大米和面粉是中国人日常食用的主要粮食品种，被称为细粮。因此，水稻和小麦的种植成为中国农业生产结构的主体，农业科研的重点也以提高稻、麦产量为核心。选育高产的稻、麦良种一直是紧迫的农业科研任务。
“三系杂交水稻”技术的创立
杂交育种是指对作物的不同品种间进行杂交，并在其杂交后代中通过选择而育成纯合品种的方法，是提高农作物产量和品质的主要技术，世界各国的主要作物品种大都是采用此法育成。杂种优势是指杂交种在生长势、生活力、抗逆性、繁殖力、适应性、产量、品质等方面优于其雌雄双亲的现象；自花授粉作物利用杂种优势提高产量和品质，是 20 世纪农业科学的重大创举。
“杂交水稻之父”、中国工程院院士袁隆平在水稻育种工作中
袁隆平开创了“三系杂交水稻”的先河，我国因此成为世界上第一个大面积成功应用水稻杂种优势的国家。水稻是纯粹的自花授粉植物，当它的谷粒颖壳开花时，已经在壳内完成了授粉过程。通常情况下，如果需要进行少量谷粒的水稻杂交，就必须在颖壳开花前进行人工去雄，阻断颖内授粉。但是在大田生产的场合，实际上不可能进行人工去雄的田间操作。这时候，选择一种自身就是雄性不育（或称花粉败育）的水稻植株，就是开展水稻杂种优势利用的关键。
因此，“三系杂交”需要由 3 个不同功能的水稻亲本配合组成：
雄性不育系，其谷粒颖壳内的雌蕊发育正常，而雄蕊花粉败育，不能自花授粉结实；
保持系，其雌蕊和雄蕊的发育都正常，将其花粉授予雄性不育系的雌蕊，可正常结成种子，而且其后代保持雄性不育，故称保持系；
恢复系，将其花粉授予雄性不育系的雌蕊，也可正常结成种子，但其后代恢复了可育性，成为大田生产用的种子。
由此可见，“三系杂交”的关键是获得“雄性不育”的水稻植株。在过去很长的时期内，全世界的育种学家都在苦苦寻找自然界“雄性不育”的水稻植株。非常幸运的是，袁隆平和他的学生 1970 年在海南省的一个野生稻群体中发现了雄性不育株。他以敏锐的科研洞察力使这次偶然发现变成了改写水稻栽培史的大事件。
在 20 世纪 70 年代，我国始终依靠社会主义集中力量办大事的制度优势，探索跨区域、跨学科、跨部门的协同攻关模式，有效解决了不同时期制约农业、农村发展的重大关键技术难题。成立了由中国农业科学院、湖南省农业科学院等几十家农业科研教学单位、生产部门共同参与的“全国杂交水稻科研协作组”，有力促进了杂交水稻研究，在世界上率先实现了“三系”配套，推动了我国粮食生产水平的飞跃。
“三系杂交水稻”的育成品种
从 1976 年起，杂交水稻开始迅速向全国推广，其主要品种（组合）为“南优”“矮优”“汕优”“威优”“冈优”“D 优”“Ⅱ优”“协优”等系统。“南优 2 号”是世界上第一个实用高产杂交水稻品种，“汕优 63”在 1986 年成为全国杂交水稻播种面积最广的品种，此后 16 年连续稳居首位。
2001 年，以袁隆平为首席专家的全国杂交水稻科研协作组选育成功的“籼型杂交水稻”荣获国家技术发明奖特等奖。颁奖词说：利用我国普通野生稻雄性不育株经过连续回交及广泛测交筛选，于 1973 年完成“三系”配套，并配制出光合效率高、根系活力强等优势杂交组合。1976—1980 年，全国累计播种面积 2.5 亿多亩，增产粮食 130 多亿千克，增产效果显著。
两系杂交法的发明
