让种子少“吃”肥料多打粮

《 农民日报 》（ 2015年05月04日   06 版）

    编者按

    虽然氮肥对作物生长起着增加产量、提高质量的作用，而实际上，农作物对肥料的吸收率也各不相同，施肥量与粮食产量并不是正比例关系。就如同人一样，肠胃消化吸收不好，怎么吃也不会胖。因此，研究揭示氮高效利用作物种子机理，选育氮高效利用作物品种是大势所趋。

用分子手段设计氮高效大麦种子

    想让农民少用化肥？或许可以让种子更好地吸收肥料。上海市农业科学院生物技术研究所所长黄剑华正以大麦种子作为突破口，研究氮肥的高效利用问题。这一研究如果成功，可将农作物的氮肥利用率从目前的35%左右提升到约60%。这还将惠及与大麦近源的水稻和小麦，并为上海打造种源农业基础创新平台，提供育种共性技术的支持。

    我国农业高肥耗向来被人诟病，水稻单产跟日本差不多，氮肥用量却是日本的3倍。“和每个人的胃口大小有差异一样，农作物对肥料的吸收率也各不相同。”黄剑华说，“目前农作物的氮肥平均利用率只有35%左右，这也意味着绝大部分肥料由于不能被农作物吸收，随农田排水流向江河湖海或渗透到土壤中。”据统计，这种污染已经成为了我国农业面源污染的主要来源之一。

    我国正在打造环境友好型和资源节约型的农业发展战略，减少农药和化肥使用量是其中的一篇重头文章。黄剑华说，要减少污染，一个“治本”的办法是从提高农作物对氮肥的吸收能力入手，减少化肥的流失量。目前，他主持了一个名为“基于细胞、基因水平的节肥、抗病、抗旱种质创新新方法”的项目，计划利用3年~5年培育出一个能高效吸收氮肥的大麦新品种，在比常规用肥少20%~30%的情况下，保证产量、品质等持平。

    对农业稍熟悉点的人都知道，三五年想搞出一个新品种，谈何容易。从挑选出所需性状到杂交纯合，再到育成稳定品种，花费10年也很平常。黄剑华说：“这几年，国外育种技术有了突飞猛进的进展。”黄剑华指的是国际流行的分子标记技术和加倍单倍体技术，前者能够很快从分子层面筛选到农作物的所需性状，后者则能够快速将性状稳定下来形成新品种，用这种复合育种技术，只要三五年就能推出一个新品种。

    黄剑华对单倍体加倍技术有很深的研究，但想要推出“氮高效种子”，他却苦于没有一个好的分子标记。“事实上，在农业科技含量最高的育种技术上，我国与国外有相当大的差距。”

    黄剑华说，以前我国对农作物育种的主要目标是高产，但如今，营养、氮高效和抗病虫害等因素也变得越来越重要。发展我国自己的分子育种技术，是他心系的另一个目标。

    不久前，每斤10万元的荷兰布利塔茄子种子让人们意识到，农产品也能卖出苹果手机的价格，然而想要成为卖得出高价的种子，却需要大量的科学研究。黄剑华表示，世界种业研究已从传统的常规技术育种阶段，进入到依靠生物技术育种阶段。世界种业巨头在生物技术和新品种研发领域投入巨资，开发出了一大批携带抗病、抗虫、耐除草剂等目标基因的玉米、棉花、大豆新品种，并十分重视种质资源的收集。通过并购，跨国公司不仅获取了技术和市场，也掌握了大量的种质资源。

    数年后，黄剑华希望把近30年的育种经验整合成共性技术，为上海打造种源农业基础创新平台。“农业科技体系建设是科技创新中心建设的重要组成部分，上海加快发展现代农业，必须抓住附加值最高的种源环节。”黄剑华说。(沈湫莎 本报记者胡立刚）

专家解读：何以节氮又高产？

    都说化肥用得少，还能实现高产。那么，怎么节氮、如何推广等一系列问题便随之而来。多年来致力于水稻节氮降污栽培技术研究的国家杂交水稻工程技术研究中心副主任马国辉，对此是这样解释的——

