小麥—冰草”開辟小麥高產(chǎn)育種新途徑 種源創(chuàng)新“藏糧于技”
發(fā)布時間：2024-06-12 |來源： 人民日報(bào)海外版|作者：葉曉楠
普冰資300田間長勢良好。
5月24日，在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的河南新鄉(xiāng)試驗(yàn)基地，科研院校、種業(yè)企業(yè)等育種單位代表現(xiàn)場觀摩“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、強(qiáng)筋新品系（種）。 以上圖片均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供
河南省西平縣老王坡萬畝高標(biāo)準(zhǔn)良田麥?zhǔn)宅F(xiàn)場。 衛(wèi)百民攝
5月底，河南新鄉(xiāng)的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所試驗(yàn)基地里，小麥即將成熟，麥浪翻滾，一片金黃，這片地里種植的小麥品種中，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員李立會團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的90個“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)新種質(zhì)，以每個種類0.5畝集中種植，場景蔚為壯觀。該種質(zhì)被認(rèn)為是開辟中國小麥高產(chǎn)育種途徑的重要基因資源，為小麥育種創(chuàng)新提供了優(yōu)異種質(zhì)資源，為實(shí)現(xiàn)種業(yè)科技自立自強(qiáng)、種源自主可控注入了創(chuàng)新力量。
5月24日，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院中原研究中心聯(lián)合舉辦的“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交新品系（種）田間展示暨有效利用研討會在新鄉(xiāng)召開，40余家科研院校、種業(yè)企業(yè)等育種單位代表現(xiàn)場觀摩了“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、強(qiáng)筋新品系（種）90個，其中包括2023年國審小麥新品種“普冰03”和9個正在參加國家區(qū)域試驗(yàn)的新品系。
小麥—冰草“聯(lián)姻”為何如此受業(yè)界關(guān)注？“今年展示的‘小麥—冰草’遠(yuǎn)緣雜交系列種質(zhì)經(jīng)升級換代表現(xiàn)出顯著的多樣性。這些新材料不僅保持了多花多實(shí)的特性，還擁有緊湊的株型和直立的葉片。值得一提的是，它們對當(dāng)前的主要病害如莖基腐病和赤霉病表現(xiàn)出了卓越的抗病性，并且還兼具優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋的特點(diǎn)。”中國工程院院士、中國農(nóng)科院作科所研究員劉旭評價(jià)說。
攻克遠(yuǎn)緣雜交的世界難題
冰草屬植物是小麥的近緣野生種之一，生命力極其頑強(qiáng)，具有優(yōu)秀的抗旱、抗寒、抗病性。它的穗和小麥有點(diǎn)像，但穗子很大，具有小穗數(shù)和小花數(shù)多的突出特性，此外還具有極強(qiáng)的抗寒、抗旱性，對多種小麥病害表現(xiàn)出高度免疫性，被認(rèn)為是小麥改良的最佳外源優(yōu)異基因供體之一。
要想讓小麥和冰草實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交，談何容易。“冰草和小麥外形看上去相似，實(shí)際上親緣關(guān)系很遠(yuǎn)，雜交起來非常困難。”李立會說。
20世紀(jì)30年代開始，一些國家的學(xué)者希望解決這一難題，但直到20世紀(jì)80年代都未能成功。國際小麥研究界普遍認(rèn)為：“小麥與冰草屬間遠(yuǎn)緣雜交”是條死胡同。
1988年，碩士研究生入學(xué)前，當(dāng)李立會向自己的導(dǎo)師、著名作物種質(zhì)資源專家董玉琛提出這一選題時，董老師好意勸他放棄。“我想試一試，做不通再換題目。”李立會的執(zhí)著說服了老師，隨后他帶領(lǐng)兩名助手在試驗(yàn)田開始研究。
36年后，河南新鄉(xiāng)的試驗(yàn)田里，數(shù)十種小麥和冰草雜交而成的小麥材料即將成熟，用這些材料育成的新品種，已經(jīng)有15個，后備新品種也有39個。
