作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2021/10/26 9:20:37
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院企合作育种、推广示范:
“脆而不倒、谷草兼用”水稻的诞生

专家现场评估的副本.JPG

专家现场开展评估 中科院合肥研究院供图

当前,随着气候变化加剧,倒伏已经成为影响水稻生产的重要不良因素。10多年来,中国科学院合肥物质科学研究院(以下简称中科院合肥研究院)科研人员一直开展水稻脆秆突变体的遗传分子机制研究,希望解决此难题。

10月21日,中科院合肥研究院和安徽荃银高科种业股份有限公司(以下简称荃银高科)联合举办2021年“谷草兼用”脆秆水稻关键基因及技术转让签约及示范现场观摩会,会上,中科院合肥研究院智能所离子束生物与绿色农业中心研究员吴跃进团队自主研发的基因专利及“谷草兼用”品种培育应用关键技术,实现了向荃银高科的“打包”转让,后者将获得该技术的独占使用权。

会上,吴跃进向参观人员介绍了这一院企合作培育的“秸秆变脆、脆而不倒”高产水稻的诞生经过。

发掘脆秆水稻基因

已有的研究发现,水稻秸秆主要有细胞壁组分(纤维素、半纤维素和木质素组成)和储藏物质(淀粉、蛋白质、糖等)主要成分,这些成分大多由遗传基因调控。

“脆秆突变是秸秆细胞壁组分突变的产物。”吴跃进告诉《中国科学报》,“秸秆因为细胞壁组分突变变脆,同时带来容易倒伏的情况,所以生产上鲜有脆秆突变体直接应用生产的成功范例。”

这些年来,吴跃进带领团队致力于水稻脆秆突变体的遗传分子机制的研究,发现了不同类型的脆秆突变体22个,定位脆秆新基因10个,克隆并进行基因功能解析了4个新的脆秆基因,包括理想脆秆基因IBC以及半显性脆秆基因Sdbc1,均申报了自主知识产权。

其中,理想脆秆基因IBC表现出时间表达特性:在开花后茎秆开始表现脆性,并且叶片等组织不表现脆性,农艺性状优良,不影响田间农事操作。同时,半显性脆秆基因Sdbc1能够使得杂交F1植株秸秆表现出脆秆特性,对于解决杂交水稻秸秆利用具有重要的应用价值。

在安徽省重大科技专项的支持下,吴跃进团队利用理想脆秆基因IBC培育了“脆而不倒”的脆秆水稻品种“科脆粳1号”,并在2018年通过审定,在当年成为国内首个通过审定的脆秆水稻品种,实现了理论到应用的突破。

团队经研究还发现,“科脆粳1号”秸秆脆性在生育后期表达,不影响产量与品质,秸秆易粉碎、易降解,还有利于秸秆生态还田的应用。另外,与对照相比,“科脆粳1号”秸秆的纤维素和木质素含量分别降低了11.9%和16.6%,而半纤维素含量增加了15.7%,表明秸秆的营养成分发生了较大的改变。

由此,吴跃进认为,“科脆粳1号”克服了脆秆材料易倒伏的瓶颈问题。而通过增大脆杆品种的秸秆茎粗、茎厚,可以弥补细胞壁组分变异带来的倒伏风险。在风洞试验中,他们模拟9级大风情景,“科脆粳1号”依然表现良好的抗倒性。并且,连续多年的生产示范中也未见倒伏现象的发生。

变废为宝“牛羊爱吃”

在“抗倒稻”的联合示范推广中,院企合作团队还发现了它的另一大妙用——青贮饲料。

《第二次全国污染源普查公报》公布的数据显示,全国秸秆年产生量为8.05亿吨,秸秆可收集资源量为6.74亿吨,秸秆利用量为5.85亿吨。

“我国饲草自给率仅为59.1%,粗饲料的缺口一定程度上加大饲料用粮的需求,导致‘人畜争粮’问题的产生。”吴跃进说,“饲料粮的需求已成为影响我国粮食安全的主要因素之一。”

