刘春明：创新水稻育种从能量型到健康应用型需求的转变_新浪财经

专题：2023年CC讲坛

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第56期演讲2023年10月21日在北京举行。来自北京大学现代农学院教授、院长中国科学院植物研究所研究员刘春明出席，并以《创新水稻育种从能量型到健康应用型需求的转变》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　我是刘春明，北京大学现代农学院的教授，也是中国科学院植物所的研究员。今天给大家分享的是创新水稻育种，从传统能量型的水稻到营养健康型水稻的转变，这个故事大概经历了十八年的时间，我们平时吃的粮食，70%以上都是植物的种子。

　　我过去30年里边一半的时间是研究胚，就是种子里边最主要的繁育部分，另外一半的时间是研究胚乳。我们平时吃的双子叶植物、豆科植物这些吃的都是它的胚的部分，吃大豆、吃绿豆、吃红豆都是吃的胚，而我们吃的主要的禾谷类作物的水稻和小麦，吃的是它的胚乳。

　　所以，在过去这么多年的时间，我从1985年，中国科学院上海植物生长所研究种子开始，后来又去新加坡国立大学工作，又去英国做的博士，又去美国做博士后，后来在荷兰瓦赫宁根大学工作了7年，整个十六年的时间都是在研究种子，那么种子实际上是植物最主要的繁育器官，就是一个种子，它的植物通过种子来变成下一代。

　　那么，胚乳是今天我讲的重点，胚乳实际上在很多功能上非常像胎盘，是帮助婴儿从母体来吸收营养，胚乳同样如此，它在整个种子的发育过程中，胚乳帮助胚胎从母体来获取营养。

　　同时在种子的萌发的过程中，比方说水稻，它头三天的营养完全依赖于它的种子里边胚乳所携带的营养，所以，胚乳既在胚胎发育过程很重要，对早期的种子的萌发非常重要。

　　禾谷类作物是人类最主要的粮食来源，我们在世界的不同地方，人们驯化了不同的禾谷类作物，像水稻就在中华民族这块土地上驯化出来的，那么小麦是在中东地区驯化出来的。

　　目前我们主要的禾谷类的作物，包括水稻、小麦、玉米、谷子、高粱、大麦等等，那么这些实际上提供了我们餐桌的多样性，也为我们提供了丰富的美食。

　　作为粮食，我们的第一需求是能量，我们人实际上在生活的过程中是需要能量的，那么这个能量的最主要提供者就是淀粉，而恰恰禾谷类作物的种子里边含有丰富的淀粉，那么这个就保证了我们不会有饥饿感，所以淀粉的摄取是非常重要的。

　　那么淀粉实际上包括两类，一种是直链淀粉相对比较难以消化的，或者叫非糯性的，另外一种是支链淀粉，就是糯性的这一部分相对比较好消化的，所以这两类淀粉贡献了我们主要的能量来源。过去一段时间，实际上我们的食物结构发生非常大的变化。在我们80年代，我个人大概1985年之前，总是感觉处在一种饥饿和半饥饿状态，总是感觉吃不饱挨饿的状态。

　　大概在80年代末期或者是90年代初期，饥饿的问题基本解决了，我们粮食富足了，有足够的粮食让我们能够吃饱了。在过去二、三十年是这样一个更大的变化出现了，我们吃的更加白了，大家喜欢吃精米、吃白米、吃白面馒头，那么这种改变的话口感是好了，但是我们的营养水平是下降的，挑战还是非常大。

　　由此而带来的糖尿病、肥胖症，维生素缺乏症，女同志的缺铁性贫血，儿童的缺锌缺钙、缺微量元素维生素，这些问题还是挑战我们现在的身体的健康。所以这就是我们现在面临的一个食物结构，食物安全的一个改变。那么这种改变我们需要更加有营养，更加健康的食物。那么这种改变实际上对于我们做科学家，做科研工作者，就要提前预测到，就要想到，所以，我在2005年从荷兰全职回国之后，就开始思考我们是否能给国人创造一个更有营养的大米。

　　那么围绕这样一个故事，我们首先就要了解大米是怎么得到的，大米是怎么来的。

　　最简单说大米来自水稻，这个可能大家都知道，那么一粒稻谷里边实际上它分了两部分，这个很重要，一个是淀粉胚乳，就是我们吃的白米的部分是叫淀粉胚乳，在淀粉胚乳之外，还有薄薄的一层叫糊粉层，这一部分是营养最丰富的，中间这部分是能量最丰富的，而糊粉层是它营养最丰富的，我这样说是有理论根据的。

