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        我國小麥育種方向的創(chuàng)新與實踐分析

        2019-02-12 09:25:10趙吉平任杰成郭鵬燕
        山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年1期
        關(guān)鍵詞:種質(zhì)性狀小麥

        趙吉平,任杰成,郭鵬燕,許 瑛,任 超

        (山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所,山西汾陽032200)

        小麥是重要的糧食作物,我國是世界最大的小麥生產(chǎn)國和消費國,發(fā)展小麥生產(chǎn)對保障我國糧食安全和市場需求具有重要作用。2018年中央一號文件明確指出,要加大實施種業(yè)自主創(chuàng)新重大工程和主要農(nóng)作物良種聯(lián)合攻關(guān)力度,實現(xiàn)小麥育種的創(chuàng)新。為了更好地滿足社會發(fā)展目標,本研究就小麥育種方向的創(chuàng)新與實踐問題進行探究。

        1 我國小麥生產(chǎn)現(xiàn)狀

        小麥是世界上廣泛種植的禾本科植物,是世界上總產(chǎn)量排名第2的糧食作物,僅次于玉米,世界上約40%的人口以小麥為主要食糧。我國是世界上小麥的重要生產(chǎn)國和消費國,分別占世界的17%,16%,小麥的生產(chǎn)在確保社會市場經(jīng)濟穩(wěn)定中起十分重要的作用[1]。2017年我國小麥總產(chǎn)量1.29億t,比2006年增長17.4%,其中,單產(chǎn)提高是小麥總產(chǎn)量增加的主要因素[2]。過去40 a間,我國小麥單產(chǎn)從1978年的1 840 kg/hm2提高到2017年的5 410 kg/hm2,在全球范圍內(nèi)已處在較高水平。近十幾年來,春麥區(qū)、西南冬麥區(qū)和北部冬麥區(qū)面積不斷下降,小麥主產(chǎn)區(qū)集中到黃淮麥區(qū)和長江中下游麥區(qū)。對我國小麥生產(chǎn)貢獻最大的省份依次是河南、山東、河北、安徽和江蘇等,這5個省份小麥產(chǎn)量占全國小麥總產(chǎn)量的75%。適應(yīng)機械化收獲的高產(chǎn)、矮稈、抗逆、優(yōu)質(zhì)的小麥品種得到大面積推廣和普及,優(yōu)質(zhì)麥產(chǎn)業(yè)有較快發(fā)展[3-4]。

        2 小麥育種方向的創(chuàng)新

        2.1 小麥多抗育種的創(chuàng)新發(fā)展

        小麥多抗育種在選擇親本時,需關(guān)注親本的適應(yīng)性。實踐證明,育種者往往選取當?shù)刎S產(chǎn)性好、抗倒性強、推廣面積大、能抵御不良氣候影響的小麥品種作為育種目標。小麥親本的適應(yīng)性主要表現(xiàn)在對溫度、光照、水肥等外部環(huán)境的綜合適應(yīng)能力,對外界環(huán)境因素變化反應(yīng)不敏感,表明其具有更大的利用推廣價值。這樣育種者進行一次雜交,就能夠達到預(yù)期目的,不必進行多次雜交。如當時在生產(chǎn)上大面積種植的京411小麥品種,通過晉麥62號/京411和BPM27/京411單交,成功育成晉麥86號[5]和中麥175,現(xiàn)在正大面積推廣應(yīng)用,是北部水地的主推和當家品種,這2個品種與京411相比,前者是粒質(zhì)和莖稈得到改觀,后者是莖稈變矮10 cm以上,抗倒伏能力增強。一次不能滿足要求,就可以考慮回交或者雙交的方法,經(jīng)過數(shù)次雜交之后,對于一些性狀不良的小麥,就需直接淘汰,加大優(yōu)良性狀的數(shù)量。育種者在進行小麥培育時,從雜交一代開始就需對品種的整齊度、產(chǎn)量以及抗病抗逆性等性狀進行嚴格要求,同時為后代選擇出多樣化的類型,適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境,對出圃的小麥品系進行再次篩選,淘汰掉不符合生態(tài)環(huán)境要求的小麥品系,以此來提升小麥的整體適應(yīng)能力,確保其豐產(chǎn)性、穩(wěn)定性,以便大面積進行推廣應(yīng)用。

