雜交小麥育種與產(chǎn)業(yè)化

江亭

小麥?zhǔn)俏覈钪匾目诩Z之一，小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到國家糧食安全和社會穩(wěn)定。在我國三大主糧中，雜交水稻和雜交玉米都成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而小麥雜交育種受基因組復(fù)雜性所限，難度大、成本高，研究進展相對緩慢。近幾年，我國科學(xué)家對小麥雜交育種的研究取得了突破性進展，實現(xiàn)了小麥雜種優(yōu)勢利用研究由“跟跑者”向“引領(lǐng)者”的全面躍升，隨著雜交小麥技術(shù)的推廣，未來10年將是我國雜交小麥產(chǎn)業(yè)推進、實現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要機遇期。

關(guān)鍵詞：雜交小麥;雜交育種;小麥產(chǎn)業(yè)化

我國是世界上最大的小麥生產(chǎn)國和消費國，小麥產(chǎn)量常年穩(wěn)定在1.25億—1.35億噸，年度之間面積波動不大，主產(chǎn)區(qū)主要集中在黃淮海地區(qū)。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年國內(nèi)小麥總產(chǎn)量1.34億噸，同比增加65.5萬噸，處于歷史較高水平。小麥國家工程實驗室主任、國家小麥良種重大科研聯(lián)合攻關(guān)專家委員會首席專家許為鋼表示，按行政區(qū)劃來看，河南省是全國乃至全世界最大的小麥主產(chǎn)區(qū)，小麥的平均單產(chǎn)達(dá)441公斤以上，高于全國水平，與世界最高單產(chǎn)的法國、荷蘭、意大利等歐洲國家處于同一方陣，這樣的成果與育種技術(shù)的提升密不可分。

20多年來，我國小麥育種在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病等方面實現(xiàn)了全面提升，尤其是在高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水等特性和外源基因?qū)?、育種平臺建設(shè)方面取得了重大進步。在雜交育種方面，過去5年，中國科學(xué)家不斷攻克雜交小麥的技術(shù)壁壘，北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研發(fā)團隊率先打通了以原創(chuàng)二系法為核心的雜交小麥全產(chǎn)業(yè)鏈，加速推進雜交小麥產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，引領(lǐng)了世界雜交小麥研究與應(yīng)用的發(fā)展方向。北京市農(nóng)林科學(xué)院研究員，北京雜交小麥工程技術(shù)研究中心主任、首席專家趙昌平表示，經(jīng)過幾十年自主創(chuàng)新和不懈拼搏，中國科學(xué)家已經(jīng)占據(jù)了全球小麥雜種優(yōu)勢研發(fā)高地，牢牢把住了中國小麥高端種業(yè)主動權(quán)。

小麥雜交育種面臨的阻礙和技術(shù)突破

利用農(nóng)作物的雜種優(yōu)勢提高產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)核心科技之一。所謂雜交種，即通過雜交兩個親本得到的后代種子。雜交種充分利用了雜種優(yōu)勢效應(yīng)，可以提高生長勢，增強病蟲害抗性和提高產(chǎn)量。我國雜交水稻的成功種植讓國人擺脫饑餓困境，對解決世界糧食安全問題也有著重要意義，玉米的雜交育種技術(shù)研發(fā)也非常成功。目前，雜交玉米、雜交水稻相繼成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。但是，同為世界三大糧食作物之一的小麥，受基因組復(fù)雜性所限，曾一度在雜交育種上停滯不前。雜種優(yōu)勢利用是今后大幅度提高小麥生產(chǎn)水平的重要途徑，亦是世界百年科學(xué)難題，在2016年第七屆世界作物科學(xué)大會上被國際同行稱為作物科學(xué)領(lǐng)域的“最后的前沿”。

據(jù)預(yù)測，如果雜交小麥推廣應(yīng)用達(dá)到雜交水稻同等水平，我國每年可新增小麥產(chǎn)量約1200萬噸（按照中國小麥年總產(chǎn)量1.2億噸，10%增產(chǎn)來估算），將對保障國家糧食安全具有重大意義。

現(xiàn)有雜交小麥制種流程有個很大的瓶頸，就是制種成本很高，成為影響雜交小麥推廣的主要障礙之一。先正達(dá)集團北京創(chuàng)新中心科學(xué)家呂建表示，粗略統(tǒng)計，生產(chǎn)一畝雜交小麥品種的成本，是一畝雜交玉米或雜交水稻成本的10倍左右。雜交小麥的研發(fā)和推廣之路受限于昂貴的育種成本，其實根源在于小麥與水稻、玉米不同的物種特性。

