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糧食“十七連豐”背后的育種科技

時間:01-21 來源:光明日報

 

 

圖片均為新華社發

  113億斤,這是2020年我國糧食生產比上一年增加的產量,實現“十七連豐”。這樣的成果并不容易,中國農業科學院近日公布的一組數據顯示:我國小麥2020年播種面積比2011年減少2700萬畝,但產量增加1300萬噸;水稻2020年播種面積比2011年減少393.6萬畝,但產量增加897.7萬噸。

  中國農業科學院副院長、中國工程院院士萬建民說:“一減一增的背后,是科技的力量。”從育種、栽培,到灌溉、病蟲害防控,糧食生產的各個環節都需要科技的助力。其中,良種培育是至為關鍵的一環。近年來,我國培育了一批糧食作物新品種,從種源上為提高糧食產量和品質提供了保障。本期,我們從平時接觸最多的四大糧食作物——小麥、水稻、玉米、大豆,看看都有哪些新品種從實驗室走向田間地頭,讓中國的糧倉更充實,餐桌更豐富。

  小麥 生產品種全部為國產自育

  我國是世界上最大的小麥生產國和消費國。“小麥連續六年總產在1.3億噸以上,這對于1.27億噸的消費量而言,剛剛好,沒有太多的富余。”中國農科院作物科學研究所副所長劉錄祥說。

  不過,這只是當前“剛剛好”。劉錄祥指出,未來我國人口還會增加,2030年小麥要實現1.7億噸的產量,那就要求我們每年產量增加2%。“所以我們不可以躺著睡大覺,必須警覺起來。”

  每年增產2%,難度有多大?我們先看看最近一個十年的變化:2011年我國小麥單產(平均畝產)322.55公斤,2020年增至382.8公斤,增幅18.68%,年均增長1.87%。這個增長率與2%很接近,是如何實現的?

  要想產量好,首先必須得種子好。據萬建民介紹,“十三五”期間,中國農科院圍繞小麥全產業鏈開展了“藏糧于技”重大科研任務,新育成一批具有國際領先水平的小麥新品種。而且,我國小麥生產品種全部為國產自育,也就是說不依賴國外的種子。

  比如,“中麥175”是我國第一個同時通過國家水地和旱肥地兩個區域審定的水旱兼用型品種,實現了我國冬小麥育種的新突破,是北部冬麥區推廣面積最大的品種;“中麥5051”破解了北方麥區強筋小麥不抗寒、節水小麥不優質的難題,畝產達到551公斤;“中麥578”在2020年河南省焦作市實打驗收,畝產達到841.5公斤,創下黃淮麥區強筋小麥高產紀錄。

  培育一個新品種,需要做許多基礎研究,如基因研究等。近年來,我國小麥育種基礎研究取得許多突破。比如,中國農科院作物科學研究所首次攻克利用冰草屬優異基因改良小麥的國際難題,創制了一批多粒、廣譜抗病性強且產量高的育種新材料;克隆抗旱基因,培育的抗旱小麥水分利用效率提高15%以上、產量提高10%以上。

  在小麥基因組測序、基因克隆、高通量分子標記檢測、轉基因、基因編輯以及分子育種技術等方面,中國農科院與歐美發達國家保持同步,部分領域處于領先水平。所謂分子育種,是指將分子生物學技術應用于育種,在分子水平上進行育種。近年來,中國農科院完成了小麥基因組660K芯片構建、太谷核不育基因的克隆和基因編輯等工作。

  “我們把這些原始的基因用分子標記,從傳統育種到分子育種,提升育種技術。”中國農科院作物科學研究所所長、中國科學院院士錢前說。

  對于未來小麥新品種設計,劉錄祥呼吁加大重大科學設施的支撐。他認為,要從基礎資源的深度解析、優異基因的深度挖掘和重大戰略品種的設計這三個目標去謀劃小麥品種研究的科學設施。通過科學設施支撐,爭取每年有一些戰略性的基因資源和新品種的產出。

  水稻 品種培育兼顧優質和高產

  萬建民這幾年感覺到一個有趣的變化:幾年前到某個小飯店或食堂吃飯,經常遇到米飯的味道太差,很難接受;但現在隨便進哪一家路邊小店或食堂,米飯味道通常都能讓人接受,不像以前那么差。他發現,周圍很多人與他有同樣的感受。

  這說明了什么?他得出一個結論:中國的水稻品種培育由以往單一的追求單產的提升,已經向品質改良的方向發展。也就是說,優質和高產并重是目前水稻育種的主攻方向,而且取得相當大的成效。

