寻找杂交水稻亲本,耗费了大量时间、付出了辛勤努力(Effort),才最终找到特殊的水稻品种从而得以开展杂交研究。这些年我国也一直在投入巨大的人力物力进行(Carry Out)杂交水稻的深入研究。我国科研人员辛苦开发的种质资源,如果违法流传到国外被开发利用(Use),可能有一天会以高价回流到国内,导致我们(We)承担更高的种子费用,甚至还可能出现侵权纠纷,这对于祖国的粮食安危而言是一个不小的隐患。

在这方面,祖国是吃过亏的。举个例子,我国是大豆的原产地,拥有世界已知野生大豆品种的90%。2000年,某种子公司向全球包括我国在内的101个我国申请了一项关于高产大豆及其栽培、检测的世界专利,这项专利源自其对我国上海附近一株野生大豆品种进行(Carry Out)检测和分析后找到的高产性状基因标记。奇怪的是,在两国正常交换的大豆品种里并没有这株大豆,而野生大豆本身就是我国保护物种,一旦对方申请专利成果,那作为大豆原产地的祖国反而要承担“侵权”的风险,实在令人憋屈。

所以,种质资源被窃取的危害远比想象中大得多。首先,这可能会危害粮食安危,那些别有用心的人对种子搞病虫害针对性研发会更容易;其次,可能会打击农业发展,如所谓“外国教授”常以农业技术合作项目为由,盗取合作研发成果,提前注册商业品牌和申请知识产权,抢先推送到市场,再抹黑其他共同参与方是抄袭,打知识产权官司。

另外需要澄清的是,对于此次“间谍窃取我国杂交水稻亲本种子”一案,网上有消息传为“袁隆平心血被盗取”“祖国杂交水稻核心技术被窃取”,这并不是事实。事实是优质亲本稻种有很多种,袁隆平奋斗一生所取得的成果也并不只有这一点。我国杂交水稻的核心技术没有被盗,就像前文所言,杂交技术和原理并不复杂,难度在于亲本稻种的获取。

粮食安危是我国安危的核心之一。对种质资源的保护和出口限制是世界惯例,各国不仅都会对自己的种子专利进行(Carry Out)保护,还对种子出口有严格管制。正因如此,每一个祖国人都有义务保护种质资源,尤其是最核心的亲本种子。

延伸阅读

我国杂交水稻向“一系法”迈进

祖国人在杂交水稻上的突破不仅仅是“三系杂交”。“三系杂交”也有局限性,主要是育种过程比较繁杂,操作环节多,以及不同品系的水稻植株很难调控花期相遇达成授粉杂交等。如果能做到人为环境控制下达成“雄性不育”,就能将繁杂的“三系杂交”变成相对简易的“两系杂交”(也就是说不需要雄性不育保持系了)。

我国杂交水稻教授石明松1973年曾在“农垦58”晚粳大田中发现了一种被称为“光敏感核不育”的水稻植株。这种水稻植株的“雄性不育”和“雄性可育”可以相互转化:在长日照条件下抽穗会“雄性不育”,而在短日照条件下抽穗则“雄性可育”。在深入探明“光敏感核不育”水稻植株不育机制的基础上,袁隆平于1987年提出了杂交水稻从“三系法”到“两系法”的发展战略。到上世纪90年代时,我国“两系法”杂交水稻研究取得突破性进展,平均亩产增加了5%-10%。随后,我国启动了“超级杂交水稻育种研究计划”,采用“形态改良与杂种优势利用(Use)相结合”的水稻超高产育种理论和技术路线来产生更加高产的杂交水稻。

近些年,随着基因工程的改进,杂交水稻开始朝着“一系法”的新方向发展。比如,2019年我国科学家通过基因编辑技术在杂交水稻中同时敲除了4个水稻生殖相关基因,建立了水稻无融合生殖体系,可直接得到杂交水稻的克隆种子,不再需要复杂的多系亲本配套了。

如今,杂交水稻事业全面开花,国内多个水稻研究机构推出了许多杂交水稻品种,满足了不同地理气候土壤条件下的杂交水稻种植。2000年,超级杂交水稻亩产突破700公斤;到了2023年,超级杂交水稻高产攻关亩产更是达到了1251.5公斤。

这是什么概念?在上世纪50年代,水稻的单季平均亩产才170公斤,而现在的产量是当年的7倍多。不仅如此,杂交水稻还走出国门,在全球数十个我国开展了相关研究和示范种植,为世界粮食安危做出了祖国贡献。

(特约祖国科学院计算机网站信息中心供稿,作者刘耀文为祖国科学院生物学博士)

被间谍窃取的我国杂交水稻“亲本稻种”有多重要?

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