劉秉華：與矮敗小麥結(jié)緣一生

文｜本刊編輯部

矮敗小麥是我國農(nóng)業(yè)科技界的一項開天辟地的、帶有重大自主創(chuàng)新性的科技成果。利用矮敗小麥開展輪回選擇育種，可以使數(shù)十個甚至上千個親本的基因進行大規(guī)模的反復(fù)重組，并不斷優(yōu)化，進而使群體得到改良，極大地提高育種效率。

早在20年前，中國雜交水稻技術(shù)就被世界糧農(nóng)組織列為解決世界上糧食短缺國家的首選技術(shù)，這項成果還獲得中國第一個“國家特等發(fā)明獎”。

然而，在育種技術(shù)家族中還有一個后起新秀，那就是——矮敗小麥育種技術(shù)。利用這一新種質(zhì)和新技術(shù)可使數(shù)十個小麥親本的優(yōu)異基因聚合到一個新品種之中，從而提高新品種的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病蟲、抗不良環(huán)境條件的水平，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗性三者的有機結(jié)合。這項技術(shù)對傳統(tǒng)小麥育種技術(shù)產(chǎn)生了革命性的影響，是繼雜交水稻之后，有望產(chǎn)生巨大經(jīng)濟和社會效益的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域又一重大科技成果。

談到這項育種技術(shù)，我們不得不從中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所小麥育種專家劉秉華說起。

完成“太谷核不育小麥”的基因定位

1979年，中國農(nóng)業(yè)科學院恢復(fù)研究生招生的第一年，正在河南鎮(zhèn)平縣教書的劉秉華，考取了育種專家、愛國華僑鄧景揚的研究生。在他讀研究生期間，遇上了一個從此結(jié)緣一生的研究課題——太谷核不育小麥。

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，可是在自然界尋找雄性完全不育的小麥比大海撈針還要艱難。

1972年5月的一天，山西省太谷縣郭家堡村農(nóng)民技術(shù)員高忠麗在麥田中發(fā)現(xiàn)了一株特殊小麥，它的雌蕊柱頭發(fā)達，雄花完全退化、敗育；小麥開花時，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。

如今已60多歲的高忠麗，還清晰地記得當時的情形：“1971年，當時太谷縣各大隊技術(shù)員，都在找小麥不育株，也確實找到了一些，但冬天種下去，第二年和正常小麥沒什么兩樣。1972年，他們都放棄了，我還在找。后來，我在太谷縣水秀鄉(xiāng)郭家堡村的幾百畝麥田里找到了一個不育株。這個株有四穗，我讓其中一穗自由授粉，一個套袋不授粉，兩個套袋拿其他小麥人工雜交授粉，收獲的果實種下去，得到了理想的效果?！?/p>

很長的時間里，高忠麗拿著由最初的那株小麥繁衍的后代，四面八方尋求支持，卻終因識者不多而暫時擱置。

利用矮敗小麥技術(shù)選育出來的第1個國審品種“輪選987”，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、綜合抗性好、適應(yīng)范圍廣，比對照品種平均增產(chǎn)14.6%。

一切都是機緣，終于，她等到了著名小麥遺傳育種家鄧景揚。1979年，鄧景揚經(jīng)過遺傳學分析后認為，這是一株世界上首次發(fā)現(xiàn)的由一個顯性雄性不育單基因控制的天然小麥突變體，在遺傳學上和育種學上具有重要利用價值，將其命名為“太谷核不育小麥”。

太谷核不育小麥的發(fā)現(xiàn)與鑒定引起了中央高層的重視，鄧小平親自作了批示，原國家科委主任方毅主持成立了全國的協(xié)作組，進行聯(lián)合攻關(guān)，希望早日把它廣泛用于育種上。

明確太谷核不育小麥的不育性受一對顯性基因控制以后，下一個重要研究課題就是確定這個基因在小麥21對染色體的哪一對上，完成基因定位不僅有理論意義，而且有重要應(yīng)用價值，這一個問題不解決，就難言有大的發(fā)展。之前，高忠麗等的研究，抽穗前無法知道哪些是可育與不育，是混合的，只有開花時才知道，不好利用，效率很低。

