麥田里的守望者
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本刊記者/王圣媛 吳浪

麥田里的守望者
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本刊記者/王圣媛 吳浪

糧食問(wèn)題始終是關(guān)系我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全面建設(shè)小康社會(huì)的重大戰(zhàn)略性問(wèn)題。確保糧食安全是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展永恒的主題，是我國(guó)農(nóng)業(yè)科技工作的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略任務(wù)。糧食安全必須通過(guò)擴(kuò)大自主生產(chǎn)能力的途徑來(lái)保證。小麥作為我國(guó)第二大糧食作物，其生產(chǎn)能力的高低直接關(guān)系到我國(guó)糧食安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在耕地銳減的嚴(yán)峻形勢(shì)下，培育有突破性的小麥新品種來(lái)大幅度提高小麥單產(chǎn)，以提高單產(chǎn)來(lái)穩(wěn)定和提高小麥總產(chǎn)是我國(guó)小麥生產(chǎn)面臨的迫切任務(wù)，而向依靠科技進(jìn)行育種技術(shù)的創(chuàng)新是培育小麥超高產(chǎn)優(yōu)良品種的關(guān)鍵。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師劉秉華，利用遺傳育種技術(shù)，歷經(jīng)數(shù)年成功研制矮敗小麥及其高效育種技術(shù)新體系，樹(shù)立了小麥遺傳育種史上重要的里程碑，使我國(guó)小麥育種技術(shù)研究實(shí)現(xiàn)了革命性突破。這位“麥田守望者”在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院原院長(zhǎng)翟虎渠等領(lǐng)導(dǎo)的支持下，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)推出的“矮敗小麥及其高效育種方法的創(chuàng)建與應(yīng)用”榮獲2010年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這項(xiàng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際領(lǐng)先的創(chuàng)新成果曾被“綠色革命之父”、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布勞格博士譽(yù)為“小麥育種的革命”。

發(fā)現(xiàn)小麥基因定位新方法

矮敗小麥?zhǔn)侵妇哂邪捇驑?biāo)記的太谷核不育小麥。為我國(guó)特有的遺傳資源，其創(chuàng)制者就是劉秉華。

1979年，從河南鄢陵農(nóng)村走出來(lái)的劉秉華考取了中國(guó)農(nóng)科院作物所作物遺傳育種專(zhuān)業(yè)的研究生，師從國(guó)內(nèi)外知名育種科學(xué)家、法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院外籍院士鄧景揚(yáng)研究員。

當(dāng)時(shí)，我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了后來(lái)被稱(chēng)之為“國(guó)寶”的“太谷核不育小麥”。這種特殊小麥的雌蕊柱頭發(fā)達(dá)，雄花完全退化、敗育，開(kāi)花時(shí)穎殼張開(kāi)角度大，柱頭外露，便于接受外來(lái)花粉，異交結(jié)實(shí)率很高。雄性不育品種是進(jìn)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(duì)象。鄧景揚(yáng)等通過(guò)遺傳分析，明確了太谷核不育小麥的不育性受一個(gè)顯性單基因所控制，這是個(gè)我國(guó)科研人員在世界上首次發(fā)現(xiàn)的小麥顯性雄性不育天然突變體。但由于太谷核不育小麥基因性質(zhì)特殊，不能用常規(guī)方法進(jìn)行基因定位，癡迷遺傳學(xué)的劉秉華決定以此作為自己的研究生論文題目。

有了明確的定位和目標(biāo)，劉秉華就鉚足了勁開(kāi)始干起來(lái)。他運(yùn)用自身已有知識(shí)，查閱大量資料，仔細(xì)思考研究，終于想到了用顯微鏡觀察染色體，根據(jù)外部表現(xiàn)和染色體的行為進(jìn)行綜合分析定位的方法。經(jīng)過(guò)溫室和異地加代的回交種植以及對(duì)數(shù)千株太谷核不育小麥的細(xì)胞學(xué)檢測(cè)和遺傳分析，劉秉華創(chuàng)立了小麥顯性核不育基因定位新方法，即以四倍體(AABB)硬粒小麥和二倍體(AA)一粒小麥為輪回父本，與太谷核不育小麥(AABBDD)雜交并連續(xù)回交，根據(jù)回交后代育性分離比率變化，確定太谷核不育基因Ms2所在的染色體組；又經(jīng)過(guò)端體分析，成功定位太谷核不育基因。

