本刊記者/王圣媛 吳浪

麥田里的守望者
——劉秉華

本刊記者/王圣媛 吳浪

糧食問題始終是關(guān)系我國國民經(jīng)濟發(fā)展和全面建設(shè)小康社會的重大戰(zhàn)略性問題。確保糧食安全是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展永恒的主題，是我國農(nóng)業(yè)科技工作的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略任務。糧食安全必須通過擴大自主生產(chǎn)能力的途徑來保證。小麥作為我國第二大糧食作物，其生產(chǎn)能力的高低直接關(guān)系到我國糧食安全和國民經(jīng)濟的發(fā)展。在耕地銳減的嚴峻形勢下，培育有突破性的小麥新品種來大幅度提高小麥單產(chǎn)，以提高單產(chǎn)來穩(wěn)定和提高小麥總產(chǎn)是我國小麥生產(chǎn)面臨的迫切任務，而向依靠科技進行育種技術(shù)的創(chuàng)新是培育小麥超高產(chǎn)優(yōu)良品種的關(guān)鍵。

中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所研究員、博士生導師劉秉華，利用遺傳育種技術(shù)，歷經(jīng)數(shù)年成功研制矮敗小麥及其高效育種技術(shù)新體系，樹立了小麥遺傳育種史上重要的里程碑，使我國小麥育種技術(shù)研究實現(xiàn)了革命性突破。這位“麥田守望者”在中國農(nóng)業(yè)科學院原院長翟虎渠等領(lǐng)導的支持下，帶領(lǐng)團隊推出的“矮敗小麥及其高效育種方法的創(chuàng)建與應用”榮獲2010年度國家科學技術(shù)進步獎一等獎。這項擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際領(lǐng)先的創(chuàng)新成果曾被“綠色革命之父”、諾貝爾獎獲得者布勞格博士譽為“小麥育種的革命”。

發(fā)現(xiàn)小麥基因定位新方法

矮敗小麥是指具有矮稈基因標記的太谷核不育小麥。為我國特有的遺傳資源，其創(chuàng)制者就是劉秉華。

1979年，從河南鄢陵農(nóng)村走出來的劉秉華考取了中國農(nóng)科院作物所作物遺傳育種專業(yè)的研究生，師從國內(nèi)外知名育種科學家、法國農(nóng)業(yè)科學院外籍院士鄧景揚研究員。

當時，我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了后來被稱之為“國寶”的“太谷核不育小麥”。這種特殊小麥的雌蕊柱頭發(fā)達，雄花完全退化、敗育，開花時穎殼張開角度大，柱頭外露，便于接受外來花粉，異交結(jié)實率很高。雄性不育品種是進行作物群體改良和大規(guī)模生產(chǎn)雜交種的工具，是遺傳育種工作者重要的研究對象。鄧景揚等通過遺傳分析，明確了太谷核不育小麥的不育性受一個顯性單基因所控制，這是個我國科研人員在世界上首次發(fā)現(xiàn)的小麥顯性雄性不育天然突變體。但由于太谷核不育小麥基因性質(zhì)特殊，不能用常規(guī)方法進行基因定位，癡迷遺傳學的劉秉華決定以此作為自己的研究生論文題目。

有了明確的定位和目標，劉秉華就鉚足了勁開始干起來。他運用自身已有知識，查閱大量資料，仔細思考研究，終于想到了用顯微鏡觀察染色體，根據(jù)外部表現(xiàn)和染色體的行為進行綜合分析定位的方法。經(jīng)過溫室和異地加代的回交種植以及對數(shù)千株太谷核不育小麥的細胞學檢測和遺傳分析，劉秉華創(chuàng)立了小麥顯性核不育基因定位新方法，即以四倍體(AABB)硬粒小麥和二倍體(AA)一粒小麥為輪回父本，與太谷核不育小麥(AABBDD)雜交并連續(xù)回交，根據(jù)回交后代育性分離比率變化，確定太谷核不育基因Ms2所在的染色體組；又經(jīng)過端體分析，成功定位太谷核不育基因。

他的這項研究成果，立即在國內(nèi)通過最高學術(shù)權(quán)威的鑒定；還被國際基因組織認可并登記，刊登于國際權(quán)威的植物育種刊物，同時作為大學教材給學生講授。

創(chuàng)造矮敗小麥

雖然成功定位了太谷核不育基因，但是劉秉華的研究之路還很遙遠，因為很多研究人員用太谷核不育小麥和矮稈作物資源雜交，培育帶有矮稈不育基因的小麥都沒有成功，他希望能給太谷核不育小麥做“不育基因標記”，使其真正成為作物群體改良和大規(guī)模生產(chǎn)雜交種的便利工具。

他推斷，只要加大種植規(guī)模，小麥有關(guān)基因就能交換到一起，就可能得到不育的矮稈類型。于是，為打破高稈與雄性敗育的緊密連鎖，獲得矮稈與雄性敗育的重組類型，劉秉華將測交后代群體由第一輪的321株，先后擴大到3248株和5216株。經(jīng)歷一次次的失敗后，劉秉華絲毫沒有灰心。終于，經(jīng)過大量細致的表型鑒定和細胞學研究，他從累計8785株群體中發(fā)現(xiàn)1株顯性不育基因Ms2與顯性矮稈基因Rht10緊密連鎖在一起的重組體，表現(xiàn)為既矮稈又雄性不育的植株。其后代群體中分離出了矮稈不育株和非矮稈可育株。該矮稈不育株授以非矮稈品種的花粉，其后代的矮稈株表現(xiàn)雄性不育，非矮稈株表現(xiàn)正?？捎叩姆蛛x比為1:1。由于矮稈株總是表現(xiàn)雄性敗育，因此這種具有矮稈基因標記的太谷核不育小麥被命名為“矮敗小麥”。