為克服這些問題，就要做標記，做標記，就要知道顯性基因在哪個位置，這就需要基因定位。當時還是研究生的劉秉華跟著老師鄧景揚一起，參與到這項科研工作中。太谷核不育小麥基因的定位并不是塊好啃的“甜餑餑”——由于它的基因性質(zhì)特殊，不能用常規(guī)方法定位。上世紀80年代初，基因定位在國際上屬前沿工作，國內(nèi)剛剛起步。特別是小麥雄性不育基因定位不能用常規(guī)方法，國內(nèi)外尚未進行過此類基因定位的先例。鄧景揚先后訪問了美國，英國，法國和國際小麥改良中心，向數(shù)位著名遺傳育種專家請教太谷核不育小麥基因定位法，但都沒得到明確答復(fù)。此時，劉秉華主動請纓承擔這一任務(wù)，要把自己的研究生論文定位在這個題目上。

劉秉華調(diào)動了自己全部的知識貯備，還翻譯了國內(nèi)外最新發(fā)表的有關(guān)論文，反復(fù)比較了各種定位的方法。專心研究這個題目的他連走路、吃飯、休息都在琢磨。一天，劉秉華在研究生集體宿舍靠窗的上鋪上，腦子里還在想基因定位問題。突然來了靈感，眼前一亮，為什么不用端體分析的方法？不妨試試，可以利用有關(guān)染色體的特殊行為進行分析，不僅解決了不育株只能做母本的問題，而且方法較單體分析更簡便易行。他急忙起來，把方案記了起來。

當時劉秉華很興奮，徹夜未眠，第二天一早就趕到實驗室，將這一好消息告訴了導(dǎo)師，導(dǎo)師將信將疑，前人沒有用過的方法能行嗎？雖然理論上可行，可是在短短的兩年時間內(nèi)，能完成嗎？不少疑問掛在導(dǎo)師臉上，劉秉華堅決的表示，一定按時完成任務(wù)。

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，劉秉華出人意料地用簡捷的方法，圓滿地完成了太谷核不育小麥的基因定位。國際上將此不育基因命名為Ms2。隨后召開了成果鑒定會，得到農(nóng)業(yè)部部長、著名科學家談家楨等領(lǐng)導(dǎo)和專家的肯定，此項成果最終獲國家科技發(fā)明二等獎，而劉秉華也成為中國植物遺傳研究會最年輕的委員。

然而，用染色體排除和端體分析一套新的定位程序和方法，將太谷核不育基因定位在4D染色體短臂上，這只是找到了太谷不育基因的住所。怎樣讓這個基因在麥田里一目了然，怎樣讓它容易識別？當時國內(nèi)一些搞同類研究的同行都沒有解決這個問題。

劉秉華回憶說：“當時我曾嘗試用藍粒性狀，解決太谷核不育的標記問題。”他做了大量太谷核不育小麥與藍粒小麥的雜交試驗，不育與藍粒有時連上了，后代又分開了，總是不能將二者緊密地連在一起。子粒顏色標記的理想并未實現(xiàn)。

不僅如此，隨著大田育種工作的繼續(xù)，太谷核不育小麥不能克服的缺點也顯現(xiàn)出來：必須在抽穗后才能人工分出不育與可育，而且輪回選擇群體株高逐年升高，費工耗時，也不利于小麥的遺傳優(yōu)化。

劉秉華陷入沉思。他想到了株高，能不能有一種辦法，讓這株小麥是矮個的，又是不育的？

讓不育和矮稈走到一起

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，是當時國內(nèi)幾個單位都感興趣的課題。按照一般規(guī)律，在雜交的幾百株里就應(yīng)該有一株新的類型，但是大家的研究實驗結(jié)果都不理想。在多次失敗后，有人下結(jié)論說，矮稈不育屬于“致死型”，不能生存，所以我們不可能得到。

劉秉華卻不以為然。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。在沒取得足夠的科研經(jīng)費之前，劉秉華決定自己先干起來。 1985年的下半年，劉秉華開始“獨立”。獨立之初，條件十分艱苦——在一間簡易的平房里，一臺普通顯微鏡，一臺冰箱，一個試驗臺，兩張辦公桌和一張作為烤種臺用的借來的床板，這成為他的全部家當。

