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為什么有的水稻品種耐旱，有的不耐旱，有的抗病，有的不抗病，有的自帶清香，有的不帶清香？
近年來，福建省水稻育種工作者深入基因層面，破譯水稻遺傳密碼，在此基礎上，開展分子設計育種研究與實踐，進行一場水稻育種的“精準革命”。
建寧縣溪口鎮楓元村雜交水稻制種基地的水稻 肖開涯 攝
尋找水稻耐旱“開關”
春耕時節，福州市科技情報研究所科技下鄉服務團隊來到羅源縣松山鎮北山村，開展農技指導。一見到城里來的水稻專家，于國胤就迫不及待提出了技術需求：“能不能推薦幾個耐旱品種？”
于國胤是羅源縣北山灣農業合作社理事長，合作社的120多畝耕地連年種植水稻。去年夏天的那場旱情，讓他心有余悸。“一連熱了兩個月，沒下幾場雨，又趕上中稻拔節孕穗期，花粉活性下降，影響了結實率。”面對極端天氣，于國胤在田埂上急得團團轉。后來，他不得不打機井引水，并在農技專家的建議下調整施肥方案，才勉強保住了產量。
之后，于國胤就產生了引種耐旱品種的想法。一直關注“三農”動態的他，不久前從報紙上看到了一則利好消息——《水稻耐旱“開關”，找到了》。這里的“開關”，指的是被稱為“IPA1”的水稻基因。省農科院水稻抗逆分子育種研究團隊（以下簡稱“研究團隊”）最新發表的研究成果表明，該基因對水稻耐旱性具有正調節作用。
為了找到這個“開關”，該團隊花了十余年時間。
“我國農業用水占總用水量的60%以上，水稻種植又是用水大戶。”省農科院水稻研究所所長張建福說，每年，全國都有大量稻田因干旱或缺乏灌溉條件而減產。因此，提高耐旱性，一直是水稻育種的重要方向之一。
為什么有的水稻品種耐旱，有的不耐旱？為了讓育種更加有的放矢，張建福希望從基因層面破譯與水稻耐旱有關的“遺傳密碼”。
這里不能不提到明星基因“IPA1”。在水稻育種界，其更廣為人知的名稱是“理想株型基因”。理想株型是育種家們提出的概念，基本特征是莖稈粗壯、抗倒伏、穗子大、粒子多，這樣產量就高。2010年，中科院院士李家洋團隊在國際上首次發現了能夠塑造水稻理想株型的基因“IPA1”。
“既然它能夠調節水稻植株的形態，是否也有助于應對干旱等逆境呢？”研究團隊提出了假設。為了驗證假設，首先需要觀測含有“IPA1”基因的稻株是否能應對干旱脅迫。這個過程被稱為“表型鑒定”。
“可以通過化學劑誘導使植株細胞脫水，也可以在光照培養室中模擬干旱環境。”研究團隊成員陳飛鶴說，表型鑒定在水稻的“四葉一芯期”就要開始，在歷經10天的極端干旱后再恢復澆水。經過多批次反復對比試驗后，研究人員發現：敲除了“IPA1”基因的水稻，存活率極低；過量含有“IPA1”的水稻，復水后收縮的葉片逐漸舒展。
可見，“IPA1”不僅能夠塑造水稻理想株型，還能賦予水稻耐旱能力。這個過程是如何發生的？這就需要進一步摸清基因的作用機制，也就是解析“代謝通路”。
陳飛鶴正在做聚合酶鏈反應試驗。張輝 攝
研究團隊通過實時熒光定量、酵母單雜、凝膠遷移、雙熒光酵素酶等一系列復雜試驗，解構了這條通路：一方面，“IPA1”能夠激活另一耐旱基因“SNAC1”的表達，在與之互作中產生耐旱性；另一方面，干旱導致水稻植株中過氧化氫等物質大量積累，“IPA1”則能誘導清除這些物質以抵御干旱。
這一結論，為水稻耐旱找到了新的“開關”，同時也進一步證實，“IPA1”不僅僅是理想株型基因，還是個多功能基因。目前，研究團隊正通過試驗論證它是否能有效提高水稻對氮肥的利用率。
水稻基因的“解碼人”
尋找水稻耐旱“開關”的背后，是科學家們年復一年的“解碼”之路。
“水稻是世界上最重要的糧食作物之一，育種技術的不斷突破，有效保證了糧食安全。”張建福說，新中國成立以來，我國水稻育種技術經歷了多次迭代。
20世紀60年代，隨著矮稈水稻取代高稈水稻，我國水稻產量整體提升了30%。1973年，袁隆平院士團隊在世界上首次育成秈型雜交水稻。隨后，水稻雜交技術開始在全國推廣。這一突破，讓全國水稻再次增產20%。
當時，全國稻瘟病頻發，高溫高濕的福建尤甚。“稻瘟病大面積減產乃至絕收，有的農民指著農田無奈地說，放只雞下去都吃不飽。”中科院院士謝華安還記得當年在三明、南平等地調研時的見聞。因此，他決定將選育抗稻瘟病雜交水稻品種作為主攻方向。
謝華安院士在福建南繁基地。（資料照片）
1983年，在世界稻作史上具有里程碑意義的雜交水稻品種“汕優63”應運而生。由于抗稻瘟，且豐產性好，適應范圍廣，該品種種植面積連續16年居全國首位，累計推廣近10億畝。
然而，無論是雜交技術，還是航天誘變育種，都屬于傳統育種范疇，存在著周期長、效率低、不確定性大等短板。
“我們需要從海量種質資源中篩選出可能有用的材料，做大量雜交組合，種子種到田間后觀察其表現，再經一代又一代篩選，如此循環往復。”張建福說，現代農業發展，對種業提出了更快、更新、更多元的需求。
