編者按:種業(yè)是國家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、科技性產(chǎn)業(yè)。要想端牢中國飯碗,既要保障糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定安全供給,也要實現(xiàn)種業(yè)自主創(chuàng)新,種源自主可控。在重慶,通過一代又一代科研人辛勤培育,勤勉研發(fā),堅韌不拔地扎根土地,種業(yè)創(chuàng)新取得標志性的成果和階段性的進展。城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展網(wǎng)特別策劃“巴渝良種”系列報道,走進育種科研人的世界,講述他們科技創(chuàng)新的故事,記錄重慶種業(yè)創(chuàng)新的斐然成果。
城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展網(wǎng)記者 李文萍 張文婧
在雪山里,看到一棵野草結(jié)莢,他思考“為什么冰雪天氣里植株還能結(jié)莢”;在高溫干旱的夏日里,許多玉米的葉片都萎蔫了,有幾株玉米葉片還是張開的,他思考“這些張開的葉片與萎蔫的葉片有什么不同”;在玉米成熟期,看到植株最下面的葉片依舊深綠,他思考“到了成熟期,為何這株還有如此頑強的生命力”……
生活中很多人們習(xí)以為常的東西,對重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所所長楊華卻有著巨大的吸引力。他多年如一日,觀察事物的差異性,習(xí)慣深度思考,探索解決問題的方法。
用楊華的話來說,科技的核心是創(chuàng)新,創(chuàng)新的核心在于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)??茖W(xué)家要不斷訓(xùn)練自己創(chuàng)新思維的頻度、深度、廣度,如同“工匠”反復(fù)精雕,最終呈現(xiàn)出量變到質(zhì)變的創(chuàng)新作品。
從事玉米育種30多年,楊華玉米創(chuàng)新團隊培育出西南地區(qū)普通玉米、糯玉米國家標桿品種,應(yīng)用最前沿的新技術(shù)加快育種進程,推動玉米領(lǐng)域的生產(chǎn)變革和科技進步。
在這里,我們姑且叫他“科研工匠楊華”。
▲ 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所所長楊華
“通過極端環(huán)境下的選擇,死掉一半,活下來的才算好的”
創(chuàng)新靈感來自長期專注
中國的第一大作物是什么?
對大多數(shù)普通老百姓來說,出人意料的答案是玉米。2023年玉米播種面積6.63億畝,是稻谷和小麥播種面積的1.5倍和1.87倍。其中,70%的玉米用作飼料來源,支撐畜牧業(yè)的發(fā)展。
楊華玉米創(chuàng)新團隊育成的飼料玉米“渝單8號”是西南地區(qū)國家標桿品種,所有新育成的西南地區(qū)飼料玉米品種審定都要以“渝單8號”為基準。作為標桿,多達15年,跨越兩代品種更新?lián)Q代。
截至目前,“渝單8號”累計播種面積4000多萬畝,按當前玉米收購價格計算,“渝單8號”新增社會經(jīng)濟效益40多億元。
巨大生產(chǎn)力的源頭是一粒優(yōu)質(zhì)的種子。這粒優(yōu)秀的種子到底是如何產(chǎn)生的?
▲ “渝單8號品種展示
楊華用了兩次“靈感”來形容。
一次來源挑選。
團隊曾將玉米試驗地放在一塊土層瘠薄的斜坡地,共種植9廂。結(jié)果發(fā)現(xiàn),上面4廂土地貧瘠、降雨較少,全部干枯死亡;下面4廂地勢較低、土壤較厚,長勢良好;中間第5廂死活各半。最終,楊華從第5廂挑選一株長勢最好的。
一次來源洗苗。
在海南南繁時曾遭遇臺風(fēng),海水淹沒了玉米幼苗,導(dǎo)致基地成了水田,海水退后秧苗渾身是泥,逐漸死亡。不少科研團隊紛紛放棄。彼時的楊華似乎什么也沒想,只是拿出毛巾將玉米苗上的泥土一株一株擦拭干凈。不料,一半的秧苗竟然活了下來。
“干旱干不死,水淹淹不死。”通過這種“極端環(huán)境”的篩選,楊華找到了優(yōu)秀親本,培育出了產(chǎn)量高、穩(wěn)定性強的“渝單8號”。
盡管當時的“挑選”和“洗苗”看似無意識,但楊華事后總結(jié)這是一種長期專注思考后產(chǎn)生的思維火花。尤其是回憶起海南那次“洗苗”,楊華表示應(yīng)該“有跡可循”。一是只有讓葉片干凈才能進行光合作用,通過日常觀察他發(fā)現(xiàn)水稻種植中葉片一直都是干凈的。二是,當時剛開始科研,科研材料稀缺,一直將其視為“寶貝”,不舍得讓它死去,想方設(shè)法也要保下來,這才有了“洗苗”的“無心之舉”。
“很多人育種追求優(yōu)中選優(yōu),但是這個優(yōu)怎么選?”楊華意識到良好的生長環(huán)境,作物都能生長良好,所以要超常規(guī)、反常規(guī),從惡劣環(huán)境中篩選出最優(yōu)質(zhì)的種子?!捌贩N的逆境選擇本身就是創(chuàng)新的一項關(guān)鍵技術(shù)?!?
