雜交品種在生活中已十分常見，我們吃的大米、玉米都是雜交品種，但目前雜交品種仍著面臨品種選育難、雜交制種難、種子成本高這三個棘手的問題。為解決這些問題，無數科學家都希望能實現雜交品種的無融合生殖，達到雜種優勢代代相傳的目標！什麼是無融合生殖？要如何實現？
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國水稻研究所研究員、2020年度陳嘉庚青年科學獎生命科學獎獲得者王克劍演講實錄：
俗話說，民以食為天，歷史上有很多因為糧食短缺導致的社會動蕩，甚至戰爭的例子，可以說，糧食危機是長期困擾我們的難題。
其中一次發生在上世紀五六十年代，當時，二戰剛剛結束不久，全世界人民生孩子的積極性特別高，所以世界人口是以歷史上最快的速度進行爆發式的增長。
這時候，世界各國人民都感到非常的恐慌，覺得這樣發展下去，糧食將很快就不夠吃了，糧食一旦不夠吃，帶來的後果就是，可能第三次世界大戰很快就爆發。
當時，糧食生產的主要問題是傳統的小麥和水稻長得很高，很容易發生倒伏。
這時候出現了一位偉大的育種家諾曼·勃勞格，他花了將近20年的時間，培育了一個高產矮稈的小麥，提高了它抗倒伏的能力，實現了小麥產量的快速翻番。
後來，小麥的經驗被成功地推廣到水稻當中來，也實現了水稻產量的快速翻番，緩解了糧食危機，這就是我們大家都知道的第一次綠色革命。
據估計，勃勞格等人的工作挽救了大約10億人的生命，其本人也因此獲得了1970年的諾貝爾和平獎。
正當全世界都在為綠色革命的成功而歡欣鼓舞的時候，我們中國也開展了自己的綠色革命，袁隆平先生開始了雜交水稻的應用研究。
雜交品種的優勢與劣勢
什麼是雜種優勢呢？
通俗地講，就是不同親本雜交產生的後代要比父母更加優異的現象。
我們從圖中可以看一看，這裡有父本、母本，還有雜交種，很明顯，中間的雜交種，它要比父本和母本都長得高大、健壯。
雜種優勢其實應用得很早，大約100年前，最先是在玉米當中得到應用，現在我們吃到的幾乎每一個玉米，都是雜交品種。
但是，不管它是雜交玉米、雜交水稻，或者雜交高粱，只要是雜交品種，都存在一個問題，就是無法留種。
這是我們的雜交水稻，當代種在田裡，可以看到，它顯示出強大的雜種優勢，長得高大威武，英俊瀟灑，而且非常整齊劃一。
但是，如果我們把這些種子收下來再種下去之後，會發生什麼情況呢？
我們來看一下圖片。
在下一代，我們可以看到，有的高，有的矮，有的胖，有的瘦，有的長了兩個星期就開花出穗，而有的到了秋天收種的時候還沒有開花。
所以到下一代 ，它的產量大幅度下降，雜種優勢就喪失了。
這就像我們人類，一個媽媽生很多小孩，每一個小孩都會長得不一樣，那雜種優勢也會隨之喪失。
所以如果雜種優勢需要利用的話，必須每年進行雜交制種。
在了解雜交制種環節之前，我們先來看一下水稻花的結構，在綠色的穎殼裡面包裹著雄花和雌花，就好像一對孿生兄妹。
正常的情況下，它們兩個一起生長，到了開花結果的時候，雌花只能接受它的雄花，相當於妹妹只能和她的哥哥進行婚配，產生後代。
如果要與其他品種雜交，必須要趕在雄花，就是她的哥哥性成熟之前，用手術剪刀把雄的去掉。
這樣就可以用這個作為母本，與其他的父本進行雜交，產生雜交種。
這是水稻人工去雄的現場，大家可以找找看，我也在這裡面。我的技術還算比較熟練，但是一天最多也只能做幾百棵的去雄工作。
