創新水稻育種：從能量型到健康營養型的轉變_風聞

我是劉春明，北京大學現代農學院的教授，也是中國科學院植物所的研究員。今天給大家分享的是創新水稻育種，從傳統能量型的水稻到營養健康型水稻的轉變。這個故事大概經歷了十八年的時間。

我們平時吃的糧食主要都是植物的種子，佔90%以上。我過去三十年裏，一半的時間是研究種子的胚，也就是種子裏最主要的起繁育功能的部分。另外一半的時間是研究種子的胚乳。我們平時吃的雙子葉植物，對於豆科植物，我們吃的是它的胚。例如，我們吃大豆、綠豆、紅豆等，都是吃的胚。而在吃主要糧食作物時，禾穀類作物的水稻和小麥，我們吃的是它的胚乳。

種子是植物最主要的繁育器官，讓植物產生下一代。胚乳是今天我講的重點。胚乳實際上在很多功能上非常像人的胎盤。胎盤幫助嬰兒從母體來獲取營養，而胚乳同樣如此。

在整個種子的發育過程中，胚乳幫助胚胎從母體來獲取營養。同時，在種子萌發的過程中，比方説水稻，頭三天的營養完全依賴於它的種子裏的胚乳所攜帶的營養。因此，這個胚乳既在胚胎髮育過程中很重要，對早期的種子的萌發也非常重要。

禾穀類作物是人類最主要的糧食來源。目前我們利用的主要禾穀類作物包括水稻、小麥、玉米、穀子、高粱、大麥等等。這些作物提供了我們餐桌的多樣性，也為我們提供了豐富的美食。作為糧食，我們的第一需求是能量。

**在實際生活過程中，我們需要能量，而能量的最主要提供者就是澱粉。**禾穀類作物種子裏含有豐富的澱粉，澱粉的攝入保證了我們不會有飢餓感。因此，澱粉的攝取是非常重要的。**澱粉包括兩大類，一種是直鏈澱粉，也就是相對比較難以消化的，也叫非糯性的；另外一種是支鏈澱粉，就是糯性的，相對比較容易消化。這兩類澱粉是我們主要的能量來源。**過去一段時間，我們的食物結構發生了非常大的變化。

在八十年代之前，我個人大概1985年之前，總是感覺處在一種飢餓和半飢餓狀態，總是感覺吃不飽，捱餓的狀態。

大概在八十年代末期，或者是九十年代初期，飢餓的問題基本解決了，就是我們糧食富足了，有足夠的糧食讓我們能夠吃飽了。在過去二三十年，一個更大的變化出現了，我們吃的更加白了，大家喜歡吃精米，吃白米，吃白麪饅頭。

那麼這種改變的話，口感是好了，但是我們的營養水平是下降的，這個挑戰還是非常大。由此而帶來的糖尿病、肥胖症，維生素缺乏症，女同志的缺鐵性貧血，兒童的缺鋅、缺鈣、缺微量元素和維生素，這些問題挑戰了我們現在的身體健康。

所以，這就是我們現在面臨的一個食物結構、食物安全的一個改變。我們需要更加有營養，更加健康的食物。

**所以，我在2005年，從荷蘭全職回國之後，就開始思考，我們是否能給國人創造一個更有營養的大米。**那麼圍繞這樣一個故事，我們首先就要了解，大米是怎麼得到的，大米是怎麼來的呢？

最簡單説，大米來自水稻，這個可能大家都知道。那麼在一粒稻穀裏邊，水稻的胚乳實際上分了兩部分，一是澱粉胚乳，就是我們吃的白米的部分。**在澱粉胚乳之外，還有薄薄的一層叫糊粉層。**那這部分是營養最豐富的，我這樣説是有理論根據的。

大家看到左邊這個圖，就是局部切開一個水稻成熟的籽粒的樣子。那麼外面薄薄的那層，單層細胞就是糊粉層。在所有的禾穀類，除了大麥以外，它都是單層的。裏邊紅色染色的部分就是澱粉胚乳，紅色是我染的澱粉，藍色是染的蛋白。右邊這個圖，大家可以看到糊粉層，這一部分佔比是非常小，大約不到10%。但是這裏你可以看到，它的維生素B1的含量能達到80%以上，蛋白質、脂肪酸、鋅、鐵的含量基本上60%-70%之間。所以這一部分恰恰是我們人類非常需要的一部分。

