糧食“十七連豐”背后的育種科技
2021-01-21 10:37:52
來源：光明日報
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113億斤，這是2020年我國糧食生產(chǎn)比上一年增加的產(chǎn)量，實現(xiàn)“十七連豐”。這樣的成果并不容易，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院近日公布的一組數(shù)據(jù)顯示：我國小麥2020年播種面積比2011年減少2700萬畝，但產(chǎn)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(chǎn)量增加897.7萬噸。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都需要科技的助力。其中，良種培育是至為關(guān)鍵的一環(huán)。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(chǎn)量和品質(zhì)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(chǎn)品種全部為國產(chǎn)自育
我國是世界上最大的小麥生產(chǎn)國和消費國。“小麥連續(xù)六年總產(chǎn)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(nóng)科院作物科學(xué)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(xiàn)1.7億噸的產(chǎn)量，那就要求我們每年產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)(平均畝產(chǎn))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(xiàn)的？
要想產(chǎn)量好，首先必須得種子好。據(jù)萬建民介紹，“十三五”期間，中國農(nóng)科院圍繞小麥全產(chǎn)業(yè)鏈開展了“藏糧于技”重大科研任務(wù)，新育成一批具有國際領(lǐng)先水平的小麥新品種。而且，我國小麥生產(chǎn)品種全部為國產(chǎn)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(qū)域?qū)彾ǖ乃导嬗眯推贩N，實現(xiàn)了我國冬小麥育種的新突破，是北部冬麥區(qū)推廣面積最大的品種；“中麥5051”破解了北方麥區(qū)強筋小麥不抗寒、節(jié)水小麥不優(yōu)質(zhì)的難題，畝產(chǎn)達到551公斤；“中麥578”在2020年河南省焦作市實打驗收，畝產(chǎn)達到841.5公斤，創(chuàng)下黃淮麥區(qū)強筋小麥高產(chǎn)紀錄。
培育一個新品種，需要做許多基礎(chǔ)研究，如基因研究等。近年來，我國小麥育種基礎(chǔ)研究取得許多突破。比如，中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所首次攻克利用冰草屬優(yōu)異基因改良小麥的國際難題，創(chuàng)制了一批多粒、廣譜抗病性強且產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)基因、基因編輯以及分子育種技術(shù)等方面，中國農(nóng)科院與歐美發(fā)達國家保持同步，部分領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。所謂分子育種，是指將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于育種，在分子水平上進行育種。近年來，中國農(nóng)科院完成了小麥基因組660K芯片構(gòu)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(tǒng)育種到分子育種，提升育種技術(shù)。”中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所所長、中國科學(xué)院院士錢前說。
對于未來小麥新品種設(shè)計，劉錄祥呼吁加大重大科學(xué)設(shè)施的支撐。他認為，要從基礎(chǔ)資源的深度解析、優(yōu)異基因的深度挖掘和重大戰(zhàn)略品種的設(shè)計這三個目標去謀劃小麥品種研究的科學(xué)設(shè)施。通過科學(xué)設(shè)施支撐，爭取每年有一些戰(zhàn)略性的基因資源和新品種的產(chǎn)出。
水稻 品種培育兼顧優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)
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(jīng)常遇到米飯的味道太差，很難接受；但現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(jié)論：中國的水稻品種培育由以往單一的追求單產(chǎn)的提升，已經(jīng)向品質(zhì)改良的方向發(fā)展。也就是說，優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)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(yōu)質(zhì)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(qū)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(chǎn)和優(yōu)質(zhì)方面達到國際領(lǐng)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(yōu)261”香型優(yōu)質(zhì)雜交稻，是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效廣適性新品種，達到農(nóng)業(yè)行業(yè)《食用稻品種品質(zhì)》標準一級。“華浙優(yōu)261”產(chǎn)量高，最大的優(yōu)勢是米質(zhì)優(yōu)，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(yōu)7245”粳型三系雜交水稻品種，味道軟糯彈香滑，還具有產(chǎn)量高、抗稻瘟、抗飛虱等優(yōu)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(nóng)科院、廣東農(nóng)科院選育的秈米，有些品種已經(jīng)達到泰國香米的味道。”萬建民說，與小麥一樣，我國生產(chǎn)上應(yīng)用的水稻品種全部為國產(chǎn)自育。
記者了解到，在水稻育種基礎(chǔ)研究方面，我國取得突破性進展。比如，中國農(nóng)科院通過建立功能基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等研究平臺，成功解析水稻產(chǎn)量、外觀、柱形和抗性等重要性狀形成的分子基礎(chǔ)，建立了“分子模塊”到“設(shè)計型品種”的現(xiàn)代生物技術(shù)育種創(chuàng)新體系，整體處于國際領(lǐng)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(yōu)勢無法固定，所以必須每年進行制種，導(dǎo)致種子價格要比常規(guī)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(shù)，首次建立了可固定雜交種子優(yōu)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(shù)可顯著降低作物的生產(chǎn)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(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展，已成為我國第一大糧食作物。“十三五”期間，我國玉米產(chǎn)量占糧食作物39.3%，單產(chǎn)由2015年的393公斤提高到2020年的421公斤。