“三系杂交”所产生的杂种优势是十分明显的，在当时产生了巨大的轰动效应。但是，“三系杂交”也有其局限性，主要是育种过程比较繁杂，操作环节多，以及不同品系的水稻植株很难调控花期相遇实现授粉杂交等。于是，人们开始新的探索，寻找“光温性不育”植株替代上述的“遗传性不育”植株。如果能做到人为环境控制下实现“雄性不育”，就能将繁杂的“三系杂交”变成相对简易的“两系杂交”。
幸运再次降临于中国的育种学家。1973 年，湖北省沔阳县沙湖原种场石明松在“农垦 58”晚粳大田中发现了一种被称为“光敏感核不育”的水稻植株。他通过细致观察发现，这种水稻植株的“雄性不育”和“雄性可育”可以相互转化。在长日照条件下抽穗会“雄性不育”，而在短日照条件下抽穗则“雄性可育”。也就是说，通过调控稻田的光照时长可以变换雄性花蕊的育性。这个重要的发现，开启了“光敏感核不育水稻”育种的先河。
在深入探明石明松发现的“光敏感核不育”水稻植株的不育机制的基础上，袁隆平于 1987 年提出了杂交水稻从“三系”到“两系”的发展战略，开创了“两系”杂交水稻育种的新阶段。先后选育出“两系杂交水稻”良种“培矮 64S”“广占 63S”和“Y58S”等，从 2000 年后开始进入推广应用阶段。以“两优培九”“扬两优 6 号”“Y 两优 1 号”等为代表的“两系杂交稻”推动了我国水稻单产和总产的提高。
超级稻栽培模式研究
1996 年，农业部启动旨在提高水稻产量潜力的“中国超级稻研究”重大项目，明确提出超级稻要通过理想株型塑造与杂种优势利用相结合的技术路线，培育大幅提高单产、重点提升大米品质、综合抗性较强的新型水稻品种。
2000 年前后，“协优 9308”“两优培九”“沈农 265”等一批超高产新品种完成第一阶段超级稻育种目标，进入大面积推广阶段。此后，超级稻百亩示范的单产水平不断取得突破，每公顷产量先后于 2004 年、2011 年和 2014 年达到 12 000 千克、13 500 千克和 15 000 千克的高产目标。截至 2017 年，农业部先后 12 批次确认了 166 个超级稻品种。由此可见，超级稻已经实现了单季亩产超过 1 吨的高产目标。
围绕杂交稻高产高效开展综合配套高产栽培技术集成应用研究，发明了许多因地制宜的高产栽培模式。例如：
南方稻区集成和推广了“稀少平”“叶龄模式”“小群体、壮个体、高积累”“少免耕与抛秧高产”“三高一增”“双两大”“纸筒育苗抛秧”和“多蘖壮秧少本”等栽培技术；
东北稻区形成了“旱育稀植高产”与“节水灌溉”等栽培技术。
这些技术从不同层面推动了我国稻作水平的大幅提升。水稻新品种选育与栽培种植技术进步，带动我国水稻单产实现新的飞跃。1998 年全国平均单产达到 6.37 吨/公顷，比 1976 年增长 84%，比 1952 年增幅达到 164%。
进入 21 世纪以来，农业科学家在系统探明水稻高产群体生育基本规律的基础上，完善了“叶龄模式”“群体质量指标”等理论，建立了“水稻生育各期诊断指标”，创建了“水稻精确定量栽培理论”，指导水稻栽培技术的创新。
此外，提出了“水稻实地氮肥管理理论与技术”“水稻籽粒灌浆与调控”“水稻主要生长指标的光谱监测机理与定量诊断技术”等创新理论和技术改进方面的新技术与新方法，为水稻高产高效栽培提供了理论指导和技术方法。
通过水稻栽培理论和新技术的综合运用，注重高产与高效协同演进的一系列技术模式的应用，实现了“精确定量栽培”“双季稻旺根壮秆重穗栽培”“实地养分氮肥管理栽培”“水稻高产与水分养分高效利用栽培”“水稻钵形毯状秧苗机插技术”“超级稻高产栽培”“超级稻三定栽培”“机插水稻高产栽培”“基于模型与 GIS 耦合水稻管理决策支持系统”等在各水稻产区增产提优中发挥重要作用。
