小麥和冰草怎樣實現(xiàn)遠緣雜交?一人高的小黑麥,,為何成為西北和中原地區(qū)廣泛種植的飼草,、飼糧?能夠和世界一流強筋小麥媲美的中國小麥是怎樣育成的,?
廣袤平坦的黃淮海平原,,是我國最大的小麥主產(chǎn)區(qū),種植著超過2億畝的冬小麥,。時值三夏,,這里進入了一年中最忙碌的收獲季。
在黃淮海麥區(qū)的中心地帶,,河南新鄉(xiāng)的平原上,,有一座特殊的農(nóng)場,這里是中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所的實驗基地,,常年駐扎著許多農(nóng)業(yè)科研機構,。近日,麥收之時,,基地舉行了一場線上科技開放活動,,展示了農(nóng)業(yè)科學家們數(shù)十年育種的成果。
5月7日,,中國農(nóng)業(yè)科學院新鄉(xiāng)基地,,科學家們線上介紹農(nóng)業(yè)科技進展。中國農(nóng)科院供圖
遠緣雜交,讓草成為小麥改良的資源
35年前,,剛剛考上研究生的李立會,,為自己立了一個“不可能完成”的目標,攻克“小麥-冰草”遠緣雜交的難題,,在此之前,這個難題已經(jīng)困擾了全球育種家們半個多世紀,。
冰草是一類常見的野草,,生命力極其頑強,具有優(yōu)秀的抗旱,、抗寒,、抗病性。冰草屬的植物,,是小麥的近緣野生種,,它的穗和小麥有點像,但穗子較大,、小穗,、小花更多。
假如小麥也能具有冰草那樣頑強的生命力和高產(chǎn)能力,,必然會改變小麥種植的歷史,。早在上世紀30年代,國外就有科學家開始嘗試將兩者雜交,,但一直到80年代,,半個世紀過去,無一成功,。李立會的導師,、著名作物種質(zhì)資源專家董玉琛院士告訴他,兩者的雜交在國際上已經(jīng)被判了“死刑”,。
35年后,,河南新鄉(xiāng)的試驗田里,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,。15個新品種中,,有高抗的品種,如甘肅,、陜西兩省審定的小麥新品種普冰151,,已經(jīng)是當?shù)貤l銹病等病害流行和旱地麥區(qū)的主栽品種。也有高產(chǎn)的品種,如國審新品種川麥93,,穗粒數(shù)達54.2粒,,增產(chǎn)16.7%。做到這一切,,李立會花了三十多年,。三十多年里,李立會和他的團隊,,解決了小麥和冰草花期不同,、生殖隔離、雜交胚胎不能正常發(fā)育等諸多問題,,為小麥育種增添了多種新的種質(zhì)資源,。“從遠緣雜交成功至今,,已經(jīng)有5000多種冰草的基因,,通過雜交進入了小麥中?!敝袊r(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所所長,、中國科學院院士錢前說。
基地有1100多畝,,常年駐扎著20多個育種團隊,。中國農(nóng)科院供圖
“在小麥馴化的過程中,長期的近親繁殖,,使得小麥的遺傳相似度很高,。”李立會說,,“而小麥-冰草這樣的遠緣雜交,,引入當前栽培小麥缺乏的關鍵優(yōu)異基因,不僅產(chǎn)量能提高,,抗逆抗病害能力也會增強,。”
5月27日舉行的線上農(nóng)科開放日活動中,,李立會在河南新鄉(xiāng)的基地中,,以視頻的形式介紹了多種“小麥-冰草遠緣雜交”的小麥材料,“比如我手邊的這種,,粒數(shù)非常高,,正常可以達到100粒以上,,千粒重可以保證在50克以上,,而且株形緊密,,有利于畝穗數(shù)提高?!?/p>
小黑麥,,一人高的麥子其實是飼草
和普通的麥田中整整齊齊的麥子不同,試驗田里的麥子長得有些凌亂,,高矮不齊,、青黃相間。其實,,在每一塊麥田中,,都種植著數(shù)十上百種育種材料,科學家們則在其中選育那些性狀優(yōu)良的材料繼續(xù)培育,,一個新品種的育成,,往往需要漫長的時間來重復選育,。
中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所副研究員孟凡華的試驗田里,,種著很多近一人高的“麥子”,這些不是普通的“麥子”,,而是一種名為“小黑麥”的飼草,、飼糧多用作物。
小黑麥是新物種,,也是優(yōu)質(zhì)的飼糧,、飼草作物。中國農(nóng)科院供圖
5月中旬,,有地方用小麥做青貯飼料的消息,,引發(fā)了普遍關注,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也為此下發(fā)通知,,杜絕毀麥現(xiàn)象,。
小麥做青貯飼料并不經(jīng)濟,在“麥子家族”中,,小黑麥才是專門為畜牧業(yè)育成的飼草,、飼糧作物。孟凡華介紹,,小黑麥是一種非常年輕的作物,,它的發(fā)展史只有140多年?!暗Y(jié)合了小麥的高產(chǎn)和黑麥的抗寒,、耐寒、耐瘠薄,、抗三銹,、白粉病免疫等性狀,,是非常優(yōu)秀的飼糧、飼草特色作物,。每畝生物量在3噸到3.5噸,,晾干后的青干草也可以達到1噸到1.2噸?!?/p>