最終,這種關(guān)于材料選擇創(chuàng)新迸發(fā)的“靈感”,被楊華總結(jié)為一套科研方法論——“半致死壓力選擇法”,意思是在育種領(lǐng)域,只有通過極致環(huán)境的篩選,達到死亡一半,剩下來的才是優(yōu)秀的品種。
“科研要與市場相結(jié)合,走在生產(chǎn)前面5—10年”
創(chuàng)新方向要聚焦市場需求
20世紀90年代以前,國內(nèi)農(nóng)民種植的玉米大多為黃玉米,主要用作家禽牲畜的飼料,在缺糧少米的山區(qū)還可用作口糧。鮮食玉米被少數(shù)農(nóng)民零星種植,作為風(fēng)味特色食品。
團隊發(fā)現(xiàn),重慶本土一種名叫“豬兒糯”的糯玉米口感良好,作為風(fēng)味食品已有上百年的歷史。但是“豬兒糯”籽粒小,果穗多,產(chǎn)量低,農(nóng)民種植積極性不高。
“隨著人們生活水平的提高,粗糧會不會成為人們最喜愛的食品之一?”楊華玉米創(chuàng)新團隊認為,生活水平的提高必然會帶來健康意識的加強,低熱量、低脂肪、高纖維的鮮食玉米將會在市場上有一席之地。
1997年,楊華玉米創(chuàng)新團隊通過育種手段“揚長避短”,保留“豬兒糯”的口感,利用雜種優(yōu)勢,培育出了口感好、產(chǎn)量優(yōu)的“渝糯1號”。2002年,在“渝糯1號”的基礎(chǔ)上,結(jié)合地方品種的廣適性和飼料玉米的高產(chǎn)性,再次培育出了品質(zhì)更佳、產(chǎn)量更高、適應(yīng)性更廣的“渝糯7號”,成功締造了西南地區(qū)糯玉米的國家標桿品種,且多年來一直沒被取代。
▲ 重慶農(nóng)科院玉米研究基地
“糯中帶甜,老百姓喜歡吃;產(chǎn)量高又能掙著錢,農(nóng)民都搶著種?!睏钊A回憶“渝糯7號”推出市場后的熱烈反應(yīng)。無論山區(qū)還是平壩,無論南方還是北方,“渝糯7號”都表現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合性狀,播種范圍覆蓋重慶、云南、貴州、四川、湖北、廣西、河北、浙江等,年播種面積達70多萬畝,占據(jù)當時全國鮮食玉米的“半壁江山”。
事實證明楊華玉米創(chuàng)新團隊當時的判斷是正確的。
隨著扶貧工作的縱深推進,城市需求和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)進行了高效的對接和互動,效益農(nóng)業(yè)成為人們的共識。鮮食玉米因口感良好、營養(yǎng)豐富、市場價值高成為效益農(nóng)業(yè)的抓手之一。全國各地掀起了種植鮮食玉米的熱潮。由于推出市場較早,團隊培育的鮮食玉米在市場上廣受關(guān)注。
“科研要與市場相結(jié)合,走在生產(chǎn)前面5—10年。”楊華表示科研要做到需求導(dǎo)向和問題導(dǎo)向,從全局角度看未來的發(fā)展趨勢。“不可能市場有需求了,才發(fā)現(xiàn)我們沒有這個品種?!?
