【转贴】生物节水现状、趋势与对策

主持人：生物节水有那些研究内容？

嘉宾：我们通过长期的研究认为，作物抗旱节水是在干旱半干旱气候环境下生存和繁衍的手段，高WUE和高产是目的。虽然植物抗旱节水是一个复杂的问题，但人类在植物抗旱节水的选育和栽培方面已经取得了许多成就，且在不断的前进。WUE可以将抗旱性和丰产性统一于一体，WUE是一个可以定量化的综合抗旱节水研究指标，包括了抗旱、耐旱、节水、高效用水和高效产出等多个方面的内容，目前已经逐渐成为作物抗旱节水的一个重要评价指标。

植物在抗旱和水分高效利用方面有明显的遗传和生理差异，像人类一样“有人喝凉水都长胖”。小麦等作物里有四种WUE类型：一种是耗水少、产量低，WUE低，即三低型；二是耗水中少，产量中高，WUE较高，如目前在中国北方冬麦区旱地种植的西峰20，长6878等品种；三是耗水中上，产量最高，WUE最高；如目前在中国黄淮旱地推广的水旱兼用型品种石家庄8号和临丰615等；四是耗水多，产量低，WUE低。我们希望选育出第二和第三种抗旱高WUE和高产的类型的优良新品种。

从作物抗旱节水品种遗传改良方面来看，一方面要加强抗旱高水分利用类型种质资源的筛选和利用，二是通过从国内外干旱半干旱地区进行抗旱高水分利用效率类型植物新种和作物新品种的引进和驯化，三是利用常规育种和转基因等生物新技术，培育抗旱节水优质高产的农作物新品种。

目前在作物自身水分高效利用的生理遗传机理研究方面，应该从作物生长发育、形态结构、组织细胞、分子基因、代谢调控、基因组、基因工程、育种改良等层次，在以下几个方面进行深入研究：一是作物的抗旱机理，二是作物的水分高效利用机理，如水通道蛋白与WUE调控的分子生物学机理；三是作物提高收获指数的机理；四是抗旱和水分高效利用及高产的协调关系；五是水分和养分耦合共同高效利用的机理，六是水分和光合高效利用和转运机理。

网友：水对我们如此重要，如何防止将来没有水？

嘉宾：一是要选育种植抗旱节水高产优质优良品种，二是要进行根据不同植物生理遗传特性进行科学节水灌溉植物，三是要利用植被进行水土保持，其目的都是尽量减少灌溉和提高水资源利用效率。水土保持是一项基本国策，生物节水永远是节水农业和水土保持的基础和核心。

我在最近科学出版社将要出版的《中国旱地和高水效农业研究与发展》一书中的扉页上这样写到：

没有粮的日子真慌，没有钱的日子真苦，没有水的日子真绝望!
现在水贵如油，将来水贵如金，水就是蓝金!
在水资源日益短缺的未来，人类必须走水分高效利用之路，让每一滴水生产出更多的食物和价值!
种草植树，水土保持，有水才有粮，有粮才有人，发展高水效农林复合型农业是可持续发展之路!
农业发展必须增产增收，有水有粮有钱的日子真幸福!

这就是我的结束语!

主持人：非常感谢您接受我们的采访。谢谢!

主持人：国内外生物节水的研究方向和趋势是什么？

嘉宾：淡水资源的紧缺是一个世界性的问题，发展节水农业和对水资源的高效利用是各国共同的必然选择。农业节水除有效的工程节水、农艺节水、管理节水等措施之外，以提高植物自身的水分利用效率为主的生物节水也是重要内涵之一,而且，可能是实现进一步节水增产的关键和最终的潜力所在。

为了加快我国生物节水研究的深入开展，山仑和石元春院士牵头，我们组织，于2005年11月2～4日就在北京举行了以“生物节水技术及其发展前景”为主题的香山科学会议第267次学术讨论会。与会专家围绕四个方面进行了深入探讨：1、生物节水的生理和分子基础； 2、耐旱及高WUE转基因技术研究现状及应用前景；3、节水生态与节水栽培；4、以耐旱和高WUE为目标的遗传育种。

