朱大洲 武 寧 張 勇 孫君茂 陳萌山

綜述

營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型作物新品種選育與審定現(xiàn)狀、問(wèn)題與展望

朱大洲1,3武 寧1,3張 勇2孫君茂1,*陳萌山1,*

1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營(yíng)養(yǎng)發(fā)展研究所, 北京 100081;2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081;3成都大學(xué), 四川成都 610000

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高, 消費(fèi)者對(duì)飲食的要求已經(jīng)從單純追求溫飽和口感向營(yíng)養(yǎng)和健康轉(zhuǎn)變, 居民膳食結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求十分迫切, 營(yíng)養(yǎng)和健康品質(zhì)導(dǎo)向的作物育種勢(shì)在必行。本文從我國(guó)農(nóng)作物育種目標(biāo)的變遷出發(fā), 闡述了國(guó)內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型作物育種研究進(jìn)展情況, 梳理了我國(guó)作物育種中關(guān)注的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo), 分析了作物新品種審定中已涉及的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)和存在的問(wèn)題。結(jié)合消費(fèi)需求, 提出把營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)納入現(xiàn)行作物品種審定體系的建議與展望, 以推動(dòng)作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)育種的快速發(fā)展, 從源頭支撐居民營(yíng)養(yǎng)改善和“健康中國(guó)”建設(shè)。

農(nóng)產(chǎn)品; 膳食結(jié)構(gòu); 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì); 作物育種

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高, 中國(guó)居民膳食結(jié)構(gòu)逐漸從低脂肪、低熱量、低蛋白向高脂肪、高熱量、低膳食纖維方向轉(zhuǎn)變[1]。精制谷物和紅肉的大量消費(fèi)導(dǎo)致肥胖患者大幅增多; 水產(chǎn)類消費(fèi)不足, 導(dǎo)致ω-3脂肪酸攝入量偏低; 水果和蔬菜消費(fèi)量少, 使得維生素、礦物質(zhì)等微量營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入不足等[2]。針對(duì)上述現(xiàn)狀, 國(guó)家提出了健康中國(guó)戰(zhàn)略, 發(fā)布了《國(guó)民營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃(2017—2030年)》, 強(qiáng)調(diào)應(yīng)發(fā)展食物營(yíng)養(yǎng)健康產(chǎn)業(yè), 加快營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)型, 向著營(yíng)養(yǎng)健康型農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展[3]。從食物源頭即農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)入手, 是解決食物多樣化和均衡營(yíng)養(yǎng)的基礎(chǔ)。這就要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從過(guò)去單純追求產(chǎn)量逐步轉(zhuǎn)向以營(yíng)養(yǎng)為導(dǎo)向的綠色、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全農(nóng)業(yè)發(fā)展[4], 營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型育種是解決這一問(wèn)題的重要途徑。本文圍繞谷物、薯類等主要作物, 回顧了我國(guó)農(nóng)作物育種目標(biāo)的變遷, 通過(guò)系統(tǒng)梳理營(yíng)養(yǎng)型新品種選育和新品種審定等方面進(jìn)展情況, 提出將營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)納入農(nóng)作物品種選育指標(biāo)體系的建議, 并對(duì)其實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行了探討。

1 我國(guó)主要作物育種目標(biāo)變遷及演變

育種目標(biāo)是育種工作在一定地區(qū)一段時(shí)間內(nèi)方向和要求的具體體現(xiàn), 在很大程度上直接影響育種工作的成敗。因此, 育種目標(biāo)的制定必須建立在細(xì)致深入的調(diào)查研究基礎(chǔ)上, 需要了解當(dāng)?shù)氐臍夂?、主要自然?zāi)害、土壤類型、栽培制度、生產(chǎn)水平及其發(fā)展方向、當(dāng)?shù)仄贩N的演變歷史等[5]。制定育種目標(biāo)還要遵循一定的原則, 從實(shí)際出發(fā)并具有一定的前瞻性, 考慮當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需要和生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí)還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀辉耘鄺l件, 落實(shí)到具體性狀, 并考慮品種搭配, 做到因地制宜。育種目標(biāo)并不是一成不變的, 不同歷史階段育種家所關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)并不相同, 下面對(duì)我國(guó)不同時(shí)間階段的育種目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)要梳理。

