武汉大学的“水稻田”

        在生活中，"稻田"惯常与"农村"、"农民"、"乡下"等词语联结在一起，但在武汉大学，在世界上最美丽的大学之一的校园里，一大片"水稻田"却实实在在存在了50多年，而且将会继续存在下去。  



        这块水稻田位于武汉大学靠近东湖边的一个小山脚下，稻田旁还有几幢小楼，是水稻研究的配套用房。这里是武汉大学水稻基础研究的基地之一，而水稻研究实验室设在武汉大学生命科学学院两万多平米的实验楼内。  



　　为什么武汉大学在校园用地如此紧张的情况下还要保留这一片水稻田呢？  



        的确，武汉大学曾经为这片地的用途发生过争论。但"民以食为天"，武汉大学深知这句话的份量，粮食安全关系到我国国民经济持续健康发展、社会和谐稳定和国家自强自立的重大战略问题。最终，这一片稻田保留了下来。无疑武汉大学当时的决策是正确的，水稻是世界上第一大粮食作物，随着人口增长、耕地面积因城市化大潮和水源等因素不断减少的严峻形式下，水稻产量增长便尤其迫切。而这些要靠水稻科研工作者的辛勤劳动。武汉大学作为综合性大学具有多学科的综合优势和创新氛围，为水稻基础研究和应用基础研究创造了良好条件。  



        从水稻田到实验室，又从实验室到水稻田，长年与稻田接触的貌似"农民"的武汉大学水稻科研工作者经常引起周围人好奇的目光，可他们与种田的农民又有了许多的不同：身穿白大褂、手上拿着有标记的套筒、时不时将稻株带进实验室……  



        就是在这片稻田里，武汉大学的水稻研究群体一代代"耕耘"  不息，将基础研究的成果带到农村广袤的田野，同时将在推广中碰到的问题带回武汉大学校内水稻研究实验基地进行攻关。所以，武汉大学校内的这片水稻田成了武汉大学水稻研究群体的一个"中转站"，通过这片水稻田联结起全国许许多多的水稻田，联结起武汉大学先进的水稻基础研究实验室。当然，在这片水稻田里也留下了武汉大学众多水稻专家的身影。  



        朱英国，武汉大学水稻研究群体的代表之一，在这片稻田里默默"耕耘"了四十多年。他1959年考上了武汉大学。选择专业时，朱英国在志愿栏里填上了"生物系"，选择了植物遗传。这时武大生物系的水稻科研已有一定基础。毕业留校后，为实现儿时"让世界远离饥馑"的梦想，他专注于水稻科研工作。  



        1972年，朱英国开始进行水稻雄性不育和杂种优势利用研究。两年之后，湖北省成立了水稻三系协作组，朱英国被任命为组长。从此，朱英国开始了他的"水稻候鸟"生涯，追逐田野的春天。为了加快水稻研究进程，朱英国想到了温暖的海南岛。南繁育种，每年可以比湖北多种一季水稻，大大加快水稻育种科研速度。于是，春夏之际，朱英国和他的队伍留在湖北协作攻关，秋风一起，他们就奔赴广西南宁。寒冬来临，又转战海南岛。直到次年4月，才揣着希望的种子返回武汉大学。功夫不负有心人，朱英国付出汗水的同时，也获得了丰厚的回报。  



　　发现的红莲型细胞质雄性不育是国际公认的三大细胞质雄性不育类型之一  



        1978年，朱英国和张廷璧、邓海铭完成的"水稻早稻三系选育和杂种优势利用"荣获全国科学大会奖、湖北省科学大会奖。  同时获奖的还有武汉大学水稻研究的另一项成果"人工诱导花粉单倍体育成水稻新品种"。  



        从此，在杂交稻领域，袁隆平的野败型与武汉大学的红莲型、日本的包台型，被国际公认为三大细胞质雄性不育类型。而且只有"野败型"和"红莲型"在生产中大面积推广种植。  



        红莲型雄性不育细胞质来源于海南红芒野生稻，花粉在二核期败育，属于配子体细胞质雄性不育籼稻圆败类型，恢保关系和野败型不同，是细胞质雄性不育杂交稻新类型。与目前生产上常见的杂交稻相比，红莲型杂交稻具有5个明显特点：米质优，口感好，深受消费者喜爱；产量高，适应性广；开花习性好，异交率高，繁育、制种产量高；耐高温性能较强；氮肥利用率高。作为目前我国杂交稻优质与高产结合的典范，红莲型杂交稻以其高产、优质、低成本及在配子体雄性不育机理、核质关系互作等重大科学研究领域中的地位而具有广袤的发展和应用前景。  



