创新水稻育种：从能量型到健康营养型的转变_风闻

我是刘春明，北京大学现代农学院的教授，也是中国科学院植物所的研究员。今天给大家分享的是创新水稻育种，从传统能量型的水稻到营养健康型水稻的转变。这个故事大概经历了十八年的时间。

我们平时吃的粮食主要都是植物的种子，占90%以上。我过去三十年里，一半的时间是研究种子的胚，也就是种子里最主要的起繁育功能的部分。另外一半的时间是研究种子的胚乳。我们平时吃的双子叶植物，对于豆科植物，我们吃的是它的胚。例如，我们吃大豆、绿豆、红豆等，都是吃的胚。而在吃主要粮食作物时，禾谷类作物的水稻和小麦，我们吃的是它的胚乳。

种子是植物最主要的繁育器官，让植物产生下一代。胚乳是今天我讲的重点。胚乳实际上在很多功能上非常像人的胎盘。胎盘帮助婴儿从母体来获取营养，而胚乳同样如此。

在整个种子的发育过程中，胚乳帮助胚胎从母体来获取营养。同时，在种子萌发的过程中，比方说水稻，头三天的营养完全依赖于它的种子里的胚乳所携带的营养。因此，这个胚乳既在胚胎发育过程中很重要，对早期的种子的萌发也非常重要。

禾谷类作物是人类最主要的粮食来源。目前我们利用的主要禾谷类作物包括水稻、小麦、玉米、谷子、高粱、大麦等等。这些作物提供了我们餐桌的多样性，也为我们提供了丰富的美食。作为粮食，我们的第一需求是能量。

**在实际生活过程中，我们需要能量，而能量的最主要提供者就是淀粉。**禾谷类作物种子里含有丰富的淀粉，淀粉的摄入保证了我们不会有饥饿感。因此，淀粉的摄取是非常重要的。**淀粉包括两大类，一种是直链淀粉，也就是相对比较难以消化的，也叫非糯性的；另外一种是支链淀粉，就是糯性的，相对比较容易消化。这两类淀粉是我们主要的能量来源。**过去一段时间，我们的食物结构发生了非常大的变化。

在八十年代之前，我个人大概1985年之前，总是感觉处在一种饥饿和半饥饿状态，总是感觉吃不饱，挨饿的状态。

大概在八十年代末期，或者是九十年代初期，饥饿的问题基本解决了，就是我们粮食富足了，有足够的粮食让我们能够吃饱了。在过去二三十年，一个更大的变化出现了，我们吃的更加白了，大家喜欢吃精米，吃白米，吃白面馒头。

那么这种改变的话，口感是好了，但是我们的营养水平是下降的，这个挑战还是非常大。由此而带来的糖尿病、肥胖症，维生素缺乏症，女同志的缺铁性贫血，儿童的缺锌、缺钙、缺微量元素和维生素，这些问题挑战了我们现在的身体健康。

所以，这就是我们现在面临的一个食物结构、食物安全的一个改变。我们需要更加有营养，更加健康的食物。

**所以，我在2005年，从荷兰全职回国之后，就开始思考，我们是否能给国人创造一个更有营养的大米。**那么围绕这样一个故事，我们首先就要了解，大米是怎么得到的，大米是怎么来的呢？

最简单说，大米来自水稻，这个可能大家都知道。那么在一粒稻谷里边，水稻的胚乳实际上分了两部分，一是淀粉胚乳，就是我们吃的白米的部分。**在淀粉胚乳之外，还有薄薄的一层叫糊粉层。**那这部分是营养最丰富的，我这样说是有理论根据的。

大家看到左边这个图，就是局部切开一个水稻成熟的籽粒的样子。那么外面薄薄的那层，单层细胞就是糊粉层。在所有的禾谷类，除了大麦以外，它都是单层的。里边红色染色的部分就是淀粉胚乳，红色是我染的淀粉，蓝色是染的蛋白。右边这个图，大家可以看到糊粉层，这一部分占比是非常小，大约不到10%。但是这里你可以看到，它的维生素B1的含量能达到80%以上，蛋白质、脂肪酸、锌、铁的含量基本上60%-70%之间。所以这一部分恰恰是我们人类非常需要的一部分。