1.1 20世紀(jì)50年代至60年代

1950—1960年, 由于條銹病空前流行, 造成小麥大量減產(chǎn), 因此小麥育種目標(biāo)重點(diǎn)關(guān)注抗病性改良, 這一階段條銹病改良品種“甘肅96” “碧螞1號(hào)” “南大2419”得到大面積推廣種植; 1960年以后由于各地推廣品種喪失了抗性, 又育成了一批抗病新品種, 比如北京8號(hào)、濟(jì)南2號(hào)、石家莊54、內(nèi)鄉(xiāng)5號(hào)等, 新一批抗病品種的推廣使得條銹病在我國(guó)基本得到控制[6]。20世紀(jì)50年代至60年代初我國(guó)水稻育種目標(biāo)以矮化育種為主, 黃耀華利用引進(jìn)的矮稈資源與高稈品種雜交培育出“廣場(chǎng)矮”, 取得了世界性突破, 不僅解決了傳統(tǒng)高稈稻的局限性, 而且提高了水稻的收獲指數(shù)與抗倒伏能力, 引發(fā)了一場(chǎng)水稻育種的“綠色革命”[7]。這個(gè)時(shí)期我國(guó)的第一個(gè)單交玉米品種誕生, 通過(guò)將自交系矮金525與混517雜交, 育成了單交種新單一號(hào), 為我國(guó)玉米育種提供了經(jīng)驗(yàn)和新途徑[8]。這個(gè)時(shí)期我國(guó)甘薯育種目標(biāo)主要為高產(chǎn)育種, 代表性品種包括北京553、河北351、華東51-93、華北52-45、湘農(nóng)黃皮、惠紅早、新種花、紅皮早、農(nóng)大紅和一窩紅等[9]。

1.2 20世紀(jì)70年代至80年代

這階段小麥在保持抗病性的基礎(chǔ)上, 矮化育種也取得了突破, 育成了矮稈、豐產(chǎn)、抗倒品種, 推廣面積較大的如泰山1號(hào)、鄭引1號(hào)、豐產(chǎn)3號(hào)、繁6、濟(jì)南9號(hào)、徐州14、博農(nóng)7023等新品種[10]。到了80年代后, 小麥的抗病性主要關(guān)注抗白粉病, 其中“豫麥13” “百農(nóng)3217” “西安8號(hào)” “綿陽(yáng)11”等抗病性小麥品種的大面積推廣, 使得我國(guó)小麥平均每公頃產(chǎn)量提高了將近一倍。玉米的抗病性育種主要針對(duì)大小斑病、青枯病、絲黑穗病、矮化病毒病等, 其中, 新單1號(hào)、中單2號(hào)、鄭單2號(hào)、白單4號(hào)4個(gè)單交種種植面積最大[11]。20世紀(jì)80年代谷子在抗病育種方面取得很大進(jìn)步, 育種成效主要體現(xiàn)在育成的高產(chǎn)抗病品種, 如豫谷2號(hào)、冀谷14號(hào)等; “八五”期間又育成了一批優(yōu)質(zhì)米用類型新品種, 如冀特2號(hào)、晉谷21號(hào)等[12]。

1.3 20世紀(jì)90年代至今

20世紀(jì)90年代前后, 品質(zhì)育種開(kāi)始提上議程。代表性強(qiáng)筋小麥品種臨汾5064、中優(yōu)9507、濟(jì)南17、鄭麥366、師欒02-1、新麥26、中麥578和濟(jì)麥44等的育成, 逐步解決了優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)協(xié)調(diào)的難題。水稻通過(guò)常規(guī)育種和生物技術(shù)相結(jié)合, 育成了沈農(nóng)606、協(xié)優(yōu)9308和滿倉(cāng)515等一批超高產(chǎn)新品種, 為水稻單產(chǎn)的大幅度提高帶來(lái)了曙光[13]。在超級(jí)稻育種的影響下, 大豆育種在相關(guān)收獲指數(shù)、生物量、生育期及花莢脫落等性狀方面開(kāi)展了研究, 并制定了育種目標(biāo)[14]。甘薯品質(zhì)育種主要是培育專用型品種, 針對(duì)高淀粉薯塊外形肉色和干物率等性狀進(jìn)行改良, 提出了“高營(yíng)養(yǎng)素含量、纖維少、耐貯藏、抗1～2種主要病害”的目標(biāo), 培育的標(biāo)志性品種蘇薯8號(hào)具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣、易栽培、薯蔓短等優(yōu)點(diǎn)[15]。在食物得到有效供給的今天, 農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)逐步得到關(guān)注。70年代末期, 部分育種家開(kāi)始重視農(nóng)作物蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉和支鏈淀粉比例等生化營(yíng)養(yǎng)指標(biāo), 但收獲甚微, 近些年隨著投入力度的增加, 相繼篩選和育成了一些微量營(yíng)養(yǎng)素和健康功能因子含量較高的作物新品種。玉米方面主要針對(duì)高葉酸、高β-胡蘿卜素、高花青素、高葉黃素含量等性狀[16]; 甘薯方面主要針對(duì)保健功能, 包括高花青素、高β-胡蘿卜素等性狀[17]?？傮w來(lái)說(shuō), 我國(guó)種質(zhì)資源豐富, 開(kāi)展品質(zhì)育種工作潛力很大。