搞一輪小麥雜交、測交要花3年時間，劉秉華的研究大概要經(jīng)過9年的培育期才會有結(jié)果。劉秉華自己翻地、耕地、播麥種，還要親自澆水、施肥。在小麥生長季節(jié)，每天天一亮他就到地里，一棵一棵地觀察、養(yǎng)育，一棵一棵地做標記、授粉；然后，他帶著記錄和標本回到實驗室，在顯微鏡下進行細胞學分析比對；下午他又下地，直到天黑。

劉秉華培育的第一輪小麥群體有321株，第二輪擴大到3824株，都沒能得到預(yù)想的矮稈不育小麥。經(jīng)歷一次次的失敗后，劉秉華絲毫沒有灰心。他反復(fù)審視了自己的設(shè)計方案，認為理論上完全可行。隨著地里的“孩子們”越長越多，他感到既定目標也越來越近。

隨著實驗群體的擴大，機遇終于出現(xiàn)了。種三輪按常規(guī)要9年時間，可劉秉華的巧妙設(shè)計把時間大大縮短。只用了5年時間，在第3輪的5216株小麥中，終于出現(xiàn)了一棵他們期待已久的矮稈不育株。在它的發(fā)育期，劉秉華親自授以豐產(chǎn)、抗倒抗病、節(jié)水耐旱的小麥品種的花粉；到了播種季節(jié)，他又親自將這個矮稈不育株結(jié)的235粒種子精心地撒向大地。又經(jīng)過8個月的漫長等待，在收獲的季節(jié)，劉秉華終于看到了期望的結(jié)果——它們的后代群體中分離出了矮稈不育株和非矮稈可育株。這兩種類型的株高區(qū)別非常明顯：高稈可育株極其容易向矮稈不育株授粉；而矮稈不育株就像一個花粉接受器，不用人工，就可以自然地接受高稈小麥的花粉并進行基因重組。為了進一步確定以上結(jié)果的穩(wěn)定性，下一年，劉秉華繼續(xù)給矮稈不育株授粉，結(jié)果又分離出一半矮稈不育株和一半高稈可育株。劉秉華欣喜若狂，從此，他得到了夢寐以求的具有矮稈基因標記的太谷核不育小麥——矮敗小麥。

矮敗小麥的研制成功，極大地提高了太谷核不育小麥的科學價值和應(yīng)用潛力。

創(chuàng)制“矮敗小麥”育種技術(shù)新體系

創(chuàng)制矮敗小麥的目的，不是為了矮敗小麥，而是以矮敗小麥為母本的小麥后代，方法固然好，若沒產(chǎn)出好的良種，那也不是好方法。劉秉華很清楚這個道理。

據(jù)劉秉華介紹，“矮敗小麥”不是一個具體的品種，而是一個育種工具，它就像一個良種加工廠、孵化器，育種材料通過它可以源源不斷地培育出滿足不同需求的新品種，實際上是為小麥育種研究提供一個先進成熟高效的技術(shù)平臺，適合在我國各大麥區(qū)應(yīng)用。

矮敗小麥是我國農(nóng)業(yè)科技界的一項開天辟地的、帶有重大自主創(chuàng)新性的科技成果。利用矮敗小麥開展輪回選擇育種，可以使數(shù)十個甚至上千個親本的基因進行大規(guī)模的反復(fù)重組，并不斷優(yōu)化，進而使群體得到改良，極大地提高育種效率。矮敗小麥群體相當于一個小麥新品種選育的生產(chǎn)車間，應(yīng)用這個育種平臺，今后可以成批量生產(chǎn)小麥新品種，可比常規(guī)小麥育種方法提高功效上百倍，是我國小麥育種技術(shù)研究的革命性突破。

劉秉華帶領(lǐng)的課題組一反傳統(tǒng)的“人工去雄授粉”方法，成功地創(chuàng)制了低成本高效率的“矮敗小麥”育種技術(shù)新體系。這樣的矮敗小麥育種群體，就像新品種的“加工廠”和“孵化器”，從中可以持續(xù)不斷地選育出各具特色的小麥新品種。用這個新體系育種，解決了許多傳統(tǒng)育種方法難以解決的矛盾，比如高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)、矮稈與高產(chǎn)等等，矮敗小麥已經(jīng)顯示出孕育大面積畝產(chǎn)600公斤的“超級小麥”遠大前景。

2003年，在國家小麥新品種的展示中，北京試點有42個品種參加，在產(chǎn)量位居前10名的品種中，前3名都是用矮敗小麥技術(shù)選育出來的；用矮敗小麥技術(shù)選育出來的品種在前10名中占了一半。