據(jù)中國水稻研究所水稻生物學(xué)國家重點實驗室副主任王克劍解釋，雜交品種是父本和母本優(yōu)勢結(jié)合的產(chǎn)物。小麥和水稻一樣，都屬于雌雄同花，嚴(yán)格自交授粉作物。而要培育出雜交品種，就不能讓這些母本自生自育，因此需要找到雄性不育系材料，讓植株只具備母本特征，再與父本結(jié)合。雜交水稻和雜交玉米都可以選育出成本可控的雄性不育系，但雜交小麥卻沒那么容易。

趙昌平表示，在二倍體作物中，只要兩組染色體上的基因保持協(xié)同和一致，性狀改良就可以起作用。但小麥?zhǔn)橇扼w，要六組染色體上的相關(guān)基因都保持協(xié)調(diào)和一致，難度明顯加大，性狀改良的代謝網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜。也正是因為這個原因，對于小麥而言，想要創(chuàng)造一個起作用且能穩(wěn)定遺傳的雄性不育與恢復(fù)系統(tǒng)，實現(xiàn)雜種優(yōu)勢利用，需要的周期更長，難度也更高。北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥中心副研究員張勝全表示，尋找雄性不育遺傳資源是實現(xiàn)小麥雜種優(yōu)勢利用的重要途徑。

2013年，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所與深圳華大基因研究院等單位合作，在國際上率先完成了小麥D基因組供體種——粗山羊草基因組草圖的繪制。結(jié)束了小麥沒有組裝基因組序列的歷史，標(biāo)志著我國的小麥基因組研究跨入了世界先進行列。項目牽頭人、中國農(nóng)科院作科所研究員賈繼增在當(dāng)時表示，此次小麥D基因組序列草圖的成功繪制，為粗山羊草的開發(fā)利用及進一步的品種改良奠定了基礎(chǔ)，對小麥育種、小麥種質(zhì)資源、小麥功能基因組、小麥進化及比較基因組研究將產(chǎn)生巨大的推動作用，有望使小麥常規(guī)育種與雜交小麥取得突破性進展。

據(jù)了解，我國小麥雄性不育突變體篩選始于幾十年前，目前已經(jīng)篩選到至少5個核基因編碼的雄性不育突變體，被命名為Ms1—Ms5。其中Ms1和Ms5是隱性突變體，Ms2、Ms3和Ms4是顯性突變體?？寺】刂菩←溞坌圆挥蚴抢眯坌圆挥狄?guī)模化制備雜交小麥種子的關(guān)鍵。由于Ms2突變體的顯性屬性決定了它可以用于小麥育種并成為一個重要育種工具，但它很難用于規(guī)模化小麥雜交制種。為此，小麥隱性雄性不育突變體基因的克隆對創(chuàng)制規(guī)模化小麥雜交制種體系極為關(guān)鍵。

從1992年起，北京市農(nóng)林科學(xué)院等科研團隊在國際上率先發(fā)現(xiàn)了小麥光溫敏雄性不育現(xiàn)象和材料?；谛←湽鉁孛粜坌圆挥F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，我國的小麥科學(xué)家從我國獨有的BS系列小麥光溫敏雄性不育種質(zhì)中，首次發(fā)現(xiàn)并克隆了第一個小麥溫敏雄性不育主效基因TaTMS1，發(fā)現(xiàn)其啟動子有一個關(guān)鍵堿基變異，引起TaSL1對TaTMS1啟動子結(jié)合增強，能在低溫下降低TaTMS1表達(dá);破壞TaTMS1與花藥葉綠體內(nèi)層TaATP1氧化區(qū)域互作，可導(dǎo)致能量供給出現(xiàn)紊亂和活性氧物質(zhì)大量產(chǎn)生，最終致使雄性不育。小麥雄性不育基因的克隆為構(gòu)建穩(wěn)定、高效、規(guī)模化的雜交小麥制種技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，也為我國雜交小麥體系構(gòu)建和成功利用不育系實現(xiàn)小麥雜種優(yōu)勢大面積應(yīng)用提供了支撐。趙昌平表示，北京市農(nóng)林科學(xué)院等科研團隊歷時20余年堅持自主創(chuàng)新，創(chuàng)制出了一批增產(chǎn)20%以上的強優(yōu)勢雜交小麥新組合，審定雜交小麥品種6個，實現(xiàn)了核心主產(chǎn)麥區(qū)審定品種“零”突破和國外審定品種“零”突破;在國際上率先創(chuàng)立了“中國二系雜交小麥技術(shù)體系”，很好地解決了困擾國際小麥界長達(dá)60多年的科學(xué)難題和技術(shù)瓶頸。

