2022 年 11 月 20 日，" 科普中國 - 我是科學家 " 第 40 期 " 種子的故事 " 現場，北京大學現代農學院院長、教授，農業農村部僑聯副主席劉春明帶來演講《兩粒大米的故事》。
劉春明演講視頻：
以下為劉春明演講實錄：
大家好，我是北京大學的劉春明。過去 30 年，我一直從事種質的研究，最近十多年主要關注的是水稻營養品質的改良，所以今天給大家講一講水稻的故事。
在講我的研究之前，我想先給大家介紹一下，農作物和我們中國人密切的關系。
中國人的祖先馴化了一大批農作物，包括今天吃的水稻、大豆、糜子、荞麥、青稞、菰米等，蔬菜類，我們馴化了白菜、韭菜、冬瓜、山藥、木耳等，對世界文明和農業發展做出了不可磨滅的貢獻。當然，回顧中國 5000 年的文明史，也可以看到在不同時期，中國也引進了多種農作物。我們常吃的小麥，進入中國大概有 4000 年曆史，豌豆、胡椒、高粱等等都是引進作物。
水稻田 | Wikimedia Commons，Yulin Jia / CC BY 2.0 （https://creativecommons.org/licenses/by/2.0）
回顧曆史，我們會發現，中國人口的增長和農作物有着分不開的關系。在相當長一段時間，中國的人口沒有過億。第一次過億，大概是在明朝晚年，公元 800 年之前這個時間，這正是航海事業高速發展的時候。航海給中國人帶來了玉米、馬鈴薯、地瓜、花生等一系列高産，且能在稀薄土地上種植的農作物。有了充足的食物支持，中國的人口也随之迅速增長。
新中國成立以後，由于國家的穩定發展，中國的人口進一步增加，到現在 14 多億人。人口增長這麼快，背後也離不開糧食。從建國 1949 年到現在，中國主要糧食的單産和總産都增加了四到五倍。糧食的增産要感謝很多重要的技術的應用：最早期的時候，在 60 年代我們開始采用一些矮稈的品種，開始使用化肥農藥，到 80 年代我們有了制度創新，開始聯産承包，最近二三十年，主要是雜交制種新技術的應用，讓主糧作物産量得到了大幅提升，讓更多的人能吃飽飯。
建國以來，我國主糧作物（水稻、小麥和玉米）畝産和總産量均增加 4-5 倍 | 數據來源國家統計局
進入到現代，我們不僅要吃飽，還要讓中國人吃得更有營養。這也是我研究水稻的主要原因。
怎麼提高農作物的營養呢？大家都知道，粗糧很有營養。那麼粗糧有營養，實際上在禾谷類裡最主要的原因是它的糊粉層，有豐富的維生素和微量元素。下圖中白色的部分就是糊粉層，粉色的部分是澱粉，少量藍色是儲存的醇溶蛋白。在重量上，糊粉層的占比隻有不到 10%，但是它的維生素 B 的含量達到接近 90%，總蛋白達到 28% 左右，脂肪酸和鋅鐵鈣都是 70% 左右，所以糊粉層是非常有營養的。
糊粉層富含多種人體必需的營養成份 | 劉春明供圖
然而，在稻米的加工過程中，糊粉層會被破壞掉。稻米的加工主要是兩步：第一步是去掉谷殼，谷殼是沒有營養的，主要是纖維。第二步是打磨，但是打磨的過程中就會把外部的果皮、種皮以及糊粉層，甚至胚胎都打掉了，被打磨掉的這一部分傳統上就稱為麸皮。經過這兩步加工後，就成了日常吃的白米，不過由于糊粉層的丢失，營養也大量損失了。
從剛剛的圖片中大家可以看到，糊粉層非常單薄，我們就想，如果能讓糊粉層更厚一點，是不是營養就更好了？在所有的禾谷類作物裡，大部分糊粉層都很薄，隻有大麥的糊粉層是多層的。于是，在十六七年前，我們從大麥中得到了啟發，想通過加厚水稻的糊粉層來提升水稻的營養。
為了實現這個目标，我們對水稻進行了化學誘變，就是通過化學試劑讓水稻産生基因突變。誘變之後，第一代沒什麼變化，但是它産生的第二代由于遺傳的分離，就産生了很多變異。所以，我們就從第二代具有很多變異的種子中篩選，看看有沒有造成糊粉層加厚的變異。
我們創制了一種 "半粒種子" 的篩選方法：把一粒種子中間切開，在切開的表面進行染色。染色的過程中，我們吃的白米部分會染上藍色，而糊粉層是染不上顔色的，因此我們就可以在顯微鏡底下看到糊粉層的厚度變化。下圖就是我們設計的特别漂亮的裝置，能把水稻籽粒從中間切開。如果得到糊粉層加厚的種子，我們就可以把剩下的一半在體外萌發，獲得它的後代。
" 半粒種子 " 篩選方法 | 劉春明供圖
這個過程需要非常精細、小心，我們總共切開了 36000 粒種子，每一個都進行了染色、觀察，中間發現了二十幾個可能糊粉層有加厚的種子，進一步篩選後，找到了 2 個具有基因突變的種子。我們稱它們是 ta 突變體，普通的大米，糊粉層隻有一層，ta1 突變體的糊粉層有三到五層，而 ta2 有 5 到 10 層，糊粉層的厚度得到了大量的加厚。
ta1 和 ta2 糊粉層明顯加厚 | 劉春明供圖
那麼，糊粉層加厚是否真地提升了水稻的營養水平？我們發現，蛋白質提升了大概有 15% 左右，脂肪酸提升了 30% 多，鐵鋅等微量元素也分别提升了 15%-30%，維生素 B6 增加了 40%，膳食纖維增加了一倍，抗氧化活性物質也增加了一倍，維生素 A 大概增加了三倍，維生素 B1、B2 都得到了普遍的提升，略有減少的隻是澱粉含量。所以說，這個變異真是讓我們得到了非常重要的種質資源。
但是，我們知道在中國的消費習慣裡，白米要經過打磨，會破壞糊粉層，隻有紫米是通過全子粒來消費的。因此，為了讓消費者能享受到加厚糊粉層帶來的營養，我們決定将這個重要的種質資源材料，通過傳統的雜交方式，導入到紫米中。
雜交過程也是很漫長，差不多十年的時間，我們在北京、山東、海南進行穿梭育種，進行反複雜交、回交，除了導入了加厚的糊粉層這個特質，還保留了紫米微糯的性狀，創制了 "中紫一号" 這個新型的高營養紫米品種。
中紫一号的株型、産量都不錯，我們還做了盲試，它的口感非常受消費者歡迎。4% 的支鍊澱粉含量，使它的口感變得比較綿軟，所以不管做幹飯、做粥都比較好。
最後，也要感謝我的科研團隊，我們平時的研究基地就在香山腳下，中國科學院植物研究所， 也歡迎大家有機會過來參觀。
劉春明團隊 | 劉春明供圖
謝謝大家！
演講嘉賓劉春明：《兩粒大米的故事》
策劃 / 監制：吳歐
作者：劉春明