从大的方面来讲，生物节水研究方向有三个方面，一是农艺节水，利用不同植物抗旱节水特点，进行种植布局和耕作制度的调整，提高农田水分利用效率；二是生理节水，即根据植物抗旱性和需水量的不同，进行定时定额灌溉，更科学的是在人工控制条件下，设施农业里，利用电子计算机监视土壤和掌握水分情况，进行精细生理水分调控；三是基因节水，研究植物水分利用效率基因定位、分子标记、基因克隆、功能基因组研究，利用转高水分利用效率基因等生物新技术，结合常规育种，培育出抗旱高产高水分利用效率品种。

例如，有人将需水多的生物叫“水猪”(water pigs)，如水牛、水稻、苜蓿等。将需水少的生物叫“水吝啬鬼”(water miser)，如骆驼、仙人掌、谷子等。通过自然进化和人工改良进化可以将“水猪”驯化和改良成“水吝啬鬼”。如将水稻可以变成旱稻等，例如上海农业基因中心就培育出了杂交旱稻，具有抗旱节水优质高产的特点。特别是利用现代的分子遗传转基因技术，可以将不同物种间的抗旱节水基因进行转移，培育新的抗旱节水高产优质生物新品种，这就是生物节水研究的重要方向。

我们认为，抗旱节水应用研究从农艺保水节水→以肥调水增水效(水肥耦合)→作物抗旱耐旱育种→高水分利用效率育种→抗旱性和丰产性统一于一体→生物节水→WUE是未来可持续农业发展的关键问题→让每一滴水生产出更多的食物。

植物抗旱机理进展从被动的耐旱性研究(细胞质浓度、束缚水含量、细胞膜稳定性，离体失水等)→主动的抗旱性研究(根系吸水、渗透调节等)→节水研究(ABA根冠信号调控叶片气孔开关，优化调节叶片WUE等)→水分高效利用研究(水通道蛋白，高收获指数等)。

植物抗旱节水遗传改良的学科发展趋势是从耐旱抗旱形态和育种研究→耐旱(水分胁迫)生理调控机制→抗旱和高WUE遗传→抗旱和高WUE分子生物学→抗旱和高WUE分子遗传→WUE基因工程。

我们课题研究小组，近年来在小麦水分利用效率的生理遗传育种进化，基因定位和分子标记方面，开展了深入的研究，说明植物水分利用效率性状受遗传控制，并可以进行遗传改良和栽培提高。

美国科学家Elumalai2000年报道将来自大麦的HVA1基因转入小麦，使这种转基因小麦后代的WUE得到了改良提高。澳大利亚的Malse等2005年在Nature上发表论文，利用δ13C分析方法作为WUE的代表性状，将控制蒸腾效率的QTL定位在第2染色体上的ERECTA 标记上，然后他们从拟南芥中克隆出了这个ERECTA 基因，它是1个富亮氨酸重复片段的受体激酶基因，可以改变叶片气孔数目和叶片结构，已被证实能调控植株的蒸腾效率，对改良作物的抗旱性及高效利用水分展示出良好前景。这给人们生物节水特别是WUE遗传改良研究带来更大的鼓舞!

主持人：中国在生物节水方面研究的现状是什么？我们今后应该在那些方面进一步加强？

嘉宾：生物节水研究是一个新的学科，目前其研究比较薄弱，需要有新的认识，许多方面刚起步，还有一些方面没有开展。

例如在十五期间863节水重大专项，抗旱节水品种筛选和应用这个专题险些没有，是石元春院士等努力争取的结果。目前973项目包括以前的攀登计划，已经有三个植物抗旱抗逆的项目，但基本都是利用模式植物研究抗旱和耐旱性，对植物水分利用效率的研究还很少，水分利用效率还不是研究重点，离节水农业、作物抗旱节水栽培育种应用研究较远。实际上，在我国科研经费有限的情况下，更应该面向国家需求，面向生产应用，作物抗旱高效水分利用机理及应用才是当前的重点，山仑院士为此写信给有关部门，呼吁抗旱节水研究要紧密结合生产实际应用。

我国在作物的水分利用效率生理遗传育种及分子生物学等方面的研究还很薄弱。因此，还有待大力加强，应该组织一个“生物节水机理和应用”或者是“提高作物水分利用效率的机理和应用”的研究项目，对我国节水农业和可持续农业的深入发展有重要意义。