　　大家看到左边这个图，局部切开一个水稻成熟的籽粒的样子，那么外面薄薄的那一层的单层细胞，在所有的禾谷类，除了大麦以外，它都是单层的，里边红色染色的部分就是淀粉胚乳，红色就是我染的淀粉，蓝色是染的蛋白。

　　右边这个图，大家可以看到糊粉层这一部分占比是非常小，红色这部分占比大概不到10%，但是这里边你可以看到它的维生素B1的含量能达到80%以上，蛋白脂肪酸锌铁的含量基本上60~70%之间，所以这一部分恰恰是我们人类非常需要的一部分。

　　我们人类的进化过程中，实际上是与禾谷类作物的摄取是密切相关的。但是为什么会出现这样一个维生素缺乏的疾病？就是现代精米机，现代打鼓机、现代磨粉机的出现产生的。那么这里有个故事，荷兰医生艾克曼的故事，在1897年的时候，他被送到印尼兵营里边去，当时印尼的兵营里边出现一个病，现在我们说脚气，实际上不光脚气，这些士兵还会猝死。

　　这个病他们一直以为是一种传染病，后来他去了以后，经过了很多调查，很多接种，找不到病源，找不到病原菌，找不到一种能传递到另外一个人身上的病源，一个偶然的机会，他发现在病因里边的鸡身上也有这个病，他这个脚也会粗糙，也会碎死。

　　然后他有一次偶然的发现，如果给这个鸡喂米糠，麸皮的时候，然后鸡的问题都解决了，然后他要把麸皮烧成水，让士兵喝了以后也解决了。

　　然后他就提出麸皮里边有一个成分是疾病产生的原因，这是世界上第一个维生素被发现，叫维生素B1被发现。他也因此在29年之后，1926年获得诺贝尔奖，实际上成分是啥？不是他发现的，但是他发现了这里边含有这个因素，是他发现的，因此就拿到诺贝尔奖。

　　所以在我回国的时候有一个非常天真的想法，如果我们能够把水稻的糊粉层，刚才讲了我们所有的水稻都是单层的，把它变得厚一点，那么是不是我们就可以创制一种更有营养的水稻，这个想法是天真，但是还是有一点启示。

　　在我们所有禾谷类里面有一个作物，它的糊粉层是多层的，就是大麦，大麦它的糊粉层是3~4层，到现在我们还不知道为什么它会变成3层到4层，哪一个遗传因子突变造成的还不是清楚。

　　但是有这样的想法，我们就想既然大麦里有，那我们水稻里边为什么就不能创制一个所以基于这个想法，我们就仔细的研究了糊粉层产生的过程，那么这张图是我们大量的前期工作的一个累积，外边红色的部分是怎么被分化出来的？在这个过程中，它的遗传基因遗传调控过程是怎么发生的？那么这里我就不给大家赘述，但是为了实现一个厚糊粉层的新型的稻米，我们进行了化学的诱变，进行化学处理，让它变异速度加快。

　　平时一个新的性状出现可能需要几万年几十万年，我们等不得，那么加快变异，我们进行了诱变，大家可以看到诱变的第一代非常整齐，没什么变化，到了第二代的话，植物长得高高矮矮就不一样了，就说明了发生了遗传性的变化，那么我们对它的种子要进行筛选，那么要筛选这样一个变异，它的发生概率仍然是非常低，那么我们必须创造一种非常简便快速的方法。我们研究了一个小的设备，能够把这一个水稻的引果从中间切开，大家看到右边那边是带胚的，我们把它放到一边，那么带胚的那一侧我们在表面进行染色，那么这种染色只能把淀粉胚乳染上颜色，而糊粉层由于不含淀粉，所以就不会染上颜色。

　　那么我们在显微镜底下去检测，这里边能否有加厚的，那么我们十几个学生经过了大概半年多全力以赴的筛选，终于从中拿到了两个变异。

　　我们看到第一个变异的时候我们非常兴奋，因为我们从来没见到水稻里面会有这种，几个礼拜之后我们又发现了第二例，我们给他了个名字叫ta，一个特殊的遗传变异，那么这种变异是否真正产生了加厚呢？

　　我们必须在显微镜点看，那么在显微镜也可以清楚的看到，左边是普通的水稻，所有的水稻都是像左边一样的，那么中间这个就是ta1，它的糊粉层的厚度变成了3~5层，那么ta2变成了5~10层。