我們人類的進化過程中，實際上是與禾穀類作物的攝取是密切相關的。但是為什麼會出現這樣一個維生素缺乏的疾病呢？是與現代精米機和現代打穀機以及現代磨粉機的發明有關。

那麼這裏有個故事，是關於荷蘭醫生艾克曼的故事。在1897年的時候，他被送到印尼兵營裏邊去。當時印尼的兵營裏邊出現一個病，就是現在我們説的腳氣。不光腳氣，這些士兵還會猝死。那這個病他們開始的時候一直以為是一種傳染病。後來他去了以後，經過了很多調查，很多接種，找不到病原，找不到病原菌，找不到一種能傳遞到另外一個人身上的病原。

一個偶然的機會，他發現在兵營裏邊的雞身上也有這個病，它們的腳也會便粗糙，也會猝死。然後他有一次偶然機會發現，如果給這隻雞喂米糠，然後這個雞的問題就解決了。然後他把麩皮燒成水，讓士兵喝了以後也解決了。然後他就提出，這個麩皮裏邊有一個成分，是這個疾病的原因。這就是世界上第一個維生素被發現的，叫維生素B1。他也因此在二十九年之後，1926年獲得諾貝爾獎。

雖然這個成分是啥，不是他發現的，但是麩皮裏有這個一個因子，是他發現的，就因此就拿到了諾貝爾獎。

**在我回國的時候，有個非常天真的想法，去改變水稻的糊粉層。**剛才講了我們所有的水稻，都是單層的。如能夠把它變得厚一點，那麼是不是我們就可以創制一種更有營養的水稻。

**在我們所有禾穀類裏面只有一個作物，它的糊粉層是多層的，就是大麥。**大麥的糊粉層是3到4層，到現在我們還不知道，為什麼它會變成3層到4層，哪一個遺傳因子或突變造成的還不清楚。但是有這樣的想法，我們就想既然大麥裏有，那我在水稻裏邊，為什麼就不能創制一個呢？

基於這個想法，我們就仔細地研究了這個糊粉層產生的過程。那麼這張圖，是我們大量的前期工作的一個累積。

外邊這個紅色的部分，是怎麼分化出來的，在這個過程中，它的遺傳基因和遺傳調控是怎麼發生的。為了實現一個厚糊粉層的，新型的稻米，我們進行了化學的誘變，就是進行化學處理，讓遺傳變異速度加快。

平時一個新的性狀出現，可能需要幾萬年、幾十萬年，那我們等不得，那麼為了加快變異，我們進行了誘變。

大家可以看到誘變的第一代，非常整齊，沒什麼變化，到了第二代，這個植物就長得高高矮矮不一樣了，就説明了發生了遺傳性的變化。

那麼我們對它的種子要進行篩選，這樣一個變異，它發生概率非常非常低，那麼我們必須創制一種非常簡便，快速的方法。

**我們研究了一個小的設備，能夠把水稻的穎果，從中間給切開。**大家看到右邊，那邊是帶胚的，我們把它放到一邊。那麼不帶胚的那一側，我們在表面進行染色。這種染料，只能把澱粉胚乳染上顏色，而糊粉層由於不含澱粉，所以就不會染上顏色。我們在顯微鏡底下去檢測，這裏邊能否有加厚的。

那麼我們十幾個學生，經過了大概半年多，全力以赴的篩選，終於從中拿到了這個兩個變異。我們看到第一個變異的時候，我們非常興奮，因為我們從來沒見到，水稻裏面會有這種變異。幾個禮拜之後，我們又發現了第二例。我們給了它一個名字，叫ta，一個特殊的遺傳變異。

那麼這種變異是否真正產生了加厚，我們必須在顯微鏡底下看。

那麼在顯微鏡裏可以清楚地看到，左邊是普通的水稻，所有的水稻都是像左邊一樣的。那麼中間這個就是ta1，它的糊粉層的厚度變成了3到5層，ta2變成了5到10層**。**當一個夢想真正能看到的時候，是非常激動人心的。我的學生很激動，我也很激動，我們馬上要看的，到底營養提升了沒有，我們追求的不是糊粉層加厚，而是營養的提升。

