绿色超级稻品种培育及其发展

莫伊凡吴伊宁余四斌，2*

（1华中农业大学，武汉430070；2湖北洪山实验室，武汉430070；*通讯作者：ysb@mail.hzau.edu.cn）

粮食安全是中国以及世界都一直关注的重大问题。面对人口持续增长、资源日益匮乏和环境变化加剧的压力，粮食安全是农业生产面临的重大挑战。到2050年，世界人口预计将达到100亿，需要在现有基础上增加约70%粮食产量才能满足人口的增长需求。水稻是亚洲国家的主要食物来源，提供了近90%的热量，我国超过60 %人口以稻米为主食[1]。从20世纪50年代开始，水稻育种经历了矮秆育种、杂种优势利用及超级稻的发展，使水稻产量大幅提升。伴随着矮秆品种、杂交稻和超级稻的大面积生产和应用，化肥和农药施用量也成倍攀升，粮食生产资源投入激增，资源消耗与产量增长不成比例。农药化肥的过量使用造成了严峻的环境问题。如何以可持续的方式稳步提高产量，同时降低粮食生产对水肥等资源的大量消耗以及对环境的不良影响，国内外科学家进行了大量有益的探索和努力。2005年，张启发院士提出了“少打农药、少施化肥、节水抗旱、高产优质”的“绿色超级稻”（Green Super Rice,GSR）育种和生产理念，主张新品种要兼顾抗病虫、节水抗旱、养分高效利用和高产优质等特性[2]。中国政府立项支持“绿色超级稻新品种选育”重大项目，国内30多家科研育种单位参与了项目的研究。比尔及梅琳达·盖茨基金会同期资助了绿色超级稻品种选育的国际合作项目。项目研究内容包括GSR的育种理论与方法、基因组育种技术体系、绿色性状的基因聚合和种质创新，GSR品种选育以及高产高效栽培技术体系等[1]。至今，绿色超级稻项目已在绿色性状重要基因的鉴定与发掘，水稻基因组育种技术体系建立，品种的快速定向改良，以及绿色超级稻品种选育与应用等方面取得了系列重大成果，带动了作物育种目标的创新，推动了绿色品种和绿色生产体系的发展。

1 绿色超级稻品种选育与应用

绿色超级稻品种涉及许多绿色性状，如抗生物逆境（如稻瘟病、白叶枯病，褐飞虱、二化螟等），对非生物胁迫（如高低温、干旱、淹水、盐、碱等）的耐性，以及高效利用土壤中氮、磷营养元素等（图1）。绿色超级稻不仅是指具备绿色性状的高产优质新品种，还代表“绿色高效、生态安全”的栽培理念[3-4]。因此，绿色性状还包括满足轻简化和机械化等绿色高效栽培模式的品种特性（图1），如早发快发、再生能力强等。绿色超级稻品种选育与生产目标就是实现资源节约、环境友好和生活健康。

图1 绿色超级稻的目标

绿色性状多为多基因控制的复杂数量性状，要同步改良这些性状（基因）并非易事。因此，在GSR项目实施中，科学家制定了两步走的战略。第一步，通过大规模杂交、回交育种程序结合分子标记辅助选择技术，将种质资源中大量绿色性状有利基因导入到优良骨干品种中，构建大批绿色性状的导入系和近等基因系（Near isogenic lines，NIL）。导入系和NILs间高度相似的遗传背景极大地简化了数量性状位点（quantitative trait loci,QTL）和基因的检测能力。同时，优良品种的背景可以使QTL鉴定和育种实践同步进行。项目利用水稻核心种质构建不同生态区优良品种的回交导入系和近等基因系，开展了大规模鉴定与筛选，获得一大批具有抗病虫、氮磷高效利用、抗旱、高产优质等目标性状的材料，定位到大量重要性状的QTL，培育出以黄华占、93-11和IR64等优良品种为背景的优质、抗病水稻新品种[5-7]。第二步，将导入系或近等基因系相互杂交，实现基因聚合，通过分子标记辅助选择或全基因组选择技术实现不同优良基因向优良品种累加，培育大量优良基因聚合的绿色超级稻品种[1,8]。截止2019年初，国内外育种家已经培育具备多个绿色性状（如抗病、抗虫、养分高效利用等）的水稻新品种125个，其中，66个具备多种绿色性状的新组合（品种）通过品种审定或认定（图2）。除此之外，41个品种被认定为氮高效的GSR品种[1]，22个品种具有较强的节水抗旱能力[9]；还有超过100个水稻新品系正在参加各级区域试验和品种审定[10]。这些品种在中国和非洲、东南亚地区已累计示范推广近1 699万hm2[1]。