    怎么节氮？

    从2002年起，马国辉带领课题组在湖南浏阳、醴陵等10多个县市开始尝试水稻节氮高产栽培，通过对比试验研究和大面积示范，取得了重要进展。这一技术的核心主要从基因挖潜、应用先进的施肥技术和技术物化提高氮肥利用率3个方面展开。

    “基因挖潜”主要是选育水稻品种时，将以产量、氮肥农学生产效率和生态适应性作为多向选择的目标，从而筛选出产量高、生态适应性较广而氮肥农学生产效率较高、或耐低氮能力较强的优良品种。

    在“先进的施肥技术”方面，主要采用不同的施肥技术，如实时实地氮肥管理技术、节氮栽培技术，能较大幅度提高氮肥利用率。

    “技术物化”是将诸如平衡施肥技术、提高氮肥利用率等技术以物化产品的形式出现，将技术融于产品中，如缓控释肥、高效复合肥是今后节氮高产栽培技术的重要基础。

    如何推广？

    “建立杂交水稻高产高效产业技术联盟迫在眉睫，通过共建平台，才能真正实现企业创收、农民增效，实现水稻产业的可持续发展。”马国辉说，“现在我们已经在湖南、湖北、江西、四川、广东等地展开了推广工作，但目前在技术推广上还面临农民科学素质偏低、专家不重视品种培育、中试阶段被忽视等问题。”

    马国辉表示，氮肥施用过多，会增加蛋白质含量，虽然我国现有品质标准没有强行规定蛋白质含量多少，但蛋白质含量高了肯定口感差。通过节氮栽培技术，降低氮肥使用量，有利于提高稻米品质，也有利于粮食贮藏。对此，马国辉建议，从一个作物、几个品种开始着手，构建产业联盟，利用这样一个体制，让成果服务于生产、服务于企业，使农民受益。         陈瑜
 

营造让育种者全身心投入的环境

    “通过细胞工程复合育种新方法获得氮素利用率高、抗病能力强、品质产量基本持平的大麦新品系已经在大田里了，估计两三年后能推出来。”说到此，上海市农业科学院生物技术研究所植物细胞工程研究团队首席专家黄剑华内心很激动，但回忆育种历程，他却满怀遗憾。“其实氮高效大麦新品种并不是横空出世的，过去因为缺乏科研经费无法倾全力而为之，后来终于等到不再为经费发愁时，团队建设又跟不上节奏了。否则氮高效大麦新品种应该早几年就能推出。”

    如今，在植物细胞工程研究室里，一个小小的器皿可以培育成百上千个小孢子，从而在辐射光能的作用下快速长成成株。值得欣慰的是，以往依赖大田作业选择性状，如今被高科技环境下的实验室操作所替代，现代科技让育种变得更快捷更有效，我国在种源竞争中将更有底气。

    然而，种源的竞争，更依赖科研人员的专业素养和忘我精神。如果我们的制度能让科研人员从精神、物质上感到更“体面”，激发出他们更多的创造力，我国农业在面对资源硬约束、土地过度利用的挑战时可能就会更多一份从容。

    从1975年筹建植物体细胞杂交课题组，40年来这个团队已是“三世同堂”，成就斐然。第一代在国际上首次报道水稻叶组织培养再生成株，证实谷类作物叶细胞存在细胞全能性，从而为原生质体培养及融合提供了技术与理论上的支持；第二代在运用杂交、诱变结合小孢子胁迫筛选复合育种技术上，育成了系列细胞工程大麦新品种；当下，年轻科技人员正在研发分子标记结合加倍单倍体育种技术，攻坚大麦、小麦小孢子胁迫结合分子标记的生物育种技术。团队的骨干分子先后获得上海市劳动模范、上海市优秀共产党员、全国优秀科技工作者，上海市三八红旗手等荣誉。

    很显然，这是个有作为有影响力的育种团队。“我们团队现在是12人，从科研需求上看，需要扩大到二三十人，可惜，在现有的待遇状况下，很难招到合适的人才。”黄剑华说，“很多科研人员知道育种大有作为，也愿意为之奉献自己的才华，但这是个除了勤奋还需要天分和‘福分’的职业，科研人员需要热爱事业、奉献事业，但政府需从制度上优化，保障从业人员体面的收入和社会地位，让研究人员沉得下心来。”