令人振奮的是，中國二系雜交小麥技術(shù)體系具有完全獨立自主知識產(chǎn)權(quán)，其整體研發(fā)水平和應(yīng)用速度領(lǐng)跑國際雜交小麥領(lǐng)域。近年來，陸續(xù)審定了京麥6號、京麥7號、京麥8號、京麥9號、京麥11、京麥179、京麥21等一批豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性好、抗旱節(jié)水能力突出的節(jié)水高效雜交小麥品種。例如，第二代超高產(chǎn)型新品種京麥9號，在河北唐山最高畝產(chǎn)達(dá)到739公斤，創(chuàng)造了高產(chǎn)紀(jì)錄;抗鹽堿雜交小麥品種京麥6號，在京津冀環(huán)渤海鹽堿地多點實收平均畝產(chǎn)達(dá)500公斤以上。北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研發(fā)團隊還積極探索全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，在國際上率先研發(fā)了雜交小麥全程機械化制種技術(shù)，真正實現(xiàn)了雜交小麥的大面積應(yīng)用。

小麥“一減一增”背后的育種支撐

根據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院近日公布的一組數(shù)據(jù)，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。近幾年，我國小麥種植面積整體呈下降趨勢，小麥產(chǎn)量整體呈穩(wěn)步增長態(tài)勢。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，近年來，我國小麥種植面積在2016年達(dá)到了最大值2419萬公頃，當(dāng)年小麥產(chǎn)量12885萬噸，實現(xiàn)單產(chǎn)5327.4公斤/公頃。到2020年，我國小麥種植面積降到了2338萬公頃，較2016年降低81萬公頃，小麥產(chǎn)量達(dá)到了13425萬噸，較2016年增產(chǎn)540萬噸，產(chǎn)量增加了4.19%，2020年實現(xiàn)單產(chǎn)5742.09公斤/公頃，單產(chǎn)增加414.69公斤/公頃。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長、中國工程院院士萬建民表示，一減一增的背后，是科技的力量?！笆濉逼陂g，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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，而且我國小麥品種全部為國產(chǎn)自育。

據(jù)了解，“十三五”國家重點研發(fā)計劃“七大農(nóng)作物育種”重點專項，育成了廣適高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種“魯原502”和超強筋早熟抗病小麥新品種“濟麥44”，前者連續(xù)多年被列為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和省級主導(dǎo)品種，畝產(chǎn)突破800公斤，累計推廣種植5738.5萬畝;后者獲得品種轉(zhuǎn)讓收益1500萬元，創(chuàng)全國最高紀(jì)錄。

近五年來，我國主要農(nóng)作物基因組學(xué)研究取得飛速進展，在深度解析基因組結(jié)構(gòu)變異、基因組演變規(guī)律及關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因克隆等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一系列前瞻性、引領(lǐng)性、原創(chuàng)性重大突破。在小麥領(lǐng)域，完成了小麥染色體級別的D基因組精細(xì)圖譜的繪制;克隆出小麥太谷核不育基因Ms2和抗赤霉病基因Fhb1、Fhb7，大幅度提高了小麥育種效率。特別是在小麥育種方面，我國科學(xué)家不斷攻克雜交小麥的技術(shù)壁壘，率先打通了以原創(chuàng)二系法為核心的雜交小麥全產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了小麥雜種優(yōu)勢利用和產(chǎn)業(yè)推廣，在雜交小麥研究與應(yīng)用領(lǐng)域走在世界前列。

目前，我國小麥需求主要包括食用需求、工業(yè)需求和飼用需求。據(jù)中國國家糧油信息中心首席分析師王曉輝透露，小麥?zhǔn)秤眯枨笙鄬Ψ€(wěn)定，年度間波動不大，屬于城鄉(xiāng)居民剛性消費，數(shù)量在9000萬噸左右;工業(yè)需求主要以小麥為原料生產(chǎn)淀粉、酒精、釀酒等，需求量小幅波動，數(shù)量在1000萬噸左右。飼用消費受小麥品質(zhì)、玉米與小麥價差等因素影響，年度之間波動較大，近20年在700萬—3500萬噸之間波動，年平均1382萬噸。