图2 绿色超级稻品种的推广应用

绿色超级稻在中国不同水稻产区的生产示范试验表明，在平均减少30%氮肥、农药及减少灌溉水的条件下，表现出显著的增产和稳产性能[10]。在一些国家（如菲律宾、孟加拉国、莫桑比克等）的贫困地区，其稻田完全依赖雨水浇灌，选用GSR品种可显著提高水稻产量和当地农民的净收入[11]。2018年莫桑比克审定GSR品种Simo，并在3个省份种植，产量提高，成本降低，效果非常明显[12]。由于绿色超级稻的培育与应用对资源环境以及农业绿色发展产生的积极影响，2018年，“绿色超级稻”入选改革开放40周年大型成果展览。2021年，第26届联合国气候大会将绿色超级稻作为全球“迎接2050挑战”、建立低碳与适应气候变化的食品系统的科技方案[1]。

2 绿色超级稻的育种技术体系

2.1 优异基因资源发掘与利用

水稻种植历史悠久，稻种资源极为丰富。丰富的栽培稻及野生稻种资源为剖析抗病虫、养分高效利用、抗逆、优质高产等重要性状的遗传基础奠定了基础，也为培育具有绿色高产优质性状（基因）新品种提供了关键基因资源。近10多年来，随着功能基因组学和种质资源基因组测序研究的快速发展，科学家从水稻种质资源中鉴定和发掘到大量功能基因及其自然变异。GSR项目对来源于89个国家3 010份亚洲栽培稻进行基因组测序与分析，检测到约2 900万个单核苷酸多态性位点、超过24万个插入缺失变异及9万余个结构变异[13]，揭示了亚洲栽培稻种内基因组遗传多样性和群体遗传结构特征，加快了水稻重要基因等位变异的发现与利用。截至2022年2月，国内外科学家鉴定分离到4 100多个水稻功能基因[14]，涉及不同绿色性状相关基因，其中包括抗病（约占8%）、抗虫（1%）、逆境响应（16%）、营养高效（7%）、产量（7%）、品质（3%）、抽穗期（10%）和育性（6%）等基因[3]。一批重要基因的自然等位变异和关键核苷酸功能位点的鉴定与发掘[1,15]，为精准定向改良GSR品种提供了基因组育种选择的可操作目标。许多鉴定分离的绿色性状基因显示出巨大的育种利用前景，如最近克隆的抗稻瘟基因PICI1、rod1、ipa1-1D和bsr-k1[16-19]，抗水稻黑条矮缩病毒基因Os－AP47[20]，抗褐飞虱基因BPH30、BPH40和BPH6[21-22]，响应水稻低温胁迫基因ipa1-2D、CTB2和CTB4a[23-24]，耐高温基因HTH5、TT2[25-26]和响应水稻干旱胁迫基因DROT1[27]等；提高氮、磷肥利用率基因OsDREB1C、OsTCP19、OsPHO1;2和NGR5[28-31]，以及水稻产量基因Ghd7和Ghd8等[32-33]。功能基因组学的发展和越来越多功能基因的鉴定为绿色优质新品种的基因组设计育种奠定了理论基础。