大家看到紅色的柱子，就是它的背景材料，那麼藍色的柱子就是它的，左邊ta1和右邊是ta2的差異。大家可以看到它裏邊的蛋白含量，脂肪酸含量，維生素含量，微量元素含量，膳食纖維含量都得到了不同幅度的提升，大概在10%到500%之間的提升。

ta2比ta1的營養提升更大，因為它的糊粉層更加厚。那麼這個結果我們看到，從最開始到這裏，經歷了四年的時間，看到這個結果，切了36,000粒種子。

那麼這個過程中，還遇到許許多多的困難，我們沒有想到的困難，我不能一一列舉，我就舉一個例子，這個圖表就是研究它的遺傳規律，我們大概花了兩年的時間。為什麼呢，**因為它不符合傳統的孟德爾遺傳，它的遺傳規律，比普通的遺傳學的規則要更加複雜，****簡單的説就是，這種加厚的性狀今天有，明天就消失了。**因此，給了我遇到了更多的挑戰，但是，我們一一都得到了克服。

我們對變異產生背後的原因，進行了精確的分析。我們知道是哪個位點發生了突變造成的，為什麼會加厚，這裏我也不會給大家詳細地講。

但是我想給大家講一個新的挑戰，這個挑戰就是我們中國吃白米的習慣。

我們雖然創制了一個高營養的水稻，如果我們加工成白米時，還會被打磨掉。因為加工白米的過程中，第一步是去掉穀殼，第二步是打磨，打磨的過程中 我們把糊粉層，把胚最有營養的部分都拋掉了，實際上就是澱粉，那咋辦，我們有一個新的想法，就是我們中國人，吃紅米，吃紫米，吃黑米的時候，我們吃全米，我們把它叫做糙米，我認為這個名字是非常不好的，因為糙米本身就粗糙，應該叫全米。那麼全米，是一個非營養完善的稻米，所以我們希望今後，大家再次講這個米的時候，不要講糙米叫全米好不好。

那麼為了保護我們創制的這個高營養的不會被打磨掉，我們決定用紫米進行雜交，把這個性狀導入到紫米里邊去。那麼導入到哪樣的品種裏邊去，我們做了仔細選擇。我們希望能創造一個大家感到口感好，味道好，所以我們選擇了一個軟米類型的紫米，它的直鏈澱粉含量只有5%，通常大概是10%到20%之間，同時還有香味。

大家喜歡有香味的香米，這樣一個性狀，同時它的花青素含量非常高，花青素有抗衰老保健作用，所以我們選擇了這樣一個親本。

然後我們又經歷了七八年的時間，經過反覆的雜交 回交，我們在北京 在山東，在海南進行穿梭育種，大家知道，海南冬天是可以種水稻的，北方冬天種不了，所以我們在海南可以搶一季，就是每年我可以種兩季。所以即使這樣，也是要經過七八年的時間，這是我跟山東省農科院張士永老師，共同合作的一個成果。

就這樣我們在東營的鹽鹼地上，創造了一箇中紫系列的紫米，它的營養豐富，口感好 香味濃郁，產量也超過了原來它的紫香糯，的產量。我們也做了一個盲試實驗，我們請了好多朋友一起來，把市場上買到的紫米，和我們自己培育的紫米進行了比較。毫無疑問，大家非常喜歡我們這個新型紫米，因為它香 微糯，雖然營養你吃不出差別來，但是你可以想象到它的豐富營養。

我們北京大學對接的這個鄉村振興，是在雲南的彌渡，我們把這個紫米品種，也引到了雲南的彌渡種植，在山東 在安徽等地種植，從目前來看的話，還是非常受歡迎。那麼這個紫米目前逐漸開始，小規模地上市，請大家來提供意見，我們來進一步地去改良它。

同時，我想非常重要的説一點，十八年的時間，我的一批研究生，我一批的工作人員和我的合作伙伴 大家共同努力的一個成果，那麼現在他們已走出實驗室，已經成就了他們個人，但是更重要的是，為我們的國人，提供了一個完全新型的稻米品種，這個稻米品種會讓大家身體更加健康。**對兒童來説，更多地可以補充鋅鐵和維生素的缺乏，對我們女同志來説，可以補充鐵的缺乏，對老同志來説，可以補充鐵和鈣的缺乏。**那這些方面，我相信將來會在我們的生活中，扮演更重要的角色。

最後我想説一句，就是我們一個做科學的人，首先是要有愛心，你做一件事，你要對國家 對人民有利，同時還有夢想，這樣一個成果的出現，其實就是個夢想。我們根本不知道，我們是否會實現目標，而相當長的一個時間，我也沒有任何項目的支持，因為它太挑戰了，太有危險了。大多數資助機構不可能資助，這樣一個完全夢想的項目，但是我想有追求的目標，同時還要有恆心，為一個目標去做不懈的努力，才會真正獲得成功，謝謝大家。

編輯：王海龍