让水稻像韭菜一样，种一次反复收割

大家好，我叫张石来，来自云南大学农学院。我的研究方向是多年生稻的遗传育种。

什么是多年生稻呢？多年生稻的特点就是种植一次，连续收获多年，有点像韭菜，种一次反复收割。

▲多年生稻

我们现在看到的水稻、玉米、小麦等主粮作物都是一年生的。实际上，这些粮食作物都是我们的老祖先花了近万年时间，从多年生野生种选育成现在的一年生栽培种。

▲左图：野生种右图：栽培种

在这个过程中，它的一些性状发生了改变，最主要的一个性状就是我们人类关注的产量。在野生状态下，水稻产量非常低。我们的祖先把它们选育出来后，产量上升了，为人类的繁荣发展和繁衍生息奠定了物质基础。

但同时，伴随着这个过程，还有另一个变化：祖先种是有多年生性的，但现在我们看到的所有粮食作物都没有这个性状了。这其实是有性生殖和无性生殖之间的竞争关系。如果产量上去了，有性生殖发达了，那么无性生殖——也就是多年生性，就下降了。

除此之外，一年生的作物也带来了一些挑战。比如，种植水稻是一个非常复杂的过程，需要买种子、犁田、耙田、育秧、移栽等，是一个大量消耗人工的过程。

具体来说，云南的梯田通常只有一两米宽，但需要人和牛在里面打转，劳动强度非常大。在稍微平原一点的地方，如果机械化程度不高，也是一个需要大量人工的劳动。

这个问题在我们国家的南方尤为突出。因为南方是一个典型的双季稻区。双季稻区现在面临的一个很大的问题就是所谓的“双抢”：早稻成熟时要抢收，晚稻又要抢种，中间的窗口期大概只有三周左右。这三周要完成高强度的劳动。

同时，农村还要面临收回来的稻谷晾晒的问题。我小时候的一个亲身经历是，暑假的时候经常给家里干活，每天收回来稻子，然后在晾谷场晾晒，经常中午不能睡觉，因为会下雨，还得守着，下午又得去干活，所以感觉白天特别漫长，非常难受。

现在说起双抢都觉得非常劳累，腰都是疼的。

我国西南地区有一种陆稻——就是坡地上种植的稻作生产类型。云南有94%的国土面积是山地，所以这些地方的老百姓为了吃大米，只能种植陆稻。

传统的陆稻种植方式需要烧一片林子，然后简单犁耙一下，撒一把种子，接下来靠自然降雨，就可以有一定的收获。

但这个生产方式有一个问题，经过一个冬天的暴晒后，第二年雨季来临时，整个有营养的表层土壤都被雨水带走了，造成了严重的水土流失问题。

▲传统陆稻种植带来的水土流失

这种传统的陆稻生产方式不仅在我们国家的西南部，在周边的老挝、越南、缅甸也是广泛存在的。

所以基于上述问题，上个世纪九十年代，国际水稻所提出了五个前沿课题，其中一个就是要培育多年生的陆稻，通过多年生陆稻来解决山区吃粮和生态保护的问题，也就是粮食安全和生态保护之间的矛盾。

科学家认为，如果做成多年生，从生产环节上讲，可以从六个环节降为两个，带来的好处首先是减少劳动力的投入。

除此之外，可能还有一些其他的好处：

比如减少水肥的投入，因为不再需要犁田耙田这个大量用水和化肥的环节；在平原地区还能减少化石能源的依赖，比如减少了农机具的使用。当然，最直接的好处是直接提高了种粮效益和粮食生产的可持续性。

多年生的课题最早在其他作物上可以追溯到上个世纪的二三十年代。上世纪三十年代，前苏联科学家也进行了探索，用中间偃麦草——一种小麦的近亲草进行直接驯化，想把它做成多年生的小麦。这个进行了很长时间的探索。

目前国际上已经形成了这一系列的研究，包括多年生的小麦、高粱、向日葵、豆科等。其中进展比较好的多年生小麦，目前已经可以做到正常小麦大约1/4的产量。多年生高粱已经在非洲开始了一定的试验示范。