主持人：生物节水与粮食安全的关系是什么？生物节水在节水农业和可持续发展农业中起什么重要作用？有什么应用前景？

嘉宾：我国灌溉面积占耕地面积的一半，粮食生产贡献占50-70%，对我国粮食持续增产稳产发挥了重要作用，但每年干旱灾害和旱地产量是决定和影响我国，甚至是世界粮食安全的关键因素，绝不可轻视。特别是随着气候日趋干旱，农业水资源明显减少，生物节水将越来越受到重视。我们都知道中国是小麦、大豆等粮食作物的重要进口国，如果因为干旱等自然灾害，引起我国小麦等作物大幅度减产，国际粮食价格一定会受到影响，因此，以前美国学者布朗发表“谁来养活中国人”的文章，引起了世界关注。

我们认为，在半干旱地区，抗旱、节水、高产并不十分矛盾，要通过基因组合，培育抗旱节水高产优质作物品种，培育超高产品种提高水分养分光能利用效率。

我们近年来的研究结果表明，小麦叶片WUE、单株WUE和大田群体WUE在进化过程中都有了一定程度的提高。小麦的WUE在干旱半干旱条件下低的为0.1 kg/mm, 高者达1 kg/mm；玉米的WUE由0.2 kg/mm可上升到2 kg/mm，可以相差10倍。即在年降水量为500 mm条件下，小麦产量可以达到7 500 kg/ha，玉米产量可以达到15 000 kg/ha。“斤水斤粮” 的概念已经被品种改进、栽培施肥等措施突破。

因此在通过品种改良、培肥地力、优化栽培、提高土壤水分和降水及灌溉水分利用效率方面还有很大潜力可挖。通过作物遗传育种学家和栽培学家的长期共同努力，使C3植物水稻、小麦等的最高产量潜力已经赶上甚至将要超过C4植物玉米、高粱等，这些都充分说明作物WUE改良的潜力和重要性。在9 000 kg/ha的生产水平上，由于各种作物的需水量的不同，小麦的WUE要高于玉米再高于水稻。

从旱地作物高产发展趋势来看，中国旱地小麦有50%的旱薄地产量为2 250 kg/ha，有20%～30%的中产旱地产量为3 750 kg/ha；有15%左右的旱肥地产量为6 000 kg/ha；有5% 旱地育种和示范地产量可达7 500 kg/ha左右。

我们的长期实践发现，同样一个抗旱品种，在同一地区和年份，产量和WUE高低的不同，关键是与土壤肥力的高低有关。因此，目前旱地低产的原因，还主要是土壤肥力不足，而不是降水不足的原因。目前在年降雨量为400～500 mm的地区，旱肥地小麦产量可以达到4 500～7 500 kg/ha。从目前中国小麦旱地品种区域试验的结果来看，许多旱地小麦新品种产量都可以达到6 000～7 500 kg/ha，但在生产推广中，却只有很小的面积能达到这么高的产量水平。因此，关键还是土壤肥力不高和品种适应性不广等问题。

一方面说明中国旱地小麦育种有了很大的发展，同时，说明旱地作物高产育种和栽培还有很大的潜力可挖。我们相信随着栽培条件特别是肥料投入的普遍增加，在本世纪中期，中国旱地小麦可以平均可达3 000 kg/ha以上，甚至有50%的旱地面积可以达到3 750 kg/ha产量水平。因此，通过作物自身的WUE提高，对中国粮食持续增产有重要意义。

另外，随着抗旱节水高产品种的推广，原来的水稻栽培将变成旱稻栽培，原来水地小麦一生种要灌溉10-5次，现在只灌溉1-3次，照样可以亩产500公斤。特别是玉米、水稻、小麦等作物超高产品种的培育成功和推广应用，即通过作物自身的水分利用效率提高，对我国农业水资源节约和高效利用，及可持续农业发展有重要意义和很大潜力可挖。

在节水农业种植制度改革方面，在埃及等许多国家和地区，由于地表河流水资源的短缺，他们改种耗水量大的水稻为抗旱节水的小麦、棉花、玉米和高粱等旱地作物。美国、巴西等许多国家改种耗水量和需肥量较大的玉米为抗旱耐瘠的高粱，利用高粱发展酒精等生物能源产业，同样取得了农业和经济的良性发展，值得我们借鉴。这一方面在我国南方湿润地区和季节性干旱地区，就有很大的潜力可挖。例如，在夏秋季节性干旱条件下，可以改种水稻为旱稻、玉米、高粱、小麦等相对耐旱的作物。因此，通过不同植物的布局、和种植制度的改变，和生物抗旱节水品种的选育和推广，生物节水和水分高效利用还有很大的潜力可挖。