杂交水稻的重大成果
1988 年，“杂交水稻新组合汕优”荣获国家科学技术进步奖一等奖。该杂交组合以兼具强恢复基因及高抗稻瘟病基因的“明恢 63”为恢复系的基本营养型的杂交水稻新组合，具有优势大、抗瘟性强等特点。南方 14 个省份累计推广 1 亿多亩，增产稻谷 47.013 亿千克，增值 19 083 亿元，减少药剂防治稻瘟病成本 20 亿元。
1993 年，“高产优质多抗杂交水稻新组合汕优 10号”荣获国家科学技术进步奖一等奖。该杂交组合是用籼稻不育系“珍汕 97A”为母本，与含有粳稻亲缘的“密阳 46”为父本，经多次单株成对测交和反复提纯而选育成的中籼型杂交晚稻，其选育技术和各种优良性状达国际先进水平，累计推广近亿亩。
2013 年，“两系法杂交水稻技术研究与应用”荣获国家科学技术进步奖特等奖。颁奖词说：针对三系法存在的配组不自由等问题，利用水稻光温敏核不育新材料，围绕光温敏不育系育性转换机理、实用光温敏核不育系创制、两系杂交稻组合选育技术、安全高效繁殖制种技术等进行深入研究，创立了两系法杂交水稻的理论和技术体系，解决了水稻杂种优势利用的三大难题，开辟了作物杂种优势利用新领域，带动和促进了我国油菜、高粱、棉花、玉米、小麦等作物两系法杂种优势利用的研究与应用。两系法杂交水稻是国际首创的拥有自主知识产权的科技成果，为农作物遗传改良提供了新的理论和技术方法，确保了我国杂交水稻研究与应用的世界领先地位。
稻栽培技术的重奖成果
2010 年，“抗条纹叶枯病高产优质粳稻新品种选育及应用”荣获国家科学技术进步奖一等奖。针对我国水稻条纹叶枯病抗性鉴定和分子标记聚合育种技术体系尚未建立，以及抗病种质、基因和品种匮乏等突出问题，开展了抗条纹叶枯病高产优质粳稻新品种选育及应用研究，育成不同生态类型的抗条纹叶枯病优质高产水稻新品种 10 个，实现了南方粳稻区抗病品种的快速覆盖。通过种质、基因、技术和信息共享，构建了南方粳稻品种选育与应用的综合平台，围绕抗条纹叶枯病育种开展联合攻关。2009 年推广面积占南方粳稻区种植面积的 78%，有效解决了南方粳稻区受条纹叶枯病流行危害的难题，极大地促进了水稻生产的发展，为保障我国粮食安全、农民增收和农业可持续发展作出了重要贡献。
2017 年，“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获国家自然科学奖一等奖。围绕“水稻理想株型与品质形成的分子机理”这一重大科学问题，鉴定、创制和利用水稻资源，创建了直接利用自然材料与生产品种进行复杂性状遗传解析的新方法；揭示了影响水稻产量的理想株型形成的关键基因和分子基础；阐明了稻米食用品质精细调控网络，用于指导优质稻米品种培育；示范了高产优质为基础的分子设计育种，为解决水稻产量品质协同改良的难题提供了有效策略。研究成果引领了水稻遗传学的发展，是“绿色革命”的新突破和新起点。
朱冠楠 南京农业大学副教授。主要从事农业史、农业民俗的教学和研究。
（文章摘编自：朱冠楠, 曹幸穗. 杂交水稻和杂交小麦的选育（1960—2000年）——面向国民经济主战场的新中国农业科技. 中国科学院院刊, 2019, 34(9): 1036-1045.）
来源： 中国科学院院刊
责任编辑：王旭泉
