摘要
中國用了近 50 年時間與已經(jīng)有 80 年玉米雜種優(yōu)勢利用育種歷史的美國達到了相近的玉米育種水平。中美兩國在各自的自然生態(tài)環(huán)境、社會和經(jīng)濟發(fā)展水平、人文意識形態(tài)及科學哲學等條件下,形成了兩條截然不同的玉米育種道路。
1.中國的特點是善于總結(jié)經(jīng)驗,科學育種的水平較高,表現(xiàn)為以產(chǎn)量形成的基本矛盾、生態(tài)適應理論和生理學理論為指導的具體育種目標較明確,并以此帶動了原始材料和親本材料的有效選擇、利用和創(chuàng)新。育種方法較科學,育種投入少,規(guī)模較小,效率較高。
2.美國先鋒育種公司等的特點是沒有更具體的育種目標;依靠實際環(huán)境被動地選擇材料,而不是育種家根據(jù)材料特點主動地選擇測試環(huán)境,盲目性較大;因而育種投入多,規(guī)模很大,效率較低。
3.目前兩國都處于經(jīng)驗育種階段,在育種理論上中國有條件領先邁入科學育種階段,但土壤質(zhì)量不僅是增加玉米單產(chǎn)的限制因素,也是進一步提高育成新品種產(chǎn)量水平的最大障礙。
01
中國玉米育種的外來影響
落后的中國只能從西方那里學習現(xiàn)代科學技術(shù)。
中國現(xiàn)代作物育種是從 20 世紀 20~30 年代開始的,當時我國有許多學者在美國留學深造,他們學習的是摩爾根遺傳學,實踐的是雜交育種。歸國后,開展作物育種研究。如趙連芳、丁振麟、金善寶、王綬、盧緯民、楊允奎等??箲?zhàn)時期,許多科學家在后方堅持作物育種研究,如蔣德麟、吳紹骙、戴松恩等。新中國成立后,這些科學家和一些更年輕的西方留學人員、國民黨時期的本國大學的畢業(yè)生成為作物育種的骨干力量。他們學習和接受的仍然是摩爾根遺傳學和雜交育種。
1952~1956 年中國遺傳育種界開展了全面學習米丘林遺傳育種學,批判摩爾根遺傳學的運動,這一把科技問題極端政治化的激烈批判運動雖然干擾和破壞了育種研究,但對于科學家們來說只能是壓服心不服。到了 60~70 年代,隨著蘇聯(lián)人自己也否定米丘林遺傳學而使摩爾根遺傳學成為全世界遺傳育種學界的絕對優(yōu)勢學說。人們會自然地把摩爾根學說和西方更先進聯(lián)系在一起。
解放后的很長時期,中國從外國留學歸來的學者決大部分都在大學或者在國家級的科研單位從事教學或基礎性研究,真正搞育種的并不多。而在科研單位從事育種科研的則大部分是本土大學畢業(yè)生或研究生。全國各地育成和推廣的新品種大部分來自育種科研單位而很少數(shù)來自院校,因此中國的育種經(jīng)驗主要來自省級或省級以下科研單位。但這里的育種家普遍是經(jīng)驗多,理論提升不足。大學的很多教授又相對缺乏育種實踐,理論就更加落后于育種實踐。這就是中國作物育種的現(xiàn)狀及科學理論落后于實踐的原因。改革開放以來,出國學習深造的留學生、研究生和進修科技人員不僅從西方學習到先進的生物育種技術(shù),而且很多人也接受了他們的育種科研理念。
在中國改革開放的政策下,在美國先鋒公司已經(jīng)打入世界各地并在中國有優(yōu)良玉米新品種推廣,中國本土先進育種理論力量還處于弱勢的情況下,他們之中的一些人回國后便成為各育種科研單位的骨干力量,并有全面接受并推行美國育種理念和做法的傾向。甚至還有些沒有出國深造的較年輕的玉米育種者出現(xiàn)了盲目接受先鋒育種模式的傾向。
