30年，为了找到优良作物，我在田里海选“演员”
我们在过去几十年的核能育种过程中，就是靠眼睛在田间筛选，像大海捞针，海选演员一样，围绕我们确定的目标去海选。
我们做育种，不管是做核能育种还是其他育种，下地是最基本的核心要素。下地的次数跟下地的质量， 跟品种的产出、成果高度正相关。
2020年9月19日，“科普中国-我是科学家”第25期演讲现场，中国农业科学院作物科学研究所副所长、中国原子能农学会理事长刘录祥带来演讲：《核能辐照后，我要快速找出高铁锌的那株小麦》。
以下为刘录祥演讲实录：
2020.9.19 天津
大家好，我叫刘录祥。我的工作是利用核能辐射去进行农作物的改良，选育更优质、更高产的农作物品种。
谈到核能，大家可能会想到核辐射很可怕，谈核色变。但实际上，核技术的和平利用，在国际范围内非常广泛。
我今天要跟大家分享的是我从事核能育种30年的一点心得——谈谈核技术与我们盘中餐的故事。
什么是核能育种？
核能育种是一种利用核技术辐射改变基因的一种新的技术方法。
这张图片的背景，反映了我们现在吃的小米、谷子来源于狗尾草这个野生种的过程。这个进化过程是非常漫长的——可能几千万年才能进化成这样一个现代栽培的物种。
利用核能进行人工诱变育种，就是想加快这样一种变异的过程。
新品种的改良，归根结底的核心就是如何发现变异，然后利用变异的过程。从最原始的系统选择，到70年代的杂交育种，再到现在的生物育种，都是在不断的更新发现变异、利用变异的过程。
核能辐射育种，与餐桌上的食物是密切相关的。
它不仅可以在大米、面粉、小米、玉米、大豆等等这些主粮作物中发挥作用，同时在丰富多彩的蔬菜、水果以及美化环境的花卉上，都发挥重要的作用。目前国际上已经育种了3000多个核能辐射的品种。
核能辐射的作用不仅在育种上。
我们知道的核工、核医，特别是核医。我们在医院看病都要做X射线照射，那么照射的过程，实际上就是核能辐射。
通过核能辐射，还可以进行食品的灭菌、保鲜，使得货架期延长，品质更好。核能辐射还可以用于动物的疾病诊断，特别是灭活疫苗的生产，去永久的防治动物疾病。
雄性昆虫不育是现代生物技术里最前沿的技术之一，有害昆虫危害农作物，危害庄稼，非常可怕。
那怎么不洒农药就根除病害？
我们通过核能辐射的办法使得雄昆虫不育，然后使它的后代夭亡，从而根除有害昆虫，保护农作物。
怎么知道买的苹果是原产地的知名商标？
如何判断今天买的这一罐蜂蜜是真是假？
我们有一种办法——稳定同位素的方法。这种方法既定量又定性，非常精准，可以试出这个农产品是从什么地方来的。这项工作在欧美得到广泛应用，我们国家经过两个五年计划的应用，已经取得了非常好的效果。
小麦是我们的口粮作物，粮食安全的重中之重。改革开放40多年来，小麦的生产的面积从4.6亿亩降到了3.4亿亩，整整减少了1亿多亩，但是生产量却从0.5吨增长到了1.43亿吨。
是什么原因呢？
因为单位面积的产量的大幅度提升。小麦单位面积的产量从1978年的一亩100多斤，提高了今年386.5公斤，整整增长了20多倍。
单产的提升靠什么？
靠科学技术、靠品种。数据表明，优良品种在粮食生产力的贡献超过40%，甚至高达50%。所以我们一定要培育优良的品种。
从事25年的核能辐射，我们主要做了三件事。
第一件事，就是建立一种能够诱发创造人工变异的技术体系。
第二件事，我们利用这样一个体系能够有效地筛选出诱发的突变材料。
第三件事，我们把筛选到的突变材料能够有效的直接利用，或者间接利用，培育出我们所期望的模型的优良品种。
围绕这三个方面的工作，我们首先建立了多样化的诱变技术体系，我们先后探索了十几种不同的方法，包括传统的伽马射线、电子束、粒子束、中子、X射线等等。
这样的方法形成一个完整的体系，在国内的协作网，以及亚太区域、甚至国际原子能机构的这样一个成员国的体系里面，得到了有效的应用，取得了非常好的效果。
这样一个体系建立起来以后，我们在实际应用过程中要确定目标。比如说小麦育种，我们要诱变成什么样的性状呢？