许多重要基因的优异等位变异已经在绿色超级稻育种实践中得到了应用[1,3]。以控制水稻直链淀粉含量（AC）的关键基因Waxy(Wx)为例，该位点存在至少11个 等 位 基 因（Wxa、Wxb、Wxla、Wxlv、wx、Wxt、Wxg1、Wxg3、Wxin、Wxop、Wxmp等）[34-35]。其功能的强弱决定了稻米的AC差异，进而影响稻米蒸煮食味品质。其中，Wxa多存在于籼型品种中，其AC在25%或以上；含Wxin的稻米AC为18%～22%；Wxb多存在于粳稻中，其AC含量为15%～18%；携带Wxop和Wxmq的稻米AC一般在10%或以下；wx基因是功能缺失基因，存在于糯稻品种中，使其AC含量极低。因此，育种家可以依据Wx基因变异及功能差异信息，针对市场多样化的需求，选择合适的等位基因开展绿色超级稻的品质改良。Ghd7编码CCT蛋白，是一个同时控制穗粒数、抽穗期和株高等性状的多效基因。Ghd7在栽培稻中至少存在9种等位基因[36]，既有缺失或无功能的等位基因，也有表达差异的功能等位基因，不同等位基因的感光性差别很大，在地理分布上具有鲜明的特点。在长日照条件下，强表达Ghd7推迟抽穗、增加每穗粒数，而功能弱化或无功能的等位基因有利水稻在高纬度地区和生长期较短的条件下种植[32]。因此，Ghd7在增加水稻产量和环境适应性方面具有重要的利用价值。

许多性状间往往存在相互联系，在改良目标性状（基因）时，往往存在“一因多效”或基因连锁的现象，会导致非目标性状的改变。弄清楚基因多效性和基因间相互作用是发挥绿色性状基因聚合效果的关键。最近研究发现，转录因子DREB（Dehydration Responsive Element Binding）的家族成员OsDREB1C是一个同时提高产量和氮素利用率且提早抽穗的基因，光和低氮状态能诱导其表达调控光合作用能力、氮素利用效率和开花时间。过表达OsDREB1C的水稻株系产量显著提高41.3%～68.3%，氮素利用率提高25.8～56.6%[28]。该基因的发现为解决水稻长期存在的早熟不高产的矛盾提供了一种可能方案。Ghd7作为转录因子，可与提高水稻氮肥利用率的关键因子ARE1结合并抑制其表达，正调控水稻氮素利用效率和产量[37]。Ghd7调控产量与氮利用效率的研究为培育氮高效品种奠定了基础。水稻株型基因IPA1/ipa1-1D编码植物特有的SPL（SQUAMOSA promoter-binding protein-like）转录因子，是一个同时提高产量与抗病性的基因。IPA1受稻瘟病菌诱导磷酸化，改变IPA1与DNA序列结合。通常情况下，IPA1结合穗发育相关基因的启动子，增强其表达，调控水稻产量；受稻瘟病菌诱导后，IPA1更倾向于结合抗病相关基因如WRKY45，诱导其表达，从而提高抗病性；而且IPA1很快可恢复低磷酸化状态，以保证水稻发育的正常进行[18]。IPA1通过维持生长和免疫之间的平衡来提高产量和抗病能力，为培育抗病又高产的新品种提供了新的思路。

综合提高品种品质、抗性和产量等表现，需要有效聚合不同有利性状（基因）。由于植株生长的资源分配与遗传上的连锁效应，选育高产、优质和抗病等性状于一体的新品种存在一定困难。而应用基因组育种技术可以有效地选育出具备高产、优质、抗病等性状的GSR品种（图2）。最近有许多根据不同功能基因的信息开展绿色超级稻育种的实践案例。例如，抗褐飞虱基因BPH14编码CC-NB-LRR蛋白，BPH15编码凝集素受体激酶。2个基因之间存在不同的抗虫防御反应机制。BPH15通过细胞表面受体蛋白引发的免疫反应与BPH14激活下游抗性信号通路完全不同[38]。因此，聚合BPH14和BPH15品种的抗褐飞虱效果要优于只含BPH14或BPH15单个基因的品种[39]。类似地，聚合产量相关基因TGW6、OsSPX1，抗病基因Pigm和品质基因Wxmp，可以培育出高产、优质、高抗稻瘟病的新品种[40]，提供了解决普遍存在的“高产而不抗病”或“优质而不高产”等育种问题的案例。不过，现阶段同时具备高效利用氮磷营养、节水抗旱、抗病虫和抗逆特性的新品种还较少（图2）。为此，鉴定发掘更多具有绿色性状基因并剖析其相互作用效应，将是加快选育GSR新品种的重要内容。