        2.2 小麥超高產(chǎn)育種的創(chuàng)新發(fā)展

        在育種技術(shù)的不斷深化和科研人員堅持不懈的努力下,小麥栽培在超高產(chǎn)育種方面將會實現(xiàn)突破性的進展。為此,栽培方式有望是精量或者半精量栽培模式,大大節(jié)約了成本。因此,在選配小麥品種時需要選取分蘗能力強、無效分蘗少,大穗多穗,多花多實的品種,并且協(xié)調(diào)發(fā)展。此外,育種者在選用時注意系譜,可以實現(xiàn)冬性與春性基因庫的相互交流以及多樣化抗源的積累,按照此方法選出的小麥品種有極強的適應(yīng)能力,同時不會受到光溫反應(yīng)的影響。但超高產(chǎn)小麥一定要在繼承和創(chuàng)新中發(fā)展,對有明顯缺點但存在巨大增產(chǎn)潛力的親本要耐心改良。實踐證明,要想培育出超高產(chǎn)品種,就必須有優(yōu)異的種質(zhì)資源來擴大遺傳基礎(chǔ);要想取得突破性的進展,就要在遺傳資源方面下功夫,分析其遺傳背景,實現(xiàn)超高產(chǎn)育種創(chuàng)新。從當前來看,小麥超高產(chǎn)育種的實現(xiàn)方式包含物理輻射、化學(xué)誘變、遠緣雜交[6-7]和輪回選擇等。輪選987小麥就是通過輪回選擇群體選出的品種,輪選987小麥適應(yīng)性非常強,不但適宜北部冬麥區(qū)種植,而且也適宜黃淮冬麥區(qū)種植推廣,是超高產(chǎn)育種取得的突破性進展。

        2.3 超級小麥育種的創(chuàng)新發(fā)展

        超級小麥育種是在超級水稻發(fā)展理念基礎(chǔ)上提出的一種小麥育種方式。一般認為,抗倒、抗病,種植面積達6.7 hm2以上,連續(xù)2 a產(chǎn)量穩(wěn)定在9.75~10.5 t/hm2,比目前高產(chǎn)品種(以7 500 kg/hm2為基數(shù))增產(chǎn)30%~40%,而且加工品質(zhì)優(yōu)良的小麥品種稱為“超級小麥”。常規(guī)雜交育種作為一種宏觀基因調(diào)控的遺傳,是超級小麥育種中的主要方法。需要掌握大量的國內(nèi)、外種質(zhì)資源,并對其遺傳特性進行詳細研究的基礎(chǔ)上,采用階梯雜交、聚合雜交等育種方法,把控制同一性狀的多個微效基因累加到一個雜種個體中,創(chuàng)造超親性狀,或者把分別控制成穗率、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等主要產(chǎn)量性狀的主效基因聚合于1個雜種個體中,培育出超級小麥新品系[8]。前蘇聯(lián)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)春小麥品種薩拉托夫29就是通過3次階梯雜交,分別把親本白士爾卡的優(yōu)質(zhì)性狀、波爾塔夫卡和留切申91的高產(chǎn)性狀和留切申55/11的抗黑穗病性狀聚合在一起,培育成為世界上推廣面積最大的小麥品種。周俊儒等[9]利用優(yōu)良基因結(jié)合階梯雜交育種方法,先后將幾十個親本10多次階梯雜交,成功育成兼有大穗、抗倒、廣適性和增產(chǎn)顯著的綿陽28號小麥品種,比對照增產(chǎn)16.6%。這些成功范例標志著超級小麥育種創(chuàng)新具有長足發(fā)展。

        2.4 飼用小麥育種的創(chuàng)新發(fā)展

        畜牧業(yè)的蓬勃發(fā)展使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)被調(diào)整,從而對小麥的種植結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了深刻的影響,在這種情況下,有學(xué)者相應(yīng)提出了飼用小麥品種選育[10]。飼用小麥的育種目標分為3種類型:第一,籽粒飼用小麥育種研究。這類小麥要求籽粒蛋白質(zhì)含量要高,豐產(chǎn)性要好,可配制精飼料。第二,莖稈飼用小麥的育種研究。這類小麥要求根系發(fā)達、莖稈粗壯、光合能力強、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)高,生產(chǎn)出的小麥莖稈含有豐富的蛋白質(zhì)和易于消化的纖維素含量較多。第三,麥草飼料小麥的育種研究。麥草飼料小麥的育種一般不需要考慮籽粒,但必須注重產(chǎn)草量。一年除冬季外,多次刈割直接作為鮮飼料,既可青貯,也可曬干制成草粉。麥草中的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、SOD酶等含量相對較高。近年來,山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和小麥研究所相繼育成晉飼草1號和臨草2號飼用小麥品種[11-12]。飼用小麥育種的創(chuàng)新給畜牧業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益,發(fā)展前景十分廣闊。