变异是随机的，但选择必须是定向的。
比如说我们要选择一些抗旱节水的、抗白粉病、抗赤霉病、抗叶锈病的突变材料，我们还要选一些优质的、营养多元的材料。
目标确定下来以后，我们就用自己建立的体系，围绕目标进行筛选。
这张图片是2012年在我们实验室里拍摄的——我们当时在地里发现了一个非常有趣的突变。它不像小麦苗子了，它的叶片变得像兰花一样短粗。这种改变对增加产量不一定有多大的正效应，但它是一种非常奇特的基因改变，是研究基因功能非常重要的材料。
我们在过去几十年的核能育种过程中，就是靠眼睛在田间筛选，像大海捞针，海选演员一样，围绕我们确定的目标去海选。海选几率、效率是很低的。
即便如此，我们也得到了很多有用的突变基因。
比如说抗白粉病这个突变基因——白粉病严重影响小麦产量，减产能达到10%~20%。我们及时通过目测的办法，筛选到了高抗，甚至免疫的一个材料。这个材料非常有用，在育种过程中可以作为杂交亲本，用于优良品质的培育。
我们也发现了其他突变。
比如说矮杆早熟的，它株高显著降低，生长期缩短。这样的材料，既能够增加抗倒伏的能力，又能够提前它的生殖期。所以我们在未来品种培育中，把他作为最为重要的优质材料之一。
还有一些大穗大粒的突变。要高产，就需要大穗大粒。这样的现状都是我们育种中特别重要的性状，都是我们靠眼睛在田里面海选出来的。
我们有一些早熟的材料，还有一些优良的种子资源材料。它的穗子很大，品质很好，但是晚熟，不能在生产中应用。通过诱变的方法，我们获得了生育期缩短了14~15天的材料。这样的材料在保持优质高产的情况下，它的生长期显著缩短。
那么我们能不能不靠这种海选的办法，在大田里面进行育种？
我们做了三件事来改良。
我们做的第一件事就是开发了钼蓝染色法——一种筛选高铁锌含量小麦的方法。实验研究表明，高铁锌的含量，跟种子里的高无机磷正相关。高无机磷的含量越高，那么它的铁锌的含量越高。我们就用这样一个关系，直接筛选无机磷含量高的材料。用这种酶标仪96孔板，加上种子，用钼蓝染色液4个小时 显示颜色很深的，就是这种突变基因。
第二种快速定向筛选方法是一种物理图谱法、物理光谱法。我们基于近红外光谱法，测试不同的个体。这个种子的外观看不出差别，但是我们通过光谱的分析，发现突变体蛋白质含量，提高了2~3个百分点。这也是一种快速的、高通量的定向筛选的方法。
第三件这个方案就更直接了。我们直接用基因筛选的方法——用已知基因的序列，在整个突变体里调用目标基因，直接筛选基因型，实现目标突变基因的筛选。通过这三种方式，能够提高筛选的效率，避免随机性。
突变的随机性，也是一个辩证的问题。
随机可能产生更多不可预见的突变。比如我们创造的各种类型的突变体库，有很多突变实际对我们人类毫无益处。但是在研究基因的功能的时候，又非常的弥足珍贵。
像有一些没有叶片的小麦植株，像有一些大穗的、但是籽粒很少的突变体，都是研究基因功能非常重要的材料。
回想过去，我20年前刚开始这项工作的时候，这些所谓坏的突变体，让我在地里面直接就淘汰掉了。但是最近10年来，我认为这些突变体是非常珍贵的。因为分子生物学的发展，使得基因功能的研究方法更为丰富，途径更为先进。这些坏的材料可能是研究基因功能最好的材料。
我们筛选出来突变体以后，就要利用。有两种利用方案——一种是直接利用培育品种；更多的时候，是跟其他优良性状再集合形成新的品种。
比如说航麦247就是我们用突变体，与另外一个品种做杂交，筛选出来一个高产的品种。它的亩穗数特别多的，可以达到55~60万，亩产600~650公斤。另一个航麦2566是大穗大粒型的，它的千粒重可以达到47~50克，实现了大穗大粒高产，一亩地可以产生625公斤。
千粒重的数量在我看来非常重要。
每增加1克的粒重 一亩地可以多十几公斤的粮食，增加2克的重量，可以产生25公斤的额外产量。
鲁原502是我们跟山东农科院合作，利用航天诱变跟我们常规育种相结合培育出来的。它目前是全国第二大栽培品种，2019年获得了国家科技进步二等奖。