　　一个梦想真正在你能看到的时候，这种兴奋是非常激动人心的，我的学生很激动，我也很激动。马上要看的到底营养提升了没有？我们追求的不是糊粉层加厚，是营养的提升。

　　大家看到红色的柱子，它的背景材料，那么蓝色的柱子就是它的ta1和右边是ta2的这个差异。大家可以看到它里边的蛋白含量、脂肪酸含量、维生素含量、微量元素含量。膳食纤维含量都得到了不同幅度的提升，大概在10%~500%间的提升，ta2比ta1的营养提升更大，因为它更加的厚。

　　这个结果我们看到从最开始到这里，经历了4年的时间，看到这个结果我们一共切36，000粒种子。

　　那么这个过程中还遇到许许多多的困难，我们没有想到的困难，我不能一一列举，我就举一个例子，这一个图表研究它的遗传规律，我们大概花了两年的时间，为什么？因为它不符合于传统的孟德尔遗传，它的遗传规律比普通的遗传学的规则要更加复杂。

　　简单的说就是这种加厚的性状，今天有，明天就消失了，所以因此这个给我遇到了更多的挑战，但是我们一一都得到了克服，我们对它的背后的原因进行了精确的分析，我们知道是哪个位点发生了突变造成的，这里我就不详细的阐述了。

　　但是，我想给大家讲一个新的挑战，这个挑战就是我们中国吃白米的习惯，我们虽然创制了一个高营养的水稻，如果我们加工成白米还会被打磨掉，因为加工白米的过程中，第一步是去到谷壳，第二步是打磨的过程中，我们把这个糊粉层把胚只有营养部分都抛掉了，剩下的就是淀粉咋办？

　　我们有一个新的想法，就是我们中国人吃米，当我们吃红米、吃紫米、吃黑米的时候，我们吃的是全米，我们把它叫做糙米，我认为这个名字是非常不好的，糙米本身就粗糙，我们叫全米，那么全米是一个非常营养完善的稻米，所以我们希望今后大家再次讲米的时候，不要讲糙米叫全米，好吧？

　　那么为了保护我们创制的高营养的不会被打磨掉，我们决定用紫米进行杂交，把性状导入到紫米里边去，那么导入到哪样的品种里边去，我们都做了很多的选择，我们希望能创造一个大家口感好味道好的，所以我们选择了一个软米类型的紫米，它的支链淀粉含量只有5%，我们通常大概是10%~20%之间，同时还有香味，我们希望大家喜欢香米、香味的这样一个性状，同时它的花青素含量非常高，花青素有抗衰老保健作用，所以我们既然选择了这样一个亲本，然后我们又经历了七、八年的时间，经过反复的杂交、回交，我们在北京、在山东、在海南竟穿梭育种，大家知道海南冬天是可以种水稻的，北方冬天种不了，所以我们在海南可以抢一季，就是每年我可以种两季，所以即使这样，也是经过了七八年的时间，这是我跟山东省农科院张世勇老师共同合作的一个成果。

　　就这样我们在东营的盐碱地上创造了一个中紫系列的紫米，它的营养丰富，口感好，香味浓郁，产量也超过了原来它的紫香糯品种的产量。

　　我们也做了一个盲视实验，我们请了好多朋友一起来把市场上买到的紫米和我们自己培育的紫米进行了比较。

　　毫无疑问大家非常喜欢我们新型紫米，因为它香，微糯，虽然你吃不出差别来，但是你可以想象到它的丰富营养。我们北京大学对接的乡村振兴是在云南的弥渡，我们把紫米品种也引到了云南的弥渡种植，在山东安徽等地种植，从目前来看的话还是非常受欢迎。那么紫米目前逐渐开始小规模的来上市，请大家来提供意见，我们来进一步的去改良它。

　　同时我想非常重要的说一点，这个过程十八年的时间，我的一批研究生，我一批的工作人员和我的伙合作伙伴，大家共同努力的一个成果。

　　那么现在他们已经走出实验室，已经成就了他们个人，但是更重要的话，它为我们的国人提供了一个完全新型的稻米品种，会让大家身体更加健康。它对儿童来说更多的可以补充锌铁和维生素的缺乏，对我们女同志来说可以补充铁的缺乏，对老同志来说，可以补充铁和钙的缺乏。这些方面我相信将来会在我们的生活中扮演更重要的角色。

　　最后我想说一句，就是我们一个做科学的人，首先是要有爱心，做一件事你要对国家对人民有利，同时还有梦想，这样一个成果的出现其实就是个梦想。

　　我们根本不知道我们是否会实现目标，而相当长的一段时间，我也没有任何项目的支持，因为他太挑战了太有危险了，大多数资助机构这个是不可能资助这样一个完全梦想的项目，但是我想有追求的目标，同时还要有恒心，为一个目标去做不懈的努力，才会真正获得成功。谢谢大家。