我们人类的进化过程中，实际上是与禾谷类作物的摄取是密切相关的。但是为什么会出现这样一个维生素缺乏的疾病呢？是与现代精米机和现代打谷机以及现代磨粉机的发明有关。

那么这里有个故事，是关于荷兰医生艾克曼的故事。在1897年的时候，他被送到印尼兵营里边去。当时印尼的兵营里边出现一个病，就是现在我们说的脚气。不光脚气，这些士兵还会猝死。那这个病他们开始的时候一直以为是一种传染病。后来他去了以后，经过了很多调查，很多接种，找不到病原，找不到病原菌，找不到一种能传递到另外一个人身上的病原。

一个偶然的机会，他发现在兵营里边的鸡身上也有这个病，它们的脚也会便粗糙，也会猝死。然后他有一次偶然机会发现，如果给这只鸡喂米糠，然后这个鸡的问题就解决了。然后他把麸皮烧成水，让士兵喝了以后也解决了。然后他就提出，这个麸皮里边有一个成分，是这个疾病的原因。这就是世界上第一个维生素被发现的，叫维生素B1。他也因此在二十九年之后，1926年获得诺贝尔奖。

虽然这个成分是啥，不是他发现的，但是麸皮里有这个一个因子，是他发现的，就因此就拿到了诺贝尔奖。

**在我回国的时候，有个非常天真的想法，去改变水稻的糊粉层。**刚才讲了我们所有的水稻，都是单层的。如能够把它变得厚一点，那么是不是我们就可以创制一种更有营养的水稻。

**在我们所有禾谷类里面只有一个作物，它的糊粉层是多层的，就是大麦。**大麦的糊粉层是3到4层，到现在我们还不知道，为什么它会变成3层到4层，哪一个遗传因子或突变造成的还不清楚。但是有这样的想法，我们就想既然大麦里有，那我在水稻里边，为什么就不能创制一个呢？

基于这个想法，我们就仔细地研究了这个糊粉层产生的过程。那么这张图，是我们大量的前期工作的一个累积。

外边这个红色的部分，是怎么分化出来的，在这个过程中，它的遗传基因和遗传调控是怎么发生的。为了实现一个厚糊粉层的，新型的稻米，我们进行了化学的诱变，就是进行化学处理，让遗传变异速度加快。

平时一个新的性状出现，可能需要几万年、几十万年，那我们等不得，那么为了加快变异，我们进行了诱变。

大家可以看到诱变的第一代，非常整齐，没什么变化，到了第二代，这个植物就长得高高矮矮不一样了，就说明了发生了遗传性的变化。

那么我们对它的种子要进行筛选，这样一个变异，它发生概率非常非常低，那么我们必须创制一种非常简便，快速的方法。

**我们研究了一个小的设备，能够把水稻的颖果，从中间给切开。**大家看到右边，那边是带胚的，我们把它放到一边。那么不带胚的那一侧，我们在表面进行染色。这种染料，只能把淀粉胚乳染上颜色，而糊粉层由于不含淀粉，所以就不会染上颜色。我们在显微镜底下去检测，这里边能否有加厚的。

那么我们十几个学生，经过了大概半年多，全力以赴的筛选，终于从中拿到了这个两个变异。我们看到第一个变异的时候，我们非常兴奋，因为我们从来没见到，水稻里面会有这种变异。几个礼拜之后，我们又发现了第二例。我们给了它一个名字，叫ta，一个特殊的遗传变异。

那么这种变异是否真正产生了加厚，我们必须在显微镜底下看。

那么在显微镜里可以清楚地看到，左边是普通的水稻，所有的水稻都是像左边一样的。那么中间这个就是ta1，它的糊粉层的厚度变成了3到5层，ta2变成了5到10层**。**当一个梦想真正能看到的时候，是非常激动人心的。我的学生很激动，我也很激动，我们马上要看的，到底营养提升了没有，我们追求的不是糊粉层加厚，而是营养的提升。