小黑麥在西北黃土高原,、青藏高原、沿黃河灘涂鹽堿地,、南方冬閑稻田廣泛種植,,對種養(yǎng)結(jié)合的養(yǎng)殖業(yè)有極為明顯的作用。上世紀六七十年代,,我國育成自己的小黑麥品種,,數(shù)十年來,已經(jīng)成為極好的飼料原料,。
除了接近一人高的小黑麥,,試驗田中還有一米左右的矮稈小黑麥,是飼糧用的小黑麥,,孟凡華介紹,,在國外,小黑麥主要以飼糧為主,,畝產(chǎn)可以達到600公斤,,當前,我國也在著力培育飼糧用的小黑麥,。
中國面包,,用中國的小麥
面條是否筋道,和小麥品質(zhì)有關,。但實際上,,在中國小麥消費中,主要消費的是中筋小麥,,與之相對的弱筋,、強筋小麥,國內(nèi)消費量并不多,。
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),,強筋小麥則多用于制作面包等特種食品,。
在過去,我國弱筋,、強筋小麥生產(chǎn)不足,,品種不佳,,尤其是強筋小麥,長期依賴進口調(diào)劑,。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展,,如今,中國自己的弱筋,、強筋品種,,已經(jīng)普遍趕上國際先進水平。
在小麥品質(zhì)與新品種選育團隊首席科學家何中虎的試驗田中,,就種植著大片國產(chǎn)強筋小麥中麥578,,這是中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所和棉花研究所合作,歷時二十年育成的優(yōu)質(zhì)強筋小麥,,品質(zhì)優(yōu)良,、抗性好、適應性強,。在黃河南北,、西北地區(qū)都可以種植,預計今年種植面積可達到五六百萬畝,。
何中虎所在的團隊,,有七十多年小麥育種的經(jīng)驗,,最早從1946年開始,,由已故的小麥專家莊巧生建立,七十多年來代代相傳,,育成了無數(shù)全國知名的小麥品種,。
在新鄉(xiāng)的試驗田里,今年除了種植中麥578之外,,旁邊還種著它的親本冀麥22,、中麥255等。
幾十年中,,基地攻克了許多育種的難關,,也為無數(shù)科研單位提供著新的育種材料。中國農(nóng)科院供圖
何中虎介紹,,中麥255是利用河南的豫麥49和澳大利亞優(yōu)質(zhì)小麥品種雜交培育而成的,。育成時間是2008年,之后又歷經(jīng)十多年時間,,再次育成中麥578這個中國自己的優(yōu)質(zhì)強筋小麥,。“中麥578的品質(zhì),,可以和國外的優(yōu)質(zhì)小麥相媲美,,做面包或者做優(yōu)質(zhì)面條,、餃子都很好,且產(chǎn)量高于國外,?!?/p>
中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所研究員張勇介紹,“2021年,,河南焦作的試驗田中種植的中麥578,,創(chuàng)造了841.5公斤的高產(chǎn)紀錄。在規(guī)?;a(chǎn)中,,也可達到600公斤左右。2020年,,在河北邢臺的一個合作社中,,實收589公斤。2021年,,同一個合作社,,實收607公斤,其中連片種植的865畝中,,達到了703公斤,。”
親近自然,,也在不斷抗衡自然
“育種是一個漫長的過程,,在無數(shù)不同的小麥材料中,選擇性狀好的材料,,不斷地組合,,不斷地選擇,經(jīng)過漫長的時間,,才有可能選育出一個好的品種,。”在中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所研究員張學勇的試驗田中,,種植著許許多多不一樣的小麥,,這些小麥正處在選育之中,所以不能稱為品種,,在育種中,,它們通常被稱為材料。
“腳下的這些材料,,有的長得壯,,有的長得矮,都是不錯的材料,,也有的看著很高,,但實際上不太好,。”張學勇說,,“從種質(zhì)資源到品種,,是一個金字塔形態(tài)的,底層是無數(shù)的種質(zhì)資源,,而育成的品種則是塔尖,。”
一個好的品種是怎樣的,?張學勇介紹,,首先要有穩(wěn)定性,其次要有一致性,,第三,,還要對當?shù)仄毡榈牟∠x害有較好的抗性。
2017年,,張學勇團隊選育中麥66,,一種為河南選育的優(yōu)良品種。這是一種矮稈高抗的品種,,不但高產(chǎn),,且適合晚播。2021年秋汛致使多地冬小麥晚播,,適宜的晚播品種就格外重要,。在試驗田中,有一片2021年11月2日播種的中麥66,,和其他10月15日播種的品種,,幾乎沒有太大差別,。
農(nóng)業(yè)是靠天吃飯的行業(yè),,而科技的進步,讓人類擁有了更多與環(huán)境,、與自然相處的能力,。
