储成才：找回丢失的基因 开启新的绿色革命

　　新浪财经讯  主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第41期演讲于2021年2月6日在北京以网络线上直播方式举行。来自中国科学院遗传与发育研究所研究员储成才出席并以《找回丢失的基因，开启新的绿色革命》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　各位朋友下午好，我是中国科学院遗传与发育生物学研究所的储成才。

　　我们讲什么是绿色革命？因为我们一讲绿色往往都和生态连到一起，但是在农业生产上，我们讲绿色革命通常是一项革命性的技术而导致的农作物产量的大幅度提升。

　　所以我们上个世纪50年代、60年代，那时候我们种的水稻是这个样子的，基本上都是高杆，超过一人多高，但是这种高杆水稻有个什么缺点？当施肥的时候特别容易倒伏，倒伏就导致减产。

　　1956年，我们国家华南农学院的黄耀祥先生，就用广西省的一个农家品种叫矮子占和高杆的水稻品种去杂交，培育了第一个矮杆品种叫广场矮。10年之后1966年在菲律宾的国际水稻所，同样用我国台湾省的一个农家种叫低脚乌尖和高杆水稻品种，杂交培育了第一个半矮杆品种叫IR8。矮杆品种和半矮杆品种的培育和推广，使得亚洲的水稻产量获得大幅度提升。

　　上世纪50年代，我们国家的水稻亩产大概是164公斤，但是到70年代初，我们国家水稻产量就已经到238公斤，单产提高了45%。这就是我们经常讲的第一次水稻绿色革命。

　　我们经常讲，为什么高杆变矮秆水稻产量会有大幅度提升呢？从遗传上讲，实际上高杆变矮杆就是一个基因的突变叫Sd1。矮杆水稻，由于它对肥料不是特别敏感，也就说你施肥它不至于倒伏，所以这时候施肥一下产量就会提高。结果我们看上世纪绿色革命以前，1958年到1963年，我们平均每施公斤纯氮能够增产15--20公斤的稻谷。但是到80年代我们可以看到，我们每施公斤纯氮就增产9.1公斤稻谷，然后现在我们每施公斤纯氮大概增产5公斤。

　　为什么会出现这种局面呢？我们刚才讲的矮杆品种对氮肥不敏感，所以农民就有一种观念，我施肥越多，产量越高。这时候育种家也会有一个观念，我要适应农民的需求或者适应市场需求，培养耐肥品种，比如这样讲农民就可以拼命施肥。所以我们可以看到，实际上绿色革命，导致化肥利用效率大幅度降低。

　　我们来看一组数据，从1950年到2010年，这60年中间，我们国家粮食产量增加多少？是4.13倍，但是我们现在国家的化肥用量增加多少？100倍。所以大家可以看这个图红色这一部分，到2015年我们国家施肥多少？6000万吨，不是6000万公斤6000万吨。我们国家的施肥，占全世界的化肥总产量的33%。

　　我们经常讲我们用8%的耕地面积，养活了19%的人口，但是我们很多人不知道，我们用8%耕地面积，也消耗了世界上33%的化肥，所以我们国家的化肥实际上利用率只有发达国家的一半左右，30%，那么我们就问还有70%干嘛去了？

　　其余的化肥有很大一部分就流失到江河湖海，这种不同的水体里面，这就是我们经常发现的水体负氧富营养化污染。

　　还有一部分，以氮氧化物和氨的形式挥发到大气中间，当然氮氧化物我们很多人都耳熟能详，为什么？我们知道雾霾的组成成分，我们就知道是氮氧化物、二氧化硫和可吸入颗粒物。也许大家不知道，我们这里面有一个被忽略的雾霾的真正的一个元凶就是吸附在可吸入颗粒物上面的氨气。有统计数据表明在轻污染天，硫酸铵和硝酸铵的质量浓度总和占着PM2.5的20%，在重污染天，它可以高达40%到60%。你可以想象我们吸入的可吸入颗粒物，如果含有40%--60%的氨是什么状况？还有一个数据就是，京津冀地区每年每平方公里的氮沉降是多少呢？6.1吨，那么氮沉降的主要成分主要是氨气，那么氨气的主要从哪来的呢？其中40%是来源于化肥的污染，所以我们经常讲去年新冠肺炎发生的时候，汽车也停了，工厂也关了，但是雾霾照旧。

　　除了前面说的污染以外，生产一吨的氮肥，实际上我们还需要消耗2.8吨的优质煤，1600度电能，同时造成大概是2.5吨的碳排放。我们可以看到，氮肥的生产实际上也是一个高耗能，高污染的行业。从前面我们讲的这些数据，我们可以感觉到以前我们讲绿色革命，从生态和环保角度来讲，其实并不绿色。

