我国杂交稻机械化制种技术研究进展与展望

杨 韦，方 玉，严 志，申广勒，汪和廷，王 慧，张从合

安徽荃银高科种业股份有限公司/农业农村部杂交稻新品种创制重点实验室，安徽合肥 230088

农以种为先。水稻是重要的粮食作物，全世界50%以上，我国约65%的人口以大米为食[1]。我国是世界首个培育杂交水稻并大面积生产应用的国家。经过50余年的发展，在劳动密集型产业的基础上形成了完善的种子生产体系。然而，目前水稻生产系统耗时耗力，种子生产基地规模小、分散，难以保证种子生产的产量和质量。同时，杂交水稻产业正面临着复杂多变的气候变化压力和劳动力供应不足等一系列问题，杂交水稻尤其是杂交稻种子生产环节迫切需要实现机械化、智能化，如何从育种技术端实现突破、如何创制适宜机械化生产的新材料与新组合、如何实现全程机械化产业创新发展，正成为制约我国杂交水稻产业进一步发展的难点。

1 杂交水稻技术应用保障了国家粮食安全

杂交水稻的研发与应用是我国农业科技尤其是水稻领域处于世界领先水平的重要标志。我国水稻年种植面积接近全国耕地面积1/4，约3 000万hm2，其中杂交水稻年种植面积约占水稻总面积的57%，杂交稻制繁种面积约18万hm2[2]。国家统计局数据表明，2016年我国水稻种植面积3 016.24万hm2，占全年粮食播种总面积11 302.82万hm2的26.69%，水 稻 总 产 量2.07亿t，占 全 年 粮 食 总 产 量6.16亿t的33.58%，杂交水稻突出的产量优势有效地保障了国家粮食安全，然而新形势下，如何保证农业持续高质量发展？寻找和实现杂交水稻生产全程机械化和轻简化是关键。

2 国外农业机械化发展现状

以美国为代表的国家较早地开展农业机械化研究。早在1980年，我国杂交稻品种南优2号在美国开展了机械化制种试验，实验结果显示，借助直升机旋翼风力，可以辅助水稻制种田间授粉研究[3]。马来西亚以杂交水稻“SIRAJ”和“HR-15H”为对象，结合农业机器及其配套技术，成功将制种产量从0.4 t/hm2提高至1.2 t/hm2和1.8 t/hm2[4]。目前，发达国家及跨国龙头企业在农业机械研制方面也颇具优势，例如美国John Deer、AGCO 等公司生产的通用农业机械，能够完成主要农作物的全程机械化生产。

3 我国农业机械化发展现状

当下，虽然我国农业机械化水平有待提高，但近年来，国内农业政策与相关项目的推行也取得了一定的进展。华南农业大学汪沛等[5]以Z3型无人驾驶油动力单旋翼直升机（UGESRH）辅助授粉，实现了父母本机械化耕种和收割。段胜明等[6]对水稻品种深两优870进行机械化制种，利用单旋翼农用无人机载重农药和辅助授粉等方式，提高授粉效率15%以上。黄波等[7]利用国审品种蓉18优662开展研究，2014年在四川省绵阳市游仙区重点研究机械化种子生产配套技术。扬两优6号是两系杂交水稻种植面积较大的组合，谭长乐等[8]以扬两优6号为重点，开展了全程机械化研究示范。荃银高科利用两系不育系新安S（颖壳具有褐色）为母本，育成具有防伪性、亲本色差明显的优质型新品种，株型和生育期适中，可以满足市场对轻简化生产需求。

4 我国在杂交水稻制种机械化的创新技术

近年来，科研工作者加强了对适宜机械化制种技术的研究，主要有以科研院所主导水稻新基因的挖掘与利用，例如除草剂敏感基因、大小粒控制基因、褐色基因等；以企业和应用单位联合开展的父母本混播混收结合光电色选技术、花粉贮粉、储藏与授粉制种技术等；同时，有部分配套农机农艺研究与试制。总体来说，我国在农业机械化尤其在新品种及配套技术方面已经取得了一定的成果。

