水稻育种有哪些新前景？看国内外专家怎么说

作者：种子天下 2025/4/18 15:00:28

4月11日，华中农业大学张启发院士和国际水稻研究所Jauhar Ali研究员，联合国际粮食政策研究所Howarth Bouis研究员、中国水稻研究所胡培松院士、美国加尼福利亚大学戴维斯分校Gurdev Khush院士、崖州湾国家实验室李家洋院士、上海市农业生物基因中心罗利军研究员、国家粮食和物资储备局科学研究院谭斌研究员、中国农业科学院作物科学研究所万建民院士、哈佛大学Walter Willett

4月11日，華中農業大學張啟發院士和國際水稻研究所Jauhar Ali研究員，聯合國際糧食政策研究所Howarth Bouis研究員、中國水稻研究所胡培松院士、美國加尼福利亞大學戴維斯分校Gurdev Khush院士、崖州灣國家實驗室李家洋院士、上海市農業生物基因中心羅利軍研究員、國家糧食和物資儲備局科學研究院譚斌研究員、中國農業科學院作物科學研究所萬建民院士、哈佛大學Walter Willett教授、美國亞利桑那大學Rod Wing教授，以及華中農業大學水稻團隊熊立仲教授、余四斌教授、陳浩教授、李一博教授和歐陽亦聃教授，在Science Bulletin上發表了題為“Developing Green Nutritious Super Rice for a healthy Anthropocene”的展望論文，對水稻育種和稻米產業的使命和前景提出了新的倡議。

該文以近二十年綠色超級稻（少打農藥、少施化肥、節水抗旱、優質高產）實踐為基礎，提出培育綠色營養超級稻，改變根深蒂固“精米為主食”的千年習俗，讓主食擔負起提高人民營養健康水平的使命。該文概述了綠色營養超級稻的概念、目標及意義，并提出以全谷黑米為基本型培育綠色營養超級稻的技術策略。

水稻作為全球一半以上人口的主要糧食作物，對保障全球糧食安全具有重大意義。數千年來，稻米主要為人類提供能量，而稻米的生產，尤其是近幾十年來的生產方式，導致了資源環境的代價沉重。

綠色超級稻的培育最初針對中國水稻生產中這一嚴峻問題。中國的水稻年產量占全球總產量的30%。長期以來，中國以僅約8%的耕地養活了世界20%~22%的人口，但消耗了全球35%以上的農藥和化肥。為緩解這一矛盾，中國科學家于本世紀初提出了綠色超級稻（Green Super Rice, GSR）的構想。綠色超級稻具有產量潛力高、抗病蟲害、耐非生物脅迫（如干旱、高低溫等），以及水分養分高效利用的特點，這些性狀的改良可以通過基因組選擇技術從水稻種質資源中引入目標基因而實現。

自古以來，水稻是以淀粉胚乳為食物來源的主糧，以其低成本為人類提供了大部分能量。隨著近幾十年來世界許多地區（尤其是中國）的社會經濟發展，人們對口感美味的追求使稻米加工愈發精細，而全谷物消費量愈發降低。在中國，飲食相關的心血管疾病死亡率和癌癥死亡率包括DALY（disability-adjusted life-year）全球最高。

禾本科的全谷物由果皮、種皮、糊粉層、胚和胚乳組成，而精加工的谷物（如精白米）僅保留了胚乳部分。根據多項大規模研究，全谷物攝入與降低多種疾病引起的全因死亡率和特定病因死亡率風險相關，包括癌癥、心血管疾病、冠心病、中風、糖尿病、呼吸系統疾病、感染性疾病和神經系統疾病。據估計，足量全谷物攝入可降低罹患各種疾病和疾病導致的死亡風險30%以上。這是因為全谷物攝入不足或精制谷物攝入過多會引發胰島素抵抗，而胰島素抵抗與幾乎所有非傳染性疾病高度相關。

有色稻米，尤其是全谷黑米，富含多種營養成分，包括蛋白質、膳食纖維、必需脂肪酸、維生素、礦物質及多種生物活性成分。黑米果皮和種皮中合成的花青素具有促進健康和延長壽命的多重效應。近期一項關于全谷黑米、全谷白米及精白米的營養組學研究表明，全谷黑米能夠為人類健康提供全面且豐富的營養來源。