美國和中國在地理緯度上有些相近,育種材料可以相互利用,甚至可以直接在生產(chǎn)上利用,有些作物的早期育種材料例如玉米和高粱的自交系和不孕系等不少是從西方特別是美國引入的,隨著開放程度的加大,與西方國家合作機會的增多,從美國等西方國家引入和交流的育種材料會更多。這也更促使了一些中國年輕學者產(chǎn)生了漠視中國育種經(jīng)驗,過低估計中國育種水平和進一步學習美國甚至全盤搬用的錯誤傾向。
02
中國玉米育種的特點
中國的育種與美國相比較,特點是育種目標較明確、設計育種水平較高;育種經(jīng)驗豐富,育種群體規(guī)模?。煌度肷?,效率較高。
這些特點是在中國的具體條件下形成的。例如在氣候條件上,美國玉米帶的氣候類型較單一,光溫條件較好些,雨量不多但分布較均勻 ,而中國玉米產(chǎn)區(qū)的氣候類型很復雜,除西、北方雨量較少、總量與美國玉米帶相近但大部分集中于 7、8 月份的雨季外,其它產(chǎn)區(qū)雨量均多且集中。美國的土壤質(zhì)量和耕地肥沃程度很高而中國則較低下。又如地勢、病蟲害和土壤類型的不同等。這些條件導致兩國的玉米生態(tài)類型有很大差異且中國的生態(tài)類型更為復雜多樣。
在社會和經(jīng)濟發(fā)展水平上美國比中國高,他們?nèi)松俚囟?,機械化程度高,科研投入多,而中國則相反。這就決定了中國玉米育種的單位也較多,但面對的玉米種植面積較少,投入不會很多,育種規(guī)模不會太大。在人文特點方面,中國人有善于求道的理性傳統(tǒng),善于思考、總結(jié)經(jīng)驗和事前的設計等。在科學哲學方面,一些科學家接受了馬克思主義哲學思想并把它用于指導育種科學研究,它特別有利于把經(jīng)驗提升到理論。
國內(nèi)外的學者甚至官員們都承認中國的育種家勤于實踐,田間工作量大,對于每個育種細節(jié)每個育種材料都有細致入微的觀察或記載。每個有較大成就的育種家都是在其豐富的實踐基礎上不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓,逐步提高育種的設計(按照自己的經(jīng)驗和設想制定具體育種目標及指導各個育種環(huán)節(jié))水平,使育種水平逐步有所提高,在育種規(guī)模較小甚至很小的情況下選育新品種。形成了具有中國特色的育種目標較明確、投入少、群體規(guī)模小、效率相對較高的玉米育種道路。
十分豐富的育種實踐經(jīng)驗是中國玉米育種的寶貴財富,而不是包袱和缺點,更不能說成是落后的經(jīng)驗主義,因為按照理論和實踐的關系,實踐是第一位的,有實踐才能轉(zhuǎn)化為理論,沒有實踐就失去了產(chǎn)生理論的基礎,從這個意義上來說,中國的玉米育種理論也應該是最先進的和高水平的。
03
中美兩國玉米育種水平差距并不大
1.中美玉米育種水平差距并不大
玉米已經(jīng)成為中國第一大糧食作物,2012 年種植面積已經(jīng)達到 3500 萬公頃。因為它具有特殊的開花習性使其成為世界上第一個雜種優(yōu)勢利用作物;親本容易控制,經(jīng)營種子所獲得利潤也多,所以不僅國有育種科研單位多,民營科技企業(yè)也紛紛崛起,有關玉米研究的科研人員也迅速增加。從縣級農(nóng)科所到國家級育種單位都育成了不少玉米新品種,而且有些品種的水平很高。在 2008 年的中國玉米高產(chǎn)實例中,鄭單958、浚單20、內(nèi)單314、武科2號等都有較高的高產(chǎn)頻率,它們都分別達到了各自的轉(zhuǎn)折密度和轉(zhuǎn)折產(chǎn)量水平。這些品種的水平與美國先鋒公司的先玉335的水平很相近,差距并不大,其中鄭單958較先玉335還略有優(yōu)勢。