4.1 除草剂敏感基因导入法

此方法原理为：在杂交水稻亲本中导入除草剂敏感基因，制种时采取父母本混合播种，喷施除草剂，使携带有水稻除草剂敏感基因的父本在授粉之后死，亡从而实现混播混收和制种机械化。刘秋华[9]对农林8号m苯达松的敏感致死性进行了系统研究，并进行了基因定位。朱必凤等[10]研究了除草剂苯达松敏感致死水稻bel基因。科研工作者选育出除草剂“苯达松”敏感水稻恢复系和不育系，能够进行混播制种的红莲型杂交中籼新品种混制1号、混制2号等[11-14]。苯达松敏感致死的两用不育系8077S 、佳丰68S（中籼型水稻两用核不育系）、籼型光温敏核不育系绿敏S等水稻资源的相继发掘为除草剂敏感基因导入研究积累了一定的资源。除了苯达松敏感基因之外，我国科研工作者在抗除草剂水稻品种选育方面也取得突破，将Bar基因导入恢复系B1、B7以及培矮64S中[15]。肖国樱等[16]将Bar基因导入D68中并成功选育出抗草铵膦水稻恢复系Bar68-1；育成了水稻新组合香125S/ Bar69-1、株1S/Bar68-1等代表性组合。

4.2 基于稻壳颜色标记实现“混播混收+光电色选”

通过选育父母本籽粒颜色差异化的不育系或恢复系，混种混收后利用光电分选设备将父母本分选，可以实现制种机械化。我国科研工作者针对稻壳颜色标记进行了系统研究，并进行了机械化模拟制种或示范制种。广西博白县农科所早在1987年就已经选育了褐色颖壳不育系博白A等材料[17]。刘文江等[18]利用具有隐性金色壳特征的恢复系成恢51430，与内6A、川康606A等多个不育系，混播混收结合化学除草、种子色选等技术，初步实现了制种机械化。安徽荃银高科种业股份公司利用具有褐色性状的母本新安S等材料，育成了适宜机械化制种的两系杂交晚籼稻组合新两优106、新两优香4、新两优1671、新两优611等，以荃香糯S（新安 S×香糯Y874）为例，2015年9月，荃银高科在安徽省六安市舒城县桃溪镇金圩村混直播制种田，实收荃香糯2号混直播制种田866.67 m2，折合产量387 kg/667 m2，折合杂交种亩产224.1 kg，比对照（人工栽插秧）增产41.5 kg，增幅达22.7%。此外，公司与美亚光电等企业合作进行配套的光电色选设备研制，目前已能够实现高精度的谷色筛选。随着光电色选技术的提升，利用水稻特异颖壳颜色为区分，实现混播制种应用条件相对成熟，在今后杂交水稻生产中将有大幅应用。

4.3 基于父母本粒型差异,开展“混播混收+机器分选”

针对稻谷籽粒大小，设计配套仪器，在父母本混播混收后可实现机器分选，该技术方向目前国内已取得一定研究成果，刘廷斌等[19]已选育出亲本粒型大小差异的品种，并进行了配套技术探索研究。余应弘等[20]创制出水稻光温敏小粒不育系，千粒重11 g左右，并配套设计出圆筒窝眼型孔筛，通过机械分选程序，能够依据粒型大小实现杂种分离。但在实践中，粒型差异受到高温等自然环境的影响，父母本粒厚差异会出现波动，大规模生产存在制种风险，容易出现因机械分离去除不完全，从而导致种子纯度不高。

4.4 杂交水稻机械采粉、贮粉与授粉制种技术

主要原理：利用机械收集、贮藏父本花粉，实现花粉实时就地授粉。在杂交水稻母本扬花授粉时期，形成花粉云雾，实现杂交稻母本授粉的目的[21]。制种时，经常会遇到花期不遇的现象，需要调节播种时间，但往往无法解决花时不育的问题。开展水稻花粉离体保存技术研究，为收集水稻父本花粉，进行异地、异时授粉制种提供技术支撑。该技术的优点是不需杂交稻父母本混植，无需调节花期和花时，可根据情况多次授粉，提高杂交稻制种或不育系繁殖单产。但是，配套花粉采集、保存、授粉等系列仪器设备制造及规模化试验场景验证等仍有待进一步研究。王永维等[22]利用“击穗气吹式”授粉机开展授粉环节机械化。荃银高科也开展了水稻花粉保存技术与利用的研究，可以完成水稻、小麦等花粉初步采集、贮藏和再授粉过程，避免受天气和自然灾害的影响，其中，发明专利《一种禾本科作物杂交种规模化生产的方法》已获得授权，申请并授权实用新型专利5项；外观设计专利1项。