        武汉大学朱英国教授及其团队研发培育的红莲型配子体杂交稻系列，经过近40年的不断研发和探索，尤其是近10年来的攻关研究，攻克了不育系育性波动等技术难题，并建立起一套完整的提纯繁殖技术体系。起源于武汉大学的红莲型杂交稻研究坚持走理论基础、生产应用和产业化相结合的道路，取得了一系列显著成果，为粮食安全作出了重要贡献。  



　　实现了中国杂交水稻细胞质由单一向多样化的跨越  



        1984年3月在海南陵水南繁基地，朱英国和助手余金洪在种植原始农家品种马尾粘小区中，发现一株比周围矮20公分、不育特点明显的不育株。经过多年多代与协青早选回交加代，成功培育出"马协Ａ"。1987年以来，朱英国为首的研究组先后选育出马协63、马协64等马协型杂交稻，并用马协不育系成功转育出武金2Ａ、武金3Ａ等，并选配出优质高产的马协型杂交稻。该项研究开创了从农家品种中获得雄性不育资源的新领域，实现了中国杂交水稻细胞质由单一向多样化的跨越。2002年，"中国水稻农家品马尾粘败育株的发现与马协CMS（马协A）选育和利用"获国家技术发明二等奖。2005年，朱英国当选为中国工程院院士。  



　　世界上首次成功克隆出水稻抗褐飞虱基因Bph14  



        在生产实践中，武大水稻研究专家经常为水稻病虫害造成水稻大面积减产而痛心疾首，而化学农药施用不仅污染环境，而且提高了生产成本和危害身体健康。褐飞虱是我国水稻生产中危害面积最大的害虫。有没有什么办法让水稻不受褐飞虱侵害呢？武大何光存教授很早就有这个想法，而且是世界上第一个成功克隆出水稻抗褐飞虱基因的科学家。  



        今天，在水稻界提起水稻抗褐飞虱研究，无人不知武汉大学的何光存。他长期从事水稻遗传学基础研究及应用基础研究。近年来，何光存研究团队在水稻抗褐飞虱方面进行了系统原创性研究工作，获得了突破性研究进展：从野生稻转育后代中选育了一批有重要应用价值的抗虫材料，鉴定、命名了多个野生稻来源的抗稻飞虱新基因，包括抗褐飞虱基因Bph12、Bph14和Bph15，抗白背飞虱基因Wbph7和Wbph8和多个QTL；开展栽培稻种质资源中Bph1-Bph9多个抗褐飞虱基因的研究，完成了其中4个基因的定位；开展抗褐飞虱基因克隆和功能研究，其中Bph14的克隆成功，申报了专利；Bph15、Bph4、Bph7已经完成精细定位，正在进行候选基因功能分析；应用基因组学、蛋白质组学和代谢组学技术，揭示了水稻抗褐飞虱的机理，鉴定出了一批重要基因；开展褐飞虱共生菌的研究，阐明了3种生物型褐飞虱体内细菌性内生菌的种类与分布；构建了褐飞虱中肠组织的cDNA文库，EST的测序10万条，分析了抗性水稻B5对褐飞虱基因表达的影响；克隆了多条褐飞虱基因的全长cDNA，构建dsRNA表达载体，通过原核表达和转化水稻进行功能分析，取得了明显的效果。通过图位克隆法成功克隆了水稻种的第一个抗虫基因Bph14。揭示了褐飞虱取食诱导胼胝质积累、堵塞筛管是水稻抗褐飞虱的重要机制。抗褐飞虱基因和材料提供国内20多家育种单位应用，取得了明显进展。本项研究成果在PNAS、Plant  Physiology、Cell  Research，  PPMB、MPMI、TAG等SCI刊物上发表论文30篇，为国内水稻育种单位提供具有野生稻基因的材料和分子标记上百次。  



        褐飞虱是我国水稻生产中危害面积最大的害虫，而不带抗虫基因的杂交稻对褐飞虱等虫害有超敏感性。本项成果为我国杂交水稻的抗褐飞虱育种提供重要的基因和理论支持。  



        抗虫水稻新品种选育首次获得成功  



        实验室的研究成果不能置诸高阁，武汉大学的育种专家朱仁山，凭借多年的育种经验敏锐意识到将抗褐飞虱基因通过生物技术手段带到水稻新的品种中将非常有意义，于是着手做这项工作，并成功将何光存团队的实验室最新研究成果带到了水稻田。  



