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十年磨剑 孕育玉米高品质
中国种子网  2017-08-03 16:26:47   来源:中国科学报   【

  他小时候从未吃过玉米,甚至从未见过玉米。刚进入大学,首次吃到玉米糊糊时,便惊讶于棒渣的粗颗粒感。没想到的是,在过去的30年中,他的大部分时间却都献给了玉米育种事业。他就是中国农科院作物科学研究所研究员黄长玲。

  近日,在中国农科院“农科讲坛”上,黄长玲分享了当前玉米育种研究进展。“随着我国农业供给侧结构性改革的深入,我们的市场和农民还需要更多高品质的玉米品种,我们已经有了很好的基础,但面临的挑战还有很多,我们有信心做得更好。”黄长玲说。

  品种对产量贡献大

  玉米是中国和世界上面积最大、总产最高的粮食作物,同时也是重要的饲料作物(70%),被称为“饲料之王”,以及重要的能源作物、食品和化工原料,可做3000多种产品。

  在我国,玉米主要分布在东北、黄淮海和西南地区,形成了一个从东北到西南的狭长玉米种植带,这一种植带占玉米总面积的85%和产量的90%。玉米种植区域广泛,在我国粮食生产中占有举足轻重的地位。

  我国玉米平均单产由1949年的64公斤/亩增长到2015年的402公斤/亩,增长6.28倍。但与美国687公斤/亩的平均单产相比,还存在较大差距。

  “玉米是C4作物,光合效率高,近七十年玉米产量提高6倍多,仅玉米品种对产量提高的贡献率就达到35%。玉米还有很大的增产空间,育种工作有盼头、有希望。”黄长玲说。

  黄长玲表示,目前,玉米育种方法有常规技术、单倍体技术、分子标记技术、转基因技术、CRISPR技术、SPT技术等。其中,杂交回交是国内普遍采用的方法,包括早晚杂交法、穿梭育种法、交互回交法、库源选择法、表型选择法等。

  除了应用基础研究,黄长玲团队在育种技术研发上,如高密度选育技术、单双倍体育种技术、分子标记辅助育种技术、全基因组选择技术、玉米雄花隐性不育技术等方面皆有进展。

  他主持选育的玉米审定品种19个,其中国审5个;申请品种保护17个,已获品种保护6个;品种累计推广面积6500万亩,为国家增产粮食40亿斤;品种开发转让合同金额超过1亿元。

  其中,“中单808”已连续10年为国家主导品种、我国西南区主栽品种,也是我国西南平坝区推广面积最大、时间最长的玉米品种;“中单909”已连续5年为国家主导品种,现为我国十大推广面积品种之一,2016年推广面积已超过1000万亩,获第十一届中国国际农产品交易会参展产品金奖。

  黄长玲的品种每年都有1000多万亩的推广面积。“企业盈利、农民增收,更重要的是好品种为国家带来了粮食增产效益。”黄长玲欣慰地说。

  先进的生物育种技术

  单倍体技术是目前国际大公司通常使用的方法,我国很多单位也开始使用该项技术进行自交系的选育和自交系纯化。与常规技术相比,单倍体技术能快速获得纯系,缩短育种年限。“1年2代就可选育出纯合的自交系,速度快。”黄长玲说。

  分子标记辅助选择的特点是高通量、低成本、简便快捷。发达国家和跨国公司广泛开展分子标记辅助选择(MAS),针对抗病、抗虫、抗除草剂、耐旱、N 高效利用、产量等性状和遗传背景进行选择,提高了育种效率。

  “我国也引进了国外的先进设备,开展了相应的分子标记辅助选择的研究。如我国开发的抗病性状功能标记有锈病、茎腐病、丝黑穗病等。”黄长玲说。常规技术结合分子标记技术选系,效果更好、速度更快、目标更明确。

  黄长玲表示,“回交转育结合分子标记辅助选择,提高了效率。常规回交3代遗传背景相似度93.5%,分子标记辅助选择遗传背景相似度大于99%。分子标记辅助选择还可淘汰非目标材料,提高选择效率。”

