从杂交到多年生：袁老的背影，正是我们前进的方向
袁隆平先生离开我们已经一年了，但他仍是我们抹不去的记忆。至今还有无数人受益于他的研究，也还有无数学者怀揣着“禾下乘凉”的梦想，朝着他手指过的方向砥砺前行。借这个特殊的日子，和大家分享这篇文章，一起纪念袁隆平先生，纪念那些年为水稻、为全人类都吃饱吃好共同奋斗的日子。
作者：辛业芸、黄志远、吕启明、符习勤、周承恕、朱立煌
作为袁隆平先生亲自指示成立的“水稻杂种优势机制研究组”的组长，朱立煌与袁先生的结识，始于20世纪80年代后期。当时国家“863”计划将两系法杂交水稻研究列为863-101-01专题研究项目，袁先生担任责任专家，中科院植物生理研究所的洪孟民是专家组组长，朱立煌是专家组副组长。那时每年都会在一起开会，研讨两系法杂交水稻攻关中遇到的问题和解决方案。袁先生也经常在会上介绍最新的研究进展，往往振奋人心，令人鼓舞。
两系法杂交水稻是袁先生提出的杂交水稻育种战略的第二步。杂交水稻育种战略将杂交水稻的育种，从选育方法上分为三系法、两系法和一系法三个战略发展阶段，即育种程序朝着由繁至简而效率越来越高的方向发展；从杂种优势水平的利用上分为品种间、亚种间和远缘种间杂种优势利用三个战略发展阶段，即优势利用朝着越来越强的方向发展。根据这一设想，杂交水稻每进入一个新阶段都是一次新突破，都将把水稻产量推向一个更高的水平。
当时处于攻关研究中的两系法杂交水稻也遇到一些波折，如在1989年长江中下游遇到盛夏异常低温，用来制种的光敏不育系在长日照条件下恢复可育，一反之前的常态，导致制种失败。许多人对这种失败产生担忧，但袁先生冷静思考，提出了培育雄性不育的起点温度不超过23.5℃的实用型光温敏不育系的技术策略，使两系法杂交水稻的研究走出低谷，鼓励大家有信心迎接挑战继续攻关。
我们觉得袁先生不但是善于研究，而且是愈挫愈勇的人，从失败中看到希望和前景。袁先生是一位战略科学家，他提出杂交水稻育种战略，对于作为两系法的下一步战略步骤的一系法杂交水稻的研究，他实际上也已开始涉足，并与美国国家水稻研究中心建立了合作；他一直认为，培育无融合生殖系来固定F1杂种优势是未来利用水稻杂种优势的最佳途径，因此在这方面有意安排开展了一些探索。
为此，他于1992年在长沙组织召开了水稻无融合生殖国际学术讨论会，由于无融合生殖特性的水稻材料在遗传学及胚胎学等方面研究，特别是将异属中的无融合生殖基因导入水稻的研究难度很大，一直处于探索阶段。如何发掘无融合生殖水稻资源，袁先生认为需要借助生物技术的途径来攻关。
袁先生注重杂交水稻技术的实际应用，在他60余年研究历程中，已带领他的研究团队由经典的三系法杂种优势利用，跨进具有独创意义的两系法杂种优势利用阶段，特别是1995年取得两系法杂交稻成功后，他迅疾步入超级稻研究阶段，将水稻杂种优势利用水平从应用研究的层面提高到极高的水平，使示范片的产量通过设定不同目标，从每公顷12吨达到每公顷16.5吨以上。尽管应用研究硕果累累，但我们认为袁先生对基础研究的重视，不仅在于他战略上的考虑，还有十分关注现代生物技术的兴起，他十分敏感地意识到充分利用分子生物技术将助力杂交水稻技术的发展。
这从他敏锐接受开展水稻基因组测序研究来重视杂交水稻的基础研究，可见一斑。那是1999年，在国内开展人类1%基因组测序的背景下，华大基因与中科院遗传研究所的学者准备实施水稻基因组的测序工作，找到袁先生讨论进行测序的材料，而袁先生也已了解前沿新兴的生物技术将对水稻杂种优势研究产生长远的特殊意义，因而确定加入这项测序研究。
在选择哪个水稻品种测序时他提出了主导性的建议，当时他有两方面的考虑：一是当时刚刚出来的超级杂交稻先锋组合两优培九表现非常好，已经展现风生水起之势；二是两优培九涉及籼粳亚种间杂种优势利用，而追求籼粳亚种间杂种优势利用是育种家们梦寐以求的目标。于是他亲自选定两优培九的父本9311作为测序研究对象。
此后以华大为首的联合研究团队利用全基因组霰弹法（Whole-genome shotgun sequencing，WGS），构建了籼稻9311基因组工作框架图和低覆盖率的培矮64S草图，并最先向全世界公布了水稻9311全基因组框架图，相关研究工作发表在2002年4月《科学》杂志，并以封面文章的形式报道了这项工作，袁先生也是该论文的通讯作者之一。