針對近年小麥進口，王曉輝表示，我國小麥種植品種主要為中筋品種，而進口多為高筋和低筋小麥。近20年，我國小麥年度進口量在4.3萬噸（2008年）—838萬噸（2020年）之間大幅波動，平均進口量（2000—2020年）265萬噸。加入WTO以來，我國小麥進口量從未超過963.6萬噸的關(guān)稅配額，2020年小麥進口838萬噸，創(chuàng)入世以來最大進口量。從“吃得飽”向“吃得好”轉(zhuǎn)變，未來我國小麥進口仍將保持一定數(shù)量。

中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究員孫果忠在近日召開的2021中國農(nóng)業(yè)展望大會上表示，我國小麥做到了供需平衡有余，單產(chǎn)處于國際先進水平，重大自然災(zāi)害已不足以威脅國家糧食安全，且良種全部為國產(chǎn)自育自供，覆蓋率已達(dá)99%，生產(chǎn)全程機械化普及率96%以上，加工業(yè)快速發(fā)展，形成了較完備的小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)支撐結(jié)構(gòu)。但目前小麥生產(chǎn)能力區(qū)域間差異顯著，仍然存在自然災(zāi)害頻繁、資源環(huán)境緊張的壓力;加工產(chǎn)能過剩，加工利用率僅為45%，遠(yuǎn)低于70%的世界平均水平;小麥生產(chǎn)組織不強，經(jīng)濟效益不高，農(nóng)民種植積極性較低。未來，我國要集成推廣“一控、兩減、三高效”的綠色生產(chǎn)技術(shù);逐步建立“食品→面粉→小麥”為主體的市場需求型小麥產(chǎn)業(yè)鏈，推動小麥產(chǎn)業(yè)化和商品化發(fā)展，在種植、經(jīng)銷、加工等全產(chǎn)業(yè)鏈上共同分享小麥的紅利;不斷提升技術(shù)研發(fā)水平，使我國由小麥生產(chǎn)和消費大國發(fā)展成為小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新強國。

雜交小麥產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢與現(xiàn)狀

趙昌平表示，雜交小麥?zhǔn)鞘澜缟衔ㄒ簧形撮_發(fā)的主要糧食作物雜交種業(yè)，產(chǎn)業(yè)潛力巨大，預(yù)計每年可創(chuàng)造市場價值300億—500億元，國內(nèi)市場每年可達(dá)30億—50億元，每年可減少灌水約10億立方米，減少經(jīng)濟投入約10億元。目前我國雜交小麥的應(yīng)用現(xiàn)狀相當(dāng)于雜交水稻20世紀(jì)80年代初期的狀況，未來10年將是我國雜交小麥產(chǎn)業(yè)推進、實現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要機遇期。

2017年3月，河南省鄧州市與北京市農(nóng)林科學(xué)院成立了迄今為止國內(nèi)唯一的雜交小麥產(chǎn)業(yè)化基地。依托我國原創(chuàng)的“中國二系雜交小麥技術(shù)體系”，按照現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈一體化設(shè)計，以圍繞國際前沿、攻克產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)為方針，開展雜交小麥品種創(chuàng)制、規(guī)?；咝ХN子生產(chǎn)、雜交小麥?zhǔn)痉锻茝V與產(chǎn)業(yè)化等內(nèi)容。目前，鄧州腰店、十林、劉集等鄉(xiāng)鎮(zhèn)共種植京麥系列雜交小麥種子5000余畝，機械化率達(dá)到90%，京麥系列全程機械化種子生產(chǎn)體系已初步構(gòu)建完成，良種產(chǎn)量也連續(xù)三年突破300公斤每畝，進入大田應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段。據(jù)了解，經(jīng)過4年的努力，鄧州國家雜交小麥項目產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)選育出4代不育系和輔助系良種小麥，并在我國黃淮等主產(chǎn)麥區(qū)、環(huán)渤海鹽堿地帶和“一帶一路”沿線巴基斯坦、烏茲別克斯坦等國家和組織推廣種植。

2020年，北京雜交小麥品種京麥9號在河北省廊坊市試種，平均畝產(chǎn)達(dá)到了600公斤以上，創(chuàng)下了規(guī)模化連片小麥的高產(chǎn)佳績;京麥9號在山東省濱州市鹽堿示范田試種，畝產(chǎn)達(dá)到了490公斤，北京雜交小麥讓中低產(chǎn)田增產(chǎn)30%-50%。