“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交有哪些挑戰(zhàn)？
“遠(yuǎn)緣雜交有三大障礙，雜交不親和、雜種不育、后代‘瘋狂分離’，這幾個難題一直都解決不了。”中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所研究員張錦鵬說，舉例來說，小麥通常5月下旬成熟，而冰草生長在高緯度地區(qū)，此時才剛開花，讓兩者雜交，首先要把花期調(diào)節(jié)到同一時期。其次，還需要解決“小麥—冰草”授粉受精中的生殖隔離問題。即便授粉成功，胚也不能正常發(fā)育，還需要開發(fā)一套幼胚拯救技術(shù)才能獲得雜種植株。
常規(guī)育種技術(shù)路線走不通，就另辟蹊徑，研究人員通過種質(zhì)資源創(chuàng)新培育，終于突破了小麥與冰草的“生殖隔離”。在李立會的帶領(lǐng)下，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所小麥種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用團(tuán)隊(duì)通過不懈努力，創(chuàng)建了一套小麥遠(yuǎn)緣雜交新技術(shù)體系。通過幼齡授粉、幼胚拯救、幼穗體細(xì)胞培養(yǎng)、高頻率誘導(dǎo)異源易位、特異分子標(biāo)記開發(fā)技術(shù)等一系列創(chuàng)新，攻克了“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交難題，實(shí)現(xiàn)了小麥育種上利用冰草屬外源優(yōu)異基因從“0”到“1”的重要突破。
團(tuán)隊(duì)還完成了對野生供體種冰草的基因組測序和衍生后代的重測序，不斷推動創(chuàng)新種質(zhì)的有效利用與新品種選育。利用“小麥—冰草”多粒漸滲系親本材料，選育出顯著增產(chǎn)的普冰資300、具有氮素養(yǎng)分高效利用的普冰資301、具有多生態(tài)區(qū)穩(wěn)定表現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋新品系普冰資4696，這些品系正在參加國家小麥品種審定試驗(yàn)。
創(chuàng)新種質(zhì)的利用空間很大
“過去，改進(jìn)小麥品種、提高產(chǎn)量主要依靠現(xiàn)有推廣品種之間的雜交來實(shí)現(xiàn)。然而，長期品種間雜交及對少數(shù)骨干親本的大量應(yīng)用，造成遺傳變異范圍縮小，品種抗原日趨單一，小麥育種進(jìn)入瓶頸期。”李立會說，“因此，通過遠(yuǎn)緣雜交將冰草優(yōu)異基因?qū)胄←?，是一?xiàng)意義重大的工作。在小麥野生近緣種中，冰草屬物種具有小麥育種的眾多優(yōu)異目標(biāo)性狀，通過遠(yuǎn)緣雜交，引入當(dāng)前栽培小麥缺乏的關(guān)鍵優(yōu)異基因，不僅產(chǎn)量能提高，抗逆抗病害能力也會增強(qiáng)。”
小麥和冰草結(jié)合后，最直接的好處就是高產(chǎn)。李立會介紹，傳統(tǒng)育種中，畝穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重是影響產(chǎn)量的三個要素，但這三者互為負(fù)相關(guān)，即一個要素的提高往往會造成其他兩個要素的下降，難以同時提高。而“小麥—冰草”創(chuàng)新種質(zhì)解決了這個問題，具有多花多實(shí)的高產(chǎn)特性，比小麥主栽品種增產(chǎn)可以超過10%，解決了中國突破性高產(chǎn)小麥種質(zhì)匱乏問題，特別是發(fā)現(xiàn)了“多粒—高千粒重—有效分蘗”優(yōu)異基因簇，其穗粒數(shù)和千粒重顯著提高。
抗逆抗病害能力也大大增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，“小麥—冰草”創(chuàng)新種質(zhì)對白粉、條銹、葉銹菌等病害具有廣譜抗性，為培育持久抗性且兼具多種病害抗性新品種提供了強(qiáng)力支撐。截至目前，“小麥—冰草”衍生系發(fā)放全國育種單位，培育出攜帶冰草外源目標(biāo)基因新品種21個、參加國家和省級區(qū)試新品系39個，覆蓋全國小麥主產(chǎn)區(qū)。其中，甘肅、陜西兩省審定的小麥新品種普冰151，已成為當(dāng)?shù)貤l銹病等病害流行和旱地麥區(qū)的主栽品種，實(shí)現(xiàn)了多抗育種新突破。
“未來將建立‘小麥—冰草’創(chuàng)新種質(zhì)利用聯(lián)合體，大力提升利用效率，并加強(qiáng)創(chuàng)新種質(zhì)中來自冰草P基因組高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗等重要基因的功能解析。”李立會說。