  提到優質大米,許多人可能想到的是泰國香米、日本大米以及我國東北地區的五常大米等。但其實,近年來我國培育了不少水稻新品種,而且在高產和優質方面達到國際領先水平。

  比如,中國水稻研究所胡培松院士團隊選育的“華浙優261”香型優質雜交稻,是優質高產高效廣適性新品種,達到農業行業《食用稻品種品質》標準一級。“華浙優261”產量高,最大的優勢是米質優,整精米率達到70%以上,稻米細長透亮,食味好。錢前院士團隊選育的“嘉禾優7245”粳型三系雜交水稻品種,味道軟糯彈香滑,還具有產量高、抗稻瘟、抗飛虱等優點。

  “最近太湖流域培育的軟米,也基本能夠接近日本的大米。中國水稻研究所和湖南農科院、廣東農科院選育的秈米,有些品種已經達到泰國香米的味道。”萬建民說,與小麥一樣,我國生產上應用的水稻品種全部為國產自育。

  記者了解到,在水稻育種基礎研究方面,我國取得突破性進展。比如,中國農科院通過建立功能基因組學、蛋白組學、代謝組學等研究平臺,成功解析水稻產量、外觀、柱形和抗性等重要性狀形成的分子基礎,建立了“分子模塊”到“設計型品種”的現代生物技術育種創新體系,整體處于國際領先水平。

  在雜交水稻種子研究方面,也有重大突破。雜交水稻存在一個長期未解決的難題,因為其種子優勢無法固定,所以必須每年進行制種,導致種子價格要比常規種子貴很多,限制了雜交水稻的進一步推廣。中國水稻研究所利用基因編輯技術,首次建立了可固定雜交種子優勢的水稻無融合生殖體系,成功獲得雜交水稻的克隆種子。這項種子克隆技術可顯著降低作物的生產成本,保障糧食安全。

  玉米 自育品種面積提高到90%以上

  玉米在明朝時期從南美傳入中國,經過數百年的發展,已成為我國第一大糧食作物。“十三五”期間,我國玉米產量占糧食作物39.3%,單產由2015年的393公斤提高到2020年的421公斤。

  “玉米產業的蓬勃發展得益于新品種培育不斷突破,自育品種面積提高到90%以上,優質專用、綠色高效品種大幅度增加。”萬建民說。

  由于我國并非玉米的起源地,因此玉米種質資源(又稱遺傳資源,指生物體親代傳遞給子代的遺傳物質,往往存在于特定品種之中)的豐富程度與一些國家有差距。相比小麥和水稻品種全部實現國產自育,我國玉米自育品種的比例要低得多。國家玉米產業技術體系首席專家李新海透露:“五年前,跨國公司選育的玉米品種占我國玉米播種面積比例達到15%。”

  但是,對于玉米育種研究,我們不甘落后。在玉米育種基礎與應用基礎研究領域,中國農科院開展了玉米種質資源保護與創新研究,創新基因編輯、轉基因、全基因組選擇等遺傳改良技術,驅動玉米種業新發展。

  記者了解到,中國農科院建立了我國玉米種質資源安全保護體系,安全保存3萬余份種質資源。通過研究,闡明了我國玉米種質資源遺傳多樣性,揭示了現代玉米育種過程全基因組選擇與遺傳改良規律;成功克隆了多個與玉米株型建成、耐密性、耐鹽、抗粗縮病與抗倒伏性緊密相關的基因,并闡明了遺傳機制;開發從基因組DNA序列預測基因表達調控模式的人工神經網絡模型,為實現人工智能輔助定向育種奠定基礎。

  “十三五”期間,中國農科院育成“中單123”“中單685”“中玉303”“中單111”等高產抗逆宜機收新品種10個。比如,“中單111”表現出早熟、抗倒、落粒損失率低等優勢,在新疆奇臺創畝產超過1570公斤。中國農科院還構建了以密植增穗增產、高質量群體構建、病蟲害綠色防控、機械粒收與全程機械化作業、秸稈還田為主的玉米密植高產全程機械化綠色技術體系,2020年創畝產1663.25公斤新紀錄。