2.2 基因组育种技术体系

基因组育种是以基因的遗传、功能和育种效应为基础，以高通量检测全基因组DNA序列多态性为手段，对目标基因（性状）、非目标基因和基因组背景进行精准选择、替换，达到定向、精确和高效培育新品种的目的。全基因组选择技术和目标基因选择技术是基因组育种选择的关键。前者以高通量测序技术和育种芯片技术为核心，后者包括目标基因的特异标记及其侧翼标记组成的标记选择体系[1]。

随着高通量测序技术的发展，低成本获得全基因组水平上单核苷酸序列多态性（Single nucleotide polymorphism,SNP）信息成为现实。目前，科学家根据不同的遗传育种需求，开发出基于测序技术的高通量基因型鉴定方法和多款不同通量的SNP芯片[41-42]。高通量基因分型和育种芯片技术已成功应用于品种真实性鉴定、基因指纹分析、性状位点的全基因关联分析、育种系谱溯源分析以及标记辅助选择等各个育种环节[43-44]。目标基因选择技术体系是利用分子标记检测手段对目标基因进行精准选择，同时降低因遗传连锁累赘带来的不良性状。该选择系统一般由基因内的功能标记和基因两侧的侧翼（例如，＜100 kb）标记组成，功能标记是根据引起功能差异的变异序列开发而来。

GSR项目建立的基因组育种技术体系（图3），主要包括以下几个方面的内容：（1）根据育种目标选择优良水稻品种为受体亲本，分析亲本基因组序列和功能基因，确定待改良的基因及供体种质资源，设计育种方案；（2）以优良品种为受体亲本，以具有优异等位基因的种质为供体亲本，进行杂交和连续多次回交；利用回交育种程序结合全基因组选择技术，创制大量以优良品种为背景、含不同目标基因的NILs；（3）为了实现每个目标基因的精准定向替换，减少连锁累赘的不利影响，采用2轮目标基因选择和1轮基因组背景选择的策略选择回交后代单株（图3），即在BC1F1，利用基因特异标记体系选目标基因及一侧发生重组交换的单株，再与受体亲本回交；同样在BC2F1选目标基因并另一侧交换单株，连续回交获得BC3F1，育种芯片选择基因组背景与改良亲本基本一样，且带有目标基因片段（一般＜200 kb），在BC4F2，筛选目标基因纯合单株；（4）利用上述目标基因的NILs，根据不同生态区域和基因组设计育种方案，设计聚合不同有利基因，采用全基因组选择技术体系选育出符合“少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产”的绿色超级稻新品系。聚合系或新品系经过田间考察和品系比较试验（图3），完成品种生产性试验和品种审定与推广。

图3 绿色超级稻基因组育种体系

利用基因组育种选择技术策略，新品种培育的全程只需选择少量单株进行杂交，且大大缩短育种年限（2～3年），提高选择效率[3]，极大地提高了育种选择效率和精确性。同时，结合快速育种技术的研发利用，如建立由计算机对作物生育过程的光照、温度环境以及养分等进行自动精准控制的“植物工厂”，不受或很少受自然条件制约，可进一步缩短育种周期，加快育种进程，实现新型高效的育种模式[45]。利用“无人植物工厂育种加速器”可以实现水稻从播到收只需60多天的超短生育期的水稻生产[46]。另外，配合植物工厂模式，研发超矮秆水稻材料等作为回交受体亲本，可提高时空利用效率，为开展大规模的基因功能以及基因互作效应等研究提供新的策略和途径[47]。