很顯然，這無法滿足大規模的生產應用需求，那怎麼辦呢？
雜交水稻技術
我們必須要提到袁隆平先生，他1964年，在中國科學院主辦的《科學通報》雜誌上發表了一篇重要文章「雜交的雄性不孕性」。
當時，他提出了利用雄性不孕的材料來完成雜交制種，免去剛才去雄的過程。
我們看這個圖，雖然它的兄弟跟妹妹能夠一起正常生長，但是它的雄性是不育的。這就免去了它自交的過程，只能和其他的進行雜交。
抱著這個想法，袁隆平和他的助手進行了長期的探索。
並成功地在1970年找到了一個雄性不育的野生稻，並以這個野生稻作為基礎材料，成功地發展起了雜交水稻技術。
因為它雄性不育，可以和其他的進行雜交，但是它還有一個問題，就是剛剛提到的，雜交種必須每年進行制種，但是雄性不育系是沒有生存能力的。
所以不育系往後代繁殖的話，必須藉助於其他材料，這時候，育種家必須還要給她配一個堂兄弟，藉助堂兄弟的花粉，來完成她的授粉。
這樣，它的雄性不育系材料也能夠有後代，這就是我們通常所說的三系法雜交水稻技術。
可以看到，三系法雜交水稻技術雖然做成了雜交的事情，但還是比較複雜。
後來，石明松先生發現了一個非常特殊的材料。
這個特殊材料在夏天高溫的時候是雄性不育的，這樣正好和其他材料進行雜交，但是到了秋天，溫度降下來之後，它又是可育的。
這樣的話，它的雄性不育材料自己也能夠繁種，這就省去了配堂兄弟的過程，省去了很多時間和精力。
但是，不管三系法或兩系法，它的應用都需要進行雜交制種。
我們來看一看，雜交制種是怎麼制的。
我們看到，這個圖當中長得比較高的，就是雜交的父本，它將來要提供花粉，而長得比較矮的，就是雄性不育系，將來要接受花粉。
水稻一般是在夏天最熱的中午時分開花。
所以如果要雜交，農民必須在最熱的時候到田間，通過竹竿或者繩子敲打雄性花粉，讓花粉飄到空中，然後再降到不育系的頭上，才能夠完成雜交制種過程。
這個過程是非常辛苦的，對於育種家而言，制種也非常辛苦，它不僅要講究郎才女貌、門當戶對，還要講究性格相投、優勢互補。
這些還不行，還要講究在合適的時間，合適的地點，遇到合適的人，就是開花時間必須要保持一致，這樣才能完成雜交的授粉過程。
這些條件都滿足了，可以嗎？
還不行，還有一個很重要的因素，就是它還要求在婚配之後，必須能夠生出足夠多的孩子。
有足夠多的孩子之後，種子價格才不至於過高，這樣它才會有生產利用價值。
每一粒米都包含了育種家以及農民的辛勤汗水，所以我們要珍惜糧食。
雜交品種面臨的問題
總結一下，雜交品種面臨三個問題，一個是品種選育難，另外一個是雜交制種難，還有一個是種子成本高。
就因為這些問題的存在，很多雜種優勢根本就沒有辦法利用起來。據估計，現在實際利用的雜種優勢可能還不到千分之一。
比如小麥和大豆當中，雖然也存在雜種優勢，但是一直沒有辦法進行大規模的商業化的利用。
這時候，大家可能想，有沒有辦法讓雜交種自我繁殖，這樣就免去每年雜交制種的過程。
以上存在的所有問題，都一起被解決了。實際上，在上個世紀三十年代，當雜交玉米剛剛開始利用的時候，科學家就提出來這麼一個想法。
我們正常都是有性生殖，它的後代會高的高，矮的矮，會發生性狀分離。
所以有沒有可能讓它自我繁殖，克隆繁殖，產生了後代，跟它的媽媽長得一模一樣，這樣，它的雜種優勢就能夠被維持住，能夠一代一代地傳下去。
所以，就提出了利用無融合生殖的策略去做。當時，全世界很多的科學家，很多的研究所都圍繞這個方向進行攻關，把這認為是農業領域的一個聖杯。