2 國(guó)內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型育種進(jìn)展

營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)是一種以營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)為導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)發(fā)展新理念, 是滿足人體個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)需求的新興產(chǎn)業(yè), 其概念產(chǎn)生于2013年, 并在2017年12月14日農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營(yíng)養(yǎng)發(fā)展研究所和國(guó)際糧農(nóng)組織(FAO)聯(lián)合主辦的“營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)研討會(huì)”上得到明確闡述, 原意為Nutrition-Sensitive Agriculture (NSA)[18]。營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)主要期望通過(guò)育種技術(shù)來(lái)提高種子和植物可食用部分的營(yíng)養(yǎng)成分含量; 為了推動(dòng)營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)育種的發(fā)展, 一些國(guó)家已啟動(dòng)了作物營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化育種行動(dòng), 通過(guò)將遺傳育種與綠色生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、人體營(yíng)養(yǎng)等多學(xué)科知識(shí)相結(jié)合, 進(jìn)行富含不同營(yíng)養(yǎng)元素如維生素、礦物質(zhì)、植物化合物等功能性新品種的培育工作[19]。下面將按照農(nóng)產(chǎn)品中強(qiáng)化對(duì)象和提升的營(yíng)養(yǎng)成分類別, 對(duì)國(guó)內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型育種研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2.1 維生素類

維生素A是構(gòu)成視覺(jué)細(xì)胞內(nèi)感光的重要物質(zhì), 具有維持上皮細(xì)胞的完整、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、以及預(yù)防腫瘤等作用。人體獲取的維生素A是由維生素A原(類胡蘿卜素)在體內(nèi)轉(zhuǎn)化而成, 但類胡蘿卜素廣泛存在于果蔬中, 而水稻和小米中含量極少[20]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高作物維生素A含量上取得巨大進(jìn)展。轉(zhuǎn)基因技術(shù)可有效提高作物的胡蘿卜素含量, 如通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)使第一代和第二代黃金大米的類胡蘿卜含量可分別達(dá)到了6 μg g–1和37 μg g–1。國(guó)際馬鈴薯中心已經(jīng)成功培育了100多個(gè)富含類胡蘿卜素的甘薯新品種; 國(guó)際小麥玉米改良中心(CIMMYT)培育了類胡蘿卜素含量高達(dá)9～17 mg kg–1的黃色玉米; 肯尼亞篩選出34種高類胡蘿卜素甘薯, 并正在推廣種植; 英國(guó)培育出β-胡蘿卜素含量達(dá)20～30 mg kg–1的金色水稻[21-23]。

葉酸又叫維生素B9, 食用葉酸可以促進(jìn)骨骼成熟, 為滿足生命活動(dòng)的需求, 成年人每天攝入葉酸含量需達(dá)400 μg, 孕婦則在600 μg以上, 孕婦葉酸攝入不足容易導(dǎo)致流產(chǎn)、胎兒神經(jīng)管畸形等。葉酸在人體內(nèi)不能合成, 只能從食物中攝取[24], 育種家通過(guò)過(guò)表達(dá)葉酸合成限速酶DHFS技術(shù), 將玉米和番茄、葉用萵苣、菜豆的葉酸含量分別提高了2.0、2.1～8.5和3.0倍[25-28]; 通過(guò)聯(lián)合過(guò)表達(dá)技術(shù), 將水稻、大豆葉酸的含量提高了15～100倍[29-30]。

維生素C又名抗壞血酸, 具有防治壞血病、抗氧化、促進(jìn)體內(nèi)鈣鐵吸收和葉酸利用等功能。通過(guò)過(guò)表達(dá)技術(shù), 獼猴桃、煙草、土豆和玉米的維生素C含量均得到了有效改良, 分別提高了4、12、2和4倍[31-34]; 通過(guò)促進(jìn)維生素C的再循環(huán), 番茄的維生素含量也得到了提高。

維生素E又稱生育酚, 它是氧自由基的清道夫,它與其他抗氧化物質(zhì)一起構(gòu)成體內(nèi)抗氧化系統(tǒng), 在抗衰老、促進(jìn)動(dòng)物生殖功能、精子生成和調(diào)節(jié)血小板的黏附力等方面發(fā)揮著重要作用。維生素E的營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型育種主要集中在種子上, 其目標(biāo)是提高維生素E的總量和改變維生素E各組分的比例[35], 育種中可采用單基因和多基因改良2種策略。通過(guò)轉(zhuǎn)單基因, 油菜和輪葉黨參、生菜、紫蘇、大豆中維生素E含量分別增加了6.0、2.0、1.8和4.0倍[36-37], 通過(guò)過(guò)表達(dá)多個(gè)基因, 既可以提升維生素E的含量, 又能顯著增加α-生育酚的比例。通過(guò)過(guò)表達(dá)多個(gè)基因, 油菜、大豆和煙草維生素E活性分別提高了12、5和10倍, 并且油菜中α-生育酚含量增加了8倍以上[38]。

