绿色超级稻

水稻品种

绿色超级稻是由中国科学院院士、华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室主任张启发教授提出的，是指在高产优质的基础上同时兼有多种病虫害的抗性、肥料的高效吸收利用、以及较强的抗旱性或抗逆性等绿色性状的水稻新品种。

背景介绍

20世纪60、70年代，作物矮秆品种和杂交稻的培育和应用，使我国粮食产量实现了两次飞跃，但大量半矮秆、耐肥高产作物品种的培育和大面积推广，引发的化肥、农药、水以及劳动力的投入激增，导致农业生产与资源环境的严重矛盾。水稻生产与资源环境的矛盾尤为突出。

第一，水稻产量水平多年徘徊不前。1995年，我国水稻单产首次突破400公斤，之后水稻产量持续徘徊不前。主要原因是我国70%以上的中低产田难以满足这些品种对“足水高肥”与精耕细作的要求，以单产为主要育种目标的超级稻难以在大面积上实现其高产潜力。

第二，病虫害造成的损失严重。长期以来，我国水稻主要受稻瘟病、白叶枯病、纹枯病等病害，稻飞虱、二化螟、三化螟、稻纵卷叶螟等害虫的危害，产量损失严重。近年，一些传统上的次要病害如稻曲病、纹枯病、条纹叶枯病等，随着化肥投入的不断增加，在水稻生产上的危害日益加重，在部分稻区造成重大损失。我国病虫害治理以药剂防治为主，近二十年来我国农药用量呈逐年递增趋势。喷施大量农药会产生一系列的负效应：（1）害虫抗药性增加，害虫天敌遭杀害，进一步导致害虫爆发；（2）破坏人类赖以生存的生态环境，还造成食物中的农药残留，危害人类健康；（3）增加生产投入成本，加重农民的负担。

第三，施肥的增产效果已不再明显。彭少兵等（2002）分析表明，我国水稻生产中氮肥用量较世界其他水稻主产国高出约75%，但利用率很低。在我国很多地区，稻田的肥料用量已经超过了土地的承受能力。过量施肥也会产生一系列的负效应，如土壤退化、江河湖海的富营养化等。不仅如此，氮肥生产的高耗能、高排放，以及磷等矿产资源的不可再生性，都会导致过量施肥与农业和环境可持续发展的尖锐矛盾。

第四，水资源的制约。我国农业耗水约占全国总耗水量的70%，而水稻的用水约占整个农业耗水的70%。同时我国西北地区长期缺水、华北地区旱灾频繁，由于雨量分布在季节上不平衡，旱灾在长江流域和华南稻区的发生频率近年也很高，近年来，我国主要稻区的旱灾有加剧的趋势。因此，要保证水稻乃至整个农业生产的可持续发展，水稻生产必须在高产、优质的基础之上，注重资源节约，保护生态环境。

项目计划

1998年，在国家重点基础研究发展计划启动之际，李振声院士提出农业科研领域的主要目标之一是为“第二次绿色革命”（Second Green Revolution）准备基因资源。“第二次绿色革命”的基本出发点就是要逆转第一次绿色革命所带来的负效应。 2001年，农业部“948”重大专项“参与全球水稻分子育种计划研究”正式启动。在项目实施过程中，培育抗病、抗虫、抗逆、营养高效、高产、优质等性状于一体的“绿色超级稻”的思想初具雏形，通过具有新的优良性状的品种培育和技术推广，减少化肥、农药、水及劳动力的投入，做到资源节约，环境友好，从而实现农业生产方式的根本转变。张启发院士（2005，2007）撰文提出了绿色超级稻的理念及实践的分阶段目标，并指出水稻遗传改良的目标除要求高产、优质外，还应致力于减少农药、化肥和水的用量，使水稻生产能“少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产”。 2008年，“为非洲和亚洲资源贫瘠地区培育绿色超级稻”项目得到了比尔和梅琳达·盖茨基金会资助，成为重大国际合作项目，标志着绿色超级稻的育种理念得到了国际同行的高度认可和响应。

2010年科技部批准立项了国家863计划重点项目“绿色超级稻新品种培育”。 2014年，作为科技部863计划农业技术领域的唯一重大项目，绿色超级稻项目得到科技部的延续资助。华中农业大学作为主持单位联合国内27家水稻育种和科研院所共同承担该项目的研究。项目覆盖了国内所有水稻主产区和稻作生态区。“绿色超级稻”的理念已逐渐得到国内水稻同行的认可和实践，正在成为水稻育种的新目标，并将引领“第二次绿色革命”，为我国和世界的粮食安全做出贡献。

研究基础

水稻的产量、品质和氮磷高效、节水抗旱、抗逆、抗病虫等主要绿色性状均为复杂的数量性状，传统育种技术难以实现绿色性状的高效遗传改良。而水稻功能基因组研究的成果和信息、丰富的水稻种质资源以及育种新技术的发展，为高效培育绿色超级稻奠定良好基础。

近十年来，我国科学家在重要农艺性状基因鉴定和功能分析上取得了系列进展和重大成果，获得许多有自主知识产权的基因资源。针对农业生产需求，已分离鉴定出一批包括控制抗病、抗旱、氮磷高效利用、耐盐、品质、产量及产量相关性状、雄性不育及恢复等具有明显应用前景的重要性状的基因。随着测序技术的发展和测序成本的降低, 我国科学家已经陆续完成一些植物的全基因组测序，并应用新一代测序技术进行了作物种质资源分析和重要农艺性状基因调控网络的剖析；开发出基于新一代测序技术的高通量基因型鉴定方法和多款不同通量的育种芯片。基因组学技术、高通量分子标记检测技术、全基因组选择技术以及基因组编辑技术等发展，为发掘核心种质的有利基因、开展分子设计育种研究奠定了重要基础。这些研究产出的新基因、新技术和新方法，正在全面带动生物技术应用于作物品种改良，为水稻育种模式和育种理念的变革提供了理论和技术支撑。