2002~2008 年先鋒公司在中國已經(jīng)審定的玉米品種有近20 個,由于所用親本自交系較少,且均源自美國 Reid×Lancaster 雜交優(yōu)勢模式,生態(tài)類型單一,適于降雨量偏少地區(qū)種植,產(chǎn)量水平也相差無幾,其中先玉335 綜合性狀較為突出。面對中國,對于先鋒公司來說,也像我國想要育成比鄭單958 更好的品種一樣,要育出比先玉335 更好的品種也是很不容易的事,但是中國似更應有理由先行突破。對于只有 40 多年雜種優(yōu)勢利用育種歷史的中國與有 80 多年歷史的美國相比,我們真不應該妄自菲薄。應該相信我們有長處,能走出符合中國實際的有特色的科學育種道路。
這里采用中美同在中國條件下育成品種的高產(chǎn)實例比較,應該是對我國玉米育種水平的基本估計的正確方法,用其他的比較方法,諸如中美各自條件下年平均產(chǎn)量的比較、各自高產(chǎn)實例的比較、各自遺傳改良貢獻率的比較等并不能正確反映中美玉米品種的差距,原因就是除了品種因素之外,其它因素如各種氣候生態(tài)條件因素,人為條件因素,土壤質(zhì)量因素都在對這些指標發(fā)生作用,都說成是品種的作用是不科學的。
2.土壤質(zhì)量差距是中美玉米產(chǎn)量差距大的最主要原因
采用中美兩地玉米平均單產(chǎn)或高產(chǎn)實例的比較都不能正確反映育種水平的差距,這是因為除了品種因素以外,其他因素都會對產(chǎn)量發(fā)生影響,其中最重要的因素是中美兩國耕地土壤質(zhì)量的差距。
土地質(zhì)量主要是指有機腐殖質(zhì)的含量,含量越多,土壤結(jié)構(gòu)就越好,土壤微生物總量也多,吸附土壤中的水分和養(yǎng)分就越多,成為穩(wěn)健、持續(xù)供應作物的養(yǎng)分庫和水分庫。在低質(zhì)量土壤中土壤和化肥主要呈混合狀態(tài),而在高質(zhì)量土壤中化肥呈現(xiàn)被物化吸附狀態(tài)。所供應的無機肥料只有被良好結(jié)構(gòu)的土壤所吸附,才可能更有效地發(fā)揮作用,才不至于在干旱時由于無機肥料濃度過大而對作物有害,也不至于在陰雨連綿時產(chǎn)生徑流而使無機肥料流失浪費并大大減少農(nóng)業(yè)面源污染。
美國經(jīng)過 70 年的秸稈還田并實行農(nóng)牧結(jié)合大量使用有機肥,把土地培養(yǎng)成真正意義上的肥沃黑土地,無機肥料的使用量明顯減少,玉米產(chǎn)量仍持續(xù)提高,全國玉米平均單產(chǎn)近 10000 公斤/公頃。2006 年就在每公頃僅施用 200 公斤化肥(氮肥 134 公斤、鉀肥 67 公斤)時就獲得了玉米公頃產(chǎn)量達到 21797.3 公斤的高產(chǎn),絕大部分靠土壤的“內(nèi)涵”養(yǎng)分。
現(xiàn)在 2 萬公斤的單產(chǎn)已經(jīng)是可常見的高產(chǎn),已經(jīng)不是太難的事情。土壤質(zhì)量不僅保證了美國玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),也為選育在一般條件下每公頃 1.5 萬公斤以上的高產(chǎn)品種提供了重要條件。盡管如此,仍處在靠天吃飯的境地,氣候條件仍然是年份間產(chǎn)量波動的最大因素,但波動幅度比中國小 20 個百分點左右。