什麼是無融合生殖呢？
我們正常都是進行有性生殖，有性生殖是什麼呢？
就是必須要父親和母親共同參與，才能產生下一代。
而無融合生殖比較特殊，它只需要媽媽一個參與，生下來的孩子和媽媽長得一樣，就好像到了女兒國，喝了子母河的水，直接生出小孩，沒有爸爸的關係。
因為無融合生殖的發生一般伴隨著有性生殖同時發生，就是它們一起開花結果。
最後不一樣的地方就是結的種子不一樣，一個跟媽媽一樣，一個跟媽媽不一樣，還帶著爸爸的一些基因。
所以大家都想，這兩者這麼相似，那這兩者之間肯定有一個溝通的渠道，就是說這兩者之間，可能存在著一條密道，大家都在找這條密道。
大家花了很長時間，但一直沒有找到這樣的密道，為什麼呢？
大家仔細想一下也很好理解，有性生殖對一個物種而言是非常關鍵的，它是一個物種繁衍的最關鍵的因素。
它受到成千上萬基因的精密調控，一旦出現錯誤，一步不順，可能就會掉入不孕不育的懸崖，然後就沒有然後了。
大家都在嘗試找這個密道，但一直沒有找到這個密道，所以說，時間長了之後，很多科學家就開始懷疑，可能根本就沒有這條密道。
如果說好聽一點，這可能是一條密道，如果說得不好聽，這可能就是一個坑，已經坑了很多科學家。
俗話說：「知己知彼，百戰百勝」，現在我們對無融合生殖也依然缺乏了解。但是對有性生殖，我們相對了解比較多一點。
我們生活在大千世界裡，有各種植物、動物，比如小麥、水稻、玉米、高粱、大豆，動物的話也很多，蒼蠅、蚊子、豬、牛、羊、雞、鴨、鵝。
也包括我們人類，看起來差別很大，但是到了有性生殖的環節，應該說是眾生平等，它們都非常相似，我把它簡單地概括為「聚、散、離、合」。
要經歷「聚、散、離、合」四個環節，經過這四個環節之後，來自父親和母親的基因會發生交流，最後產生的受精卵，或者下一代，都跟父親、母親是不一樣的。
同時，不同個體之間，就是兄弟姐妹之間，也會長得不一樣。
從有性生殖到無融合生殖
因為這些環節對有性生殖都太重要了，所以「聚、散、離、合」任何一個環節出了錯誤，都可能導致不孕不育現象的發生。
而且這種不孕不育是雄性和雌性共同不孕不育。
我在中科院遺傳發育所程祝寬實驗室學習工作期間，主要就是找雄性跟雌性共同不孕不育的水稻。
然後解剖它們的結構，在顯微鏡下仔細觀察它們，最後找到控制的相關基因。
這些工作在大家看來，可能是很沒有意義也很枯燥的工作。
但是通過這些工作，我們漸漸對有性生殖的過程，特別是「聚、散、離、合」的每一個過程，有了一步一步的了解。
在做了這些工作之後，我們就想，有沒有可能對有性生殖的「聚、散、離、合」同步進行突變，或者叫失活，它有沒有可能從有性生殖走到無融合生殖的彼岸。
想到不如做到，我們就開始去嘗試。
首先，這是一個正常的雜交稻在成熟，我們可以看到，它上面會結金黃色的種子，我們第一步對於「聚」的環節進行了突變，或者叫去除。
去除「聚」的環節之後，材料雖然也能夠正常生長，但是它結實的時候，我們發現，上面一粒種子也沒有，我們進一步把「聚、散」同時去掉。
我們發現，「聚、散」同時去除的材料依然沒有種子，這也和我們的預期是非常相符的。
但是，當我們把「聚、散、離」三個步驟同時去除之後，意想不到的事情發生了。
我們發現，在正常生長的時候，這個水稻和正常的水稻不僅小時候長得一樣，它成熟的時候，也長得一模一樣。
