节水抗旱稻的概念与发展历程

罗利军

（上海市农业生物基因中心，上海201106）

基本介绍

Basic introduction

水稻是最重要的粮食作物之一，近60年来，以提高水稻单产为主要目标的育种与栽培技术研究取得了重要进展，但目前水稻生产仍面临着资源与环境的严峻挑战。节水抗旱稻的发展为应对这些挑战提供了较好的解决方案。节水抗旱稻是在水稻科技进步的基础上，通过进一步整合现代水稻与旱稻的优良特性而育成的新型栽培稻品种，其水分利用效率与抗旱性明显增强，可采用“旱直播旱管”的绿色栽培模式，既可在水田不淹水栽培，又可在旱地或山坡地种植，极大拓展了水稻的种植空间，生产过程中可大幅节约灌溉用水、减少面源污染和甲烷排放、降低劳动成本。系统介绍了栽培稻的水陆生态型分化与抗旱性进化以及节水抗旱稻的概念与特点、培育与改良策略、栽培技术与推广区域，并对节水抗旱稻的发展目标与方向进行了详细讨论。

作者简介

Introduction to the author

罗利军，男，1961年7月出生于湖北省崇阳县，现为上海市农业生物基因中心首席科学家，华中农业大学博士生导师，国家跨世纪百千万人才，全国杰出专业技术人才，上海市政协委员，享受国务院特殊津贴。1978年考入华中农业大学，先后获农学学士、硕士和博士学位，师承谢岳峰教授。1986至2000年在中国水稻研究所从事稻种资源的收集保存、研究评价与创新利用。期间，先后多次在国际水稻研究所、美国德州农工大学以访问学者身份进行合作研究。2001年与其团队被上海市引进，筹建上海市农业生物基因中心，从事农业基因资源的保护创新与评价利用研究，特别是节水抗旱稻的理论与育种研究。

先后主持国家攻关专题、国家863、973、948计划、国家自然科学基金重点、上海市科委基础重大、科技兴农重大重点项目以及美国洛克菲勒和梅琳达盖茨等国际合作项目。牵头获得国家科技进步一等奖1项、国家技术发明二等奖1项，上海市科技进步一等奖3项、上海市技术发明一等奖1项、上海市科技普及一等奖1项以及上海市自然科学牡丹奖。共创制不育系18个，选育新品种34个，获授权发明（或实用新型）专利或新品种权83项，发表论文325篇，入围Elsevier“中国高被引用学者”。

论文解读

Interpretation of the paper

关键词：水陆稻分化;节水抗旱稻;水分利用效率;抗旱性;育种;栽培

引文格式：罗利军. 节水抗旱稻的概念与发展历程[J].上海农业学报,2022,38(4):1-8. LUO L J. Concept and development history of water-saving and drought-resistance rice(WDR)[J]. Acta Agriculturae Shanghai，2022,38(4):1-8.

DOI:10.15955∕j.issn1000-3924.2022.04.01

水稻(Oryza sativa L. )是最主要的粮食作物之一，全世界一半以上的人口以稻米为主食。中国是全球最大的水稻生产国与消费国，过去60余年，以提高水稻产量为主要导向的品种选育、栽培技术研究与生产一直受到广泛的重视。在经历矮化育种、杂交稻育种和超级稻育种，并伴随着一系列相应的高产栽培技术应用之后，全国水稻平均单产从1949年的1890 kg/hm2增加到2021年的7050 kg/hm2，在部分高产稻田，产量甚至超过12000 kg/hm2。水稻产量的大幅提高，为保障国家粮食安全做出了重大贡献。

然而，我国是贫水大国，是世界上13个严重缺水的国家之一，而水稻生产是用水大户，消耗了大量的淡水资源。据估计，我国每年农业用水量占总用水量的70.4%，其中水稻生产用水量占农业用水量的70%。显然，农业水资源紧缺，特别是水稻生产用水不足已成为继耕地之后，长期制约我国农业发展的重要因素。另一方面，长期以来的水田栽培使水稻种植对水分过度依赖，形成了在水稻生产过程中田间长期保持水层的种植方式，导致大量的甲烷排放。同时，化肥和农药施用量的不断增加，造成了严重的农业面源污染。可见，增强水稻品种的抗旱性，提高其水分利用效率，发展节水栽培技术，是实现水稻可持续发展的必然需求。

1 栽培稻的水陆(旱)分化

栽培稻包括两个种，即亚洲栽培稻(Oryza sativa L. )和非洲栽培稻(Oryza glaberrima Steud)。在全世界范围内，主要种植的是亚洲栽培稻，非洲栽培稻仅局限于非洲的中西部地区。