2.2 礦物質(zhì)類

礦物質(zhì)類營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)主要集中于鋅和鐵含量、鋅鐵功能的選育上。人體必需微量元素鋅, 具有加速兒童發(fā)育、促進(jìn)傷口愈合等功能, 富鋅作物的培育主要針對(duì)水稻、小麥和馬鈴薯。2013年, 孟加拉國(guó)審定了第1個(gè)籽粒鋅含量為20 mg kg–1的富鋅水稻品種“BRRI dhan62”, 在印度, 部分富鋅小麥籽粒中鋅含量平均增加約7 mg kg–1, 參加印度全國(guó)區(qū)域試驗(yàn)[39]。中國(guó)自2004年啟動(dòng)國(guó)際合作項(xiàng)目“Harvest-Plus-China”以來(lái), 富鋅農(nóng)作物育種取得了一定進(jìn)展, 通過(guò)常規(guī)育種選育出IR1994-50-2-1-3和IR68144-213-2-2-3; 篩選和培育了鋅含量較普通水稻提高1.5～3.0倍的新品種; 稻米中鋅的含量可達(dá)32.8～34.1 mg kg–1, 是東北香米、泰國(guó)香米的3倍[40-42]; 中麥175的籽粒鋅含量高達(dá)44 mg kg–1, 較普通品種高30%以上[43]。

鐵是人體所需的礦物質(zhì)之一, 鐵在維持正常的造血功能、免疫功能、參與體內(nèi)氧的運(yùn)輸和組織呼吸方面發(fā)揮重要作用, 鐵攝入不足很容易導(dǎo)致缺鐵性貧血, 尤其對(duì)于女性, 更應(yīng)該注重鐵營(yíng)養(yǎng)素的攝入。為了滿足人體對(duì)鐵的需求, 國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商組織(CGIAR)和國(guó)際食物政策研究所(IFPRI)育成了鐵含量達(dá)25 mg kg–1的富鐵高產(chǎn)水稻新品種IR16d; 日本九州大學(xué)和農(nóng)業(yè)生物資源研究所協(xié)作, 從粳稻品種越光中篩選出鐵含量比普通品種高3～6倍的富鐵突變體, 并以其為材料, 育成了富鐵水稻新品種[44-45]。中國(guó)選育的晚秈新品種特3029鐵含量達(dá)47.6 mg kg–1, 紫香糯糙米鐵含量達(dá)46.1 mg kg–1, 黑優(yōu)粘3號(hào)的鐵含量高達(dá)52.20 mg kg–1[46-47]。

2.3 植物化合物類

花青素是植物合成的一種水溶性天然色素, 具有清除自由基、抗氧化性、保護(hù)人體免受自由基的損傷、增強(qiáng)血管彈性、改善循環(huán)系統(tǒng)等功能, 因而具有抗癌、預(yù)防糖尿病和心血管疾病等作用[48]。但花青素存在作物的外殼上, 在精加工成精米后, 種皮中的花青素等營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)失去, 因此高花青素作物選育目標(biāo)就是在胚乳中合成花青素。Qin等[49]把花青素合成的相關(guān)基因轉(zhuǎn)入水稻, 培育出富含花青素的水稻“紫晶米”。在我國(guó)已培育出花青素含量高達(dá)300 mg kg–1的甜糯玉米和葉黃素及其衍生物含量高達(dá)4.24 μg g–1的玉米以及花青素含量可達(dá)0.15～ 0.20 mg g–1的鮮薯品種[50]。

植酸是存在谷類植物中的一類天然物質(zhì), 具有螯合、抗氧化作用。但由于在消化過(guò)程中, 植酸易與金屬離子、鐵、鋅、鈣、鎂等結(jié)合, 形成植酸鹽,而人的消化系統(tǒng)是缺乏內(nèi)源植酸酶, 因此攝取植酸含量相對(duì)較高的谷物和豆類時(shí), 反而降低了人對(duì)礦物質(zhì)的有效吸收, 植酸的抗?fàn)I養(yǎng)性可以通過(guò)育種技術(shù)解決[51]。Raboy等[52]通過(guò)EMS化學(xué)誘變劑, 育成了和兩個(gè)低植酸玉米突變體, 使植酸含量分別下降66%和30%; Pilu等[53]育成了使植酸下降90%的; Shi等[54-56]育成了低植酸玉米突變體、和, 使植酸含量分別下降93%、50%和30%; 王雪艷等[57]篩選出6個(gè)低植酸玉米突變體; Kim等[58]篩選出了低植酸型水稻, 使得植酸含量降低了34%～75%; 田紀(jì)春等[59]通過(guò)誘變育種、有性雜交, 選育出低植酸麥1號(hào)。

γ-氨基丁酸, 是一種廣泛分布在動(dòng)植體的天然活性成分, 它參與腦循環(huán)生理活動(dòng), 在促進(jìn)血管擴(kuò)張、活化肝腎、延緩腦衰老等方面發(fā)揮著重要作用[60]。因此, 選育高γ-氨基丁酸含量的作物品種, 對(duì)人們的健康具有重要意義。日本利用化學(xué)誘變, 選育出巨大胚稻米新品種, 蒸煮后γ-氨基丁酸含量會(huì)顯著提升[61]。隨后, 中國(guó)水稻研究所從日本引進(jìn)了巨胚核突變體, 從中選育出了富含γ-氨基丁酸的巨胚稻[62]。浙江大學(xué)培育出11個(gè)富含γ-氨基丁酸的巨大胚突變體[63]。劉玲瓏等[64]利用雜交育種與化學(xué)誘變相結(jié)合選育出高GABA的水稻品系W025。