  大豆 在生長環境惡化下實現增產

  與小麥、水稻和玉米相比,大豆的境遇沒那么好。“好地給了小麥和水稻,碎一點的地給了玉米,最差的給了大豆。”國家大豆產業技術體系崗位專家吳存祥坦言。

  由于耕地資源和水資源有限,為保障口糧絕對安全,我國在糧食作物的布局上優先保障小麥、水稻和玉米,導致大豆種植“朝邊緣地方轉移”。“十二五”期間,我國適宜大豆種植的東北地區中南部和黃淮海地區中北部大豆面積嚴重萎縮,而光溫條件較差的東北北部高寒地區和旱澇嚴重、土壤板結的黃淮海南部成為新的大豆集中產區,大豆生產的立地條件(指植物生存需要的土壤、水分、氣候、空間組合而成的外部環境)明顯惡化。

  產量的高低和立地條件的好壞有直接關系,大豆生長環境變得惡劣,產量還能增長嗎?

  能!2020年,我國大豆平均畝產132.4公斤,比2016年提高11.0%。“在主產區立地條件欠佳的不利形勢下,大豆單產水平的提高,得益于科技進步。”萬建民說。

  目前,中國農科院作科所的國家種質庫保存了世界上最多的大豆種質資源。該所深入開展大豆優異種質挖掘、創新與利用攻關,取得顯著成效。比如,在大豆育種基礎研究方面,該所與華南農業大學開展合作,克隆了研究者們尋覓了近半個世紀的大豆長童期基因J,找到了改良大豆短日高溫適應能力的分子靶點。這為中高緯度地區的優良大豆品種改造提供了技術途徑,對發展低緯度地區大豆生產、拓展大豆品種種植區域、提高植物蛋白保障能力具有重大意義。

  萬建民介紹,“十三五”期間,“合農95”“黑農84”“綏農44”“齊黃34”等大豆新品種的選育及大面積推廣種植,同時大壟密植、淺埋滴管、免耕覆秸等技術模式不斷成熟,良種良法結合刷新小面積高產紀錄,創造大面積高產典型。比如,“中黃37”蛋白質含量高、籽粒大,成為黃淮海地區主栽品種之一;“中黃30”抗旱耐蔭,成為西北地區主栽品種;“中黃901”早熟高產,抗大豆灰斑病,適宜東北北部種植;“中黃39”適宜種植區域從北緯20度到40度,是我國種植區域緯度跨度最大的大豆品種。

  記者手記

  仍需打好“種業翻身仗”

  除了小麥、水稻、玉米和大豆,我國還選育出了中谷系列谷子、中綠系列綠豆、中紅系列紅小豆等雜糧新品種。比如,雜交谷子“中雜16”增產都達到15%以上;小米新品種“中谷2”大大提高小米的品質,以前需要半個小時熬好的小米粥,現在只需要8到10分鐘就行。

  “作物重大新品種不斷涌現,引領我國主糧育種方向,支撐國家糧食安全。”萬建民說。

  不過,萬建民也指出,隨著人們需求的不斷變化,我國種業發展仍待提升。他以大米舉例說,糖尿病、腎臟病、高血壓患者等特殊人群對大米有特殊需求。比如,腎臟病患者由于腎機能衰竭,不能吃谷蛋白含量超過4%的大米。如果谷蛋白含量高,會引起尿中毒,因為他們無法像健康人那樣有效地消化蛋白。但是,普通人卻希望谷蛋白含量高一些,那樣營養蛋白更高。

  “如果我們能提供低谷蛋白的大米,至少可以減少腎臟病人透析的次數。”萬建民說,要根據不同人群的需求,培育不同的大米品種。

  未來的良種培育,在追求高產的基礎上,對品質和功能更加側重。萬建民指出,要加快培育環境友好、資源高效、優質和高附加值專用,以及適宜輕簡栽培和機械化生產方式等突破性作物新品種。重點培育優質綠色超級稻、優質功能水稻、優質節水小麥、抗赤霉病小麥、耐旱宜機收玉米、抗蟲耐除草劑玉米、優質蛋白玉米、高產高蛋白大豆、耐除草劑大豆等重大新品種。

  要實現這些目標,需要打一場“種業翻身仗”。萬建民說,在一些育種基礎研究和關鍵技術上,我國與發達國家仍有差距。比如,基因編輯技術原始專利大多被國外控制,有重要育種價值的重大基因比較缺乏等。

  “未來要加大對自主知識產權生物育種核心技術和產品的研發,在尊重科學和嚴格監管下開展生物育種產業化應用。”萬建民建議,以種業關鍵技術原始創新為目標,開展種源“卡脖子”技術攻關。

責編:蔣建國

深圳风采轩二期