关于亚洲栽培稻的起源地，学术界一直存在争论，大概有印度起源说、中国起源说、多元起源说等。对于亚洲栽培稻的袓先种，现在已达成比较一致的观点，即亚洲栽培稻由多年生野生稻(Oryza rufipogon)演化而来。多年生野生稻广泛分布于中国南方的沼泽地带以及南亚、东南亚的一些国家，具有宿根特性，多年生，易落粒。

野生稻起源于干湿交替的沼泽地带，属于中生植物，对水生和旱生环境具有双重适应性。在对野生稻栽培驯化的过程中，形成了对水分需求不同的两种生态类型：一类是适应于水生环境的水稻(Lowland rice)，另一类是在干旱条件下完成其生长发育过程的陆(旱)稻(Upland rice)。根据丁颖(1957)提出的栽培稻五级分类系统，野生稻先进化为水稻，水稻是基本型，而陆稻则是为了适当土壤水分变化而形成的变异型，两者在植物学与生物学上没有显著区别，但陆稻的抗旱性极强。

事实上，人类早期的栽培地是没有水分灌溉条件的，陆稻应先于水稻被驯化，即早期栽培稻在遗传上更接近于陆稻。笔者团队近期研究表明，陆稻基因组水平的遗传多样性高于水稻，且陆稻与野生稻共享更多的私有等位基因，遗传关系上与普通野生稻更近。水稻则是从野生稻或陆稻演变而来。

我国陆稻栽培历史悠久，在广西、云南等山区，目前尚有在山坡上种植旱稻的习惯。当地山民一般在3月下旬上山，首先放火烧山，然后将干种子直接撒播(或点播)于烧过的山坡地，待种子吸水萌发，至11月稻谷成熟时上山收割(图1)。旱稻产量较低，但耐直播，具有很强的节水抗旱性，其需水量仅为水稻的1/3—1∕4。由于半个世纪以来，对旱稻的研究极少，目前我国山区种植的仍然大多为传统的地方品种，其产量潜力与建国初期的传统水稻品种相当。

水稻的研究则受到广泛的重视,水稻的遗传研究、生理研究、品种选育和栽培技术都获得了长足的进步。从全球范围看,水稻的品种改良一直是农业研究的热点。通过半个多世纪的努力,在不断改善水稻灌溉条件的同时,水稻新品种的培育取得了重大进展,形成了大量的高产优质水稻品种。水陆稻的分化主要是抗旱性的分化，水稻与陆稻存在明显的表观遗传差异。

2 节水抗旱稻的概念与主要特性

节水抗旱稻(Water-saving and drought-resistance rice，WDR)是在水稻科技进步的基础上，引进陆稻的节水抗旱特性所育成的一种新的栽培稻类型。2010年，笔者提出了节水抗旱稻的理念。2016年4月，中华人民共和国农业部正式颁布实施《节水抗旱稻术语》农业行业标准(NY∕T 2862—2015)。节水抗旱稻整合了水稻的高产优质与旱稻的节水抗旱特性。在水田，整个生育期不需淹水，其产量、米质与水稻基本持平，但可节水50%以上；在旱(山坡)地，可像种植小麦一样进行旱直播，具有较好的抵抗干旱的能力，关键时期若遇干旱适当补水即可，增产稳产；在栽培上，简单易行，可实现免耕直播，投入低，大幅减少面源污染和甲烷排放。

节水抗旱稻是在现有优良水稻品种基础上育成的，因此，具有优良水稻品种所拥有的优异特性，如高产、优质、抗病虫害、耐高低温等，同时，节水抗旱稻还必须具有以下3个特性。

2.1 节水

节水指节水抗旱稻在整个生育期间，节约灌溉用水的能力，包括两个方面：一是水分利用效率(Water use efficiency,WUE)，二是有效利用降水。

2.2 抗旱

抗旱指节水抗旱稻在干旱条件下的生存与生产能力的总和，即在一定的水分胁迫下，节水抗旱稻可维持植株较高的水势以保持正常的生理代谢活动。抗旱性包括避旱性、耐旱性和复原抗旱性这3个方面，在干旱的早期，避旱性起主要作用，耐旱性被认为是抗旱性的第二道防线。

2.3 易种

易种指节水抗旱稻相对于水稻而言，易于种植的特性，主要表现在耐直播、耐不良土壤(如盐碱)、化肥利用效率高、适应于机械化种植等等，其中，耐直播是最重要的特性。早期的传统旱稻种植方式是刀耕火种，因此品种的耐直播性好，表现于耐深埋、扎根快。但是，在旱稻向水稻的演变过程中，由于采用育秧移栽，这一性能便大大降低了。中胚轴延长反映了品种的耐深埋能力，节水抗旱稻品种 ‘旱优73’，在埋土8 cm厚的情况下，依靠中胚轴伸长，保证了正常的出苗率。