  全基因组选择(GS)通过预测模型对个体和群体进行预测。大规模应用全基因组选择的前提条件包括基因型检测成本等于或低于田间种植成本;有好的预测模型,可靠性和准确性高;有完善可行的技术路线??稳定的DH系生产。

  黄长玲解释道,GS基于历史数据和训练数据,对个体的复杂性状表现型进行预测和选择,首先估算每个分子标记或单体型对某一性状的效应,再将多个性状累加得出该个体的“总育种值”,重复此过程算出群体中每个个体的总育种值,选择总育种值高的个体晋级。

  这一技术不需要挖掘与性状关联的显着位点,对全部标记进行育种值估计,微效基因位点也能被充分利用;对复杂性状预测和选择更有效。GS的选择响应要比MAS的选择响应高18%~43%;无需进行大规模的表型鉴定,节约时间,提高育种效率。黄长玲团队也开始了GS的研究。

  基因定点编辑育种技术(CRISPR/Cas9) 是一项新兴的对受体基因组DNA进行定点定向突变的技术工具。利用CRISPR介导的定点基因编辑技术,可高效创制新的材料和自交系。“该技术有可能带来新的育种技术革命。”黄长玲说。

  基于这项技术,中国农科院作科所已创造出不同类型的材料:创制核不育系(不育性彻底)、早熟(与原底盘品种相比早7~14天)、紧凑株型玉米(穗位以上叶夹角减小30%~50%)、鲜食糯玉米(籽粒支链淀粉99%)、超甜玉米(品质达到国标I级优)。

  发展趋势与展望

  黄长玲表示,“育种是一门试验科学,品种表现是基因和环境互作的结果,基因发生有效变异的概率极低,但环境是可变的,所以多年、多点的鉴定试验至关重要,才能保证优胜劣汰。”

  所谓十年磨一剑,育种的数量级别更是10年以上,仅“中单808”选育就达17年之久。而多点就是要抢天时之利,“至少200个试验点的数据支持才可判断优劣”。

  另一方面,要得到优良的玉米杂交种,亲本的选择至关重要。得到纯合亲本的过程也很艰辛,5年是起跑线。黄长玲说,“即便得到了亲本纯种,也不一定能得到好的杂交种,需要再经过冗长的鉴定”。

  谈及最大限度降低成本,黄长玲说,这一步往往是一个品种能不能规模化进入生产应用的分水岭。“其实有很多好品种被选育出来,但是没有发挥出理想效果,主要原因在于,没有在育种伊始就与生产实际相结合,种子不易生产或产量低,生产成本高”,最终无法实现推广转化的目的,前功尽弃,十分可惜。

  黄长玲总结,当前国外由传统的常规育种为主转变为常规和生物技术为主的现代育种体系,国外玉米品种选育以企业为主体,自主研发新品种,形成育繁推一体化模式;而国内育种技术和品种创新与跨国种业集团相比有差距,新品种选育存在种质创新不足、育种材料基因背景狭窄、原创性优异种质缺乏和缺少突破性品种等问题。

  因此,国外选育的玉米品种产量高、抗逆性好、抗倒性强、商品性好、宜机械化生产,而我国选育的玉米品种在产量、抗逆性、抗倒性、商品性、宜机械化生产等方面,与其存在较大差距。

  此外,发达国家玉米生产已实现全程机械化、规模化,产量进一步提高,呈现出专用、优质、高效的特点。随着我国农业供给侧结构性改革深化推进,玉米生产也将经历从粗放到集约、从精耕细作到精简化栽培、从劳动密集到机械化、从高产到高产高效绿色生态优质安全的转变。

  为满足这些需求,我国玉米育种方向将朝着耐密、抗倒、抗旱、耐高温,出籽率高、穗位整齐、熟期适宜、脱水快、宜机收,耐瘠薄、肥水利用高效,出苗率高、适宜单粒点播,优质专用高效如甜、糯、爆、青贮、高蛋白、高直链淀粉等玉米品种方向发展。

  黄长玲坦言,“做育种的人,年年希望年年盼,一直感觉有更好的品种等待被挖掘,有更好的希望在激励着我们前进。有希望在,就没有尽头,就有一直尝试下去的欲望。”

作者:王方    来源:中国科学报     编辑:bianji2    讨论:[农业论坛]
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