他的這項(xiàng)研究成果，立即在國(guó)內(nèi)通過(guò)最高學(xué)術(shù)權(quán)威的鑒定；還被國(guó)際基因組織認(rèn)可并登記，刊登于國(guó)際權(quán)威的植物育種刊物，同時(shí)作為大學(xué)教材給學(xué)生講授。

創(chuàng)造矮敗小麥

雖然成功定位了太谷核不育基因，但是劉秉華的研究之路還很遙遠(yuǎn)，因?yàn)楹芏嘌芯咳藛T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都沒(méi)有成功，他希望能給太谷核不育小麥做“不育基因標(biāo)記”，使其真正成為作物群體改良和大規(guī)模生產(chǎn)雜交種的便利工具。

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(lèi)型。于是，為打破高稈與雄性敗育的緊密連鎖，獲得矮稈與雄性敗育的重組類(lèi)型，劉秉華將測(cè)交后代群體由第一輪的321株，先后擴(kuò)大到3248株和5216株。經(jīng)歷一次次的失敗后，劉秉華絲毫沒(méi)有灰心。終于，經(jīng)過(guò)大量細(xì)致的表型鑒定和細(xì)胞學(xué)研究，他從累計(jì)8785株群體中發(fā)現(xiàn)1株顯性不育基因Ms2與顯性矮稈基因Rht10緊密連鎖在一起的重組體，表現(xiàn)為既矮稈又雄性不育的植株。其后代群體中分離出了矮稈不育株和非矮稈可育株。該矮稈不育株授以非矮稈品種的花粉，其后代的矮稈株表現(xiàn)雄性不育，非矮稈株表現(xiàn)正?？捎?，二者的分離比為1:1。由于矮稈株總是表現(xiàn)雄性敗育，因此這種具有矮稈基因標(biāo)記的太谷核不育小麥被命名為“矮敗小麥”。

矮敗小麥具有以下特點(diǎn)：不育基因與矮稈基因緊密連鎖；易于鑒別不育與可育；利于提高異交結(jié)實(shí)率；避免輪選群體植株逐輪升高；集異花授粉與自花授粉的特性于一體；是一種高效的育種工具。

輪回選擇技術(shù)助育種

研究小麥育種的人都知道，小麥輪回選擇育種技術(shù)能創(chuàng)造豐富的遺傳變異，實(shí)現(xiàn)包括主效基因和數(shù)目眾多的微效基因的持續(xù)優(yōu)化與重組；能打破不良基因的連鎖，通過(guò)基因重組獲得最佳的基因型組合。再加之小麥輪回選擇群體大，變異類(lèi)型多，提供了充分的選擇機(jī)會(huì)，為選育突破性新品種打下了堅(jiān)實(shí)的遺傳基礎(chǔ)，因而容易選育出復(fù)合育種目標(biāo)的新品種。但其關(guān)鍵是必須有便于開(kāi)展小麥輪回選擇的工具。矮敗小麥繼承了太谷核不育小麥雄性敗育徹底、不育性穩(wěn)定，異交結(jié)實(shí)率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少了鑒定育性的大量勞動(dòng)，避免輪選群體株高漸升的弊端，是理想的輪回選擇工具。