葉黃素是一種含氧的類胡蘿卜素, 具有抗氧化性, 在增強(qiáng)免疫力、抗癌和抑制腫瘤生長(zhǎng)等方面發(fā)揮著重要作用; 另外葉黃素能過(guò)濾藍(lán)光, 可以有效減少光對(duì)視網(wǎng)膜的損害、降低白內(nèi)障發(fā)病率、保護(hù)視力[65]。但葉黃素人體無(wú)法合成, 必須通過(guò)外源葉黃素的攝入, 來(lái)滿足人體每天對(duì)葉黃素的需求。2014年, 中國(guó)作物營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)育出了高葉黃素玉米, 在2018年, 通過(guò)了國(guó)家審定; 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)培育了高葉黃素小麥品系“山農(nóng)48”, 通過(guò)常規(guī)育種方法使得小麥中的葉黃素含量高于其他小麥[66-67]。

2.4 脂肪和脂肪酸類

油酸和亞油酸是花生種仁中的主要脂肪酸, 其含量和比例是花生和花生油的重要品質(zhì)指標(biāo), 提高花生油酸含量、降低亞油酸含量(即提高油酸、亞油酸比值, O/L值)是花生品質(zhì)改良的重點(diǎn)[68]。美國(guó)選育的高油酸花生品系主要為F435、SunOleic95R和Georgia系列的衍生系[69]。利用回交和分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)相結(jié)合的方法, 已快速培育出高油酸花生新品系 ZJ019、ZJ109、ZJ160和ZJ805[70]。通過(guò)雜交育種技術(shù), 已獲得油酸含量達(dá)64%以上、油酸O/L值大于7的新種質(zhì), 可用于新品種選育工作[71]。

普通油菜中的芥酸含量高, 平均占總脂肪酸含量的41%, 人們食用芥酸含量高的油菜籽, 容易誘發(fā)充血性心力衰竭、心肌脂肪堆積等疾病。通過(guò)反向選擇, 加拿大Stefansson等育成了第一個(gè)無(wú)芥酸品種奧羅[72]; 美國(guó)育成抗蟲(chóng)、抗病、抗除草劑油菜品種月桂酸; 目前世界各國(guó)基本已實(shí)現(xiàn)了雙低油菜的種植[73]。我國(guó)在低芥酸油菜育種上也取得很大突破, 21世紀(jì)初期, 在常規(guī)育種、雜交育種的基礎(chǔ)上, 融入了生物技術(shù)育種, 通過(guò)MAS方法, 育成了H9901、H9909、H2156等多個(gè)雙低油菜品種[74]; Wang等[75]通過(guò)篩選和染色體加倍, 培育了優(yōu)質(zhì)雜交油菜新品種中油雜1號(hào)、中油雜3號(hào)和常規(guī)品種中雙8號(hào)。

2.5 蛋白質(zhì)和氨基酸類

高蛋白含量是大豆育種的重要目標(biāo)。中國(guó)、美國(guó)和日本在提高大豆蛋白質(zhì)含量研究領(lǐng)域都取得重要進(jìn)展。采用傳統(tǒng)育種結(jié)合生物技術(shù), 中國(guó)培育了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高蛋白品種黑生101和蛋白質(zhì)含量高達(dá)46.78%的大豆品種綏農(nóng)76[76]。美國(guó)育成的大豆品系蛋白質(zhì)含量超過(guò)50%[77], 日本育成了蛋白質(zhì)含量高達(dá)50%和45%的大豆品種西海20號(hào)和肥后娘, 并利用野生豆和高蛋白蔓豆雜交, 培育了蛋白質(zhì)含量55%的大豆新品系[78-79]。利用MAS方法, 通過(guò)在培養(yǎng)基中添加蘇氨酸和賴氨酸, 在粳稻品種Calrose 76中篩選獲得了高賴氨酸含量突變體[80]; Lee等[81]將玉米基因進(jìn)行點(diǎn)突變, 并將該基因分別連接到和谷蛋白基因()的啟動(dòng)子上, 轉(zhuǎn)化并獲得轉(zhuǎn)基因水稻, 其成熟種子中賴氨酸含量顯著提高; 唐俐等[82]將四棱豆種子儲(chǔ)藏蛋白基因?qū)胨? 獲得高賴氨酸轉(zhuǎn)基因植株; 通過(guò)MAS方法, 將基因?qū)雰?yōu)良玉米種質(zhì)中, 培育出優(yōu)質(zhì)高蛋白含量玉米(QPM)[83]。

3 我國(guó)農(nóng)作物新品種審定指標(biāo)概況

農(nóng)作物品種審定是品種審定委員會(huì)根據(jù)區(qū)域試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果, 審查評(píng)定新育成或引進(jìn)品種是否具有推廣價(jià)值及其適宜范圍的活動(dòng)[84]。審核通過(guò)的品種通常是由國(guó)家或省級(jí)政府農(nóng)業(yè)行政部門(mén)頒發(fā)品種審定證書(shū), 明確該品種在一定的區(qū)域范圍內(nèi)生產(chǎn)和推廣銷售, 即賦予該品種上市的資格。