而中國 60 多年的掠奪式經(jīng)營使土壤質(zhì)量劇烈下降,不得不依靠大量施用化肥,化肥施用量越大,土壤質(zhì)量下降的越快,形成了惡性循環(huán)。目前,中國玉米化肥使用量為 800~1000 公斤/公頃,玉米平均單產(chǎn)為 5400 公斤左右(相當于美國 1970 年的水平,也可以說中國玉米生產(chǎn)水平較美國落后 40 多年,但不能說育種水平也落后 40 多年)。中國僅能在個別風調(diào)雨順年份、個別地區(qū)、個別農(nóng)戶、個別地塊出現(xiàn)的公頃產(chǎn)量超過 1.7 萬公斤的紀錄,都是在使用大量有機肥、化肥(超過 1500 公斤/公頃)等極特殊人為條件下偶爾出現(xiàn)的,不能重復。年份間玉米產(chǎn)量的波動幅度為 50 %以上, 對靠天吃飯的依賴程度也比美國大。中國自 1990 年代中期以來玉米產(chǎn)量增長緩慢主要由這個原因而引起,而且將越來越緩慢。決不能說我們使用了 2.3 倍于美國的化肥就等于提高了地力,就與美國的玉米生產(chǎn)條件差不多了。目前,中國中上等玉米生產(chǎn)田和中國玉米育種單位試驗場圃的地力水平為 11000 公斤/公頃左右,所育成品種的可常見高產(chǎn)水平為 15000 公斤/公頃左右,但要育成可常見高產(chǎn)水平達到 2 萬公斤/公頃的品種則需要有 15000 公斤/公頃的試驗場圃的地力水平,而且起決定性作用的是土壤質(zhì)量的提高,不再是單純增加化肥使用量。顯然,我國絕大部分耕地還不具備這個條件。
土壤質(zhì)量不僅是中國玉米進一步穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的限制因素,也是選育更穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)玉米新品種的限制因素。在目前情況下,不僅中國玉米育種單位還是在中國境內(nèi)的美國先鋒育種公司或其他外國育種公司都將是無法獲得正常的育種進展。
04
中美玉米科學育種水平的比較
什么是科學育種?科學育種就是全面的科學理論化的育種,就是以正確的理論體系指導育種實踐并得到真正實施的育種??茖W化的育種還包括全面實現(xiàn)機械化作業(yè),測試儀器現(xiàn)代化,數(shù)據(jù)搜集和處理的信息化等。
科學育種一定是高效、低成本的育種,是育種科研單位和種子科技企業(yè)共同的發(fā)展目標。根據(jù)應用技術(shù)研究和定向性應用基礎研究的對立統(tǒng)一辯證關系,很難存在那種“國有科研單位搞基礎性研究,把成果供給種子科技企業(yè)進行商業(yè)化育種”的行政化而不是市場化的科研體制。
由于作物育種學是一門綜合科學,它涉及到品種生態(tài)學、生理學、植物保護學、病理學、害蟲學、草害學、土壤學、肥料學、耕作學、生物和環(huán)境進化學、遺傳學、細胞生物學、分子生物學、物理學、化學等。所以作物育種就不能只靠數(shù)量遺傳學一門科學來指導,更不是‘在明確了加性效應是選育自交系的最重要遺傳基礎,從而使自交系的選育更加受到重視之后的育種’這么簡單,而是靠把這些學科的理論知識有機地結(jié)合起來,形成一個理論體系,而其中最重要的是產(chǎn)量表現(xiàn)的基本矛盾理論,沒有它就失去了核心和靈魂。
用理論化的標準來衡量,目前中國和美國的玉米育種都遠沒有成為科學育種,仍處于經(jīng)驗育種階段。但相對來說,中國育種理論化水平領先于美國。
談到玉米育種理論時,首先應該明確的是不同作物的育種都是大同小異,如玉米自交系的選育與自交作物品種的選育幾乎是完全相同的,只是自交系的選育主要在類群內(nèi)進行。所以,在討論玉米育種理論時,應該學會學習借鑒移植其他作物的育種理論,特別是那些對豐富的經(jīng)驗經(jīng)過高度抽象概括所產(chǎn)生的可以作為一般性指導原則的核心理論。
