杂交水稻制种技术创新与发展

摘要：杂交水稻种子需要年年制种生产，以确保子一代的杂种优势。当前，我国已建立了成熟的种子生产技术体系，但是基于劳力密集型的种子生产技术操作程序繁杂、劳动强度大，滞后于现代农业，迫切需要创新制种技术。应发展新型轻简的全程机械化制种技术，以及父母本混播混种和杂种优势固定（第三代杂交水稻和一系法杂交稻）的种子生产技术，以助推杂交水稻种业的发展。

关键词：杂交水稻；新型制种技术；创新；发展

杂交水稻是我国发明的原创性粮食增产技术，自20世纪70年代野败不育株的发现和利用，杂交水稻技术开始大面积应用于生产。近几年，我国杂交稻年种植面积保持在约1600万hm2，占水稻种植总面积的53%左右，每年需商品杂交稻种子约2.7亿kg，种子生产面积达15万hm2左右。除中国外，其他国家杂交水稻种植面积每年约有636万hm2，每年需商品杂交稻种子约1.1亿kg，国外市值15亿美元以上，为保障全球粮食安全和农业可持续发展发挥了巨大的作用[1]。我国一直引领全球杂交水稻发展，这与杂交水稻制种技术体系的形成和发展密不可分。通过40多年的研究与实践，我国已建立起系统配套的种子生产技术体系，但是这些技术是建立在我国劳力密集型农业生产基础上的。随着我国社会经济的快速发展和劳动力短缺，杂交水稻育种和种子生产技术需要不断地创新提高[2]。美国于1999年开始利用全程机械化制种技术，此后才开始大面积推广杂交水稻。今后，我国必须从劳力密集型种子生产技术转型，向高效全程机械化制种技术发展，以更好地促进杂交水稻种业发展，提升国际市场竞争力，形成大型种业集团，扩大“一带一路”国家的种植面积[3～5]。

1在劳力密集型基础上，建立了成熟的杂交水稻种子生产技术体系

杂交水稻制种是根据父母本抽穗迟早进行异步栽培，达到同步抽穗开花，实现异交结实生产杂交种子的过程。同一块稻田里，需要通过父母本分期播种、分厢插秧、母本割叶、父本赶花粉，以及分期收割、施肥和喷农药等一系列的种子生产环节，需要比常规稻生产增加更多的人工和成本。虽然杂交水稻繁殖、制种技术研究的历史很短，仅有45年的时间，但是基于劳力密集型基础上的制繁种技术体系已非常完善。水稻是自花授粉作物，通过异交生产杂交种子，即制种技术很难。然而，广大农业科技工作者克服了重重困难，取得了一系列突破性进展，已形成一套完整的人工化种子生产技术体系。该体系的形成大体经历了3个阶段：一是摸索阶段(1973—1980年)，制种产量450kg/hm2以内；二是完善阶段(1981—1985年)，产量达到了750～1500kg/hm2；三是高产阶段(1986年至今)，产量则为2250～3000kg/hm2。在三系法高产制种技术研究稳步发展的同时，随着光敏感核不育水稻的发现及利用，两系法制种技术研究也日新月异，并有后来居上趋势。从三系到二系，只是减少了不育系繁种技术一道工序，但杂交种子生产的制种技术还是与三系生产工序一样，制种工序仍然复杂，需人工多和成本高，同样需要制种技术创新。

2农业现代化需要创新高效全程机械化制种技术

中国现行的劳力密集型杂交水稻制种技术工序繁杂，靠人工操作，用工多，劳动强度大，管理精细，追求优质高产，但是机械化程度很低，与当前经济快速发展、农业劳动力日益紧缺的现代农业不相适应。美国是最早开始采用全程机械化“厢式”制种的，但过于粗放，往往制种产量较低。该项技术也不适合中国国情，难以直接应用。随着中国农业现代化和机械化的不断推进，我国也因地制宜地发展了一些机械化制种的方法、途径和技术，在种子生产过程中的部分工序应用机械作业[6]。自2012年以来，在湖南成功推广了基于农用无人机辅助授粉的杂交水稻全程机械化制种技术，采用父母本大行比相间种植、机械插秧、机械分收、农用无人机航空植保施药与辅助授粉等配套技术，制种产量达到了3000kg／hm2以上的高产水平，比传统制种方法节省用工50%以上，可节省成本5550元/hm2，已进行大面积推广应用。大面积机械化生产获得了良好的经济效益与社会效益，为稳定制种基地、壮大产业发展起到了积极的助推作用。现行的制种技术虽然取得了成功，但还需要父母本分期机械插秧、机械分收，与常规种子生产相比仍然比较复杂，所以农业专家在不断探索更高效的方法。最近，我国又在育种和制种技术上取得了新的突破性的进展。2.1第三代杂交水稻育种技术和混播混收的机械化制种技术。我国现有杂交稻主要使用“厢式”制种技术，无法实现混播混收，导致对人工的严重依赖，也阻碍了种业的快速发展。近来，湖南杂交水稻研究中心等单位将第三代杂交水稻育种技术与雌性不育恢复系制种模式相结合，找到机械化制种的新技术路径。将水稻雌性可育基因、花粉失活基因、荧光筛选标记基因等3类基因表达盒导入雌性不育水稻，杂合转基因水稻进行自交结实。自交结实完成后，通过光电分选，可获得纯合雌性不育水稻，以其为恢复系，用于杂交稻机械化制种。而“选落”的、携带转基因的杂合种子，可继续用于雌性不育水稻繁殖，有效解决了雌性不育水稻繁殖技术难题，并可实现杂交稻种子生产混播混收。这意味着，未来我国有望进入杂交水稻大规模机械化“混播混收”制种新时代。2.2优化组培技术，建立一系法杂交种。理想的制种技术就是固定杂种优势技术，实现从“三系”“二系”到“一系”法杂交水稻的选育目标。这样，“一系”杂交水稻既保持了基因型的杂合性，又保持了其杂种优势。而一系杂交种子生产就与常规稻一样，不需要年年制种。早期科学家们一直用无融合生殖方法在探索优势固定科学问题，进展甚微。最近，中国水稻研究所科学家根据植物干细胞能定向诱导成克隆植株的原理，已经从水稻植株胚、根、幼穗组织的体细胞诱导出愈伤组织，在实验室获得愈伤分化的克隆水稻植株，即优势固定的F1植株。另外，还诱导了玉米单倍体基因Mar-trilineal的水稻直系同源基因，利用基因编辑方法选育了杂种优势固定的子一代植株[7]。这将有望突破性地解决杂交水稻的优势固定和制种劳力密集的两大难题，实现杂交水稻种子的常规化生产。