3.1 新品種審定分組情況

我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新的歷史階段, 主要矛盾由總量不足轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)性矛盾, 農(nóng)業(yè)發(fā)展由過(guò)度依賴資源消耗、主要滿足量的需求, 向綠色生態(tài)可持續(xù)、更加注重滿足質(zhì)的需求轉(zhuǎn)變。按照“提質(zhì)增效轉(zhuǎn)方式、穩(wěn)糧增收可持續(xù)”的思路和保障糧食安全、突出綠色發(fā)展、符合市場(chǎng)需求的原則, 將水稻、小麥、大豆、玉米等主要農(nóng)作物品種劃分成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、綠色優(yōu)質(zhì)、特殊類型等類別進(jìn)行分類審定。

3.1.1 水稻品種審定 根據(jù)《國(guó)家級(jí)稻品種審定標(biāo)準(zhǔn)(2021年修訂)》規(guī)定, 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)組審定時(shí), 對(duì)每年區(qū)域試驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)產(chǎn)量比對(duì)照產(chǎn)量品種的增產(chǎn)情況以及每年區(qū)域試驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)增產(chǎn)試驗(yàn)點(diǎn)比例情況做出詳細(xì)規(guī)定。綠色優(yōu)質(zhì)組品種分類分為抗病品種、抗蟲(chóng)品種、優(yōu)質(zhì)品種, 稻區(qū)應(yīng)對(duì)抗性稻瘟病、白葉枯病和條紋葉枯病抗性達(dá)到抗和中抗及以上。抗蟲(chóng)品種要求早秈對(duì)白背飛虱、中秈及晚秈、晚粳對(duì)褐飛虱均達(dá)到中抗及以上水平。優(yōu)質(zhì)品質(zhì)要求達(dá)到《食用稻品種品質(zhì)》(NY/T593-2021)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。綠色優(yōu)質(zhì)組在產(chǎn)量指標(biāo)規(guī)定, 根據(jù)綠色品種、優(yōu)質(zhì)品種抗性達(dá)到等級(jí)情況, 對(duì)每年區(qū)域試驗(yàn)產(chǎn)量比對(duì)照增產(chǎn)做了不同要求。對(duì)于綠色優(yōu)質(zhì)品種, 應(yīng)對(duì)稻瘟病、褐飛虱、白葉枯病達(dá)到中抗以上, 品質(zhì)達(dá)到部標(biāo)2級(jí)優(yōu)于對(duì)照的每年區(qū)域試驗(yàn)比對(duì)照減產(chǎn)≤5.0%; 品質(zhì)達(dá)到部標(biāo)1級(jí)并優(yōu)于對(duì)照, 減產(chǎn)≤7.0%。特殊類型審定組, 對(duì)于糯稻、節(jié)水、耐鹽抗旱等, 申請(qǐng)者根據(jù)生產(chǎn)情況提出審定標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 小麥品種審定 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)組進(jìn)行品種審定時(shí), 根據(jù)審定品種與對(duì)照為常規(guī)品種或雜交品種, 對(duì)區(qū)域試驗(yàn)平均產(chǎn)量比對(duì)照增產(chǎn)情況做出不同要求。綠色優(yōu)質(zhì)組品種審定分為抗赤霉病品種、節(jié)水品種、節(jié)肥品種、抗旱品種、抗穗發(fā)芽品種、早熟品種、優(yōu)質(zhì)品種。對(duì)于提交申請(qǐng)的小麥, 因申請(qǐng)的品種不同, 在審定時(shí)根據(jù)具體的要求進(jìn)行判定, 如優(yōu)質(zhì)品種審定時(shí), 根據(jù)審定品種的蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、吸水率、穩(wěn)定時(shí)間、最大拉伸阻力、拉伸面積的不同分為強(qiáng)筋小麥、中強(qiáng)筋小麥、中筋小麥、弱筋小麥等。特殊類型評(píng)審組, 主要評(píng)審糯小麥的支鏈淀粉情況, 除了紅色、白色、黃色小麥之外的其他彩色小麥的籽粒顏色等。

3.1.3 玉米品種審定 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種審定規(guī)定了區(qū)域試驗(yàn)產(chǎn)量比對(duì)照平均增產(chǎn)、每年增產(chǎn)以及增產(chǎn)的試驗(yàn)點(diǎn)比例分別達(dá)到≥5.0%、≥3%和≥60%等。綠色優(yōu)質(zhì)品種審定除規(guī)定了抗病害達(dá)到中抗及以上,詳細(xì)規(guī)定了適宜機(jī)械化收獲籽粒品種符合條件的4種情況, 申請(qǐng)的品種只要滿足4個(gè)條件中的一種就審核通過(guò), 4種情況都對(duì)東北、黃淮海、西北等地適收期籽粒含水量、倒伏倒折率、抗倒性、以及每年區(qū)域試驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)產(chǎn)量達(dá)標(biāo)的占全部試驗(yàn)點(diǎn)的比例情況分別做了要求。特殊類型對(duì)糯玉米、高油、優(yōu)質(zhì)蛋白、高淀粉玉米等直鏈淀粉占粗淀粉總量比例、粗脂肪含量、蛋白質(zhì)含量、粗淀粉等要求分別達(dá)到≤2.00%、≥7.5%、≥8.00%、≥75.0%。對(duì)于青貯玉米對(duì)與品質(zhì)情況要求整株粗蛋白含量、中性洗滌纖維含量、淀粉含量分別要求≥7.0%、≤40%、≥30%。鮮食甜玉米、鮮食糯米要求外觀品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)要求不低于對(duì)照。爆裂玉米品種對(duì)膨化倍數(shù)、籽粒顏色、爆花率等品質(zhì)做了要求。對(duì)于以上玉米品種, 要求產(chǎn)量均比同類型對(duì)照品種增產(chǎn)≥3.0%。