因此,发展秸秆饲料化应用,既可以解决秸秆还田的问题,还可以有效缓解畜牧业发展中粮食和牧草资源供求的矛盾。在合肥市2020年“借转补”科技专项的支持下,荃银高科与中科院合肥研究院联合开展了脆秆水稻秸秆饲料化研究。

为了评价脆秆水稻的饲用价值,吴跃进团队开展了脆秆青贮以及饲喂肉羊的研究。成分检测表明,青贮脆秆可溶性糖和淀粉含量均高于普通稻草及全株玉米,显示出更好的营养价值。营养物质消化率测定表明,脆秆所有消化指数均高于青贮玉米及普通水稻秸秆。

2021年,吴跃进团队在安徽省白湖农场安排种植了100亩“科脆粳1号”、20亩“科脆粳3号”、20亩野生对照型“扬粳113”。

本次示范现场观摩会的测产结果显示,科脆粳1号较对照品种每亩增加稻谷产量10%以上,同时收获新鲜秸秆1400公斤;“科脆粳1号”较对照品种秸秆更易粉碎,小于10厘米秸秆占76.3%,对照品种占15.9%,有利于后续青贮发酵。

“牛羊爱吃,秸秆也能‘变废为宝’。”吴跃进介绍,“我们通过严谨科学的设计实施饲喂试验的结果显示,青贮脆秆饲料饲喂效果最好,饲喂肉羊增重率比青贮玉米饲料和普通秸秆分别提高17.1%、21.2%。”

从实验室到应用推广,机械一体化也帮了很大忙。记者获悉,本次收割采用中联重科最新研发的“艾禾”稻谷收获—秸秆打捆一体机,初步实现脆秆水稻机械收割、打捆、裹包、青贮一体化流程。

将论文写在农田上

“做技术我们在行,做市场推广我们不行。”吴跃进说,这也是团队将基因专利及“谷草兼用”品种培育应用关键技术独占使用权转让给荃银高科的原因之一。

技术转让有望增加秸秆的附加值,提升农业生产经济效益。吴跃进以安徽为例介绍,安徽省每年水稻面积3300万亩左右,秸秆产量约为1800万吨,按照饲料化利用率仅提高20%计算,可以增加利用360万吨秸秆,每吨脆秆饲料价值按300元估算,增加直接经济效益超过10亿元。

他还算了几笔账,秸秆饲料化能为养殖业减少饲草应用成本,牲畜粪便还可以为种植业提供有机肥,每吨秸秆肥力价值增加约100元;脆秆品种在收割时由于易粉碎,能耗可以降低15%以上,减少生产成本。

“双方合作将促进从品种源头提升秸秆的利用价值。”荃银高科总经理张琴表示,双方将发挥各自优势,围绕水稻“谷草兼用”的育种目标,联合国家水稻商业化分子育种创新联盟的研究团队,建立高效的分子育种体系以及全基因组选择技术,并通过发掘、聚合有利基因进一步改良秸秆的饲用品质,在保障粮食产量的前提下,培育多种类型的脆秆新品种。

“院企合作一定要有所为,有所不为,才能实现1+1>2的组合效应。”吴跃进表示,把技术使用权交给荃银高科,研究团队将得以继续深耕科学研究。接下来,他们将研发脆秆水稻配套的高产绿色栽培技术,建立秸秆收割储运、裹包青贮的一体化技术体系,实现秸秆从田间到青贮饲料过程的无缝对接,突破脆秆水稻秸秆应用的技术瓶颈。

吴跃进说,未来,团队也会结合应用需求,开展脆秆基因在玉米、高粱等饲用作物上的分子育种及材料创制应用研究,改良秸秆结构品质及畜牧学效率,进一步提升秸秆饲料的应用价值。

 
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