“比如中麥66,它有很好的抗病性,,使用農(nóng)藥較少,,籽粒中的殘留、對地下水的污染也更小,,這也是我們在育種中,,為何要一直強調(diào)抗性的原因?!睆垖W勇說,,“在環(huán)境友好方面,,育種中還會強調(diào)肥料使用的效果,怎樣通過加強品種利用肥料的能力,,使得人類可以減少化肥的使用,,同時又能達到高產(chǎn)的效果,這也能有效減少肥料對土壤的污染,。中麥66是一種對肥料不敏感的品種,,在缺水缺肥的時候,也能長得比較好,。事實上,,中麥66的畝產(chǎn)水平普遍可以達到1250斤到1300斤,管理特別好的時候,,可以達到1400斤,,具有很好的推廣價值?!?/p>
一把青稞一杯酒,,農(nóng)耕文化的新與舊
中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所研究員楊平的麥田中,高大的麥子已經(jīng)徹底熟透了,,這里種植的是大麥,,和小麥相比,它的麥芒更長,,且成熟后,,麥粒和殼仍舊緊緊連在一起。
大麥是傳統(tǒng)的農(nóng)作物,,和小麥一樣,,起源于西亞,在漫長的歷史中傳播到世界各地,,脫粒后的大麥,,就是人們熟知的青稞,它是重要的飼糧作物,,也是釀造青稞酒,、啤酒、威士忌的主要配料,。
在全球范圍內(nèi),,大麥種植非常廣泛,楊平介紹,,全世界大麥種植面積約為7.6億畝,,每年產(chǎn)量在1.4億噸左右,其中70%是飼料,20%用于釀酒,,5%作為糧食使用,,比如我國的青藏高原地區(qū),居民多以大麥為食,。在今天,,大麥作為健康食品,食用群體正在變得更加廣泛,,“比如北方常見的大麥茶,,也是由大麥制成。同時,,大麥中富含β-葡聚糖等多種成分,,對防治高血糖、高血壓,、高血脂等有不錯的效果,,可以作為健康食品食用?!?/p>
在新鄉(xiāng)的試驗田中,,幾乎種植著近七十年來大部分的主栽品種,有早期的農(nóng)家品種,,也有近年來育成的新品種,,還有大量正在選育中的大麥材料,“這里既是一個種質(zhì)圃,,也是大麥育種歷史沿革的一個展示區(qū),,通過了解育種歷史的演變,尋找未來的育種方向,,育成農(nóng)民需要的品種,。”
在傳統(tǒng)不斷演變的過程中,,新的育種方法,,也在改變著育種的狀態(tài),尤其是分子育種,、智慧育種技術的進步,,使得育種的速度、效果都在快速提升,。在楊平的試驗田中,有一片特殊的大麥材料,,是科研人員通過誘變育種的技術獲得的材料,,其蛋白質(zhì)含量高出傳統(tǒng)品種40%左右。
錢前院士:育種國家隊要做什么
種子是農(nóng)業(yè)的芯片,,種業(yè)技術的進步,,是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎,,也是保障14億人糧食安全的重要前提。一組來自中國農(nóng)業(yè)科學院的數(shù)據(jù)顯示,,從1978年到2018年,,40年間,中國農(nóng)業(yè)全要素生產(chǎn)增長率,,年均達到了3.26%,,其中技術進步的貢獻是78%。
小麥是我國居民的兩大口糧之一,,我國的小麥育種,,早在二十世紀上半葉就已經(jīng)開始,數(shù)十年中,,一步步走到了世界的前列,,得益于一代又一代育種家們的不懈探索。
位于北京的國家作物種質(zhì)庫中,,保存著5萬多份小麥種質(zhì)資源,,而在河南新鄉(xiāng)的基地中,20多個研究組,,每年在這里進行著60多項科研任務,,面向黃淮海及周邊地區(qū),培育一個個新的品種,,同時也為無數(shù)科研單位,,提供育種的材料。
這里育成的小麥品種,,在黃淮海及周邊麥區(qū)廣泛推廣種植,。中國農(nóng)科院供圖
“這就是國家隊要做的事情?!卞X前說,,“比如李立會建立的小麥-冰草遠緣雜交體系,為豐富小麥種質(zhì)資源作出了巨大的貢獻,,每年為數(shù)百家單位提供素材,。再如何中虎他們育成的中麥578,可以和國外的高檔小麥面粉相媲美,。而這些,,都是從小麥育種中的原始創(chuàng)新開始的?!?/p>
來自中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所的資料顯示,,這片1100畝左右的新鄉(xiāng)基地,自1993年開始建設,2003年正式入駐,,是黃淮海小麥主產(chǎn)區(qū)唯一的綜合性實驗基地,,近二十年來,這里取得了國家科技進步一等獎,、國家科技發(fā)明二等獎等多個獎項,。基地育成了多個系列的糧食作物新品種,,其中中麥895已成我國第三大小麥品種,,強筋高產(chǎn)小麥中麥578秋播面積達到500萬畝。
中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所副所長王文生介紹,,基地具有科普的功能,,每年面向政府、企業(yè),、種植戶及中小學開放,,會向更多人介紹育種的故事。
新京報記者周懷宗