創新水稻育種:從能量型到健康營養型的轉變_風聞
CC讲坛-CC讲坛官方账号-创新引领未来,传播改变世界。3小时前
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