3 绿色超级稻的产业化应用

绿色品种还需要结合绿色栽培模式，才能达到“绿色高效、生态安全”的生产目标。我国科学家开展了“资源节约、环境友好”的绿色高效栽培技术和绿色综合防控技术的研发与应用，进一步实现大面积水稻增产增效[48-51]。针对氮肥施用过量和氮素利用效率低的问题，建立了实时实地氮肥管理栽培技术，通过调控灌溉方式和种植密度，协同提高氮肥利用效率[52]。目前，绿色超级稻品种配套的“两型”栽培技术模式在湖北、湖南、安徽、江苏和广东等大面积示范推广已超过347.0万hm2，节本增收123.4亿元[53-54]。项目开展的绿色超级稻品种免耕撒播、免耕机插、免耕抛秧等绿色轻简化栽培的大面积试验示范，取得了明显的经济效益和社会效益；绿色超级稻品种与绿色高效栽培技术的结合，可以减少30%农药、化肥施用量以及减少灌溉水量，促进稳产与高产[55]。

稻田种养是以稻田为基础，在水田中放养鱼、虾、蟹、鸭等水产动物，通过水稻与水产动物互惠互利而形成的种养产业模式[56]。近年来，湖北省等地兴起的“双水双绿”产业模式，作为一种产出高效、资源节约、环境友好的生态农业模式，受到高度重视。“双水双绿”旨在通过利用湖区稻田和水资源的优势，将“绿色水稻”和“绿色水产”有机结合起来，推动稻田种养产业迈向新阶段[53]。绿色超级稻品种的培育为绿色水稻、绿色水产协同发展提供了技术支撑。研究表明，与传统水稻单作模式相比，“双水双绿”的稻虾模式在增肥、改土、活水、控草、控病、控虫等方面体现出较好的效果，基本实现了不施用农药、大量减少肥料以及减少水产养殖的抗生素和生长调节剂等农化品的施用[56-57]，从而增加稻米和水产品的安全性，提高稻田经济效益，达到绿色倍增的效果。培育更多适合“双水双绿”模式的绿色优质水稻品种，将加快农业产业的提质增效和农业绿色发展。

4 绿色超级稻研究展望

为了满足人们对粮食安全、食品安全和生活健康的需求，绿色超级稻的目标也在不断发展。水稻作为我国和其他亚洲国家的主要食物来源，除了提供能量外，还应该具有营养健康价值。

优质稻米需要好看、好吃而且营养健康。营养健康是消费者对稻米提出的更高要求。目前，糖尿病、心脑血管疾病、癌症等非传染性慢性病进入高发、频发的阶段，开发满足特殊人群个性化需要的功能产品，如适合肾病、糖尿病患者等食用的稻米逐渐受到关注。营养学家倡导有效干预慢性病发生的全谷健康膳食理念[58]。全谷（糙米）包括种果皮、糊粉层、胚和胚乳等部分。全谷食品相较于精米（仅含胚乳），富含更多的蛋白质、不饱和脂肪、矿物质、维生素、膳食纤维、微量元素和营养活性物质[59]。黑米不仅含有糙米中的营养成分，而且还含有白糙米所没有的花青素等一些特殊营养组分，它们具有抗氧化、抗炎症和抗衰老等生物学功能。因此，张启发院士最近提出主食全谷化，尤其是黑米替代精米作为主食的主张[60]，以提高营养健康水平。

到2050年，全球人口预计将增加到100亿，粮食、资源和健康将面临更加严峻的挑战。如何减少粮食生产对环境的影响，如何在低碳环保的要求下，实现粮食安全和营养健康，需要从基础研究、技术创新和产业实践等多领域展开协同研究。随着基因组学、分子生物学和表型组学技术的迅速发展，系统剖析绿色、营养、优质性状的功能基因及其调控网络以及基因与环境等互作效应成为遗传育种的重要内容。育种技术将进一步向有利于精准化、高效化、智能化的基因组设计育种方向发展。依靠基因组育种技术体系，快速培育符合市场多样化要求的绿色营养优质水稻新品种，将极大促进农业产业的发展，不断满足人民对美好生活需求。绿色超级稻的实践及其发展为建立适应气候变化的粮食生产系统的可持续发展提供了范例，并将在推动作物育种目标和农业产业模式的改变中发挥积极的作用。