北京雜交小麥正在成為我國北方麥區(qū)中低產(chǎn)田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的助推器。優(yōu)勢互補，協(xié)同推廣是北京雜交小麥成果轉(zhuǎn)化的特色。2016年以來，京津冀農(nóng)業(yè)企業(yè)、科研院所和農(nóng)技部門協(xié)同創(chuàng)新，組建了京津冀雜交小麥聯(lián)合測試網(wǎng)絡(luò)，依托測試網(wǎng)絡(luò)篩選的雜交小麥新品種，在北京、天津、河北、山西、山東等地進行了大面積推廣種植。此外，北京市農(nóng)林科學(xué)院聯(lián)合20余家上述五地的種業(yè)企業(yè)，在北方冬麥區(qū)布置雜交小麥聯(lián)合示范區(qū)超過200個，年推廣種植面積快速增長，實現(xiàn)了科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的協(xié)同加速效應(yīng)。據(jù)初步統(tǒng)計，“十三五”以來，北京雜交小麥在北方麥區(qū)應(yīng)用面積達(dá)到30萬畝/年以上，成功邁出了產(chǎn)業(yè)化第一步。

在培育雜交小麥優(yōu)良新品種的同時，北京市農(nóng)林科學(xué)院將雜交小麥的成果轉(zhuǎn)化延伸到了產(chǎn)業(yè)鏈中下游。北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥中心博士張勝全說，“我們先后開發(fā)了雜交小麥混播制種、全程機械化制種、化控輔助種子收獲、節(jié)水抗旱配套栽培、種子活力提升、高質(zhì)量糧食收儲等產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，在雜交小麥制種節(jié)本增效、中低產(chǎn)田良種良法配套等方面，通過科技創(chuàng)新實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈的初步貫通?！焙梅N子不僅要有好收成，對產(chǎn)業(yè)鏈下游的收儲、加工企業(yè)而言，還要有好的商品性。北京市農(nóng)林科學(xué)院還開發(fā)了雜交小麥優(yōu)質(zhì)優(yōu)價收儲方案，帶動了雜交小麥推廣。據(jù)張勝全介紹，“十三五”以來，北京雜交小麥商業(yè)化育種及測試規(guī)模擴大2倍，育種速度及效率提高3倍，雜交小麥研發(fā)推廣團隊人員及規(guī)模擴大3倍，雜交小麥種業(yè)實現(xiàn)了科技研發(fā)向商業(yè)化育種的轉(zhuǎn)型。

自2012年，北京市農(nóng)林科學(xué)院/北京雜交小麥工程技術(shù)研究中心就開始了北京雜交小麥向巴推廣的工作。從當(dāng)時的初步探索到產(chǎn)業(yè)化，北京雜交小麥經(jīng)歷了8年在巴基斯坦的實驗與展示。2020年，在離北京5000公里外的巴基斯坦拉合爾市郊的雜交小麥?zhǔn)痉短?，在超低播種量情況下，北京雜交小麥試種比正常播種量的當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)品種增產(chǎn)了20%以上。張勝全曾表示，北京雜交小麥在巴基斯坦推廣意義重大。對外農(nóng)業(yè)合作是實現(xiàn)“一帶一路”宏偉構(gòu)想的重要內(nèi)容，我國小麥研發(fā)水平居世界前列，具備了將小麥雜種優(yōu)勢利用等技術(shù)快速應(yīng)用于“一帶一路”國家的基礎(chǔ)。這對保障區(qū)域糧食安全、重塑國際農(nóng)業(yè)規(guī)則、促進合作共贏、推動中國農(nóng)業(yè)高技術(shù)走向世界有著積極影響。

到2020年，北京市農(nóng)林科學(xué)院已經(jīng)在巴基斯坦、孟加拉國、烏茲別克斯坦等國開展了二系雜交小麥測試與示范，初步建立了覆蓋西亞和中亞區(qū)域的二系雜交小麥聯(lián)合測試示范網(wǎng)絡(luò)，累計測試示范網(wǎng)點超過30個，累計測試組合超過500個。

趙昌平表示，“源頭創(chuàng)新在北京、組裝生產(chǎn)在全國、推廣輻射在全球”的雜交小麥商業(yè)化育種體系已初步構(gòu)建，北京雜交小麥將開創(chuàng)中國雜交小麥產(chǎn)業(yè)化的新時代。