回到水稻上，多年生稻的研究可以追溯到上个世纪的七八十年代，最早由四川农科院的李勤修研究员进行，但限于当时的分子技术发展，实际最后没有成功。

我们团队的故事始于1996年。我们首先思考的第一个问题是：怎么把丢失的多年生性再找回来。

我们知道，地下茎是许多植物实现多年生的一个重要器官。比如说竹子，它就是靠地下的竹鞭，走到哪长到哪，每一个竹鞭上的节都有芽点，这个芽点就能实现再生，是一个很重要的再生器官。

▲竹子的地下茎

回到水稻上，稻属有22个野生种，其中有4个种具有地下茎，也就是具有无性繁殖的特性，可以实现多年生。而这4个种里面也仅仅只有1个种，也就是我们今天的主角——长雄野生稻，和水稻具有相同的基因组。因此，它就具备了跟正常水稻杂交的一种可能性。‍

▲长雄野生稻

但野生稻跟栽培稻其实是属于不同的物种，不同物种之间有很严格的生殖隔离，也就是说，正常的杂交基本上不可能得到后代。‍‍‍‍‍

我们课题的负责人陶大云研究员1996年去泰国进修的时候，从日本科学家那里获得了一株长雄野生稻。他利用这株长雄野生稻跟我们的栽培稻做了大量的杂交。

他总共做了119个杂交组合，最后通过幼胚挽救，获得了仅有的一颗杂种F1代。获得这个F1为什么这么难？

因为种群杂交的生殖隔离会让胚乳没有正常发育，导致胚不能成熟，长到大概七八天的时候就会死掉。而陶大云用了幼胚挽救技术，在胚胎还没有正式长成的时候，大概长到5天左右，就要把它取下来，去做一个离体培养。就这样，我们获得了一个F1。

这个非常难，当时公开报道的全世界只有3例成功案例。

生殖隔离还表现在，有后代，但是后代不能产生后代。最常见的可能大家知道，就是马跟驴的后代是骡子，但是骡子就不可能有后代了。

我们也担心得到的这个F1到底能不能有后代。但庆幸的是我们得到的这个F1，除了具有父本长雄野生稻的地下茎这个性状，可以实现多年生。‍

▲中等发达的地下茎

同时它也有一定的结实率，也就是说，它可以产生可育的后代。这就为我们后面的基础研究以及育种提供了很好的材料。

▲一定的结实率

我的导师胡凤益研究员，2003年利用上述这些材料对长雄野生稻的地下茎性状进行了定位，首次从基因组的水平去看哪一些片段决定了地下茎的有无和长短。

这个发现其实是很重要的，为我们后续从分子水平开展育种解析、打破多年生性状跟不良性状的连锁奠定了一个很好的基础。

这种连锁是什么意思呢？举个例子，我们刚刚提到，多年生性和结实率或者产量的是存在竞争关系的。胡老师的研究为打破这个关系，提供了一个很好的基础。

当然有了理论基础之后，还需要去田间试验的。

我是2009年加入团队的，当时胡凤益研究员是我的研究生导师。2010年，有一次我刚上完课，他就把我带到海南三亚去了。三亚是我们国家很重要的一个育种基地，做育种的科学家一般冬季都会去海南。但是我们团队夏季也在三亚。

我第一次去大概是五六月份，三亚是非常热的。一下飞机，他就到基地翻了一双水鞋拎出来给我，我就穿上水鞋跟着他去下田栽秧了。我虽然来自农村，但实际上高中之后就没怎么下过田了。

这次在田里面走了好几个小时才把那些秧排完，工人帮我栽下去，到中午大概1点钟才干完，然后回基地里面随便弄点吃的。整个育种过程是比较艰辛的。

▲海南试验田。因为只有张老师一个人，所以没有他与试验田的合影。

后面我们种完之后就抽穗，去田里选种。路过的一些当地的村民就说我们种的是草，因为看上去基本上没什么收成。他们说，你们所有这块田收起来不够吃一顿的吧。

这也足以说明当时结实率非常低。因为再生性会对产量有一定影响。

其实我们农学也不光只会挖地种田，也有一些所谓的高大上的东西。我们现在面试的时候问同学，你要做什么方向，同学都说我要做分子。所谓的分子，就是我们基于前面的基础理论，开发了一套分子标记辅助选择育种的流程。