3.1.4 大豆品種審定 大豆品種審定分組與水稻、玉米、小麥的分組情況略有不同, 大豆分為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種組、高油品種、高蛋白品種、特殊類型品種等。高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)組主要規(guī)定平均產(chǎn)量情況。高油品種組主要對(duì)作物的粗脂肪平均含量、平均產(chǎn)量增產(chǎn)情況做了規(guī)定。高蛋白品種, 規(guī)定了北方春大豆和其他區(qū)域2年、單年區(qū)域試驗(yàn), 粗蛋白質(zhì)平均含量。特殊類型品種審定, 主要審定菜用大豆品種、彩色籽粒品種、籽粒大小特異品種。

3.2 新品種審定中引入營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)情況

一直以來(lái)我國(guó)在品種的選育和審定過(guò)程中, 以產(chǎn)量為核心指標(biāo), 忽視了品質(zhì)方面要求。當(dāng)前種業(yè)進(jìn)入新階段, 提高種子可食部的營(yíng)養(yǎng)成分含量成為未來(lái)目標(biāo)之一, 為了推動(dòng)作物營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 我國(guó)對(duì)品種審定標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)行了部分修改, 加大了對(duì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的要求。表1列出了我國(guó)部分已經(jīng)通過(guò)審定的融入營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的農(nóng)作物品種。

表1 典型營(yíng)養(yǎng)型作物新品種

4 關(guān)于將營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)納入品種選育的建議與展望

我國(guó)在作物新品種選育和審定方面一直以產(chǎn)量為核心指標(biāo)。當(dāng)前, 為進(jìn)一步促進(jìn)種業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展, 滿足人民群眾對(duì)營(yíng)養(yǎng)和健康的需求, 迫切需要推動(dòng)營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 應(yīng)不斷完善評(píng)估審定制度, 建立營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型的標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新

我國(guó)營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)起步晚, 與發(fā)達(dá)國(guó)家差距明顯, 究其原因, 主要在于相關(guān)基礎(chǔ)研究不足, 標(biāo)準(zhǔn)欠缺, 育種技術(shù)力量不強(qiáng)。在此背景下, 全國(guó)政協(xié)委員、國(guó)家食物與營(yíng)養(yǎng)咨詢委員會(huì)主任陳萌山指出, 要加快育種技術(shù)創(chuàng)新, 將營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)納入主要?jiǎng)又参锲贩N的育種目標(biāo), 建立包括感官品質(zhì)、加工品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)在內(nèi)的綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)體系, 加快培育更多營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)好的新品種, 推動(dòng)種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[85]。

4.2 制定農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

品種審定過(guò)程中, 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品中涉及營(yíng)養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)較少, 面對(duì)國(guó)民日益嚴(yán)峻的營(yíng)養(yǎng)和健康問(wèn)題及農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求, 迫切需要建立相關(guān)營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我國(guó)于2018年成立了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)專家委員會(huì), 當(dāng)前已基本完成了國(guó)內(nèi)外農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的梳理工作, 通過(guò)參考保健食品管理的經(jīng)驗(yàn), 初步構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系框架, 圍繞普通農(nóng)產(chǎn)品、功能性農(nóng)產(chǎn)品、營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品, 開(kāi)展了營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的分類評(píng)價(jià)。在制定農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)指南和通則的基礎(chǔ)上, 分年度、分批次制定了具體的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或分等分級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 以此為農(nóng)作物品種審定提供營(yíng)養(yǎng)方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料支撐, 推進(jìn)了我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。

