劉春明

北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院教授/院長(zhǎng)

中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員

我是劉春明，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院的教授，也是中國(guó)科學(xué)院植物所的研究員。今天給大家分享的是創(chuàng)新水稻育種，從傳統(tǒng)能量型的水稻到營(yíng)養(yǎng)健康型水稻的轉(zhuǎn)變。這個(gè)故事大概經(jīng)歷了十八年的時(shí)間。

我們平時(shí)吃的糧食主要都是植物的種子，占90%以上。我過去三十年里，一半的時(shí)間是研究種子的胚，也就是種子里最主要的起繁育功能的部分。另外一半的時(shí)間是研究種子的胚乳。我們平時(shí)吃的雙子葉植物，對(duì)于豆科植物，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(shí)，禾谷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(chǎn)生下一代。胚乳是今天我講的重點(diǎn)。胚乳實(shí)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(yíng)養(yǎng)，而胚乳同樣如此。

在整個(gè)種子的發(fā)育過程中，胚乳幫助胚胎從母體來獲取營(yíng)養(yǎng)。同時(shí)，在種子萌發(fā)的過程中，比方說水稻，頭三天的營(yíng)養(yǎng)完全依賴于它的種子里的胚乳所攜帶的營(yíng)養(yǎng)。因此，這個(gè)胚乳既在胚胎發(fā)育過程中很重要，對(duì)早期的種子的萌發(fā)也非常重要。

禾谷類作物是人類最主要的糧食來源。目前我們利用的主要禾谷類作物包括水稻、小麥、玉米、谷子、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(shí)際生活過程中，我們需要能量，而能量的最主要提供者就是淀粉。禾谷類作物種子里含有豐富的淀粉，淀粉的攝入保證了我們不會(huì)有饑餓感。因此，淀粉的攝取是非常重要的。淀粉包括兩大類，一種是直鏈淀粉，也就是相對(duì)比較難以消化的，也叫非糯性的；另外一種是支鏈淀粉，就是糯性的，相對(duì)比較容易消化。這兩類淀粉是我們主要的能量來源。過去一段時(shí)間，我們的食物結(jié)構(gòu)發(fā)生了非常大的變化。

在八十年代之前，我個(gè)人大概1985年之前，總是感覺處在一種饑餓和半饑餓狀態(tài)，總是感覺吃不飽，挨餓的狀態(tài)。

大概在八十年代末期，或者是九十年代初期，饑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(gè)更大的變化出現(xiàn)了，我們吃的更加白了，大家喜歡吃精米，吃白米，吃白面饅頭。

那么這種改變的話，口感是好了，但是我們的營(yíng)養(yǎng)水平是下降的，這個(gè)挑戰(zhàn)還是非常大。由此而帶來的糖尿病、肥胖癥，維生素缺乏癥，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(zhàn)了我們現(xiàn)在的身體健康。

所以，這就是我們現(xiàn)在面臨的一個(gè)食物結(jié)構(gòu)、食物安全的一個(gè)改變。我們需要更加有營(yíng)養(yǎng)，更加健康的食物。

所以，我在2005年，從荷蘭全職回國(guó)之后，就開始思考，我們是否能給國(guó)人創(chuàng)造一個(gè)更有營(yíng)養(yǎng)的大米。那么圍繞這樣一個(gè)故事，我們首先就要了解，大米是怎么得到的，大米是怎么來的呢？

最簡(jiǎn)單說，大米來自水稻，這個(gè)可能大家都知道。那么在一粒稻谷里邊，水稻的胚乳實(shí)際上分了兩部分，一是淀粉胚乳，就是我們吃的白米的部分。在淀粉胚乳之外，還有薄薄的一層叫糊粉層。那這部分是營(yíng)養(yǎng)最豐富的，我這樣說是有理論根據(jù)的。