也就是说，我们可以像做亲子鉴定一样，把田里面的材料取回来，然后通过实验室的鉴定，很明确知道田里面这一大堆材料里哪一株是我想要的，哪一株可能不行。这大大缩短了我们的育种周期，提高我们的选择效率。

当然在那之后，我们获得了一系列的品系。通常来说，品系、准品种，就是可以使用的品种，但是还没有通过审定。

2011—2013年，我们获得了22个品系，在云南以及老挝设立了一个多年多点的实验去筛选，最终筛选到5个多年生性非常好、适应性和产量也很好的品系。后面，我们又陆续在云南进行了第二轮的实验，最终我们筛选到多年生稻23。

2018年，我们开始做品种审定实验，最终多年生稻23在2018年的时候通过了云南省的审定。这是多年生粮食作物里面第一个通过审定的品种。它具有一个里程碑式的意义，标志着多年生稻可以进行商业化使用。

▲多年多点实验进展

2017年还没有审定的时候，我就把材料拿回老家江西赣州去试种了。因为我们老家是一个比较典型的双季稻区，我知道干活很累。

我只告诉父母这个材料可以多年生、可以一种多收，然后就让他们按照自己平时管理的经验去种了。最后很成功地连续收了两年，一年可以收两季，而且产量跟当地的水平也差不多。

▲在家试种的结果

我挺开心的，说明这个基本成功了。但是问他们，他们跟我说，这个可能很难推广，因为口感跟我们平时吃的不一样。

南方是吃籼稻的，长粒形的米，而我给的材料是粳稻，短圆形的米，因为当时我们只培育出了粳稻的多年生品种。当然这为我们提供了一个思路，后续的育种需要更多考虑口感、不同区域的适应性还有抗病性等等。

三年后，我们的第一个籼稻品种云大107就获得了审定。这样我们就有了多年生的籼稻品种，可以在南方稻区推广试用了。

品种出来了，具体生产效果怎么样，其实我们也没有底，我们就在云南组织了一系列的生产实验。

我们长期跟踪了其中的三个实验点，对这三个实验点进行各方面的调查。最后发现确实成功了，它确实可以不用买种子、翻耕、犁田耙田，种一次连续收3—4年。

中间还有个小插曲。冬天的时候，我们因为当时没跟农户讲清楚，农户就给田里放了一把火，本来就很干枯了，我当时心想可能就完蛋了。结果第二年春季一来，它又长出来了，实现了我们说的“野火烧不尽，春风吹又生”。

除此之外，从经济效益来说，它的产量基本上跟当地常规稻品种是相当的。但因为少了几个环节，就节约了50%左右的生产成本。

此外还有生态效应，比如说对土壤有一定的保育作用。因为不去翻耕，有机质就会埋在地底下，土壤就变得更肥沃一些，有机质上升，土壤的全氮上升。

更重要的是，它确实带来了很好的社会效应。比如说每亩每季从再生季开始，它就不需要再去重复这些过程，节约了6—10个人工。尤其现在农村基本都是留守的儿童或者老人居多，这是对他们比较友好的一个事情。

2022年，我们的研究以科学论文的方式发表在了Nature Sustainability（《自然可持续》）上，同年被Science（《科学》）选入年度十大科学突破，这个突破是近几年来中国唯一入选的突破，也是全世界近几年来农业类唯一入选的项目。

我们当时就觉得很好奇，为什么我们这个能入选？组委会跟我们说，一个世纪前，苏联科学家就开始探索把粮食作物做成多年生，我们首先实现了人类花了近一个世纪才完成的目标，这就是它的一个伟大意义。

以上是我们的一些科研成果。在我们的实验条件下，它表现得非常好，到底真正的生产过程中怎么样，我们需要去农田里检验。

我们首先来到了云南的一个粮食主产县，就是西双版纳的勐海县。在这里我们选了一个村叫曼拉村，派了很多老师和学生长期驻扎在那里。当时这个模式我们叫多年生稻科技小院，也是响应我们研究生人才培养的模式。