在中國,最重要的育種理論是作物品種產(chǎn)量表現(xiàn)的基本矛盾和兩個矛盾方面性狀組成的基本原理,它為制定具體育種目標、育種全過程的選擇方法、原始材料的篩選鑒定、利用、創(chuàng)新,及解決其它育種和品種工作中的各種問題提供了理論基礎。其次是品種生態(tài)學理論的產(chǎn)生,為品種生態(tài)區(qū)域的劃分、具體落實適應穩(wěn)產(chǎn)性狀,明確在生產(chǎn)中的意義,材料篩選鑒定方法等提供了理論基礎。三是品種產(chǎn)量能力學理論的產(chǎn)生,為產(chǎn)量能力育種目標落實到具體性狀及明確其相互關系、材料篩選鑒定方法等提供了理論基礎。四是育種目標性狀(同時包括重要生態(tài)性狀和上屬性狀) 優(yōu)×優(yōu) 的親本選配原理,它糾正了“親本間性狀互補,擴大后代群體變異幅度”的片面性理論,為在較小的育種規(guī)?;A上取得較好的選擇效果提供了理論基礎。也體現(xiàn)了自交作物育種、雜優(yōu)利用自交系的選育是以加性效應為主導的數(shù)量遺傳學基礎。五是雜交種的產(chǎn)量取決于兩個親本自交系的絕對產(chǎn)量表現(xiàn)(近似于GCA)及其相互作用(SCA)的理論。
為建立種質(zhì)類群及提高各類群的自交系水平,正確選擇雜交種親本提供了理論基礎。這些育種理論都已經(jīng)建立,但由于科研體制弊端的干擾和育種人員認識水平上的差異,部分理論還沒有成為主流,還沒有普及到所有作物。但正確的符合實際經(jīng)驗的理論一定會被接受,一定會對提高育種水平起到巨大的推動作用。
在美國先鋒公司及其他西方育種公司、大學育種課程及有關學術(shù)論文,至今沒有建立和形成前三個方面的理論,而這三個方面構(gòu)成的理論體系恰恰是全部育種理論中最為核心的部分。有一些美國學者也在研究和探索,但仍處在理論混亂之中。他們現(xiàn)在仍不明白:一切科學理論必須以分析研究事物的基本矛盾為出發(fā)點;對于產(chǎn)量能力性狀的研究來說,公理化的方法才是最科學的方法,得出的結(jié)論才是可以廣泛應用的真理;而少數(shù)品種材料的某一性狀與產(chǎn)量表現(xiàn)的相關系數(shù)只能是一個有條件的相對正確的結(jié)論,不能作為一般性的指導原則;而對于適應穩(wěn)產(chǎn)能力性狀來說,相對性的大小才是他們的實質(zhì),不能以產(chǎn)量表現(xiàn)論高低。他們更不能像數(shù)學研究中那樣根據(jù)‘在一定的環(huán)境下由品種的適應能力和產(chǎn)量能力基本矛盾相互作用形成一定的產(chǎn)量表現(xiàn)’的基本公式進一步推論出‘如果適應能力相同,產(chǎn)量表現(xiàn)高的產(chǎn)量能力也高’和‘如果產(chǎn)量能力相同,產(chǎn)量表現(xiàn)高的適應能力也高’這兩個定理,并用以作為各試驗點材料的具體安排和正確分析試驗數(shù)據(jù)、決定材料的取舍的理論基礎。
在第四個方面,他們?nèi)栽诶^續(xù)堅持主要靠擴大群體變異,依靠巨大的群體規(guī)模,實行循環(huán)選擇的方法將會進一步擴大群體,這樣的“大海撈針”式的選擇必將降低育種效率。在第五個方面理論上差不多,但實踐上反映出來美國先鋒公司的雜交優(yōu)勢模式中的兩個種質(zhì)類群血緣較近,而且沒有及時引進、利用和提高中國的種質(zhì)類群,并由此產(chǎn)生了“玉米產(chǎn)量的繼續(xù)增長與提高雜種優(yōu)勢無關,而取決于非雜種優(yōu)勢的遺傳原因”的片面結(jié)論,犯了把美國條件下的相對真理當做絕對真理的錯誤,也會對育種實踐產(chǎn)生誤導。