矮敗小麥具有以下特點：不育基因與矮稈基因緊密連鎖；易于鑒別不育與可育；利于提高異交結(jié)實率；避免輪選群體植株逐輪升高；集異花授粉與自花授粉的特性于一體；是一種高效的育種工具。

輪回選擇技術(shù)助育種

研究小麥育種的人都知道，小麥輪回選擇育種技術(shù)能創(chuàng)造豐富的遺傳變異，實現(xiàn)包括主效基因和數(shù)目眾多的微效基因的持續(xù)優(yōu)化與重組；能打破不良基因的連鎖，通過基因重組獲得最佳的基因型組合。再加之小麥輪回選擇群體大，變異類型多，提供了充分的選擇機會，為選育突破性新品種打下了堅實的遺傳基礎(chǔ)，因而容易選育出復合育種目標的新品種。但其關(guān)鍵是必須有便于開展小麥輪回選擇的工具。矮敗小麥繼承了太谷核不育小麥雄性敗育徹底、不育性穩(wěn)定，異交結(jié)實率高的優(yōu)點，同時減少了鑒定育性的大量勞動，避免輪選群體株高漸升的弊端，是理想的輪回選擇工具。

作為矮敗小麥的創(chuàng)制者，劉秉華研究員帶領(lǐng)的課題組經(jīng)過10多年的反復實踐與探索，將20份不同遺傳背景的矮敗小麥，按照一定比例，組成遺傳基礎(chǔ)豐富的輪回選擇基礎(chǔ)群體，并研究出一套方便實用且相對量化的輪回選擇技術(shù)。該技術(shù)核心內(nèi)容是通過輪選群體花粉源選擇與控制，以及矮稈不育株分期多次選擇，不斷優(yōu)化父本與母本；通過父本(輪選群體內(nèi)非矮稈可育株、優(yōu)異種質(zhì)、選種圃優(yōu)良植株等)與母本(矮稈不育株)雜交，實現(xiàn)基因的大規(guī)模交流與重組。收獲矮稈不育株上得到優(yōu)化的雜交種，組成新一輪群體。循環(huán)往復，不斷優(yōu)化群體遺傳結(jié)構(gòu)和個體基因型，持續(xù)進行優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)制和新品種選育。每輪群體都是由上一輪群體的矮稈不育株異交種子混合而成，其遺傳構(gòu)成的一半來自矮稈不育株(母本)，另一半來自給矮稈不育株授粉的父本。因此，保證矮稈不育株(母本)和花粉供體(父本)的遺傳質(zhì)量，是輪回選擇成敗的關(guān)鍵。同時，他還利用矮敗小麥和輪選技術(shù)，首先建成高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗等類型的動態(tài)基因庫，不斷選育有關(guān)性狀突出的優(yōu)異種質(zhì)。

傳統(tǒng)的雜交育種，靠人工去雄授粉配制雜交組合，費工費時，效率較低。將優(yōu)異種質(zhì)和各生態(tài)區(qū)大面積推廣品種轉(zhuǎn)育成矮敗小麥，進行單交、復交、階梯雜交等，采用矮敗小麥輪回育種技術(shù)選育出的品種能將高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和多抗協(xié)調(diào)地融為一體，顯示出矮敗小麥育種技術(shù)的高效性。

劉秉華及其課題組通過輪回選擇和試驗，打破不利遺傳連鎖，協(xié)調(diào)基因互作關(guān)系，聚合有益基因，有效解決高產(chǎn)與多抗、高產(chǎn)與廣適、矮稈與高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)等諸多矛盾，育成一批突破性小麥新品種。如利用矮敗小麥高效育種方法育成輪選系列、川麥系列等超高產(chǎn)新品種；通過冬春雜交，構(gòu)建矮敗小麥輪選群體，育成淮麥系列等高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、廣適新品種；利用20份優(yōu)異種質(zhì)構(gòu)建優(yōu)質(zhì)抗病矮敗小麥輪選群體，經(jīng)過連續(xù)幾輪“選擇——互交”，使群體得到改良，從中選育出優(yōu)質(zhì)弱筋新品種豫麥50；利用矮敗小麥輪選技術(shù)育成中旱110等抗旱節(jié)水品種等。

劉秉華教授給意大利記者講解矮敗小麥

劉秉華教授觀察矮敗小麥育成的新品種

矮敗小麥育種技術(shù)在小麥育種上的廣泛應用，將對小麥育種學科發(fā)展產(chǎn)生具有歷史意義的深遠影響。“這是國家頒給廣大農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)線所有工作者的榮譽，體現(xiàn)了黨對‘三農(nóng)’工作的重視與關(guān)愛。也說明農(nóng)業(yè)的進步必須依靠科技進步來支撐。雖然我為這個項目付出了多年的心血，值得！”獲得2010年度國家科學技術(shù)進步一等獎時，劉秉華研究員的一番獲獎感言表達了他對農(nóng)業(yè)科技工作的無限熱忱！