以抗稻瘟病水稻為例，盡管抗病品種層出不窮，但病原菌也在協同進化，需要不斷通過品種創新，持續構建免疫屏障，抵御不同病原菌的進攻。同時，高產不再是唯一的育種目標，市場對優質、耐儲藏、功能性品種有了更大需求。
引入現代分子生物技術，提高育種效率，成為國際共識。
2002年，國際水稻基因組測序計劃工作組宣布，國際水稻基因組測序計劃圓滿完成，共測定12對染色體的3.66億個堿基。其中，中國獨立完成水稻第4號染色體精確測序，對該計劃貢獻率為10%。
“這相當于實現了對水稻基因的精準畫像。”張建福說，這張“畫像”記錄了水稻DNA中數以億個堿基的排序，不同的片段序列對應不同的基因。
但僅僅完成畫像還不夠——就好比面對一個陌生的英語單詞，你認識每一個字母，卻無從知道不同字母組合對應的具體含義。因此，完成水稻基因組測序后，擺在育種專家們面前的第二道難題，便是破譯“密碼”，挖掘功能基因。“什么樣的基因能夠讓水稻更耐旱？什么樣的基因能夠讓水稻更抗稻瘟病？”
多年來，張建福、謝華安領銜的水稻抗逆分子育種團隊，一直扮演著水稻基因“解碼人”的角色。經過他們年復一年的努力，一個一個水稻功能得以挖掘，一個個水稻遺傳密碼實現破譯——
去年11月，在持續研究20多年后，該團隊在期刊《分子植物》發表論文，揭示了一種水稻稻瘟病抗性新機制。研究表明，蛋白質“SH3P2”起到了“安全閥”的作用，能使稻瘟病抗性基因“Pib”在日常處于穩定失活狀態，以減少能量消耗，遭遇病原菌入侵時，又能迅速激活其功能。
本月3日，該團隊在國際期刊《植物分子生物學》在線發表最新研究成果。該研究證實，“OsLOX10”基因有助于提高種子壽命，增強其耐儲藏能力，同時在耐鹽堿方面也起著至關重要的作用。
從“開盲盒”到精準育種
破譯了水稻遺傳密碼后，如何將其應用到育種實踐？以分子標記輔助育種為代表的分子設計育種技術，正讓水稻育種從“開盲盒”走向“精準革命”。
去年豐收時節，黑土地上傳來好消息：在黑龍江省泰來縣示范種植的水稻新品種“閩龍1號”，在經歷了北方稻區惡劣的天氣狀況下，依然實現了單季平均畝產干谷700公斤的好成績。
“閩龍1號”是福建省農科院水稻研究所與黑龍江省農科院生物技術研究所聯合培育的水稻新品種，該品種解決了第一積溫帶優質品種缺失、綜合抗性不強等問題。在選育過程中，育種團隊引入了分子標記輔助育種技術，精準定位抗病抗倒伏基因。
“常規育種中，要驗證一份材料好不好，需要種到地里，全程監測其表現，再從中選優汰劣，往往要多代多點栽培幾萬個單株。”張建福說，分子標記輔助育種則把“海選”提前到了“賽前”。
簡而言之，就是在秧苗下地前，就可以對葉片進行“掃描”，看看其中是否含有所需要的基因，提前淘汰一部分“選手”，從而大大減少后期田間鑒定和篩選的范圍。
建寧縣溪口鎮楓元村雜交水稻制種基地 肖開涯 攝
分子標記輔助育種，極大提高了篩選效率，加速育種進程。而隨著大數據、人工智能、深度學習等現代科技在農業領域的推廣應用，水稻育種逐漸實現智能化。
2021年，福建省作物全基因組選擇育種創新平臺投入使用。作為新一代育種技術，全基因組選擇可視為在系統思維下建立的育種模式。
“基因與性狀之間并非簡單的一對一關系。”省農科院生物技術研究所作物分子設計研究室副主任陳在杰說，一個基因可能同時控制多個性狀，一個性狀可能受多個基因控制，不同基因之間可能相互協作，也可能相互限制，“全基因組選擇關注的不是單個基因，而是全套基因”。
也就是說，系統在收集了大量基因數據和田間表現數據后，能夠自動生成一套數學預測模型。之后，拿到一份育種材料后，不用種到田里，只要提前“掃描”，系統就能自動“算出”它高不高產、抗不抗病、耐不耐旱、耐不耐儲藏。
目前，該平臺已引入了高通量基因分型、水稻表型自動化采集及稻米品質分析等系統。這套系統，相當于為開展全基因組選擇育種提供了一套自動化的“工具包”。
以全國首臺投用的國產水稻種子切片機為例，它能夠給水稻種子做“微創手術”——既能自動切片取樣，用于分析基因型，又不影響種子日后正常萌芽。
“手工當然也能切，但采樣板有96個小孔，時間一長眼會花，效率也低。”省農業科學院作物分子設計研究室副主任楊紹華說，自動化切割水稻種子，相當于“螺螄殼里做道場”，技術難度很大。過去，這類設備主要依賴歐美進口，不但價格貴，還不好買。
此外，該平臺的其他核心設備也都實現了“中國造”。它們能實現種子切片取樣、基因分析、表型采集、數據分析全流程自動化。“以往，國外的設備、技術和配套試劑都是捆綁銷售，以至于檢測成本居高不下，一年掃描50萬粒種子，要投入100萬元。國產技術則將單個數據點檢測成本降低到了0.5元以下。”楊紹華說，該平臺每日可自動掃描并獲得3萬個表型與基因型數據。
“當數據積累到一定的程度之后，我們就可能坐在電腦前，像設計工業產品一樣，精準設計出一個水稻新品種。”陳在杰說。（記者 張輝 通訊員 胡海明 李平）