科學家已經開始了將黑米推廣為營養主食的行動。針對當前黑米普遍存在烹煮難、口感欠佳等問題，華中農業大學的育種團隊最近培育出一款全谷黑米新品種“華墨香3號”，做米飯食味特佳，全谷營養豐富且均衡，產量視生產條件在5.5~11噸/公頃之間。該品種可回應消費者對能量和營養健康的需求，被賦予“米飯型全谷黑米”的新理念。這類水稻品種的推出為人類解鎖黑米的營養寶藏提供了重要契機。

為滿足未來水稻產業和人類健康的需求，該文發出培育綠色營養超級稻（GNSR, Green Nutritious Super Rice）的倡議，從而為地球創造更美好的未來。為實現這一愿景，綠色營養超級稻應具備以下特征：高產且穩產；綠色農業性狀，包括對生物和非生物脅迫的抗性，以及其他有助于資源節約、環境友好的特性；全谷物，尤其是果皮種皮積累花青素的全谷黑米。以全谷黑米作為營養健康主食替代目前僅只包含胚乳的精白米，為人類提供齊全平衡的營養素（全營養），對促進人類健康發揮全功能。

倡議提出了綠色營養超級稻的基因組育種的技術策略。綠色營養超級稻育種的第一步是水稻品種目標性狀的基因組設計。針對特定稻作區，設計應考慮以下幾個內容：環境適應性與開花時間，產量水平及其相關農藝性狀，生物和非生物脅迫的抗性，以及全谷物營養成分。育種計劃的設計還需考慮核心親本及特定性狀供體的選擇，還應列出與育種計劃相匹配的目標性狀、育種方案及程序的目標基因清單。

近二十多年來，國際水稻功能基因組研究已鑒定并解析了5000多個與各類性狀及生物學過程相關的基因，包括產量性狀與抽穗期基因，稻瘟病、白葉枯病和褐飛虱等病蟲害抗性基因，高低溫、干旱等非生物脅迫相關抗性基因，水分及氮利用效率基因，以及常規的精米品質基因。這些成果為綠色營養超級稻育種奠定了堅實的基因和資源基礎。然而，一些重要性狀，如對螟蟲、卷葉螟、以及稻曲病等病蟲害的抗性基因仍然缺乏。更重要的是，全谷物品質相關性狀的功能基因組研究很少，目前可用于此類性狀遺傳改良的基因極為有限。

基因編輯技術為實現特定水稻基因的定向突變、多基因的操縱以及靶向替換提供強有力的工具。人工智能等新興技術有助于預測基因變異的潛在效應，并優化基因聚合或編輯的目標性狀。這些方法有望進一步加速基因組育種的進程，推動綠色營養超級稻培育從設計到實施。

倡議指出，全谷黑米作為主食具有多方面潛在的協同效益：提升稻米營養價值，促進人類健康；通過食用全谷而非精米，有效保障糧食安全；緩解對高產目標的壓力，為資源和環境可持續農業的綠色發展提供更多選擇；相較于傳統白米，因其潛在的價格優勢，可以增加稻農的收益，使水稻產業更具吸引力。

該文倡議將全谷黑米作為稻米消費人群的主食，這也是對2021年“主食全谷化，黑米主食化”提議的積極回應。主食的變革有望為人類、農業與自然的和諧發展帶來新的范式。當然，實現這一目標需要多方協同努力，包括政策支持、公眾教育、提升社會認知、知識創新等，不同國家科學家參與的跨學科研究，整合植物學、育種學、食品營養學與健康醫學等領域的研究，共同推動科學前沿發展。此外，產業界應積極生產并向消費者推廣營養健康的稻米產品。最近國家出臺的《國家全谷物行動計劃（2024-2035）》為“黑米主食化”行動提供了非常令人鼓舞的信號。

作者簡介

張啟發，華中農業大學教授，中國科學院院士。提出并實施了“少打農藥、少施化肥、節水抗旱、優質高產”的綠色超級稻戰略構想，推動了綠色超級稻的培育與產業化進程。倡導“主食全谷化，黑米主食化”，奉獻對人類和地球都健康的食品。

Jauhar Ali，國際水稻研究所（IRRI）首席科學家，雜交水稻發展聯盟（HRDC）主席。專注于培育適應南亞和東南亞市場需求的雜交水稻親本材料。通過IRRI、中國農業科學院（CAAS）及各國農業研究系統（NARES）的緊密合作，培育出73個具有多重抗性的綠色超級稻（GSR）品種，為解決糧食安全和可持續農業問題作出了重要貢獻。

Howarth Bouis，國際糧食政策研究所（IFPRI）高級研究員，于20世紀90年代初率先提出生物強化概念，國際作物營養強化項目（HarvestPlus）的發起人。因在“通過生物強化解決全球隱性饑餓問題方面的開創性貢獻”，于2016年榮獲世界糧食獎。