这个品种的产量三要素——亩穗数、千粒重、穗粒数，非常协调。在高产栽培下，它能够达到亩产800公斤，有效的解决了我们生产中重穗型品种容易倒伏的重大难题。
由于国内的大协作，以及国际上的大交流，我们中国的核能辐射育种目前处于在国际领先水平。在研究应用上，特别是在品种培育方面，我们育成的品种数量，占国际同期育种平均的1/3。
这一点是我们国家核能辐射育种最值得骄傲的地方。
为此，国际原子能机构2014年为我们团队颁发了育种成就奖。2019年，把我们这个团命名为核能诱变技术协作中心，面向全亚洲或者全球，进行技术培训和技术转移。
我们在这个过程中，实际上也在不断的做另外一件事情，就探索新的诱变因素。
为什么要做这件事情？
因为我们想在随机性和效率上面，得到进一步的改进。
我们先后尝试了重离子、零磁空间、混合粒子场，以及航天搭载。不同的诱变因素，获得了非常有趣的效应。
比如我们利用正负电子对撞机产生的混合粒子场，进行小麦种子处理。混合粒子场损伤效应明显的大于传统的伽马射线，说明它的相对生物学效应要高于传统的伽马射线，一定程度上可以改变诱变的效率。
类似的工作我们仍在持续进行。
我们牵头全国的协作攻关，包括发射航天育种卫星，包括协调组织全国的重点研发计划，在国际上牵头大协作网，牵头国际的诱变育种项目。这些交流、协作，反过来更有效地促进了我们工作的水平跟进度。
到现在为止，我谈的都是研究工作非常顺利，非常有成效的部分。
但是在我看来，科学研究90%是失败的。我们所选育的品种，可能只有10%都不到能够进入市场，90%在不同的环节被淘汰。
那为什么还要坚持？
因为我们在不断的失败中去总结经验，去寻找我们所需要的目标性状，目标突变体的方法，不断的改变我们科研的质量，满足我们科研的需求。
我要讲的一个最深的体会——下地。
我们做育种，不管是做核能育种还是其他育种，下地是最基本的核心要素。下地的次数跟下地的质量， 跟品种的产出，跟品种的成果高度正相关。我们要从不同的时间阶段，在地里面进行观察、筛选、淘汰、评价、鉴定。
在苗期的时候，原有的对照组植株和突变体植株的株高没有差别， 但是拔节以后，突变体就蹭蹭蹭的往上涨，这叫阶段性快速发育。小朋友在不同的时期也有这样的，有的小朋友刚开始长得快，有的后期长得快。但是到最后，穗抽齐了，它的株高又一样了。
开头的时候一样高，后期的时候一样高，但是中间是不一样高。
如果说我们不下地，缺了中间这一环，你怎么能看出来？怎么能知道它有阶段性快速发育的过程？
一个更有趣的故事来自我的助手——可以开玩笑地说，突变体是他用脚选出来的。
怎么是用脚选出来？
他每天在地里面不停地观察的过程中，一不小心一脚踹下去，拆断了几个小麦的植株。再捡起来一看，是脆杆的，很容易骨折。
脆杆的突变体就是用脚踹出来的。如果说我们一直不去下地观察，这样一个脆杆突变体肯定选不到。脆杆突变体在未来，可能在饲料中有一定的应用。所以下地是我们农学一个最为重要的环节。
我也想到了我的小时候的情形。我出生在农村，陕西关中平原那地区。小时候家里面粮食缺乏，亲眼目睹了父母亲为解决粮食饥饿付出的艰辛。所以我对粮食有一种特殊的感情。我大学在西北农学院学了农学，研究生在北京的农学院又做了小麦育种，最后做了小麦的核能育种。
一晃30余年，我回顾下来，学了农学非常有成就感。因为这样的事业，是解决人民吃饭的问题的一个重大的议题。
作为一个科学工作者，我的感悟是学有所长、学以致用、用有所成。我们一定要有一技之长，去把我们每一个人的位置、我们的选择做好。我们整个中华民族的版图，就靠着每一个人在自己的位置上的成就，累积起未来的复兴。
那么马上到了国庆节，我们核能育种的小麦、玉米、杂豆、花生、粳稻，就要丰收了。我有很大的期待。
我也祝愿各位朋友，你们的工作、事业也有新的收获。
谢谢大家。
演讲嘉宾刘录祥：《核能辐照后，我要快速找出高铁锌的那株小麦》| 摄影：VPhoto