3新型制种技术提高了制种效益，促进了种业发展

目前，我国杂交水稻面积呈现缓慢减少趋势，常规稻面积有所增加，这与农业劳动力短缺、杂交种子制种成本过高有关。所以，新型、轻简、高效的全程机械化制种技术是未来发展的必然趋势[8]。全程机械化制种可降低种植成本和劳动强度，增加种业公司的经济效益；同时，种业公司也可以适当降低种子价格，让农民感到实惠，乐于用杂交种子直播种植。据隆平高科机械化制种效益分析：100hm2规模制种可减少长期用工45个以上、临时性用工4.5万个工日，用工降低的费用与机械化作业增加的成本可基本持平。该制种过程可实现标准化、精准化和规模化作业，能稳定制种产量，提高种子质量，并且可减少农药、化肥等的使用量和包装成本，每公顷节支750元左右，可增收父本稻谷3000多元。又如，湖南绥宁县推广大规模机械化制种，示范方1000余hm2，产量达到4032kg/hm2，比人工传统方法增产645kg/hm2，增收节支1.29万元，取得了良好的示范效果。我国杂交种子生产面积按每年15万hm2推算，能节支增收5.6亿～19亿元；如在全球推广，则经济效益更可观。如果实现一系法杂交水稻的常规化种子生产，则节支增效更显著，更有利于农民种植直播第三代杂交水稻和一系杂交稻，向轻简化农业生产发展。当然，经济效益是按制种规模100hm2推算的，规模大小影响机械化制种效益，而我国的大部分制种基地，田块高低不一致，不适宜大型机械化制种推广，影响整体经济效益，仍需要增加集约化和信息化的生产规模。杂交种子是100%的市场化或商品化率，因而极大地推动了杂交水稻种业的发展。实施杂交水稻制种全程机械化技术，除了节支增收直接增加经济效益以外，还有利于稳定杂交水稻制种面积，保证种子安全有效供给，保障国家粮食安全。当前，我国杂交水稻年制种面积15万hm2左右，产种约2.7亿kg。杂交种子市值已从2001年15亿元发展到2017年的150亿元，增幅迅速。相关的种业公司达到了3000多家（注册资金500万元以上）。同时，全球的杂交水稻因为极高的商品率，杂交水稻种业也成为国际种业巨头与中国种业合作的主要领域之一。由于国际上杂交水稻种子来源不稳定和种子质量难以保证，更需要推广新型、轻简、高效的全程机械化制种技术，提升中国种子企业的核心竞争力，提高种子质量，促进种子产业技术全面升级，引领种业向国外拓展，让国内好品种和技术能在国外真正落地，推动全球现代种业和现代农业的发展，助推“一带一路”沿线国家的农业发展。

参考文献：

[1]谢放鸣，彭少兵.杂交水稻在国外的发展历程与展望[J].科学通报，2016，61（35）：3858-3868.

[2]QianQian.Smartsuperrice[J].SciChinaLifeSci，2017，60(12):1460-1462.

[3]梅凯华.杂交水稻制种技术的发展与创新[J].湖北农业科学，2014，53(10):2250-2253.

[4]李黎红.种业航母何时腾空而出[J].中国种业，2016（09）：1-3.

[5]吕小明.借力“一带一路”推进我国杂交稻种业国际化发展[J].中国种业，2018（06）：1-3.

[6]龙章腾，刘付仁.全程机械化是制种产业提质升级的必由之路[J].中国种业，2017（11）：38-39.

[7]俞慧友.杂交水稻借力转基因技术，有望实现机械化制种[N].科技日报，2018-04-24（001）.

[8]李黎红，倪建平，陈乾，等.中国杂交水稻种业的发展和展望[J].种子，2013，32（02）:56-60.

作者:李黎红 吕 阳 董国军 倪建平 单位:中国水稻研究所