通過對市場的廣泛調(diào)研,如今楊華玉米創(chuàng)新團隊在玉米育種領(lǐng)域形成了用于食品及飼料加工的渝單系列、以全株飼料為主的渝青系列、以鮮食為主的渝糯系列三個研究方向,目前已培育出100多個品種。
其中,渝單系列注重籽粒產(chǎn)量和品質(zhì),滿足雞鴨豬等精飼料和工業(yè)加工的需求;渝青系列注重秸稈品質(zhì)和機械化整株收割,通過粉碎、發(fā)酵等發(fā)展成為牛羊等產(chǎn)業(yè)的粗飼料;渝糯系列則注重花青素、葉酸、賴氨酸等功能性挖掘,滿足特殊人群的健康需求。
▲ 重慶農(nóng)科院玉米創(chuàng)新團隊培育的部分品種
“用最前沿的技術(shù)做最有用的科研,提高育種效率”
科研技術(shù)是用于解決具體問題的
傳統(tǒng)的雜交育種是漫長而艱辛的。從正常流程來看,選擇一株性狀良好的玉米植株需自交6代以上,也就是6年才能得到純系;然后雜交篩選、多點試驗、區(qū)試鑒定、生產(chǎn)試驗,又要等6年,相當于從找到一株優(yōu)秀的植株到審核品種需要12年。這還不包括尋找優(yōu)秀植株的“海選時間”。
因此,加快育種的進程、縮短育種周期成為育種科研界最為關(guān)注的話題。
2007年,楊華到美國密蘇里州立大學(xué)做訪問學(xué)者,接觸到單倍體誘導(dǎo)系。簡單來說就是,玉米屬于典型的二倍體植物,通過生物手段誘導(dǎo)成為單倍體,然后再通過單倍體加倍還原成二倍體,就能直接變成了純系,只需要2代就能得到純系植株,大幅縮短了育種進程。
2010年,楊華玉米創(chuàng)新團隊在引進國外單倍體誘導(dǎo)系的基礎(chǔ)上研發(fā)出單倍體誘導(dǎo)快速育種關(guān)鍵技術(shù),并廣泛應(yīng)用于玉米雜交種選育過程中。
▲ 楊華和學(xué)生在觀察玉米
事實上,國內(nèi)曾探索過花粉誘導(dǎo)單倍體、子房離體培養(yǎng)產(chǎn)生單倍體,但投入大、成績小,業(yè)內(nèi)信心普遍不高。很長一段時間內(nèi),科研團隊都只在小范圍摸索。當楊華成功攻關(guān)單倍體誘導(dǎo)快速育種關(guān)鍵技術(shù)的消息傳出后,給業(yè)內(nèi)增添了極大信心,單倍體育種技術(shù)成果在國內(nèi)“多點開花”,廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)的育種中,科研人不清楚目標性狀受哪些基因控制或調(diào)控,只能依賴于田間表現(xiàn)對品種進行選擇或淘汰。楊華了解到,通過分子標記手段,能找到目標性狀的基因型,輔助育種的材料選擇,可顯著加快育種的進程。2005年,楊華玉米創(chuàng)新團隊創(chuàng)立了玉米紋枯病分子標記定位群體,通過分子標記手段找到了玉米抗紋枯病QTL位點,解密了玉米抗紋枯病的“基因密碼”,為分子標記輔助育種提供了技術(shù)和材料支持,育成“渝單24”,成為國內(nèi)最早應(yīng)用分子標記技術(shù)的成功案例之一。
“要用最前沿的技術(shù)做最有用的研究,提高育種效率。”這些年來,楊華的團隊一直緊跟時代發(fā)展,利用生物技術(shù)等最新技術(shù)、最新方法,推動種業(yè)創(chuàng)新取得系列重要進展。楊華介紹,團隊玉米品種選育時間從過去7—8年提升到3—4年,新種質(zhì)資源創(chuàng)制的周期縮短為原來的三分之一,極大地提升了品種選育效率和社會綜合效益。