        3 超級小麥的育種創(chuàng)新實踐

        3.1 調(diào)整育種目標

        超級小麥的育種目標需要明確、具體,且還需要隨著社會生產(chǎn)力水平的提升而做出相應(yīng)的調(diào)整。山東省在實施小麥種植產(chǎn)業(yè)化以來[13],就超高產(chǎn)小麥育種問題展開了探究。在探究中進一步強調(diào)了育種目標的重要性,即根據(jù)超級小麥育種涉及到的內(nèi)容繁雜、工作難度大,在育種目標的指定下需要具備超前發(fā)展意識,增強小麥產(chǎn)量指標定位的預(yù)見性。小麥育種目標要考慮社會市場經(jīng)濟發(fā)展需求和市場發(fā)展導(dǎo)向,以增產(chǎn)增收為重要目標。在小麥育種目標確定之后,需要結(jié)合社會市場經(jīng)濟發(fā)展需要來選擇適合的超級小麥品種,以抗病和抗倒作為基本選定標準,不斷挖掘小麥的生產(chǎn)能力。根據(jù)小麥選種的要求,以大穗和中穗為基本類型,如聊89-1、聊 89-2、聊 9629、聊 1709和 9638等。經(jīng)過實踐證明,產(chǎn)量都能夠達到9 000 kg/hm2以上。

        超級小麥的選擇要求綜合性狀優(yōu)良,單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量三者協(xié)調(diào)發(fā)展,主要品種類型是中間穗和大穗。在穩(wěn)定穗數(shù)的基礎(chǔ)上,進一步提高穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量[14]。在小麥品種的選擇上,并不是穗越大越好,而是需要全面綜合考慮。

        3.2 種質(zhì)資源的引進和創(chuàng)新應(yīng)用

        超高產(chǎn)育種的突破有賴于新型種質(zhì)的創(chuàng)造創(chuàng)新,主要是在親本材料的征集、改造、創(chuàng)新利用上有所突破。優(yōu)異的小麥種質(zhì)資源為小麥育種提供必要的物質(zhì)支持。每個優(yōu)良品種的成功選育都離不開品種資源的特殊貢獻,系譜都可追溯[15]。育種實踐表明,任何品種資源本身都存在一定的局限性,所以,在小麥育種上要通過各種途徑征集品種資源,同時注重種質(zhì)資源的開發(fā)利用與創(chuàng)新,廣泛整理、鑒定、評價、篩選現(xiàn)有種質(zhì),了解其遺傳特性,從中選出優(yōu)異種質(zhì),以滿足超高產(chǎn)小麥育種利用。

        3.3 育種方法

        3.3.1 遠緣雜交方法 為了選育出突破性的小麥品種,高產(chǎn)育種的關(guān)鍵是單穗質(zhì)量,遠緣雜交育種能夠合成新的物種,創(chuàng)造新的育種材料。不少專家以小麥與偃麥草、山羊草、黑麥、簇毛麥等人工合成二倍體材料,將多種生物技術(shù)與常規(guī)技術(shù)相結(jié)合,將小麥親緣物種攜帶的優(yōu)良基因染色體組或者染色體片段轉(zhuǎn)移到小麥中,篩選出農(nóng)藝性狀優(yōu)良、兼抗多種小麥病害的品種,如山農(nóng)97J43、山農(nóng)97J64等。

        3.3.2 聚合雜交方法 通過聚合育種方法,將幾個目的性狀基因轉(zhuǎn)入到一個大面積的推廣品種中,將幾個不同的種質(zhì)基因聚合在一起,轉(zhuǎn)入綜合豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性狀好的小麥品種中,然后用它作為輪回親本再聚合,從中選出符合育種目標要求的聚合品種(系)。育種過程是:利用超級種質(zhì)資源作親本,F(xiàn)1選出大穗大粒單株與主推品種回交,F(xiàn)2根據(jù)超級小麥育種目標要求,再與創(chuàng)新優(yōu)異種質(zhì)或者正在參加區(qū)試的田間表現(xiàn)農(nóng)藝性狀好、豐產(chǎn)性能好的優(yōu)良品種繼續(xù)回交。把不同時期最好的品種作輪回親本,可確?;亟缓蟠C合豐產(chǎn)性處于最好水平,把決定產(chǎn)量性狀的幾個重要基因聚合在一起,可以選育出超高產(chǎn)品種,把優(yōu)質(zhì)基因和高產(chǎn)基因聚合在一起,可以選育出產(chǎn)量超級、品質(zhì)超級、多抗的優(yōu)良品種(系)。2018年山東省超級小麥新品種培育重大項目在泰安通過了驗收,最高公頃產(chǎn)量達到12 427.55 kg,創(chuàng)造了全國小麥的高產(chǎn)紀錄。