4.5 利用水稻雌性不育实现父母本混种混收

通过将雌性不育特性的水稻材料转至杂交水稻父本中，筛选出雄配子发育完全正常而雌配子发育障碍的材料，无法获得正常的父本种子，实现父母本混植机械化制种，将具有这种功能的父本与不育系混播混收从而实现制种机械化[23]。曹孟良等[24]利用雌性不育的杂交稻机械化制种技术研究与应用，利用水稻雌性不育、花粉致死、荧光筛选标记等基因开展研究。云南农业大学科研团队构建了“水稻雌性不育系+雄性不育系”，即“FM系法”，也为实现杂交水稻机械化高效制种提供了新的技术方案。

5 我国在杂交水稻制种机械化关键问题

我国在杂交稻制种全程机械化方面进行了大量的研究与多方面的创新尝试，但在具有自主核心知识产权且适宜机械化制种基因挖掘和克隆方面仍然有很大的提升空间，且主要技术掌握在科研院所中，缺乏与产业龙头企业的合作和大面积产业化实践。目前，研究的主要方向或多或少存在着技术缺陷，例如：适宜机械化生产的突破性杂交稻新品种不足、基于籽粒大小基因带来的纯度问题、特色基因引起连锁累赘、花粉收集储藏配套机械设备不足、高质量机械化制种配套技术体系不够完善等问题有待解决。

6 实现制种机械化的策略

6.1 加强财政引导，鼓励和支持“产学研用”一体化

种机械化是一项系统性、复杂性的工程，涉及新基因、新技术、新材料、新组合、新设备等多个方面，需要科研院所与行业龙头企业共同探索，形成“基因、技术、产品、产业”闭环，并进行配套技术研究，促进种业的可持续发展。鼓励和搭建以解决种业“卡脖子”问题为目标的联盟、创新联合体、产业体系等多种创新平台，建立系统化机械化种模式和产业体系，联合攻关开展杂交稻制种的农机与农艺融合研究和应用。

6.2 以分子生物技术为支撑，注重突破性水稻新品种选育及技术融合

在品种选育和应用过程中，尤其是种业企业应高度重视农艺农机相结合，培育出满足市场需求、适宜机械化、轻简化种子生产的水稻品种，这是推动制种机械化关键[25]。挖掘和利用优良基因，在保证材料和品种生育期、抗倒耐逆等适宜机械化生产的基础上，继续培育具有高产、优质、耐逆、抗病、适宜机械化生产的新品种。同时可以综合考虑技术间的合作和效能提升，例如在父母本色差与除草剂基因结合，实现“双保险”，从而多维度提升种子纯度。

6.3 加强配套农业机器设备研发与应用

种业是农业的芯片，党和国家对农业尤其种业的高度重视和支持为种业科研提供了良好的政策环境，我国的杂交水稻制种机械化已具有一定的技术实力和市场应用前景。水稻育种家与农机专家需要密切合作，在选育适合机械化、轻简化关键农艺性状指标品种，满足杂交制种产业规模化、机械化、智能化、精准化的要求。

例如：荃银高科与光电色选上市公司合肥美亚光电技术股份有限公司合作研究适合稻谷种子的色选技术和精度高、识别速度快的仪器设备的基础上，针对水稻稻谷颜色特殊、不透明、外表粗糙，干燥度或成熟度不一致，色选环境较差等条件，不断调整试验技术参数，制定相关操作规程，最终使种子色选精度达99%以上，被选种子基本无破碎。

随着我国适宜机械化、轻简化杂交水稻新品种、新技术不断发展与创新，尤其是在以隆平高科、荃银高科等为代表的种业上市公司不断加强研发投入，坚持品种创新的同时，也联合科研院所开展基础研究与应用技术等创新合作。我国种业机械化整体水平与国外逐步缩小，且在水稻新品种选育等方面具备一定优势。未来，随着配套种子播种、收获、贮藏、光电筛选等仪器设备的不断完善优化，能够为解决杂交稻机械化制种“卡脖子”问题提供解决方案，从而实现杂交稻产业的持续创新发展，保障国家乃至世界粮食安全。