胡培松，中國水稻研究所研究員，中國工程院院士，水稻遺傳育種專家。擔任國家水稻產業技術體系首席科學家、雜交水稻發展聯盟（HRDC）專家委員會委員。榮獲國家科技進步二等獎三次，并獲浙江省農業科技突出貢獻獎及中國作物學會科學技術成就獎等榮譽。成功培育出中“嘉早17”“中香1號”等優質稻品種，累計推廣面積超過1.7億畝。

Gurdev Khush，加州大學戴維斯分校名譽兼職教授，植物遺傳學家。曾任國際水稻研究所（IRRI）首席育種家。印度國家科學院、第三世界科學院、美國國家科學院（外籍）、英國皇家學會（外籍）、中國科學院（外籍）及俄羅斯農業科學院院士。因其在作物遺傳育種領域的卓越貢獻，先后榮獲世界糧食獎（1996）、沃爾夫農業獎（2000）、中國政府友誼獎（2000）、中華人民共和國國際科學技術合作獎（2001）、金鐮刀獎（2007）以及中國河姆渡稻作國際合作獎（2013）等多項國際殊榮。

李家洋，崖州灣國家實驗室主任，中國科學院院士、美國國家科學院外籍院士，植物分子遺傳學家。榮獲未來科學大獎“生命科學獎”、何梁何利基金科學與技術成就獎、國家自然科學一等獎等多項榮譽。揭示了水稻株型形成的分子機理，克隆了理想株型基因IPA1，開創了分子設計育種技術體系，培育出高產優質水稻新品種，為保障國家糧食安全作出重大貢獻。

羅利軍，上海市農業生物基因中心首席科學家，國家“百千萬人才工程”人才。長期從事作物遺傳資源的收集保護、研究評價與創新利用研究，選育出多個節水抗旱稻新品種，在節水抗旱稻的理論與育種研究上做出了重要貢獻。先后獲國家技術發明二等獎、國家科技進步一等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎。

譚斌，國家糧食和物資儲備局科學研究院首席研究員，國家糧食產業（全谷物）技術創新中心主任。長期圍繞全谷物食品的營養與加工開展工作，推動全谷物相關政策與標準的完善，編著《全谷物營養健康與加工》，在推動全谷物產業發展方面作出了重要貢獻。

萬建民，中國農業科學院作物科學研究所研究員，中國工程院院士。曾任中國農業科學院副院長、中國農業科學院作物科學研究所所長等職。長期致力于水稻優異基因挖掘和分子育種研究，為我國水稻育種和糧食安全作出了重大貢獻。榮獲國家科技進步一等獎、國家技術發明二等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎。

Walter Willett，哈佛大學陳曾熙公共衛生學院流行病學與營養系教授，哈佛大學醫學院醫學教授，美國醫學科學院院士，全球最具影響力的流行病學及營養學家之一。開創性地建立并完善了膳食問卷及生物標記物的研究方法，系統揭示了營養與重大疾病之間的關聯，在心血管疾病及癌癥的生活方式危險因素研究領域取得了卓越成就。《EAT-柳葉刀》報告聯合主席。撰寫了經典教科書《營養流行病學》。多次榮獲美國及國際重要獎項，其研究成果對全球營養科學和公共衛生領域產生了深遠影響。

Rod Wing，美國亞利桑那大學教授，沙特阿卜杜拉國王科技大學教授，植物基因組學家。作為全球植物基因組研究領域的領軍人物，在作物基因組學領域取得了開創性成就，為作物基因組學的發展奠定了重要基礎。

熊立仲，華中農業大學教授，國家“杰青”。長期從事植物非生物逆境抗性的分子基礎研究，獲國家科技發明二等獎。

余四斌，華中農業大學教授，長期從事水稻種質創新、基因發掘與利用。曾擔任國家高新技術計劃“綠色超級稻新品種選育”項目負責人、國家水稻產業技術體系崗位科學家。獲國家自然科學二等獎。

陳浩，華中農業大學教授，國家重點研發計劃“稻麥玉米全谷物營養健康性狀形成的機理”項目負責人。主要研究黑米特殊營養成分及其遺傳調控機制，致力于黑米主食化推廣應用。

李一博，華中農業大學教授，主要研究水稻粒型與堊白的調控機制。

歐陽亦聃，華中農業大學教授，國家水稻產業技術體系崗位科學家。長期從事雜交稻生物學機制的相關研究，成果入選中國科學十大進展。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927325003743?via%3Dihub