曼拉村是一个非常典型的傣族村落，稻文化其实是傣文化里面很重要的一个组成部分。我们就想，我们的成果在这里能不能有用武之地？

农业类的项目推广，很常见的情况是不断去给农民讲授好处。其实那是不管用的，你讲一千遍，不如做一遍给他看。

我们就在这个村里面租下了50亩地当实验基地，种下了我们的多年生稻。

第一次种下去，冬季收完之后，我们说要留着第二年，当地老百姓都很怀疑，觉得这个东西基本不可能，有点看笑话的成分看我们。

但是到第二年，效果非常好。村里面的会计就带头把他家里的30多亩地全部种上了我们的多年生稻。他还把多年生稻打造成一个小品牌，在村里面开了一个合作社，搞了一个门市，专门售卖多年生稻。不仅如此，后面整个村里50%的稻田都种了我们的多年生稻。

我们的成果在国内应用效果还是挺好的，那能不能走出去呢？

刚刚提到长雄野生稻起源于非洲，我们希望把成果再带回非洲。长雄野生稻广泛存在于非洲，除了北边的沙漠，在南边的话，从东非到西非到南非，它有非常广泛的分布。

▲图中黑点是长雄野生稻的分布点。

我们实验室有一个埃塞俄比亚的博士后，我问他有没有长雄野生稻的资源给我收集一点。然后他很怀疑地看着我，他说，长雄野生稻在我们那儿就是个杂草。

我们就尝试跟非洲的机构去合作，联系了非洲的稻作中心，在西非试种。最终，我们在非洲的乌干达、埃塞俄比亚、塞拉利昂跟科特迪瓦，还有“一带一路”倡议沿线的多个国家开展试验示范。

试验示范效果其实还是有一些很好的反馈。比如说云大107在乌干达就通过了他们的国家审定，也就意味着我们的多年生稻获得了他们的认可，在他们国家是可以正常去推广使用的。

在这个过程中，我们也发现，因为非洲的旱季非常漫长，有5—6个月的时间基本上没什么降雨，我们目前的品种没办法越过旱季实现多年生。但是这给我们提供了一个很好的思路，就是我们可以利用有限的雨季实现一种多收，比如，种一次可以连续收2—3次，这样的话整个粮食产量就会比以前上升，而且不需要更多的投入。

目前，在盖茨基金会的支持下，我们尝试在非洲把材料做成一种多收，去年才开始做这个项目，今年已经初显效果。

在乌干达已经有再生的情况了，且产量基本上跟第一季差不多。这也为非洲的粮食生产、粮食安全提供了一定的保障。

我非常高兴有机会在这里分享我们团队的长达二十多年的科研成果。当然，这也是一个有关“坚持”的故事。

我的导师胡凤益研究员2000年前后开始做这个课题，到现在二十多年了。我本人也从2009年加入这个团队，到现在15年。

▲团队合影‍‍‍‍‍‍‍‍

一开始，我其实非常忐忑。我来自农村，但是高考志愿填的是工科，后面阴差阳错研究生来到云南学了农学。我心想：好不容易从农村出来了，把锄头给丢了，结果读个研究生又把锄头给扛回来了。

但是，我加入这个团队之后一点都不后悔。我觉得农学的研究、我们的多年生水稻研究，可以为农民减轻负担，降低劳动强度，可以节本增效——这就是我的研究的价值。所以我经常庆幸自己当时被命运安排了一下。

当然，我是一名大学老师，也见了很多研究因为没有很好的传承而中断，背后的原因可能是没有注重人才的培养。具体到农业研究来说更是如此，因为农业研究通常周期比较长。像我到现在已经15年了，依然感觉自己也没有干出太多的成绩。

因此，对于多年生稻这个事业，更需要年轻人一起来加入，需要更多人共同解决这些问题。我们希望把更多有志于农学的年轻人带入门，让多年生稻事业真正做到生生不息。

谢谢大家。

本文来自微信公众号：一席 （ID：yixiclub），本演讲来自“从不同的过去到共同的未来”主题演讲特别场，演讲者：张石来（云南大学农学院研究员），策划：通通‍‍