　　1999年，我们国家三位科学家就想怎么改变这种局面，我们有没有可能通过品种的培育，在提高产量的同时，大幅度减少化肥和农药的投入？所以提出来叫少投入，多产出，保护环境的新绿色革命理念。

　　当然如果我们要实现这一宏大目标，首先我们要知道，我们怎么能够从植物中间，找到控制氮肥利用效率的基因。我们知道水稻95%是种植在亚洲，亚洲栽培稻有两个主要的亚种，一个叫籼稻，一个粳稻。我们很多朋友知道籼稻种植在南方，粳稻种植在北方，所以籼稻和粳稻，温度的耐受性，还有株型、口感都不一样。我们讲东北大米，北方人都喜欢吃？南方主要是杂交米，所以口感也不一样。

　　但是在2001年，当时我回国没多久，在我和育种家交流的过程中，育种家告诉我一个非常令我吃惊的事，籼稻和粳稻之间有非常大的区别，就是肥料的利用效率，籼稻比粳稻氮肥利用效率要高30%--40%。我们就在想，我们有没有通过一种新的技术，让粳稻具有像籼稻一样的氮肥利用效率。在相同的产量同时，我们就可以减少30%--40%的化肥。

　　我们团队经过15年的努力，克隆的第一个基因叫NRT1.1B，解开了氮肥利用效率之谜。如果我们把籼稻的NRT1.1B，通过杂交的方法转入到粳稻里面以后，就可以实现粳稻氮肥减半，而产量不减。我们不禁要问，为什么籼稻有氮高效基因，育种可以显示出来，粳稻没有吗？我们就对籼稻和粳稻的野生稻祖先的NRT1.1B，进行跟踪分析，非常有意思，在籼稻的野生稻祖先中间，还有两种基因型，也就说两种突变，一种是氮高效的，一种是氮低效的。在我们育种的选择过程中间，我们先民不停的选择，差不多1万年，把氮高效的选出来。当我们去看粳稻的野生稻祖先的时候，它只有一种氮低效类型。那么你可以知道，因为它没有氮高效的，无论你选多长时间，无论是一百年，一千年或者一万年，它还是氮低效的。这一结果给我们一个非常好的启示：我们就想，我们育种实际上从野生稻到农家品种，从农家品种到现代品种，经过上万年的时间，在选择过程中，我们丢掉了很多基因。我们在近一百年左右，育种过程中间，是不是也丢掉一些好的基因，特别是当我们大量施肥，去筛选耐肥品种的时候，是不是把一些氮高效的基因丢掉了呢？如果是，那么我们能不能通过现代的测序方法，把这些现代品种中间，丢掉的氮高效基因，从早期的农家品种中间找回来，去改良现代品种。

　　我们必须找着这些在氮肥使用之前的农家品种。我们得知美国农业部在过去一百年期间，从全世界116个种植水稻的国家，收集了18412个水稻品种。这些水稻品种绝大部分都是农家品种，也就是说是在施化肥之前的品种。当然1万多种实际上是很多的，我们很难去做。所以我们通过分析田间表型和序列，就把18，000多种逐步减少到203种，我们叫水稻的微核心种质资源。微核心种质资源，也可以代表全世界不同地方的水稻多样性，所以这张地图，大家可以看到是这203份品种的，不同的类型，以及在全世界分布情况。

　　我们和华大基因合作，把所有的水稻品种基因检测了。因为我们知道表型都是由基因决定的，当然从水稻序列，我们从这个图上可以看到，就4种碱基A、G、C、T，哪些是编码氮高效基因，你是不清楚的。为此我们和华南农业大学的廖红教授合作，把这些品种都种植在含氮不同的田里面，低氮、中氮、高氮，去看它产量要素的变化情况。然后把基因型和表型，通过计算生物学和群体遗传学，结合其他的多重组学去关联，看在水稻的染色体，什么地方存在氮高效基因。非常令人兴奋的一件事是，我们在第六染色体上，发现一个非常明显的信号，这就是TCP19氮高效基因。我们在所有水稻品种中间序列比较的时候就发现，它可以分成两种类型，一个氮高效类型，一个氮低效类型。

　　我刚才也说了，我们所有品种在田间也种过，种了以后把TCP19氮高效类型或氮低效，和田间的表型去关联的时候就发现，氮高效类型的基因，它在田间产量性状要好，氮低效的基因在田间产量比较差，所以这两者是高度关联的。这时候我们想，把氮高效的基因，通过杂交转育的方法，转到不同的氮低效基因中间，我们就可以看到在不同的条件下，低氮和中氮条件下，如果我们把品种改良的水稻，含有氮高效的基因的水稻种下去，它的产量可以提高20%--30%。