大家看到左邊這個(gè)圖，就是局部切開一個(gè)水稻成熟的籽粒的樣子。那么外面薄薄的那層，單層細(xì)胞就是糊粉層。在所有的禾谷類，除了大麥以外，它都是單層的。里邊紅色染色的部分就是淀粉胚乳，紅色是我染的淀粉，藍(lán)色是染的蛋白。右邊這個(gè)圖，大家可以看到糊粉層，這一部分占比是非常小，大約不到10%。但是這里你可以看到，它的維生素B1的含量能達(dá)到80%以上，蛋白質(zhì)、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?nèi)祟惙浅Ｐ枰囊徊糠帧?/p>

我們?nèi)祟惖倪M(jìn)化過程中，實(shí)際上是與禾谷類作物的攝取是密切相關(guān)的。但是為什么會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)維生素缺乏的疾病呢？是與現(xiàn)代精米機(jī)和現(xiàn)代打谷機(jī)以及現(xiàn)代磨粉機(jī)的發(fā)明有關(guān)。

那么這里有個(gè)故事，是關(guān)于荷蘭醫(yī)生艾克曼的故事。在1897年的時(shí)候，他被送到印尼兵營(yíng)里邊去。當(dāng)時(shí)印尼的兵營(yíng)里邊出現(xiàn)一個(gè)病，就是現(xiàn)在我們說的腳氣。不光腳氣，這些士兵還會(huì)猝死。那這個(gè)病他們開始的時(shí)候一直以為是一種傳染病。后來他去了以后，經(jīng)過了很多調(diào)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(gè)人身上的病原。

一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，他發(fā)現(xiàn)在兵營(yíng)里邊的雞身上也有這個(gè)病，它們的腳也會(huì)便粗糙，也會(huì)猝死。然后他有一次偶然機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果給這只雞喂米糠，然后這個(gè)雞的問題就解決了。然后他把麩皮燒成水，讓士兵喝了以后也解決了。然后他就提出，這個(gè)麩皮里邊有一個(gè)成分，是這個(gè)疾病的原因。這就是世界上第一個(gè)維生素被發(fā)現(xiàn)的，叫維生素B1。他也因此在二十九年之后，1926年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

雖然這個(gè)成分是啥，不是他發(fā)現(xiàn)的，但是麩皮里有這個(gè)一個(gè)因子，是他發(fā)現(xiàn)的，就因此就拿到了諾貝爾獎(jiǎng)。

在我回國(guó)的時(shí)候，有個(gè)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(diǎn)，那么是不是我們就可以創(chuàng)制一種更有營(yíng)養(yǎng)的水稻。

在我們所有禾谷類里面只有一個(gè)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(xiàn)在我們還不知道，為什么它會(huì)變成3層到4層，哪一個(gè)遺傳因子或突變?cè)斐傻倪€不清楚。但是有這樣的想法，我們就想既然大麥里有，那我在水稻里邊，為什么就不能創(chuàng)制一個(gè)呢？

基于這個(gè)想法，我們就仔細(xì)地研究了這個(gè)糊粉層產(chǎn)生的過程。那么這張圖，是我們大量的前期工作的一個(gè)累積。

外邊這個(gè)紅色的部分，是怎么分化出來的，在這個(gè)過程中，它的遺傳基因和遺傳調(diào)控是怎么發(fā)生的。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)厚糊粉層的，新型的稻米，我們進(jìn)行了化學(xué)的誘變，就是進(jìn)行化學(xué)處理，讓遺傳變異速度加快。

平時(shí)一個(gè)新的性狀出現(xiàn)，可能需要幾萬年、幾十萬年，那我們等不得，那么為了加快變異，我們進(jìn)行了誘變。

大家可以看到誘變的第一代，非常整齊，沒什么變化，到了第二代，這個(gè)植物就長(zhǎng)得高高矮矮不一樣了，就說明了發(fā)生了遺傳性的變化。

那么我們對(duì)它的種子要進(jìn)行篩選，這樣一個(gè)變異，它發(fā)生概率非常非常低，那么我們必須創(chuàng)制一種非常簡(jiǎn)便，快速的方法。

