为了寻找更有营养的大米，我们切开了36000颗种子 | 刘春明
2022/12/24 7:00:00 未来光锥
2022年11月20日，“科普中国-我是科学家”第40期“种子的故事”现场，北京大学现代农学院院长、教授，农业农村部侨联副主席刘春明带来演讲《两粒大米的故事》。
刘春明演讲视频：
以下为刘春明演讲实录：
大家好，我是北京大学的刘春明。过去30年，我一直从事种质的研究，最近十多年主要关注的是水稻营养品质的改良，所以今天给大家讲一讲水稻的故事。
在讲我的研究之前，我想先给大家介绍一下，农作物和我们中国人密切的关系。
中国人的祖先驯化了一大批农作物，包括今天吃的水稻、大豆、糜子、荞麦、青稞、菰米等，蔬菜类，我们驯化了白菜、韭菜、冬瓜、山药、木耳等，对世界文明和农业发展做出了不可磨灭的贡献。当然，回顾中国5000年的文明史，也可以看到在不同时期，中国也引进了多种农作物。我们常吃的小麦，进入中国大概有4000年历史，豌豆、胡椒、高粱等等都是引进作物。
水稻田 | Wikimedia Commons，Yulin Jia / CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)
回顾历史，我们会发现，中国人口的增长和农作物有着分不开的关系。在相当长一段时间，中国的人口没有过亿。第一次过亿，大概是在明朝晚年，公元800年之前这个时间，这正是航海事业高速发展的时候。航海给中国人带来了玉米、马铃薯、地瓜、花生等一系列高产，且能在稀薄土地上种植的农作物。有了充足的食物支持，中国的人口也随之迅速增长。
新中国成立以后，由于国家的稳定发展，中国的人口进一步增加，到现在14多亿人。人口增长这么快，背后也离不开粮食。从建国1949年到现在，中国主要粮食的单产和总产都增加了四到五倍。粮食的增产要感谢很多重要的技术的应用：最早期的时候，在60年代我们开始采用一些矮秆的品种，开始使用化肥农药，到80年代我们有了制度创新，开始联产承包，最近二三十年，主要是杂交制种新技术的应用，让主粮作物产量得到了大幅提升，让更多的人能吃饱饭。
建国以来，我国主粮作物(水稻、小麦和玉米)亩产和总产量均增加4-5倍 | 数据来源国家统计局
进入到现代，我们不仅要吃饱，还要让中国人吃得更有营养。这也是我研究水稻的主要原因。
怎么提高农作物的营养呢？大家都知道，粗粮很有营养。那么粗粮有营养，实际上在禾谷类里最主要的原因是它的糊粉层，有丰富的维生素和微量元素。下图中白色的部分就是糊粉层，粉色的部分是淀粉，少量蓝色是储存的醇溶蛋白。在重量上，糊粉层的占比只有不到10%，但是它的维生素B的含量达到接近90%，总蛋白达到28%左右，脂肪酸和锌铁钙都是70%左右，所以糊粉层是非常有营养的。
糊粉层富含多种人体必需的营养成份 | 刘春明供图
然而，在稻米的加工过程中，糊粉层会被破坏掉。稻米的加工主要是两步：第一步是去掉谷壳，谷壳是没有营养的，主要是纤维。第二步是打磨，但是打磨的过程中就会把外部的果皮、种皮以及糊粉层，甚至胚胎都打掉了，被打磨掉的这一部分传统上就称为麸皮。经过这两步加工后，就成了日常吃的白米，不过由于糊粉层的丢失，营养也大量损失了。
从刚刚的图片中大家可以看到，糊粉层非常单薄，我们就想，如果能让糊粉层更厚一点，是不是营养就更好了？在所有的禾谷类作物里，大部分糊粉层都很薄，只有大麦的糊粉层是多层的。于是，在十六七年前，我们从大麦中得到了启发，想通过加厚水稻的糊粉层来提升水稻的营养。
为了实现这个目标，我们对水稻进行了化学诱变，就是通过化学试剂让水稻产生基因突变。诱变之后，第一代没什么变化，但是它产生的第二代由于遗传的分离，就产生了很多变异。所以，我们就从第二代具有很多变异的种子中筛选，看看有没有造成糊粉层加厚的变异。
我们创制了一种“半粒种子”的筛选方法：把一粒种子中间切开，在切开的表面进行染色。染色的过程中，我们吃的白米部分会染上蓝色，而糊粉层是染不上颜色的，因此我们就可以在显微镜底下看到糊粉层的厚度变化。下图就是我们设计的特别漂亮的装置，能把水稻籽粒从中间切开。如果得到糊粉层加厚的种子，我们就可以把剩下的一半在体外萌发，获得它的后代。
“半粒种子”筛选方法 | 刘春明供图
这个过程需要非常精细、小心，我们总共切开了36000粒种子，每一个都进行了染色、观察，中间发现了二十几个可能糊粉层有加厚的种子，进一步筛选后，找到了2个具有基因突变的种子。我们称它们是ta突变体，普通的大米，糊粉层只有一层，ta1突变体的糊粉层有三到五层，而ta2有5到10层，糊粉层的厚度得到了大量的加厚。
ta1和ta2糊粉层明显加厚 | 刘春明供图
那么，糊粉层加厚是否真地提升了水稻的营养水平？我们发现，蛋白质提升了大概有15%左右，脂肪酸提升了30%多，铁锌等微量元素也分别提升了15%-30%，维生素B6增加了40%，膳食纤维增加了一倍，抗氧化活性物质也增加了一倍，维生素A大概增加了三倍，维生素B1、B2都得到了普遍的提升，略有减少的只是淀粉含量。所以说，这个变异真是让我们得到了非常重要的种质资源。
但是，我们知道在中国的消费习惯里，白米要经过打磨，会破坏糊粉层，只有紫米是通过全子粒来消费的。因此，为了让消费者能享受到加厚糊粉层带来的营养，我们决定将这个重要的种质资源材料，通过传统的杂交方式，导入到紫米中。
杂交过程也是很漫长，差不多十年的时间，我们在北京、山东、海南进行穿梭育种，进行反复杂交、回交，除了导入了加厚的糊粉层这个特质，还保留了紫米微糯的性状，创制了“中紫一号”这个新型的高营养紫米品种。
中紫一号的株型、产量都不错，我们还做了盲试，它的口感非常受消费者欢迎。4%的支链淀粉含量，使它的口感变得比较绵软，所以不管做干饭、做粥都比较好。
最后，也要感谢我的科研团队，我们平时的研究基地就在香山脚下，中国科学院植物研究所， 也欢迎大家有机会过来参观。
刘春明团队 | 刘春明供图
谢谢大家!
演讲嘉宾刘春明：《两粒大米的故事》
策划/监制：吴欧
作者：刘春明
编辑：小贩儿
校对/排版：尹宁流
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