    黄剑华的语气依然平稳，但他说这话的音调则高了一度，这个老育种专家对育种科研人员的现状“有点急”。

    因为工作的关系，笔者跟来自各个国家、大陆各个地区的育种专家有不少接触，很方便就能感受到不同国家、不同地区育种科研人员待遇、社会地位等方面的差距，深切感受到国内育种产业链上各环节从业人员待遇和社会地位的倒挂现象。但是，上海毕竟是一个人才高地，早就致力于打造种源农业基础创新平台，去年又被赋予了全球科技创新中心的重任，黄剑华的感慨感叹与此形成一种足以引起社会关注的对比。

    “‘育、繁、推’种业体系主要该围绕哪个层面，这是聚焦种业的原则性问题，我们应该把体系中5成以上的资源用于育种，把这5成资源又重点用于重点人才和优秀团队，让团队和成员在精神上、物质上都感受到满足，这样，中国才有可能赶超世界育种水平，中国农业才能赢得话语权，在面对全球政治经济挑战时多一分从容。”黄剑华说。（胡立刚）

    链接

    近年来，通过研究实验，科学家们陆续破译了一些能够促进作物氮高效吸收利用的“基因密码”……

    OsPTR9基因提高水稻氮吸收效率和产量

    OsPTR9是水稻寡肽/硝酸根运输基因家族（PTR/NRT）的一个基因，该基因超量表达后，能使正常的水稻吸收氮肥的效率提高，分蘖能力增强，穗长增加，千粒重增加，产量提高。在大田不施肥条件下，超表达植株的产量比对照增幅最大，达到18.6%；在正常施肥下，超表达植株的两个株系每亩比对照分别增产7.2%和8.1%。此外，铵肥有利于转基因植株获得较高的产量。

    OsPTR9基因不仅对水稻在低氮条件下氮吸收增加及稻谷增产有促进作用，同时也可以减轻因氮素损失对环境带来的负面影响，在阐述氮素影响植物生长发育过程以及水稻高效利用氮肥等方面具有重要的应用价值。

    SIE3基因

    促进豆科植物共生固氮

    空气成分中约有80％的氮，但一般植物无法直接利用，只能通过外加氮肥来供应农作物的生长，作物成本以及环境压力成为广受关注的问题。而花生、大豆、苜蓿等豆科植物，与根瘤菌有着独特的共生固氮“合作关系”，形成固氮根瘤，把空气中的分子态氮转变为植物可利用的氨态氮，植物就能直接利用空气中的氮素来供给自身的生长。因此，每个根瘤相当于一座供给植物养料的“微型氮肥厂”。

    豆科植物与根瘤菌之间这种独一无二的“合作关系”，受到科学家的关注。张忠明教授课题组自2006年开始着手相关研究，连续找到多个关键的调控因子，即在探索固氮根瘤这座“微型氮肥厂”的组建过程中不断破译密码，其研究成果引起国际同行的极大兴趣。

    SIE3基因在共生固氮中起着重要的调控作用，若能有效利用固氮细菌与植物、农作物相互作用，来自自身产生固氮，可大量减少化肥在农业中的使用。

    DEP1基因

    使水稻少施肥还能产量高

    研究发现，中国超级稻增产关键基因DEP1在水稻氮高效利用方面也能起到关键作用。DEP1基因的等位突变体在营养生长期表现出对氮肥钝感，但在生殖发育期对氮的吸收和利用率提高，最终使得水稻在适当减少施氮肥条件下有更高产量。

    另外，研究人员还发现，DEP1基因能够编码植物G蛋白γ亚基。G蛋白是调控动植物生长发育的重要信号传导蛋白，包括a、b和γ亚基。减弱Ga或增强Gb亚基的活性，均能对水稻造成氮肥钝感效应。这表明G蛋白参与调控植物对环境中氮信号的感知与响应，人为调控G蛋白信号途径能在同等肥力条件下带来水稻的稳步增产。

    DEP1基因这一新功能的发现，为“生态友好型”水稻高产和稳产提供了保证，也为揭示农作物氮高效利用的分子调控机制提供了线索。