今年展示的“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交系列種質(zhì)材料還具有優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋的特點(diǎn)。
面條是否筋道，和小麥品質(zhì)有關(guān)。中筋小麥主要用于面條、饅頭等傳統(tǒng)面食的制作，而弱筋小麥多用于釀酒等工業(yè)生產(chǎn)，強(qiáng)筋小麥則多用于制作面包、水餃、拉面等食品。過去，中國弱筋、強(qiáng)筋小麥生產(chǎn)不足，品種不佳。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，如今，中國自己的弱筋、強(qiáng)筋品種，已經(jīng)普遍趕上國際先進(jìn)水平。
“從種質(zhì)創(chuàng)新到有效利用，雖然時間通常比較長，但影響深遠(yuǎn)。我們期待‘小麥—冰草’遠(yuǎn)緣雜交研究將推動小麥育種取得新突破。”李立會說，“‘小麥—冰草’創(chuàng)新種質(zhì)的利用空間很大，一些潛力有待深入挖掘。團(tuán)隊(duì)從新鄉(xiāng)基地收獲材料中，篩選出強(qiáng)筋類型普冰新種質(zhì)12個，這些新品系的蛋白質(zhì)含量高，適合制作高檔面包，具有很高的市場價(jià)值。”
“這表明‘小麥—冰草’的利用上了一個新臺階。”中國工程院院士、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)校長孫其信說，從種質(zhì)材料到新品種，從多花多實(shí)到多抗，這些品系（種）的潛力還是蠻大的，應(yīng)該把這個優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)的優(yōu)勢，造福小麥育種。
中國工程院院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授康振生最近一直在關(guān)注如何提高小麥品種的綜合抗病能力，“普冰的抗病性就是綜合性的。”康振生說，希望未來對普冰的品種利用上，通過挖掘不同的抗性資源，合理布局，形成生物屏障，對多種小麥病害產(chǎn)生持續(xù)的控制力。
此次研討會上，展示的“小麥—冰草”遠(yuǎn)緣雜交新品系和新品種，大家稱之為“普冰”，它們與現(xiàn)在生產(chǎn)上推廣種植的小麥品種間遺傳差異大于60%。這些品系（種）有20—40個姊妹系，將盡可能滿足推廣區(qū)域的不同要求。來自企業(yè)的代表對“小麥—冰草”新品系的高產(chǎn)潛力、抗病性、抗倒伏、抗穗發(fā)芽逆境能力和強(qiáng)筋品質(zhì)特性給予了高度評價(jià)，對下一步的合作開發(fā)和推廣表達(dá)強(qiáng)烈意愿。
“普冰系列我跟了3年，試種了兩年，特別是去年出現(xiàn)‘爛場雨’的情況下，我們看到了普冰300品種是非常耐穗發(fā)芽的，千粒重能達(dá)到42至43克。”河南科林種業(yè)有限公司董事長李松科說，“我注意到，普冰系列小麥的穗層比較厚，有三層穗，特別是最下面的小穗，我數(shù)了數(shù)都在15粒左右，而且它的成熟期跟上面大穗的成熟期很接近，這也就是說小穗也能產(chǎn)糧，由此可以提高產(chǎn)量，生產(chǎn)潛力很大。我們在基地今年種的是第二年，每年試種了一畝地，穗粒數(shù)還是很高的。所以從市場的角度看，我們覺得這個品種值得拓展。”
發(fā)揮育種國家隊(duì)牽頭作用
農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，種子是基礎(chǔ)。今年是種業(yè)振興行動由“三年打基礎(chǔ)”轉(zhuǎn)向“五年見成效”的關(guān)鍵一年。黃淮麥區(qū)小麥生產(chǎn)功能區(qū)，是全國糧食生產(chǎn)的核心區(qū)。種業(yè)振興行動以來，加快培育具有原始創(chuàng)新性的突破性新種源，成為種業(yè)科技創(chuàng)新的重中之重。
中國的小麥育種，早在20世紀(jì)上半葉就已經(jīng)開始，得益于一代又一代育種家們的不懈探索，逐步走到了世界前列。種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，種業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是保障糧食安全的重要前提。