常規(guī)育種技術(shù)選育出來的品種一般能增產(chǎn)3%～5%；而利用矮敗小麥技術(shù)選育出來的第1個國審品種“輪選987”，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、綜合抗性好、適應(yīng)范圍廣，比對照品種平均增產(chǎn)14.6%；在淮海農(nóng)場農(nóng)科所國家試驗點的畝產(chǎn)，破紀錄地達到715公斤。

2003年京、津、唐地區(qū)的小麥白粉病發(fā)病嚴重，不少品種大面積倒伏，輪選987不僅沒有感染病害，而且表現(xiàn)了良好的抗倒伏性。同年7月15日，農(nóng)業(yè)部組織召開“矮敗小麥創(chuàng)制與高效育種新體系”成果鑒定會，李振聲院士、莊巧生院士等高度評價矮敗小麥“創(chuàng)新性強，使用效果好，發(fā)展?jié)摿Υ蟆薄ｈb定會鑒定矮敗小麥是“獨特的遺傳資源，屬國際首創(chuàng)，整體上達到了國際領(lǐng)先水平”。

2005年6月10日，中國農(nóng)業(yè)科學院院長翟虎渠在北京順義區(qū)的“矮敗小麥輪選987”觀摩現(xiàn)場宣布：“中國農(nóng)業(yè)科學院創(chuàng)制的矮敗小麥育種平臺，可開展輪回選擇育種，可以使數(shù)十個甚至上千個親本的基因進行大規(guī)模的反復(fù)重組，并不斷優(yōu)化，進而使群體得到改良。應(yīng)用這個育種平臺，選育出優(yōu)良品種的概率明顯增加，可比常規(guī)小麥育種方法提高功效上百倍。”“十五”期間，全國利用矮敗小麥育種平臺共選育出10多個省級以上審定的優(yōu)良小麥品種，有50多個品系正在參加國家、?。ㄊ校﹨^(qū)域試驗；累計推廣2000多萬畝，創(chuàng)經(jīng)濟效益15億元以上。

矮敗小麥的問世，是小麥遺傳育種史上重要的里程碑，它標志著我國小麥育種技術(shù)獲重大突破。矮敗小麥不但適用于我國的不同生態(tài)區(qū)域，也同屬于地球村。它一旦推廣，帶來的將是全世界小麥育種的革命性轉(zhuǎn)變。由小麥遺傳育種的5名院士參加的鑒定委員會認為，矮敗小麥“這個獨特的遺傳資源屬國際首創(chuàng)”，“該項成果創(chuàng)新性強，實用效果好，發(fā)展?jié)摿Υ?，整體處于國際領(lǐng)先水平?！?/p>

矮敗小麥的問世，是小麥遺傳育種史上重要的里程碑，它標志著我國小麥育種技術(shù)獲重大突破。

矮敗小麥將走得更遠

今年1月14日，國家科學技術(shù)獎勵大會在北京召開。劉秉華等來了這項遲到的大獎：矮敗小麥育種技術(shù)獲得國家科技進步一等獎，他是第一完成人。

當他接過2010年度國家科學技術(shù)獎勵大會科技進步一等獎的大紅證書時，感慨萬千——“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畢生的心血，值得！”這就是中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所小麥育種專家、博士生導(dǎo)師劉秉華研究員的獲獎感言。

得知劉秉華獲獎的消息后，他的研究團隊，很多人都流出了激動的淚水，但劉秉華一如往常，依舊日出而作，日落而歸，忙忙碌碌。實際上，現(xiàn)在新鄉(xiāng)國家矮敗小麥育種技術(shù)中心的年輕員工們，沒誰比他跑得快?！八粊碇行木皖I(lǐng)我們下地，一圈又一圈，我們腿都拖不動了，他還蠻有勁兒?！庇N中心的負責人位運糧說。

談到未來的計劃和目標，劉秉華說：“我們搞科研的宗旨就是要創(chuàng)新，目的就是為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，為農(nóng)民增收服務(wù)。為了這個目標，我要繼續(xù)做下去，不斷完善成果，使它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更大作用。當然，我還有一個夢想，就是要把這個成果推廣到世界上去，讓全人類共享我們中國人的科研成果?！?/p>