　　这是亚洲一张地图，大家可以看到上面有蓝色，有红色，有紫色，不同的颜色，代表土壤里面氮的含量，蓝色越深，代表土壤中间的氮含量越低，红色越深，代表土壤中间氮含量越高。你可以看到在印度、巴基斯坦、孟加拉国是蓝色，但到中国华南地区可以看到是红色，到东北和日本是紫红色，土壤是不一样的。

　　如果我们把这些地区的水稻的不同的基因型，它含的是氮高效的，还是氮低效的基因型分开，放在这个地图上，你就可以惊喜的发现，在印度，孟加拉、巴基斯坦含氮高效的水稻品种是96%，到中南半岛70%，是到印度尼西亚，马来西亚30%，到中国华南地区7%，到了中国东北和日本氮高效的品种仅仅5%。这说明土壤氮含量越低，氮高效率水稻品种越高，土壤氮含量越高，氮高效率水稻品种越低，所以含氮高效TCP19水稻比例和土壤氮含量呈负相关。如果我们进一步把这些细分到不同的国家，你就发现非常有意思现象，在孟加拉国，氮高效水稻品种占81%，马来西亚78%，印度尼西亚77%，到美国21%，到韩国、日本6.7%，中国6.5%，那也就是说施肥越多，像中国、朝鲜、韩国、日本、美国施肥越多，氮高效品种越低，施肥越少，氮高效品种越高。

　　这项工作2021年1月6日发表《nature》上面，这项工作发表以后，引起一些国内外媒体的广泛关注。

　　我们进一步和一个著名的育种学家叫姚海根合作，把刚才我们讲的这些氮高效基因转移到我们现在栽培的主栽品种中间。在2017年，他们把这个品种送到华中农业大学，有一个栽培学家彭绍斌老师，他是第三方去栽培。你可以看到，早期种下去是看不到差别的，这是把肥料从每公顷180公斤减少到100公斤，就是减掉44%的氮肥，到后期你可以看到，没有改良的这些材料，叶片变黄了，我们改良的这几个材料，可以看到叶片还是深绿的。最后收获的时候就可以看到，改良的水稻品种产量，可以折合每公顷9.2--10.17吨。

　　我可以告诉大家，我们国家平均的水稻产量是每公顷7吨。

　　2018年他们又重复了这个实验，这是一个航拍的数据，在三块不同的田里面可以看到，红色是我们送去的改良品种，它呈现深绿色，每公顷产量也可以达到10.6--11.7吨。我们氮高效改良的水稻，在减氮44%的情况下，产量还可以达到9.2--11.7吨，这给我们非常大的一个希望。

　　在2019年我们这三个品种被科技部，重大专项组认定为首批绿色超级稻品种。大家设想一下，我们国家每年种植水稻面积是4.6亿亩，每亩是化肥平均在20--25公斤，每年化肥的投入大概是450亿人民币。如果我们能够减30%的化肥，那就意味着我们可以减少130亿元人民币的化肥投入，同时我们可以减少很多的污染、污染源。还有重要一点想提醒大家，我们在减肥的条件下，实际上产量并没有显著的降低，这时候我们也可以提醒我们的农民朋友，不需要大量施肥，不是讲肥料越多，产量越高。所以只有我们配合起来，从品种到栽培结合起来，我们就可以真正做到少投入，多产出，保护环境，也可以通过这种方法，通过科学造福全人类。谢谢大家。

　　提问互动环节

　　问：

　　我们有一个问题，您刚才讲到我们的雾霾里面有很大程度上面是氨气，是不是就是未来当我们的化肥减少了以后，雾霾的问题能让我们直观的能够感受到变化吗？

　　答：

　　我想会感受到，就像我们少开汽车，把强污染的工厂关停，化肥的减少一定也会有贡献的。

　　问：

　　第二个问题您是不是在告诉我们当土地的氮肥饱和量已经达到这种程度的时候，你把化肥扔得再多，实际上已经没有用了？

　　答：

　　实际上刚才我讲的华中农业大学的彭少斌老师他们做过实验，我们把化肥减掉一部分，哪怕减掉10%左右，不会减产，往往是增产。因为还有一些水稻品种在施氮肥的时候，如果稍微敏感一点，它会有倒伏等现象，它会减产的。所以我也可以提醒很多农民朋友，不是施肥越多，产量一定会越高的。

　　新浪声明：所有会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，新浪网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。

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责任编辑：梁斌 SF055