“目前中國小麥單產(chǎn)水平位居世界前列，在自主品種種源自給方面優(yōu)勢明顯，但也面臨著產(chǎn)量提升進(jìn)入瓶頸期、綠色多抗優(yōu)質(zhì)品種供給不足等問題?；仡櫡N業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展歷程，每一次產(chǎn)量品質(zhì)的大面積提升，都是得益于突破性新種質(zhì)的產(chǎn)生，及其衍生出一大批突破性的重大新品種。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長葉玉江說，比如李立會研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，通過30多年的艱苦努力，在破解了小麥與冰草屬間遠(yuǎn)緣雜交難題基礎(chǔ)上，圍繞突破性重大新品種培育需要，創(chuàng)制出一批育種家能用、好用、想用的多穗粒數(shù)、綠色抗病、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥新種質(zhì)，進(jìn)一步拓寬小麥育種的新基因源，增強(qiáng)了中國小麥種業(yè)的競爭力。
種子是農(nóng)業(yè)的根本，種質(zhì)資源則是種業(yè)的基石。位于北京的國家作物種質(zhì)庫中，零下18攝氏度的低溫中，保存著5萬多份小麥種質(zhì)資源。“這些被妥善保存的豐富基因，是中國作物育種和種業(yè)振興的希望。作物種質(zhì)資源，在遺傳育種中起到很大的作用。中國的農(nóng)業(yè)科學(xué)家，培育了許許多多新品種，都是利用作物種質(zhì)資源來培育的。這些新品種培育以后，農(nóng)民種植了新品種，使原有的單產(chǎn)提高了4到5倍，甚至8到9倍。”劉旭說。
在河南新鄉(xiāng)的中國農(nóng)科院作物所的基地中，20多個研究組每年在這里進(jìn)行著60多項(xiàng)科研任務(wù)，面向黃淮海及周邊地區(qū)，培育一個個新的品種，同時也為眾多科研單位提供育種的材料。
“這片1100畝左右的新鄉(xiāng)基地，自1993年開始建設(shè)，2003年正式入駐，是黃淮海小麥主產(chǎn)區(qū)唯一的綜合性實(shí)驗(yàn)基地，在支撐研究所科技創(chuàng)新和推動成果轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要作用?；赜闪硕鄠€系列的糧食作物新品種。”張錦鵬介紹，其中，“矮敗小麥及其高效育種方法的創(chuàng)建與應(yīng)用”獲國家科技進(jìn)步一等獎，“小麥與冰草屬間遠(yuǎn)緣雜交技術(shù)及其新種質(zhì)創(chuàng)制”獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。中麥、航麥、輪選、普冰系列小麥，中單、中玉系列玉米，中黃系列大豆等386個品種通過國家和省級審定，累計(jì)推廣面積4億余畝。
“作科所發(fā)揮了育種國家隊(duì)的牽頭作用。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長周文彬說，作科所以小麥、玉米、大豆、水稻和雜糧等作物為重點(diǎn)，瞄準(zhǔn)世界作物科技前沿，面向國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，以資源研究為基礎(chǔ)，基因挖掘?yàn)楹诵?，品種培育為目標(biāo)，耕作栽培為保障，開展作物科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，為國家糧食安全和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供科技支撐。
“在種質(zhì)資源鑒定和推進(jìn)轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面仍需持續(xù)發(fā)力，要加強(qiáng)科企合作，解決新種質(zhì)到新品種‘最后一公里’問題，持續(xù)加快創(chuàng)新種質(zhì)的釋放利用和成果轉(zhuǎn)化，為小麥穩(wěn)產(chǎn)保供做貢獻(xiàn)。”周文彬說。
農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種業(yè)管理司司長劉莉華認(rèn)為，在如期完成了第三次全國農(nóng)作物種質(zhì)資源普查基礎(chǔ)上，種質(zhì)資源保護(hù)利用要通過在資源精準(zhǔn)鑒定上加力加速、在資源挖掘創(chuàng)制上改良突破、在資源共享利用上創(chuàng)新機(jī)制，把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，讓資源用得上、用得好，真正發(fā)揮作用。