大家看到红色的柱子，就是它的背景材料，那么蓝色的柱子就是它的，左边ta1和右边是ta2的差异。大家可以看到它里边的蛋白含量，脂肪酸含量，维生素含量，微量元素含量，膳食纤维含量都得到了不同幅度的提升，大概在10%到500%之间的提升。

ta2比ta1的营养提升更大，因为它的糊粉层更加厚。那么这个结果我们看到，从最开始到这里，经历了四年的时间，看到这个结果，切了36,000粒种子。

那么这个过程中，还遇到许许多多的困难，我们没有想到的困难，我不能一一列举，我就举一个例子，这个图表就是研究它的遗传规律，我们大概花了两年的时间。为什么呢，**因为它不符合传统的孟德尔遗传，它的遗传规律，比普通的遗传学的规则要更加复杂，****简单的说就是，这种加厚的性状今天有，明天就消失了。**因此，给了我遇到了更多的挑战，但是，我们一一都得到了克服。

我们对变异产生背后的原因，进行了精确的分析。我们知道是哪个位点发生了突变造成的，为什么会加厚，这里我也不会给大家详细地讲。

但是我想给大家讲一个新的挑战，这个挑战就是我们中国吃白米的习惯。

我们虽然创制了一个高营养的水稻，如果我们加工成白米时，还会被打磨掉。因为加工白米的过程中，第一步是去掉谷壳，第二步是打磨，打磨的过程中 我们把糊粉层，把胚最有营养的部分都抛掉了，实际上就是淀粉，那咋办，我们有一个新的想法，就是我们中国人，吃红米，吃紫米，吃黑米的时候，我们吃全米，我们把它叫做糙米，我认为这个名字是非常不好的，因为糙米本身就粗糙，应该叫全米。那么全米，是一个非营养完善的稻米，所以我们希望今后，大家再次讲这个米的时候，不要讲糙米叫全米好不好。

那么为了保护我们创制的这个高营养的不会被打磨掉，我们决定用紫米进行杂交，把这个性状导入到紫米里边去。那么导入到哪样的品种里边去，我们做了仔细选择。我们希望能创造一个大家感到口感好，味道好，所以我们选择了一个软米类型的紫米，它的直链淀粉含量只有5%，通常大概是10%到20%之间，同时还有香味。

大家喜欢有香味的香米，这样一个性状，同时它的花青素含量非常高，花青素有抗衰老保健作用，所以我们选择了这样一个亲本。

然后我们又经历了七八年的时间，经过反复的杂交 回交，我们在北京 在山东，在海南进行穿梭育种，大家知道，海南冬天是可以种水稻的，北方冬天种不了，所以我们在海南可以抢一季，就是每年我可以种两季。所以即使这样，也是要经过七八年的时间，这是我跟山东省农科院张士永老师，共同合作的一个成果。

就这样我们在东营的盐碱地上，创造了一个中紫系列的紫米，它的营养丰富，口感好 香味浓郁，产量也超过了原来它的紫香糯，的产量。我们也做了一个盲试实验，我们请了好多朋友一起来，把市场上买到的紫米，和我们自己培育的紫米进行了比较。毫无疑问，大家非常喜欢我们这个新型紫米，因为它香 微糯，虽然营养你吃不出差别来，但是你可以想象到它的丰富营养。

我们北京大学对接的这个乡村振兴，是在云南的弥渡，我们把这个紫米品种，也引到了云南的弥渡种植，在山东 在安徽等地种植，从目前来看的话，还是非常受欢迎。那么这个紫米目前逐渐开始，小规模地上市，请大家来提供意见，我们来进一步地去改良它。

同时，我想非常重要的说一点，十八年的时间，我的一批研究生，我一批的工作人员和我的合作伙伴 大家共同努力的一个成果，那么现在他们已走出实验室，已经成就了他们个人，但是更重要的是，为我们的国人，提供了一个完全新型的稻米品种，这个稻米品种会让大家身体更加健康。**对儿童来说，更多地可以补充锌铁和维生素的缺乏，对我们女同志来说，可以补充铁的缺乏，对老同志来说，可以补充铁和钙的缺乏。**那这些方面，我相信将来会在我们的生活中，扮演更重要的角色。

最后我想说一句，就是我们一个做科学的人，首先是要有爱心，你做一件事，你要对国家 对人民有利，同时还有梦想，这样一个成果的出现，其实就是个梦想。我们根本不知道，我们是否会实现目标，而相当长的一个时间，我也没有任何项目的支持，因为它太挑战了，太有危险了。大多数资助机构不可能资助，这样一个完全梦想的项目，但是我想有追求的目标，同时还要有恒心，为一个目标去做不懈的努力，才会真正获得成功，谢谢大家。

编辑：王海龙