        2010年8月13日，武汉大学的水稻两系不育系Bph68S成果通过了湖北省科技厅组织的鉴定，该项成果的第一完成人是朱仁山。专家组认为：Bph68S是武汉大学经杂交、多代回交并借助分子标记辅助选择培育而成的抗褐飞虱新不育系，Bph68S不育性稳定、制种繁种产量高，配合力强。  



        2010年8月14日，在荆门市举行了由不育系Bph68S组配的两系杂交稻新组合两优234现场观摩会。在荆门市沙洋县农业部万亩示范园区强优势两系杂交稻两优234的种植现场，武汉大学的专家向现场来宾介绍了两优234的特性及优点。国家转基因专项首席科学家万建民研究员认为，两系杂交稻新品种两优234是具有很强创新性的新成果，是首个利用分子标记技术和常规育种技术紧密结合选育而成并成功用于生产实践的抗虫水稻新品种；国家杂交水稻工程中心副主任邓华凤研究员明确提出，两优234是符合水稻强优势标准的新品种，建议湖北省加大推广力度；湖北省农业厅等各级领导都给予两系杂交稻新品种两优234充分的肯定，并表示将积极支持配合，做好推广工作。  



        水稻雄性不育基因和恢复基因的克隆及其机理研究  



        水稻雄性不育与育性恢复是生产杂交水稻种子的基础，红莲型杂交稻是新的细胞质类型，其育性基因系统已大面积应用于生产，但其机理一直没弄清楚，这对于杂交水稻的可持续发展是不利的。于是，朱英国团队又从水稻田回到实验室，利用图位克隆技术，克隆了红莲型雄性不育基因和育性恢复基因,  在分子水平上揭示了配子体雄性不育的作用机理；揭示的双恢复基因作用模式对配子体雄性不育水稻强恢复系选育具有重大实践意义。  



        同样，何光存团队在实验室通过蛋白质双向电泳分析和蛋白质质谱分析，克隆了差异表达基因OsUpg1。OsUgp1基因广泛表达于水稻各个器官,在小花中表达量最高，而且特异地表达于花药发育过程中的花粉细胞。抑制OsUgp1基因表达导致水稻花粉败育，  OsUpg1基因共抑制植株则表现为低温可育高温不育的特性，进一步的研究结果表明温度敏感的mRNA剪接是共抑制植株育性转换的分子基础。本项研究成果对于两系杂交稻的光（温）敏核不育机理的阐明具有重要意义。上述重要结果发表在顶级刊物Plant  Cell上，产生了广泛的国际影响。韩国科学家通过图位克隆得到的水稻温敏核不育基因ms-h正是Osugp1，证实了这一研究结果。先后在Plant  Cell、TAG等SCI刊物上发表相关论文70多篇，被国内外广泛引用，形成了先进、高效和合理的研究体系，为深入研究水稻雄性不育与育性恢复奠定了坚实的基础。  



　　基础与应用，完美的结合  



        50多年来，武汉大学的水稻研究之所以能开花结果，其中很重要的原因是武汉大学的水稻研究群体走了一条基础与应用紧密结合的道路--就是能很好地将实验室和水稻田进行有效联结。  



        1980年，武汉大学开始研究光敏核不育水稻，主持选育出粳型和籼型光敏核不育系6个并先后通过国家和省级鉴定。近10年来，武汉大学在研究红莲型不育和育性恢复的分子机理上，利用现代分子生物学技术、进化生物学和远源杂交相结合，创造性地培育出了一批新型细胞质雄性不育系，其中配子体不育系w15A、w20A、w34A  、w46A分别来源于一年生和多年生野生稻，不育性稳定，并正应用于生产，对于可持续发展三系杂交稻具有重要意义。将常规育种技术和现代分子生物学技术紧密相结合，选育的红莲型代表性新品种红莲优6号、珞优8号聚合了2对恢复基因，并较好地协调了高产优质多抗和广适应性等育种目标，将产量、米质和抗（耐）性综合在较高的水平，先后通过国家和省市审（认）定，在我国华南地区、长江流域和东南亚等国家种植，受到普遍欢迎。  



        红莲型杂交水稻是与野败型不同的水稻新类型，具有巨大的发展潜力；红莲型和马协型丰富了杂交水稻的遗传资源，是一种原始创新，为可持续发展我国杂交水稻事业做出了突出贡献；两系新不育系Bph68S的育成是现代分子技术应用于生产实践的一种突破。目前，已选育出红莲型、马协型和两系杂交稻新不育系12个，通过国家和省市审（认）定杂交水稻新品种18个，并形成了政产学研的推广模式，累计推广面积8000余万亩，产生了巨大的经济与社会效益。