水稻基因组框架图在《科学》杂志上发表
此外，袁先生通常能够将应用与基础达到完美结合。在杂交水稻育种实践中，他曾经深有感悟地谈到他的心得：育种家们必须清晰地认识到，迄今为止，通过育种提高作物产量，只有两条有效途径，一是形态改良，二是杂种优势利用。单纯的形态改良，潜力有限；杂种优势不与形态改良结合，效果也差。其他育种途径和技术，包括基因工程在内的高技术，最终都必须落实到优良的形态和强大的杂种优势上，否则就不会对提高产量有贡献。另一方面，育种进一步向更高层次的发展，又必须依靠生物技术的进步。这样的真知灼见对年轻科研人员端正对育种实践的认识起到重要的引导作用。
正因如此，尽管袁先生擅长杂交水稻常规育种，但他理解常规育种技术的潜力有限，因此他重新构想：常规育种与生物技术相结合是今后作物育种的发展方向，这也是选育超级杂交稻具有巨大潜力的途径。他提出，常规育种与分子技术相结合，如虎添翼。这表明他深谙借力分子育种技术与基础研究赋能产量提升的作用。
2001年袁先生的学生肖金华在《自然》杂志发表了论文《Genes from wild rice improve yield》，袁先生敏锐地意识到了用于助推杂交水稻育种的力量，马上组织研究力量采取分子标记辅助育种手段，利用这一野生稻中的有利基因。此后鉴别出两个源于普通野生稻（O.rufipogon）的增产QTL位点，每个QTL位点具有比高产的对照杂交组合（威优64）增产18%的效应，并通过分子标记辅助选择和田间选择，育成了带有一个上述QTL位点的优良的恢复系Q611，其杂交种J23A/Q611在晚稻试验示范中比对照增产极显著，示范田的产量达每公顷9.9吨左右，取得了很大成效。
袁先生内心对分子生物技术的期望远不止停留在如此单打独斗式应用，他期待的是针对杂交水稻技术整体式全方位来一个现代分子技术层面的提升，以获取基础研究理论对育种实践的更高效的指导。他的想法幸运地在2009年后得以实施。
2009年8月，时任国务委员刘延东来看望袁先生并考察湖南杂交水稻研究中心，袁院士提出成立杂交水稻国家重点实验室的请求，以开展杂交水稻相关基础和应用研究，深层次培养和造就杂交水稻方面的人才。2011年10月，杂交水稻国家重点实验室依托湖南杂交水稻研究中心和武汉大学由科技部正式批准建设，根据杂交水稻学科发展需求，设置水稻杂种优势机理、水稻发育与育性机理、杂交水稻种质创新与基因发掘、超级杂交稻育种、杂交水稻繁育与种子学以及杂交水稻超高产生理生态六大研究方向。六个方向互为支撑、交叉融合，共同服务于“杂交水稻持续发展”这一主题。
此时，朱立煌研究员很荣幸地承担了水稻杂种优势机理研究方向的首席专家（PI），袁先生亲自给他发聘书聘为“中心”客座研究员，并成立杂交水稻国家重点实验室水稻杂种优势研究团队，主要包括辛业芸、黄志远和吕启明等团队成员。辛业芸是袁先生的业务秘书，也是他亲自培养的博士，她的博士论文题目是《超级杂交稻产量杂种优势分子预测研究》，明确了水稻杂种优势的显性效应；黄志远博士曾在新加坡留学，归国后开展了杂交水稻表型对光照条件的反应，以及超级杂交稻的产量优势分析的研究；吕启明曾是朱立煌在中科院遗传所培养的博士后，是兼具现代分子生物技术与杂交水稻应用基础的青年学者。我们这个团队围绕着袁先生有关探究和揭示水稻杂种优势机制的指示开始了目标明确的研究，每一步的研究我们都向袁先生报告，并听取他的指导意见。
我们以超级杂交稻先锋组合两优培九为基础材料，并参照了多个其他代表性两系法杂交稻及亚种间杂交稻，广泛开展合作，构建了相关的重组自交系及回交群体、近等基因系群体，利用重测序遗传连锁图谱，通过表型组学、基因组学、转录组学及以上遗传群体等多种研究手段进行综合分析，从产量杂种优势表型到基因调控等不同维度，进行了有关产量及其构成因子的杂种优势分析，得到三个重要结论：