作為矮敗小麥的創(chuàng)制者，劉秉華研究員帶領(lǐng)的課題組經(jīng)過(guò)10多年的反復(fù)實(shí)踐與探索，將20份不同遺傳背景的矮敗小麥，按照一定比例，組成遺傳基礎(chǔ)豐富的輪回選擇基礎(chǔ)群體，并研究出一套方便實(shí)用且相對(duì)量化的輪回選擇技術(shù)。該技術(shù)核心內(nèi)容是通過(guò)輪選群體花粉源選擇與控制，以及矮稈不育株分期多次選擇，不斷優(yōu)化父本與母本；通過(guò)父本(輪選群體內(nèi)非矮稈可育株、優(yōu)異種質(zhì)、選種圃?xún)?yōu)良植株等)與母本(矮稈不育株)雜交，實(shí)現(xiàn)基因的大規(guī)模交流與重組。收獲矮稈不育株上得到優(yōu)化的雜交種，組成新一輪群體。循環(huán)往復(fù)，不斷優(yōu)化群體遺傳結(jié)構(gòu)和個(gè)體基因型，持續(xù)進(jìn)行優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)制和新品種選育。每輪群體都是由上一輪群體的矮稈不育株異交種子混合而成，其遺傳構(gòu)成的一半來(lái)自矮稈不育株(母本)，另一半來(lái)自給矮稈不育株授粉的父本。因此，保證矮稈不育株(母本)和花粉供體(父本)的遺傳質(zhì)量，是輪回選擇成敗的關(guān)鍵。同時(shí)，他還利用矮敗小麥和輪選技術(shù)，首先建成高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗等類(lèi)型的動(dòng)態(tài)基因庫(kù)，不斷選育有關(guān)性狀突出的優(yōu)異種質(zhì)。

傳統(tǒng)的雜交育種，靠人工去雄授粉配制雜交組合，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率較低。將優(yōu)異種質(zhì)和各生態(tài)區(qū)大面積推廣品種轉(zhuǎn)育成矮敗小麥，進(jìn)行單交、復(fù)交、階梯雜交等，采用矮敗小麥輪回育種技術(shù)選育出的品種能將高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和多抗協(xié)調(diào)地融為一體，顯示出矮敗小麥育種技術(shù)的高效性。

劉秉華及其課題組通過(guò)輪回選擇和試驗(yàn)，打破不利遺傳連鎖，協(xié)調(diào)基因互作關(guān)系，聚合有益基因，有效解決高產(chǎn)與多抗、高產(chǎn)與廣適、矮稈與高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)等諸多矛盾，育成一批突破性小麥新品種。如利用矮敗小麥高效育種方法育成輪選系列、川麥系列等超高產(chǎn)新品種；通過(guò)冬春雜交，構(gòu)建矮敗小麥輪選群體，育成淮麥系列等高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、廣適新品種；利用20份優(yōu)異種質(zhì)構(gòu)建優(yōu)質(zhì)抗病矮敗小麥輪選群體，經(jīng)過(guò)連續(xù)幾輪“選擇——互交”，使群體得到改良，從中選育出優(yōu)質(zhì)弱筋新品種豫麥50；利用矮敗小麥輪選技術(shù)育成中旱110等抗旱節(jié)水品種等。

劉秉華教授給意大利記者講解矮敗小麥

劉秉華教授觀察矮敗小麥育成的新品種

矮敗小麥育種技術(shù)在小麥育種上的廣泛應(yīng)用，將對(duì)小麥育種學(xué)科發(fā)展產(chǎn)生具有歷史意義的深遠(yuǎn)影響?！斑@是國(guó)家頒給廣大農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)線所有工作者的榮譽(yù)，體現(xiàn)了黨對(duì)‘三農(nóng)’工作的重視與關(guān)愛(ài)。也說(shuō)明農(nóng)業(yè)的進(jìn)步必須依靠科技進(jìn)步來(lái)支撐。雖然我為這個(gè)項(xiàng)目付出了多年的心血，值得！”獲得2010年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)時(shí)，劉秉華研究員的一番獲獎(jiǎng)感言表達(dá)了他對(duì)農(nóng)業(yè)科技工作的無(wú)限熱忱！