3 节水抗旱稻的培育策略与持续改良

节水抗旱稻既要具有水稻的高产优质特性，又要具有旱稻的节水抗旱特性，因此，在选育策略上，一是充分利用最新的水稻育种成果，二是适当引进旱稻的遗传基础，三是应用科学的抗旱性评价方法，四是采用有效的选择技术(图2)。

4 节水抗旱稻的目标区域与栽培技术

1)水田———改变传统种植方式，实现资源节约，环境友好。

2)低洼易涝旱地———优化调整种植结构，实现农田增值，农民增收。

3)山(滩)改田———拓展水稻种植空间，实现高质量占补平衡。

节水抗旱稻抗旱、耐盐碱，适合于新改田种植(图3)。

对于降水量丰富的南方地区，可直接在山坡上种植(图4)。

种植节水抗旱稻，在栽培上要注意：一是控制杂草危害；二是适时补水。

5 节水抗旱稻的发展历程与展望

1988年10月下旬

笔者在广西进行稻种资源考察，在隆林自治县的山坡上，第一次见到传统的旱稻。当地山民一般在清明节前进行刀耕火种，10月中下旬开始上山收割，产量低，但整个生育期不需管理。望着满山的旱稻，笔者被其顽强的生命力所震撼，但直到十年后，才开始关注这个宝贵的资源。

1994年

笔者团队育成我国首个三系法亚种间杂交稻‘协优413’[20] ，并基于“籼粳亚种间杂种优势利用”申报国家发明专利“一种杂交水稻的育种方法”，1998年获得授权(ZL941025519)，这为后来的“水稻与旱稻杂交培育节水抗旱稻”提供了基本的思路。

1998年

基于水稻生产耗水量大，而我国又是缺水大国的事实，笔者团队开始将旱稻的研究作为重要目标，主要工作是广泛引进旱稻资源，采用早期我国稻种资源攻关研究计划所提出的鉴定方法进行抗旱资源筛选，并进行旱稻品种的系统选育。

2000年

笔者与中国农业大学王化琪教授等在北京主持召开“2000年全国旱稻发展研讨会”，在全国农业技术推广服务中心的支持下，启动了全国旱稻区域试验和品种审定流程。从国外引进旱稻品种经系统选育，育成‘中旱1 号’‘中旱3 号’，于2003年通过国家新品种审定并推广。

2001年

笔者团队有关水稻抗旱性的研究(Towards better understanding and further improvement of drought tolerance in rice)获得了洛克菲勒基金的资助，开始了水稻抗旱性研究的国际合作。洛克菲勒项目技术官员、著名农艺与生理学家Abraham Blum 博士多次来到中国，帮助建立抗旱性评价设施。在海南利用山坡荒地建立了露天抗旱筛选圃，可在旱季进行大规模筛选；在上海建立温室条件下可进行水分有效控制的田间抗旱性鉴定设施，并举办抗旱性鉴定评价培训班。基于科学的抗旱性评价体系，开始进行大规模稻种资源抗旱性鉴定评价，构建了抗旱核心资源，并对综合抗旱性好的资源进行避旱性、耐旱性、水分利用效率的进一步深入研究。

2005年

基于“水稻×旱稻”杂交育种，结合田间高强度胁迫选择，注重不同抗旱性与产量、米质的整合，育成首个旱稻不育系沪旱1A，并实现三系配套，杂交组合‘旱优2 号’‘旱优3 号’通过上海市新品种审定。由于全国旱稻区域试验终止，‘旱优2 号’参加国家南方水稻区域试验，并通过国家水稻新品种审定后推广应用(国审定名为‘沪优2 号’)，标志着其产量潜力已达到当时杂交水稻的水平。

2009年

第三届世界干旱大会(InterDrought III)在上海召开。会上，笔者正式提出“节水抗旱稻”的理念，随后，在世界著名学术期刊《Journal of Experimental Botany》上发表“Breeding for water-saving and drought-resistance rice(WDR) in China”论文，系统阐述了节水抗旱稻的背景、目标、培育策略与发展前景。

2016年

中华人民共和国农业部正式颁布实施《节水抗旱稻术语》和《节水抗旱稻抗旱性鉴定技术规范》2 项行业标准；2018年，启动国家节水抗旱稻区域试验，极大推动了节水抗旱稻的研究与发展。目前，节水抗旱稻的理论与应用研究均取得了重要进展。

基于目前节水抗旱稻理论、育种和栽培的研究进展，尚需在以下方面着力开展相关研究。

1)抗旱基因挖掘与抗旱性机制。

2)节水抗旱稻抗旱性获得的遗传基础。

3)抗旱性的精准鉴定与表型组学研究。

4)绿色性状聚合与新品种选育。

5)绿色栽培技术体系研究。

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转自：上海农业学报公众号

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