        4 小麥育種方向創(chuàng)新實踐優(yōu)化策略

        4.1 加強育種材料,選擇抗性過硬的新品種

        由于小麥育種材料使用較窄,優(yōu)良品種單一。譬如,四川省1949年以來幾次小麥品種大更換過程中,除生產(chǎn)力發(fā)展水平帶來新的要求以外,小麥條銹生理小種的變化是帶來一代品種毀滅性變化的主要原因。李邦發(fā)[16]在利用繁6家族抗源同時,早在1990年開始引進其他系統(tǒng)的抗源,如貴農(nóng)19、貴農(nóng) 20、貴農(nóng) 21,墨西哥 M-18,M-212抗源,以色列143抗源等,不斷充實自己的選種材料,形成各代連續(xù)的抗病后代群體。1999年條銹病大暴發(fā)時,李邦發(fā)的選種圃有大量的高抗甚至條銹病、白粉病雙免的優(yōu)良株(系),從中選出了西科麥1號和西科麥6號等。所以,小麥新品種選育必須近期目標和長期目標相結(jié)合,拓展創(chuàng)新基因資源,加強育種材料,才能選出抗性過硬的小麥品種。

        4.2 小麥的育種目標要和社會市場經(jīng)濟發(fā)展需要相適應(yīng)

        多少年來,我國的小麥育種注重產(chǎn)量的提高,對籽粒品質(zhì)改良不夠,致使我國小麥的遺傳改良工作遠遠低于歐美等國家。我國在生產(chǎn)上推廣的小麥品種品質(zhì)普遍較差,尤其是山西中部優(yōu)質(zhì)亞基7+8,5+10的品種缺乏。根據(jù)筆者30多年的小麥育種實踐認為,育種目標一定要根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展、人們生活水平和社會市場發(fā)展需求來制定?,F(xiàn)階段需要將產(chǎn)量和品質(zhì)提高有機結(jié)合,提高蛋白質(zhì)和面筋含量,滿足面條、饅頭、餃子等傳統(tǒng)食品加工要求。由于知識產(chǎn)權(quán)的保護,所培育的品種還需具有良好的商品性,讓生產(chǎn)、經(jīng)營和加工各方面都得到認同,使其成果迅速推廣使用,達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的目的。近年來,從山西省農(nóng)科院各研究所征集回太10604、長6794、晉麥100號等20多份優(yōu)質(zhì)資源,配制組合后,選擇的單株表現(xiàn)遺傳力強、株高適中、抗病性較好、籽粒漂亮、粒質(zhì)透明,具備優(yōu)質(zhì)的標準,明年有一部分株系出圃,經(jīng)室內(nèi)微量SDS檢測和結(jié)合田間品系鑒定,在未來幾年將會有一批優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的小麥新品種(系)嶄露鋒芒。

        4.3 將傳統(tǒng)育種方式和新型育種方式密切結(jié)合

        新型的轉(zhuǎn)基因育種、分子育種、基因克隆等新技術(shù)能否轉(zhuǎn)育成功,能否有效表達,育種效率和效果有待提高。傳統(tǒng)育種能使大量豐富的基因得到重組和轉(zhuǎn)移,將傳統(tǒng)方法與高新技術(shù)有機結(jié)合,對育種會產(chǎn)生積極的效果。在小麥育種中,品種改良的任務(wù)一方面是把分散在不同個體的目標性狀重組在一起;另一方面是把累加那些具有加性效應(yīng)的目標基因,強化目標性狀。如陳永興等[17]選育的農(nóng)大399就是利用滾動式加代回交轉(zhuǎn)育和穿梭育種的策略,采用系譜法結(jié)合分子標記輔助選擇,經(jīng)多點鑒定選育出的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗病小麥新品種。這種選擇方法更準,效率更高,易于快速準確的收斂各親本的優(yōu)良性狀于一體,加快育種進程。

        4.4 結(jié)合實際,選擇正確的小麥育種方向

        近10多年來,由于對生產(chǎn)和群眾的需要不了解,當時審定的一些小麥品種根本無人種植和使用,造成資源和經(jīng)濟的浪費。經(jīng)調(diào)查,山西省旱地和丘陵區(qū)從新中國成立以來一直使用的是無芒或頂芒品種,如晉麥5號、晉麥44號和晉麥68號等。當時喜歡無芒品種的原因是沒有麥芒,牲口食用不會被卡,人工收割不會被扎?,F(xiàn)在隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷普及,采用聯(lián)合收割機收獲。有芒小麥品種有防鳥害的作用,尤其在小面積情況下,無芒品種鳥害會更嚴重。加之有麥農(nóng)認為,有芒品種比無芒品種產(chǎn)量高(其實這是一種誤解),所以,有芒小麥品種深受歡迎。筆者經(jīng)過10多年的辛勤選育,在2017年成功培育成抗旱、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的晉麥104號[18]。2018年被山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院立項,進行大面積示范推廣。

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