這非常的意外，當時我們也不敢相信，仔細地確認之後，發現確實是這個情況，「聚、散、離」確實已經去掉了。
所以，我們下一步把種子全部種下去，看下一代會發生什麼情況，看它能不能穩定地遺傳。
我們把下一代種下去之後，發現它也能夠正常生長，但是就看它小時候有點不太對勁，在長大之後，我們就發現它最後結的種子很少。
把它再往下種一代，我們發現，下一代基本上就長不起來，它很小的時候就夭折了。
我們對這些材料進行觀察，發現正常的材料裡面都會有一個父親、一個母親的基因，但是到第二代的時候，父親的基因會變成兩套，母親的基因也變成兩套。
再到第三代的時候，爸爸的基因就有四套，媽媽的基因變成四套。就好像一輛車只有油門，沒有剎車，它會不停地加速，最後的結果就是車毀人亡。
因為是「聚、散、離、合」，我們去掉「聚、散、離」，現在就是最後一步，還差一個「合」，就是我們一輛車還需要油門，還需要一個剎車。
我們想找這樣的剎車，我們就找這樣的基因，進行單獨去除，找了不同材料。
正常情況下，都有不孕不育現象的發生，但是有一組材料，它能夠結種子了。紅色標的地方可以看到能夠結種子，種子數量不是很多，但是非常珍貴。
我們把它種下去之後看一看，到了第二代的時候，它小時候就表現得比別人矮，穗子也很小，最後它這個穗子也是完全不孕不育的，再往後就也不能走了。
我們檢測之後，第一代也是兩套，父母兩套，到第二代的時候，它裡面只有一套，要麼來自父親母親的，父親母親只有一半嘛，會減半。
它只知道做減法，就像剎車一樣，只知道踩住剎車，最後就停下來，無路可走了。
既然「聚、散、離」可以做成，「合」也可以。
假如「聚、散、離、合」聚到一起，同時去除會發生什麼情況？
想到這裡，我們開始去試，非常忐忑，我們最擔心它是不孕不育。
但是也很幸運，我們發現它能夠結實，種子也不是很多，紅色標記標的地方，就發現「聚、散、離、合」同時去除，油門剎車聚在一起的時候，這輛車還能結種子。
我們把這個非常珍貴的種子種下去，不停地觀察，第二代、第三代、第四代，現在已經到了第五代、第六代，發現它都能夠結出種子。
雖然種子都不是很多，但是它能夠穩定遺傳下去。
對它的基因進行檢測，裡面父親、母親的基因都各有一套，說明它也維持了穩定，說明油門跟剎車聚在一起，確實能實現一輛車的平穩行使。
在我們的工作發表之後，袁隆平先生第一時間對我們的工作進行了點評。
第二天，他仍然覺得有點難以置信，趕緊聯繫我們，希望儘快當面交流，了解一下這個工作的細節。
當年我們的工作也只是證明了在有性生殖和無融合生殖之間，確實存在一條密道，但是這條密道當時還有一些問題。
我們剛開始十個人出發，最後有九個掉下，只有一個安全到達了彼岸。
所以，我們將來將圍繞這個方向繼續不斷地研究和探索，希望把這條鋼索建成一個鋼橋，將來是十個種子都能夠都能安全地過去。
因為雜交不能自留種的問題，現在雜種優勢利用很有限，實際利用可能不到千分之一。
所以我們希望我們這個萬一做成功之後，將來不僅僅在水稻當中，希望在更多的作物當中，比如小麥、玉米、大豆，還有西紅柿，各種作物，只要存在雜種優勢，希望都能夠應用起來。
我們希望達到的終極目標是雜種優勢代代相傳。
最後我想用一粒正在黑暗中發芽的種子作為結尾，前方的路可能依舊困難重重，可是我想說，有種子就有希望。
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