发展

“绿色超级稻” 是在保证产量和品质的基础上同时具有多个绿色性状的新品种。绿色性状可分为狭义的绿色性状和广义的绿色性状。狭义的绿色性状包括对不利环境因素（干旱、低温、高温、淹水等）的抗性；土壤营养成分如氮、磷的高利用效率；对土壤逆境因素（缺磷、低氮、盐、碱等）的耐性；以及对主要水稻病虫害的抗性。绿色超级稻不仅是具有绿色性状的一类品种，它还代表“优质、高产、高效、生态、安全”的理念。因此，广义的绿色性状包括适合轻简化和机械化栽培、适应全球气候变化的品种特征，如生态广适性、重金属污染的耐性、秸秆易降解的能力等。

根据稻作区域和种植制度对品种的生育期和适应性等特性的要求不同，绿色超级稻的育种目标将针对不同生态区域进行调整，不断培育出适合当地的绿色超级稻品种，提高品种的产量和资源利用潜力。经过农业领域专家的多年论证和实践，绿色超级稻的近期育种目标比较具体，即绿色超级稻新品种要求同时满足以下条件：（1）具备与“超级稻”相当的产量潜力，根据区域、熟制、生育期和适应性等将绿色超级稻划分为不同类型，其中广适型的要在省级以上区试中平均比对照显著增产，而且生育期与对照相当；（2）米质应达到部颁优质米标准，逐步实现品质的功能多样化；（3）具备对多种病虫的抗性，针对我国水稻生产上的主要病虫害较多的特点，绿色超级稻要求具有抗三种以上病虫害的能力，达到在生产中减少农药施用量30%以上；（4）绿色超级稻应在田间氮磷营养元素浓度较低的情况下保证足够的吸收和高的吸收与利用效率，具体在生产中要求减少氮磷肥施用量30%以上；（5）明显的节水抗旱特性，“绿色超级稻”在具备灌溉条件的地区种植，应节水30%以上；在望天田，具有较好的抗旱能力。

为了实现绿色超级稻同时兼顾“抗病虫、节水抗旱、养分高效利用和高产优质”的育种目标，张启发院士（2007）提出绿色超级稻培育的育种策略和分阶段目标：以最优良的品种为起点，综合应用品种资源研究和功能基因组研究的新成果，充分利用水稻和非水稻来源的各种基因资源，有机整合分子标记技术、转基因技术、杂交等育种手段与技术，从基因组水平上优化组合各种有利基因，培育“绿色超级稻”。新品种在高产优质的基础上，首先具备对多种主要病虫的抗性，实现基本不打农药。第二阶段是实现对水资源和氮磷肥料有较高的利用效率和吸收效率，进而减少化肥的使用量。第三阶段通过生物技术、分子标记辅助选择以及全基因组选择技术等，培育出抗旱性明显增强的水稻新品种，实现抗旱节水的目标。三阶段目标达成后，最终使水稻生产实现“少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产”。

当然，绿色超级稻的实践与应用是一个长期的目标，其研发涉及复杂的系统工程。绿色超级稻的培育、绿色性状资源和功能基因的鉴定和利用、育种新材料、育种技术和信息平台、栽培技术体系、绿色超级稻新品种的示范和推广以及效益评估等方面还充满挑战。

研究动态成果

围绕“少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产”的育种理念和目标，我国已形成覆盖国内所有的生态稻作区的分子育种协作网络，集中展开了五个方面的主要研究：一是发展和完善绿色超级稻设计育种的理论与技术体系；二是构建全基因组选择技术平台；三是绿色性状基因聚合与种质创新；四是利用优良特性的种质和基因资源，培育绿色超级稻新品种；五是建立绿色超级稻高产栽培与管理技术体系。最终目的是在生产上实现大面积推广超级稻新品种，在高产稳产的基础上，节约农药30%，少施化肥30%，节约用水30%，实现资源节约、环境友好与可持续发展。

以“水稻功能基因组”重大项目和国家其他重大项目的成果为基础，绿色超级稻的培育已经取得系列进展和成果。整理了5000份以上的水稻亲本/品种的重测序或芯片数据，形成大型种质资源基因指纹数据库的数据集。利用水稻核心种质和野生稻资源构建不同生态区优良品种的回交导入系材料，开展了大规模鉴定和筛选，获得一大批具抗病虫、氮磷高效、抗旱、高产优质等目标性状的导入系。搭建起基于高通量基因型分析和芯片技术的水稻全基因组选择技术平台，已具备社会化服务功能。应用鉴定出的抗病虫、氮磷高效、节水抗旱、高产和优质等绿色性状的新基因进行分子标记开发及品种设计，通过全基因组选择和标记辅助聚合实现不同优良基因向高产品种背景的转移和累加，创制出大量的育种材料，培育出省级或国家审定的品种（组合）20多个，已筛选出适应不同水稻种植区域的具有绿色性状的优良品系近70个，其中大部分品种正在参加各级区域试验和绿色超级稻的认定试验。不同生态区域的多个新品种的百亩展示区和千亩示范片，建立的绿色超级稻栽培技术模式，为绿色超级稻的推广应用起到了良好的效果。绿色超级稻新品种推广示范面积已达到2000 万亩，减少了农药和化肥的施用量，降低了播种、插秧等用工投入，节约灌溉用水，社会经济效益明显，生态环境效益显著。

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