一是表型组上穗粒数的超高亲优势和有效穗数的超父本优势是一个相对普遍的现象。二是将定位的QTL区域与转录组学中差异表达的基因的区域结合起来了，在两系法杂交水稻中鉴定了一个杂种优势可利用的主效基因RH8，RH8与已知的影响穗粒数、株高和抽穗期的基因Ghd8相同，与DTH8为同一个基因；在分析其他125个商业化两系杂交稻的基础上，发现在89个杂交稻品种中RH8处于杂合状态（有关论文发表在2016年9月PNAS上）。三是包括两优培九在内的两系杂交稻的抽穗期和产量杂种优势主要由DTH8与其他生育期相关基因的不同单倍型组合所决定。
我们研究取得的成绩使袁先生感到欣慰，他十分肯定我们为解释水稻杂种优势机制做出的努力和为两系法杂交水稻育种应用提供的理论依据。他还提出通过提高生物量以提高水稻产量的观点，认为从形态学角度来看，既可行又有效地增加生物量的方法就是提升株高。因此，他建议研究株高。他也深知结实率对于杂交水稻特别是亚种间杂交水稻的重要性，因此，他十分强调对结实率的研究。他的思想为我们团队的进一步研究指明了方向。
正如袁先生所说：科学技术的发展永无止境。2019年袁先生再次提出杂交水稻发展战略，他将杂交水稻技术以细胞质雄性不育系为遗传工具的三系法杂交水稻称为第一代杂交水稻，将以光温敏雄性不育系为遗传工具的两系法杂交水稻称为第二代杂交水稻，将以遗传工程雄性不育系为遗传工具的两系法杂交水稻称为第三代杂交水稻，将碳四型（C4）杂交水稻称为第四代杂交水稻，将利用无融合生殖固定杂种优势的杂交水稻称为第五代杂交水稻。
第三代杂交稻作为新生事物，尽管一开始袁先生就贡献了思路与智慧，而一旦它涌现出来，他仍然是持很谨慎的态度。他亲自布置我们团队的黄志远在相同的栽培条件下进行不同类型杂交稻包括两系杂交稻和遗传工程杂交稻（遗传工程不育系圳18A所配杂交稻）的产量优势比较试验。考种的结果表明遗传工程杂交稻在每穗粒数、千粒重和产量上均表现出较强的优势。其间，他还多次电话询问结果，直到他满意了，才将湖南杂交水稻研究中心最新育成的第三代杂交稻新品种推出示范。这就是后来他提出的“3000斤工程”，即应用第三代杂交稻的新成果，使双季稻全年亩产达1500公斤的工程。第三代杂交稻崭露头角的“叁优1号”，2020年在湖南衡南示范点，为双季稻亩产全年超1500公斤一展雄风。
袁先生认为，利用无融合生殖特性的第五代杂交水稻是杂交水稻发展的最高阶段。关于无融合生殖的利用一直就埋藏在袁先生的心间，从未释然。20多年前的探索研究，虽然无融合生殖现象在植物界中广泛存在，但在主要作物中却罕见。直到2018年，这个局面被打破，首先是美国加州大学的研究团队将水稻的BBM1基因在卵细胞中异位表达，成功诱导卵细胞发育成胚，形成单倍体，结合MiMe体系（有丝分裂代替减数分裂），实现了水稻种子的克隆繁殖。紧接着，中国水稻所王克剑团队通过敲除水稻MTL基因，成功诱导出水稻单倍体，结合MiMe体系，在杂交稻春优84中成功实现了杂交水稻种子的克隆繁殖。
袁先生第一时间捕获了这两个信息，他高度评价了王克剑团队的工作：“这个工作证明了杂交稻进行无融合生殖的可行性，是无融合生殖研究领域的重大突破，具有重大的理论意义，希望再接再厉，早日将该成果应用到生产中。”而且袁先生马上安排了湖南杂交水稻研究中心赵炳然研究员和我们组的吕启明博士加强衔接水稻无融合生殖的合作研究，进一步推进以无融合生殖为特征的一系法杂交水稻攻关。
科研创新的艰辛伴随了袁先生一辈子，他取得了辉煌的成绩。如今他虽已离我们而去，但他孜孜以求杂交水稻的灿烂前景，如同他的思想一样仍在发光，将继续照亮后来者的路。我们这些后来者，尤其是做基础研究工作的，理应肩负为杂交水稻育种应用提供理论依据和指导的重任，并做出新的贡献。“禾下乘凉”，追梦前行。
除了与袁隆平先生一同研究杂交水稻，这些年华大也和云南大学的胡凤益教授团队持续开展多年生水稻的研究工作，目前相关研发成果已在全国12省、106个试点进行种植推广。未来，多年生水稻还将在更多地方试种，一个新的农业时代正缓缓到来……
点击视频，一起回顾多年生水稻的发展历程
—— 多年生水稻已在全国12省进行种植推广 ——
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