袁隆平院士,1930年出生于北京,1953年毕业于西南农学院农学系,毕业后分配在湖南省安江农校任教。最初,他按照当时盛行的米丘林学说进行教学和科学试验。依照他们的经典理论,以及当时国际上的普遍观点,水稻作为自花传粉的植物没有杂交优势,试验没有任何意义。以后,随着矮杆水稻的培育和推广,结合自己的教学、科研,袁隆平对这些学说产生了怀疑,而沿着当时被批判的孟德尔、摩尔根遗传基因和染色体学说进行探索,这在当时是需要很大勇气的。
1961年,袁隆平在试验田里发现了一株植体高大、穗大粒多的水稻。他将种子收集起来。第二年种下进行试验,但长出的后代却参差不齐,高的高、矮的矮、早的早、迟的迟,没有一株象亲代那样好。失望之余,他意识到:这棵优异稻株不是纯种,而是天然杂种,因纯种的子代是不会出现分离现象的。那为什么不能搞杂交水稻呢?当时,利用杂种优势提高农作物产量已在玉米、高粱等异花传粉作物取得了明显的效果。经过反复探索,袁隆平指出,杂种优势是生物界的普遍规律,至于作物自花传粉与异花传粉的区别只不过是繁殖方法上的不同而已,他向传统的遗传学理论发出了挑战。
1964年,袁隆平从洞庭早籼稻中找到雄性不育株,给他很大的启发,首先揭开了中国水稻杂种优势利用研究的序幕。他设想“要利用水稻的杂种优势首推利用水稻的雄性不育性”,并设计出整套培育杂交水稻的方案,即培育出不育系、保持系和恢复系,通过三系配套,完成不育系繁殖、杂交制种和大田生产应用,并在中国科学院出版的《科学通讯》杂志(1966年第4期)上发表上《水稻的雄性不孕性》这篇对杂交水稻研究具有划时代意义的论文。
1970年,他从事杂交水稻研究已经6年了,他和助手们先后用1000多个品种,做了3000多个杂交组合的试验,却没有能够获得一个不育株率和不育度都达100%的雄性不育系。通过对杂交组合的效果进行分析比较,终于认识到几千个试验所用的杂交材料亲缘关系都太近,不育特性难以保持。于是,他对研究方案进行调整,决心用野生稻进行研究。
袁隆平和他的助手们到处寻找天然的水稻雄性不育株。1970年10月,袁隆平的助手李必湖和海南省南红农场的冯可珊等在海南崖县的普通野生稻中找到花粉败育的雄性不育株——“野败”,为杂交水稻的研究成功找到了突存口。经过两年的努力,多单位协同攻关,于1972年,袁隆平和江西省萍乡市农科所科技工作者利用该不育株为基础材料,分别育成了第一批水稻雄性不孕系“二九南1号A”和相应的保持系“二九南1号B”。但没有找到较理想的恢复系,后经对1000多个品种水稻的测交、筛选,终于在1973年找到一批花药发达、花粉量大,恢复率在90%以上强优势的恢复系,至此,成功地实现了三系配套,并育成了第一个具有强优势的杂交组合“南优2号”。
三系法图解
在三系法育种中,保持系是一个正常的品种,它的形态结构和相应的不育系相似,不同的是保持系有正常的花粉,雌雄蕊发育正常,自交能够结实,用它作父本与作母本的不育系杂交,不仅可使不育系正常结实,而且产生的后代种子(F1)仍然不育。不育系有了保持系,不育性状可以得到保持,而恢复系与不育系杂交,能使不育系恢复其育性能力,可以配制为大田生产所用的大量杂交种子。
由于遗传背景基因型丰富和组合优化,以及父母本优良性状的互补等原因,杂交水稻“南优2号”在生产中显示了明显的杂种优势:根系发达,生长旺盛,穗大粒多,增产显著,抗逆性强,适应性广,米质较优。籼型三系杂交水稻育成之后,全国其它地方科研人员通过三系配套方法相继研制出一批籼粳稻杂交组合和一套较完善的繁殖制种技术。与此同时,他们也摸索出一套与杂交水稻相适应的高产栽培综合技术。1976年三系法杂交水稻在全国大面积推广,比常规水稻平均增产20%,到2000年全国累计推广2.53亿公顷,增产稻谷3600亿公斤,产生了巨大的经济效益。1981年袁隆平作为籼型杂交水稻学科带头人荣获国家发明特等奖;1985年获联合国知识产权组织“杰出发明家”金质奖。
三系法杂交水稻取得的成就举世赞叹,被誉为“第二次绿色革命”。袁隆平被国际水稻所称为“杂交水稻之父”,在荣誉和鲜花面前,他并没有陶醉。他感到三系法虽然能够大幅度地增产,但也存在着配组不自由、种子生产环节多、技术复杂等不足,他决心开展新的攻关和创新。湖北省育种专家石明松,于1973年在晚粳稻农垦58田里首次发现了天然光敏感型核雄性不育株(简称光敏核不育系),为两系法杂交育种奠定了基础。