“微量創(chuàng)新”“二次創(chuàng)新”“解決問題”
創(chuàng)新思維需要培養(yǎng)習(xí)慣
加快育種進程是業(yè)界的共識,“北種南繁”兩季種植至今還是這種共識下的普遍選擇。
為了進一步加快育種代速,從1993年研發(fā)玉米開始,楊華玉米創(chuàng)新團隊就開啟了“重慶—廣西—海南”的三季玉米種植,成為當時玉米育種領(lǐng)域“春種秋繁冬繁”的“獨行者”。
看似只多出“一季”,實際上面臨很多難題。
例如,每季玉米生長期120天,三季就是360天,還要收獲晾曬,加上當時交通不便,火車、汽車換乘,根本不可能實現(xiàn)三季種植。
通過觀察,楊華發(fā)現(xiàn)玉米果穗中間段成熟最早、容易發(fā)芽,于是提前收割玉米,只保留中間段作為種子。為了解決濕玉米腐爛的問題,楊華開啟“邊走邊曬”模式,火車站、汽車站、賓館陽臺成為了“流動晾曬場”。通過“卡時間”,楊華一年無縫銜接種出了三季玉米。
從1993年研發(fā)開始,到1998年培育出優(yōu)秀的飼料玉米“渝單8號”,看似僅用了5年時間,事實上楊華已經(jīng)種植了15代玉米,相當于正常育種的15年。
“書本上、老師們都告訴你要加快育種的進程,但是怎么樣去加快只有自己去琢磨?!睏钊A表示,創(chuàng)新不是停留在口頭上、書本里、表面功夫,而是能真正落地實踐、有成效。只有深入觀察,深度思考,養(yǎng)成創(chuàng)新思維習(xí)慣,才能解決科研生涯中一個個具體的難題。
▲ 重慶農(nóng)科院玉米研究基地
當前,單倍體誘導(dǎo)技術(shù)的誘導(dǎo)率并不算太高,過去比例維持在3%—5%,如今隨著技術(shù)的提高可以做到20%,即通過單倍體誘導(dǎo)技術(shù),100粒種子里面只有20粒單倍體,主要通過種子顯色來一粒一粒加以區(qū)分。
“選出4萬粒,可能要看40萬粒種子。”楊華形容辨別單倍體是一項費時費力費眼睛的工作。最終團隊采用“分選外包”,借農(nóng)民每年制種的機會,讓他們幫忙選出單倍體,再回收?!斑^去選出1000粒單倍體要花費一月,現(xiàn)在選出4萬粒只需要3天。”
選出單倍體也并非“完事”,里面還有“假單倍體”。由于單倍體植株只有一半基因,植株較矮,很容易辨別。但通常需要在種植60天左右開花才能發(fā)現(xiàn)。對此,團隊通過育苗移植技術(shù)在苗床里面育苗,利用幼苗鑒別技術(shù),只需要半月就能從苗期選出單倍體,再移栽到實驗大田。
據(jù)介紹,曾有加拿大專家到實驗基地考察,看到整齊統(tǒng)一的單倍體,頻頻發(fā)出感嘆“你們單倍體誘導(dǎo)率這么高!”楊華笑而不語。
像這樣的“創(chuàng)新小事”在楊華玉米創(chuàng)新團隊的育種事業(yè)中不勝枚舉。在楊華看來,創(chuàng)新不是非得進行大刀闊斧的變革,很多時候是在已有的基礎(chǔ)上“微量創(chuàng)新”“二次創(chuàng)新”“解決問題”,就像“工匠”精雕細琢,在一刀一刻中誕生全新的作品。
那么,楊華心目中的“理想作品”是怎樣的?
在科研初期南繁的那場臺風(fēng)中,當他細心洗滌葉片上的淤泥時,內(nèi)心迸發(fā)出一個夢想——讓玉米能像小麥那樣種植,密植、高產(chǎn)。經(jīng)過30多年的努力,楊華玉米創(chuàng)新團隊已經(jīng)在矮稈抗倒、密植高產(chǎn)研究方面有所進展,即將培育出耐密、抗倒、適宜機械化種植的新品種。讓我們期待,未來西南地區(qū)玉米種植集中連片,“青紗帳”成為歷史。