4.3 將營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)納入農(nóng)作物新品種選育

由于人多地少矛盾突出, 我國(guó)農(nóng)作物新品種選育一直重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)量及其相關(guān)農(nóng)藝、抗病抗逆等性狀, 2015年修訂后的種子法雖對(duì)部分品質(zhì)指標(biāo)開(kāi)始予以關(guān)注, 但極少涉及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)性狀。糖尿病、高血壓、貧血以及孕婦和兒童的營(yíng)養(yǎng)不良都與食物營(yíng)養(yǎng)成分有關(guān), 因此, 建議農(nóng)業(yè)部門(mén)從農(nóng)作物品種選育這一源頭開(kāi)始, 關(guān)注農(nóng)業(yè)的營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)型; 考慮到現(xiàn)有主要農(nóng)作物品種的審定標(biāo)準(zhǔn), 建議將營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)納入相關(guān)農(nóng)業(yè)特色新品種審定標(biāo)準(zhǔn), 達(dá)到指導(dǎo)新材料創(chuàng)制和新品種選育的目的, 引導(dǎo)育種家關(guān)注居民的營(yíng)養(yǎng)和健康需求, 培育低血糖生成指數(shù)值(glycaemic index)和高葉酸、鋅、鐵以及人體必需植物化合物的作物新品種。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前, 我國(guó)社會(huì)主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾, 需要加快實(shí)施健康中國(guó)戰(zhàn)略, 為人民群眾提供全方位全周期的健康服務(wù)。營(yíng)養(yǎng)是健康的物質(zhì)基礎(chǔ), 影響了生命的全過(guò)程, 當(dāng)前中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)不良、慢性病持續(xù)高發(fā)等問(wèn)題凸顯, 發(fā)展?fàn)I養(yǎng)導(dǎo)向型育種已成為從源頭提供優(yōu)質(zhì)食物, 滿足人們美好生活和營(yíng)養(yǎng)需求的重要途徑[86]。

我國(guó)營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)作物育種技術(shù)雖然起步晚, 經(jīng)過(guò)近年的快速發(fā)展已取得顯著成效, 作物育種目標(biāo)也已經(jīng)由過(guò)去的過(guò)度追求產(chǎn)量開(kāi)始向營(yíng)養(yǎng)健康邁進(jìn)。已培育出多種富含維生素、礦物質(zhì)、植物化合物的營(yíng)養(yǎng)型作物新品種, 但我國(guó)營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型育種多集中在水稻、花生、玉米、甘薯等作物上, 營(yíng)養(yǎng)型水果、蔬菜成效甚微, 要想解決我國(guó)人群中普遍存在的“隱性饑餓”和營(yíng)養(yǎng)不良等問(wèn)題, 尚需要進(jìn)一步擴(kuò)展作物種類和有益的健康功能因子的數(shù)量和質(zhì)量。在營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中, 品種審定是重要的一環(huán), 是新品種上市的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 新審定的農(nóng)作物除了要高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、綠色優(yōu)質(zhì)、滿足市場(chǎng)化特殊需求外, 還應(yīng)特意關(guān)注品種的營(yíng)養(yǎng)成分[87]。

推動(dòng)營(yíng)養(yǎng)型優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的選育和生產(chǎn), 應(yīng)將營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)納入農(nóng)作物新品種選育和品種審定, 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的臨界值應(yīng)從作物主要提供的營(yíng)養(yǎng)素種類出發(fā), 根據(jù)居民每日推薦攝入量以及作物營(yíng)養(yǎng)素含量的生物有效性確定, 同時(shí)注重種質(zhì)創(chuàng)新和國(guó)際合作和國(guó)內(nèi)協(xié)作。這項(xiàng)工作是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革、滿足食物營(yíng)養(yǎng)健康消費(fèi)需求的重要舉措, 建議相關(guān)部門(mén)盡快啟動(dòng)實(shí)施。

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Current situation, issues, and prospects of breeding and approval of new varieties of nutrition-oriented crops

ZHU Da-Zhou1,3, WU Ning1,3, ZHANG Yong2, SUN Jun-Mao1,*, and CHEN Meng-Shan1,*

1Institute of Food and Nutrition Development, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3Chengdu University, Chengdu 610000, Sichuan, China

With China’s economic and social development and the continuous improvement of people’s living standards, the consumers’ diet preference has switched from purely pursuing food taste to more nutrition and health demand, resulting in an urgent need for a transformation and upgrading of the current dietary structure to match the new trend. Correspondingly, nutrition and health-oriented crop breeding is imperative. This review aims to elaborate the research progresses in nutrition-oriented crop breeding in the world with the evolving goals of crop breeding in China, to sort out the nutritional quality indicators dominating in crop breeding globally, and to analyze the problems in existing nutritional indicators involved in the approval of new crop varieties in China. In conclusions, nutritional indicators combined with the consumer nutritional demand are put forward to the current examination and verification system of existing and new crop varieties in China and thus to promote the rapid development of crop nutritional breeding and support the nutrition demand of consumers and the construction of “Healthy China” from the source.

agricultural products; feeding structure; nutritional quality; crop breeding

10.3724/SP.J.1006.2023.23018

本研究由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程重大科研任務(wù)項(xiàng)目(CAAS-XTCX20190025)和青年英才專項(xiàng)(ASTIP2022B-3)資助。

This study was supported by the Major Scientific Research Task of the Science and Technology Innovation Project of the Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS-XTCX20190025) and the Youth Talents Project (ASTIP2022B-3).

通信作者(Corresponding authors):孫君茂, E-mail: sunjunmao@caas.cn; 陳萌山, E-mail: chenmengshan@caas.cn

E-mail: zhudazhou@caas.cn

2022-02-25;

2022-07-21;

2022-08-16.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220815.1036.003.html

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