1987年袁隆平发表了具有里程碑意义的重要论文《杂交水稻育种的战略设想》,文章指出杂交水稻目前还只是处于初级发展阶段,不论是育种方法还是杂种优势的水平都具有三个战略发展阶段,即育种方法要从三系法、两系法到一系法:杂种优势的水平从品种间杂交、亚种间杂交到远缘杂交的优势利用,水稻育种更高层次的发展是通过生物技术利用远缘杂种优势。同年,两系法杂交育种研究被列入国家“863计划”项目,袁隆平出任责任专家,牵头组成两系法杂交水稻研究协作组,主持全国16个单位协作攻关。研究过程几经波折,甚至出现重大挫折,袁隆平以中国科学家过人的胆识和丰富的经验,几度调整研究方案。特别是1989年夏长江中下游地区发生异常低温,导致许多光敏核不育系,尤其是籼型不育系出现可育性,致使研究受到挫折。袁隆平对此没有退缩,他冷静地分析,科学地提出了一系列技术策略,利用人工气候箱(室),结合自然条件下的观察,开展了光敏核不育水稻光温生态的研究,获得了光温条件与光敏核不育水稻育性表达关系的新认识。在他的带领下,科研人员经过三年摸索终于发现光敏核不育水稻育性转换与光温关系的基本规律,一套有效的选育实用光温敏感型不育系的技术路线很快形成。
两系法杂交水稻制种,是指利用光温敏感型核雄性不育系作母本产生种子的过程。光温敏感型核不育系,在气温或日照达到某一特定临界值以后,要发生育性变化。一般是气温较高、日照较长时转化为雄性不育,可以作为制种的母体使用。而气温较低、日照较短时转化为雄性可育,可以作为自身繁殖的需要。光温敏感型核不育系从制种中作为母本的角度看,两系法制种与三系法制种原理是一样的,技术上也几乎完全一样。
二系法图解
与三系法相比,两系法具有下列优点:恢复源广,配组自由,大大提高了选育优良组合的几率;不需要保持系,简化了种子生产程序,降低了成本;避免了三系法雄性不育细胞质对F1代杂种的负效应和细胞质单一化的潜在危险。1995年,袁隆平郑重宣布:两系法杂交水稻研究已经基本成功。同年,两系法杂交水稻大面积推广应用,到2000年全国累计推广面积达333.3公顷,平均产量比三系法增产5%~10%,续写了“东方魔稻”的新篇章。两系法研究是中国独创的高新技术,是世界作物育种上的重大革命。
当全国农业界还陶醉于两系法生产时,袁隆平又提出了更高的奋斗目标——研究超级杂交水稻。
超级杂交水稻即超高产水稻。1980年日本首次提出超高产水稻的概念,引起世界产稻国家的极大重视。1989年国家水稻研究所也制定了“超级稻”选育计划。从80年代中期起,袁隆平和他的助手们就致力于超高产水稻的研究。1997年,他到江苏考察两系法杂交水稻,在观察一块亚种间杂交稻时,突然灵机一动,梦寐以求的超高产杂交水稻形态模式有了!于是,他精心设计出以高冠层、矮穗层、高度抗倒伏为特点的形态模式。他打破了其它国家育种单纯利用形态改良或单纯利用杂交优势的超级稻培育方法,制定了优良的株、叶形态培育与强大的亚种间杂交优势有机结合起来的培育超级杂交水稻的技术路线,这一独创理论对研究工作起到非常大的指导作用。经过几年的协作攻关,研究取得了重大进展,已培育出了一批超级稻苗头组合,如以“培矮64S”为母本的几个新组合。达到了2000年农业部制定的第一期目标。在小面积内试种达到了超级稻的选育目标,共有数十个0.67公顷片和数个66.7公顷片0.067公顷产达700公斤以上,突破了日本科学家估算的水稻理论极限产量。在云南省永胜县涛源乡,袁隆平教授培育的0.072公顷超级杂交水稻创造了单季0.06公顷产达1138.13公斤的记录,这些都预示着超级水稻良好的发展前景。
超级水稻不仅产量高,而且品质优良,在农业部颁发的稻米品质9项主要指标中,超级稻有6项达到一级优质米标准,3项达到二级米标准,被全国400位院士评选为“2000年中国十大科技进展”第一项成果,为了表彰袁隆平院士为杂交水稻所做的贡献,2001年他被授予国家最高科学技术奖。
袁隆平认为,凡在作物育种上有突破,就会给生产带来一次飞跃。60年代矮化育种的成功,使水稻产量提高了20%~30%,70年代中期品种间杂交水稻的选育成功,产量在矮杆良种的基础上又增加了约20%。如今,超级杂交水稻的选育使中国粮食生产正酝酿着第三次突破。
袁隆平认为,未来的农业科技发展光靠常规育种技术必将落伍,而必须与生物技术结合起来,甚至深入到分子技术领域,才可能占领科技发展的前沿阵地。要应用高精尖技术,就必须拥有高精尖的人才。他不遗余力加强对人才的引进培养,杂交水稻研究在中国几乎形成一个独立的学科,它吸引着众多超高水平的专家学者投身这一领域。
在跨入新世纪之际,袁隆平声称自己是农业战线上的一名老兵,他有两大愿望:一是把超级杂交水稻研究成功,二是让杂交水稻进一步走向世界。为了大面积推广杂交水稻,袁隆平担任了联合国粮农组织首席顾问,多次到东南亚等国指导杂交水稻育种和繁殖技术,培训技术专家。1995年获联合国粮农组织“粮食安全保障奖”。袁隆平已将杂交水稻研究视为自己生命中不可缺少的一部分,他将依然执着地为杂交水稻的发展奋斗不息、耕耘不止。