中國育種家雖然經(jīng)歷了長期不利于科學發(fā)展的年代,在長期的落后的科技體制下從事研究工作,但由于他們勤于實踐,不斷思考和總結(jié)經(jīng)驗,用辯證唯物主義哲學思想指導理論研究,育種理論體系已經(jīng)基本形成。盡管從整體上中國玉米育種仍處在經(jīng)驗育種階段,但科學育種水平比美國高。
但是還必須看到在落后科技體制和行政化所產(chǎn)生的種種弊端所導致的育種單位固步自封,缺乏勇于懷疑和自由討論的環(huán)境;研究人員價值觀發(fā)生扭曲,科研能力較差,學術(shù)腐敗現(xiàn)象普遍發(fā)生;真正優(yōu)秀人才不能充分發(fā)揮作用,科學理論的作用被削弱,不能較快地成為指導育種科研發(fā)展的強大動力。低水平的社會經(jīng)濟發(fā)展也使我們只能利用人力畜力或落后機械完成田間作業(yè),測試手段還處在主要是一根尺一臺秤的局面,更沒有可以資源共享的信息交流平臺。隨著科學育種水平的提高,育種目標必然呈現(xiàn)出在一個理論體系指導下的多元化方向,并實行多學科多專業(yè)人才的合作協(xié)同攻關,儀器設備、作業(yè)工具現(xiàn)代化的問題便會迎刃而解。
當前,在作物育種理論工作上的重要任務就是普及上述五個方面的理論,提高育種家們的理論水平,并用于指導育種實踐,建立起真正的科學技術(shù)密集型育種體系。
還值得提出的是,建設高土壤質(zhì)量耕地的理論基礎于 20 世紀初由俄羅斯學者威廉斯建立,至今已經(jīng) 100 多年,美國等西方國家接受并實施了至少 70 年,但是在中國,實行種植業(yè)生產(chǎn)單位農(nóng)牧或農(nóng)林牧相結(jié)合大量增施有機肥和秸稈還田這一關系到中國人生死攸關的最大長遠戰(zhàn)略的農(nóng)業(yè)政策至今未被接受和付諸全面實施,簡直太無知太可悲太恥辱太不干正事。繼續(xù)這樣下去,中國糧食安全難以保證,并成為提高中國作物育種水平的最大限制因素。希望當權(quán)者們盡快決策,即使是馬上實行,也得至少 30~40 年后才能使土壤質(zhì)量進入良性循環(huán),玉米公頃產(chǎn)量較普遍達到 15000 公斤、全國平均單產(chǎn)達到 10000 公斤的水平。
美國玉米雜優(yōu)利用育種有 80 年歷史,其發(fā)展主要依賴于社會經(jīng)濟發(fā)展水平高,依賴于其他發(fā)達產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了田間作業(yè)機械化,測試儀器現(xiàn)代化,數(shù)據(jù)搜集處理信息化;需要高精尖科學儀器支撐的生物技術(shù)育種也都處在領先地位;強大的動力和運輸系統(tǒng)、較廉價的能源幫助他們把耕地建成了真正意義上的肥沃黑土地。但是由于受實證主義哲學思想的長期影響,缺乏正確分析和研究事物的辯證唯物主義哲學思想,不能正確處理實踐與理論的對立統(tǒng)一關系這一決定科學發(fā)展水平的關鍵性問題,理念的落后帶來了實踐的落后,而實踐的落后必然導致理論的落后。美國在國家整體發(fā)展水平上世界第一,而先鋒育種公司的玉米育種規(guī)模也堪稱世界第一,但科學育種水平確實不怎么高。
文章來源:智種網(wǎng)NOVOSEED