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制造一颗克隆种子,破解杂交水稻留种难题 | 王克剑

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  “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。有足够多的种子,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驶。

  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性融合生殖之间,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。

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