“玉米產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)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(yōu)質(zhì)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(zhì)資源(又稱遺傳資源，指生物體親代傳遞給子代的遺傳物質(zhì)，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(xiàn)國產(chǎn)自育，我國玉米自育品種的比例要低得多。國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，中國農(nóng)科院開展了玉米種質(zhì)資源保護與創(chuàng)新研究，創(chuàng)新基因編輯、轉(zhuǎn)基因、全基因組選擇等遺傳改良技術(shù)，驅(qū)動玉米種業(yè)新發(fā)展。
記者了解到，中國農(nóng)科院建立了我國玉米種質(zhì)資源安全保護體系，安全保存3萬余份種質(zhì)資源。通過研究，闡明了我國玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性，揭示了現(xiàn)代玉米育種過程全基因組選擇與遺傳改良規(guī)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(guān)的基因，并闡明了遺傳機制；開發(fā)從基因組DNA序列預(yù)測基因表達調(diào)控模式的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為實現(xiàn)人工智能輔助定向育種奠定基礎(chǔ)。
“十三五”期間，中國農(nóng)科院育成“中單123”“中單685”“中玉303”“中單111”等高產(chǎn)抗逆宜機收新品種10個。比如，“中單111”表現(xiàn)出早熟、抗倒、落粒損失率低等優(yōu)勢，在新疆奇臺創(chuàng)畝產(chǎn)超過1570公斤。中國農(nóng)科院還構(gòu)建了以密植增穗增產(chǎn)、高質(zhì)量群體構(gòu)建、病蟲害綠色防控、機械粒收與全程機械化作業(yè)、秸稈還田為主的玉米密植高產(chǎn)全程機械化綠色技術(shù)體系，2020年創(chuàng)畝產(chǎn)1663.25公斤新紀錄。
大豆 在生長環(huán)境惡化下實現(xiàn)增產(chǎn)
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(chǎn)業(yè)技術(shù)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(yōu)先保障小麥、水稻和玉米，導(dǎo)致大豆種植“朝邊緣地方轉(zhuǎn)移”。“十二五”期間，我國適宜大豆種植的東北地區(qū)中南部和黃淮海地區(qū)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(qū)和旱澇嚴重、土壤板結(jié)的黃淮海南部成為新的大豆集中產(chǎn)區(qū)，大豆生產(chǎn)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(huán)境)明顯惡化。
產(chǎn)量的高低和立地條件的好壞有直接關(guān)系，大豆生長環(huán)境變得惡劣，產(chǎn)量還能增長嗎？
能！2020年，我國大豆平均畝產(chǎn)132.4公斤，比2016年提高11.0%。“在主產(chǎn)區(qū)立地條件欠佳的不利形勢下，大豆單產(chǎn)水平的提高，得益于科技進步。”萬建民說。
目前，中國農(nóng)科院作科所的國家種質(zhì)庫保存了世界上最多的大豆種質(zhì)資源。該所深入開展大豆優(yōu)異種質(zhì)挖掘、創(chuàng)新與利用攻關(guān)，取得顯著成效。比如，在大豆育種基礎(chǔ)研究方面，該所與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(yīng)能力的分子靶點。這為中高緯度地區(qū)的優(yōu)良大豆品種改造提供了技術(shù)途徑，對發(fā)展低緯度地區(qū)大豆生產(chǎn)、拓展大豆品種種植區(qū)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(nóng)95”“黑農(nóng)84”“綏農(nóng)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(shù)模式不斷成熟，良種良法結(jié)合刷新小面積高產(chǎn)紀錄，創(chuàng)造大面積高產(chǎn)典型。比如，“中黃37”蛋白質(zhì)含量高、籽粒大，成為黃淮海地區(qū)主栽品種之一；“中黃30”抗旱耐蔭，成為西北地區(qū)主栽品種；“中黃901”早熟高產(chǎn)，抗大豆灰斑病，適宜東北北部種植；“中黃39”適宜種植區(qū)域從北緯20度到40度，是我國種植區(qū)域緯度跨度最大的大豆品種。
記者手記
仍需打好“種業(yè)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(chǎn)都達到15%以上；小米新品種“中谷2”大大提高小米的品質(zhì)，以前需要半個小時熬好的小米粥，現(xiàn)在只需要8到10分鐘就行。
“作物重大新品種不斷涌現(xiàn)，引領(lǐng)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(yè)發(fā)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(yǎng)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(shù)。”萬建民說，要根據(jù)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(chǎn)的基礎(chǔ)上，對品質(zhì)和功能更加側(cè)重。萬建民指出，要加快培育環(huán)境友好、資源高效、優(yōu)質(zhì)和高附加值專用，以及適宜輕簡栽培和機械化生產(chǎn)方式等突破性作物新品種。重點培育優(yōu)質(zhì)綠色超級稻、優(yōu)質(zhì)功能水稻、優(yōu)質(zhì)節(jié)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(yōu)質(zhì)蛋白玉米、高產(chǎn)高蛋白大豆、耐除草劑大豆等重大新品種。
要實現(xiàn)這些目標，需要打一場“種業(yè)翻身仗”。萬建民說，在一些育種基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)上，我國與發(fā)達國家仍有差距。比如，基因編輯技術(shù)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(chǎn)權(quán)生物育種核心技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，在尊重科學(xué)和嚴格監(jiān)管下開展生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。”萬建民建議，以種業(yè)關(guān)鍵技術(shù)原始創(chuàng)新為目標，開展種源“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)。
(本報記者 陳海波）
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