我們研究了一個(gè)小的設(shè)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。那么不帶胚的那一側(cè)，我們?cè)诒砻孢M(jìn)行染色。這種染料，只能把淀粉胚乳染上顏色，而糊粉層由于不含淀粉，所以就不會(huì)染上顏色。我們?cè)陲@微鏡底下去檢測(cè)，這里邊能否有加厚的。

那么我們十幾個(gè)學(xué)生，經(jīng)過了大概半年多，全力以赴的篩選，終于從中拿到了這個(gè)兩個(gè)變異。我們看到第一個(gè)變異的時(shí)候，我們非常興奮，因?yàn)槲覀儚膩頉]見到，水稻里面會(huì)有這種變異。幾個(gè)禮拜之后，我們又發(fā)現(xiàn)了第二例。我們給了它一個(gè)名字，叫ta，一個(gè)特殊的遺傳變異。

那么這種變異是否真正產(chǎn)生了加厚，我們必須在顯微鏡底下看。

那么在顯微鏡里可以清楚地看到，左邊是普通的水稻，所有的水稻都是像左邊一樣的。那么中間這個(gè)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(dāng)一個(gè)夢(mèng)想真正能看到的時(shí)候，是非常激動(dòng)人心的。我的學(xué)生很激動(dòng)，我也很激動(dòng)，我們馬上要看的，到底營(yíng)養(yǎng)提升了沒有，我們追求的不是糊粉層加厚，而是營(yíng)養(yǎng)的提升。

大家看到紅色的柱子，就是它的背景材料，那么藍(lán)色的柱子就是它的，左邊ta1和右邊是ta2的差異。大家可以看到它里邊的蛋白含量，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(yíng)養(yǎng)提升更大，因?yàn)樗暮蹖痈雍瘛?strong style="box-sizing: border-box;">那么這個(gè)結(jié)果我們看到，從最開始到這里，經(jīng)歷了四年的時(shí)間，看到這個(gè)結(jié)果，切了36,000粒種子。

那么這個(gè)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(gè)例子，這個(gè)圖表就是研究它的遺傳規(guī)律，我們大概花了兩年的時(shí)間。為什么呢，因?yàn)樗环蟼鹘y(tǒng)的孟德爾遺傳，它的遺傳規(guī)律，比普通的遺傳學(xué)的規(guī)則要更加復(fù)雜，簡(jiǎn)單的說就是，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(zhàn)，但是，我們一一都得到了克服。

我們對(duì)變異產(chǎn)生背后的原因，進(jìn)行了精確的分析。我們知道是哪個(gè)位點(diǎn)發(fā)生了突變?cè)斐傻?，為什么?huì)加厚，這里我也不會(huì)給大家詳細(xì)地講。

但是我想給大家講一個(gè)新的挑戰(zhàn)，這個(gè)挑戰(zhàn)就是我們中國(guó)吃白米的習(xí)慣。

我們雖然創(chuàng)制了一個(gè)高營(yíng)養(yǎng)的水稻，如果我們加工成白米時(shí)，還會(huì)被打磨掉。因?yàn)榧庸ぐ酌椎倪^程中，第一步是去掉谷殼，第二步是打磨，打磨的過程中 我們把糊粉層，把胚最有營(yíng)養(yǎng)的部分都拋掉了，實(shí)際上就是淀粉，那咋辦，我們有一個(gè)新的想法，就是我們中國(guó)人，吃紅米，吃紫米，吃黑米的時(shí)候，我們吃全米，我們把它叫做糙米，我認(rèn)為這個(gè)名字是非常不好的，因?yàn)椴诿妆旧砭痛植?，?yīng)該叫全米。那么全米，是一個(gè)非營(yíng)養(yǎng)完善的稻米，所以我們希望今后，大家再次講這個(gè)米的時(shí)候，不要講糙米叫全米好不好。

那么為了保護(hù)我們創(chuàng)制的這個(gè)高營(yíng)養(yǎng)的不會(huì)被打磨掉，我們決定用紫米進(jìn)行雜交，把這個(gè)性狀導(dǎo)入到紫米里邊去。那么導(dǎo)入到哪樣的品種里邊去，我們做了仔細(xì)選擇。我們希望能創(chuàng)造一個(gè)大家感到口感好，味道好，所以我們選擇了一個(gè)軟米類型的紫米，它的直鏈淀粉含量只有5%，通常大概是10%到20%之間，同時(shí)還有香味。

大家喜歡有香味的香米，這樣一個(gè)性狀，同時(shí)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(gè)親本。

然后我們又經(jīng)歷了七八年的時(shí)間，經(jīng)過反復(fù)的雜交 回交，我們?cè)诒本?在山東，在海南進(jìn)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?cè)诤Ｄ峡梢該屢患荆褪敲磕晡铱梢苑N兩季。所以即使這樣，也是要經(jīng)過七八年的時(shí)間，這是我跟山東省農(nóng)科院張士永老師，共同合作的一個(gè)成果。

就這樣我們?cè)跂|營(yíng)的鹽堿地上，創(chuàng)造了一個(gè)中紫系列的紫米，它的營(yíng)養(yǎng)豐富，口感好 香味濃郁，產(chǎn)量也超過了原來它的紫香糯，的產(chǎn)量。我們也做了一個(gè)盲試實(shí)驗(yàn)，我們請(qǐng)了好多朋友一起來，把市場(chǎng)上買到的紫米，和我們自己培育的紫米進(jìn)行了比較。毫無疑問，大家非常喜歡我們這個(gè)新型紫米，因?yàn)樗?微糯，雖然營(yíng)養(yǎng)你吃不出差別來，但是你可以想象到它的豐富營(yíng)養(yǎng)。

我們北京大學(xué)對(duì)接的這個(gè)鄉(xiāng)村振興，是在云南的彌渡，我們把這個(gè)紫米品種，也引到了云南的彌渡種植，在山東 在安徽等地種植，從目前來看的話，還是非常受歡迎。那么這個(gè)紫米目前逐漸開始，小規(guī)模地上市，請(qǐng)大家來提供意見，我們來進(jìn)一步地去改良它。

同時(shí)，我想非常重要的說一點(diǎn)，十八年的時(shí)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(gè)成果，那么現(xiàn)在他們已走出實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)成就了他們個(gè)人，但是更重要的是，為我們的國(guó)人，提供了一個(gè)完全新型的稻米品種，這個(gè)稻米品種會(huì)讓大家身體更加健康。對(duì)兒童來說，更多地可以補(bǔ)充鋅鐵和維生素的缺乏，對(duì)我們女同志來說，可以補(bǔ)充鐵的缺乏，對(duì)老同志來說，可以補(bǔ)充鐵和鈣的缺乏。那這些方面，我相信將來會(huì)在我們的生活中，扮演更重要的角色。

最后我想說一句，就是我們一個(gè)做科學(xué)的人，首先是要有愛心，你做一件事，你要對(duì)國(guó)家 對(duì)人民有利，同時(shí)還有夢(mèng)想，這樣一個(gè)成果的出現(xiàn)，其實(shí)就是個(gè)夢(mèng)想。我們根本不知道，我們是否會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)間，我也沒有任何項(xiàng)目的支持，因?yàn)樗魬?zhàn)了，太有危險(xiǎn)了。大多數(shù)資助機(jī)構(gòu)不可能資助，這樣一個(gè)完全夢(mèng)想的項(xiàng)目，但是我想有追求的目標(biāo)，同時(shí)還要有恒心，為一個(gè)目標(biāo)去做不懈的努力，才會(huì)真正獲得成功，謝謝大家。