育種創(chuàng)新造就谷子種業(yè)新發(fā)展

刁現(xiàn)民

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081）

我國是農(nóng)作物生產(chǎn)大國和農(nóng)業(yè)用種大國，種業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為我國基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性核心產(chǎn)業(yè)，是保障國家糧食安全，推動(dòng)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展的根本保證。2021 年中央一號(hào)文件再次強(qiáng)調(diào)了我國種業(yè)發(fā)展的緊迫性和必要性，提出了“打贏種業(yè)翻身仗”的目標(biāo)要求，對(duì)種業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展提出了時(shí)間表和路線圖。谷子又稱為粟，是我國傳統(tǒng)的糧飼兼用作物，具有抗旱耐瘠薄、營養(yǎng)豐富、保健功能突出等特點(diǎn)，是民眾膳食結(jié)構(gòu)改善和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主體作物[1]。谷子起源于我國的黃河流域，馴化栽培歷史上萬年，種質(zhì)資源保有量大且多態(tài)性豐富，是中華農(nóng)耕文明發(fā)展的重要載體之一[2]。隨著國家“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的持續(xù)深入實(shí)施，谷子作為作物多樣性發(fā)展和中小作物的代表，在滿足人民膳食健康需求以及推動(dòng)種業(yè)科技進(jìn)步方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 我國谷子種業(yè)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

新中國成立初期，我國谷子的播種面積為980萬hm2（1.47 億畝），是僅次于水稻和小麥的第三大糧食作物，目前全國谷子年度播種面積133.3 萬～140.0 萬hm2（2000 萬～2100 萬畝），總產(chǎn)量520 萬t 左右。谷子種植主要分布在華北、東北和西北的干旱半干旱區(qū)域，是旱作綠色農(nóng)業(yè)的主栽作物，種植面積最大的省是內(nèi)蒙古、山西和河北，這3 個(gè)省合起來的種植面積占全國的60%左右[1，3]。近10 年來，隨著農(nóng)業(yè)合作社等新型經(jīng)營主體的發(fā)展，谷子生產(chǎn)以大戶生產(chǎn)方式進(jìn)行組織，形成了多個(gè)谷子優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，其中以內(nèi)蒙古東部的赤峰，遼寧西部的朝陽和吉林省西部的四平、松源等地構(gòu)成的谷子產(chǎn)區(qū)播種面積和產(chǎn)能最大。

1.1 我國谷子種質(zhì)資源豐富我國是谷子的起源國，遺傳資源豐富，從20 世紀(jì)50 年代開始，經(jīng)過3次全國性系統(tǒng)地資源收集，目前保有谷子種質(zhì)資源28915 份，占世界谷子資源總量的70%。但我國谷子資源在不同省份之間的分布極不平衡，山西、河北、河南和山東的資源數(shù)量占總數(shù)量70%左右，南方省份的資源數(shù)量很少，尤其東南地區(qū)的浙江和福建等省份，在國家種質(zhì)庫中的谷子資源數(shù)量很少，甚至沒有[4]。豐富多樣的谷子資源為我國谷子遺傳育種基礎(chǔ)研究和種業(yè)創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 谷子遺傳育種持續(xù)發(fā)展科學(xué)的谷子遺傳育種工作可以追溯至20 世紀(jì)30-40 年代，金陵大學(xué)、河南大學(xué)、燕京作物改良試驗(yàn)場(chǎng)等單位確立了青狗尾草是谷子的野生祖先，通過系統(tǒng)育種先后育成并推廣了燕京811 等谷子品種[5-6]。20 世紀(jì)50-70 年代育種方法主要是系統(tǒng)選擇，從80 年代開始雜交育種逐漸成為主流，而且隨著國外資源六十日的引進(jìn)和利用，夏谷的倒伏問題得到解決，育成了豫谷1 號(hào)等產(chǎn)量和品質(zhì)都顯著提高的新品種[6-7]。春谷也育成了晉谷21 和昭谷1 等主推品種[8]。進(jìn)入21 世紀(jì)后，矮稈骨干親本矮88 的創(chuàng)制和育種利用，在全國多個(gè)生態(tài)區(qū)實(shí)現(xiàn)株高的顯著降低，衍生品種已達(dá)100 多個(gè)，基本解決了谷子倒伏和不適應(yīng)機(jī)械化作業(yè)的問題。在雜種優(yōu)勢(shì)利用方面，雖然20 世紀(jì)70 年代已培育出高度雄性不育系蒜系28[9]，但直到21 世紀(jì)初，隨著抗除草劑谷子種質(zhì)的創(chuàng)新，才實(shí)現(xiàn)了谷子雜交種的真正生產(chǎn)利用[10]。2001-2015 年全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心組織國家谷子區(qū)域試驗(yàn)，對(duì)這個(gè)時(shí)期培育的谷子品種產(chǎn)量、適應(yīng)性和品質(zhì)進(jìn)行綜合鑒定，積累這個(gè)時(shí)期谷子育成品種產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀表現(xiàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，株高降低、抗除草劑、適宜機(jī)械化輕簡(jiǎn)栽培是這個(gè)階段谷子育種的特點(diǎn)[11]。這個(gè)時(shí)期育成的廣適性高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種豫谷18，不僅產(chǎn)量高、米質(zhì)優(yōu)，而且打破了谷子生態(tài)區(qū)的限制，具有廣泛的適應(yīng)性，在華北、東北和西北三大生態(tài)區(qū)均表現(xiàn)突出[12]。據(jù)國家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系統(tǒng)計(jì)，谷子育種的進(jìn)步使其產(chǎn)量潛力由原來平均4500kg/hm2提升到7500kg/hm2左右[6，13]，為谷子種業(yè)持續(xù)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

1.3 谷子基礎(chǔ)研究國際領(lǐng)先在種業(yè)基礎(chǔ)研究方面，我國率先在國際上完成了谷子基因組的測(cè)序，構(gòu)建了國際上第一個(gè)谷子基因組單倍型圖譜和關(guān)聯(lián)分析群體，發(fā)掘出一批谷子重要性狀相關(guān)的基因位點(diǎn)，率先構(gòu)建了高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系，轉(zhuǎn)化效率是國外發(fā)達(dá)國家同類研究機(jī)構(gòu)的3 倍以上，構(gòu)建了核心種質(zhì)和突變體庫，形成了較為完善的谷子功能基因發(fā)掘和基因編輯育種平臺(tái)，發(fā)起并組織了首屆國際谷子遺傳學(xué)大會(huì)，提出并促進(jìn)谷子成為功能基因研究的模式作物[2，14]，這些研究工作使谷子這一傳統(tǒng)作物煥發(fā)出新的青春，使我國的谷子遺傳育種研究保持國際領(lǐng)先地位。

1.4 谷子種業(yè)發(fā)展情況20 世紀(jì)50-70 年代谷子生產(chǎn)依賴于農(nóng)民自留品種，谷子沒有種業(yè)。改革開放初期的80-90 年代，盡管谷子育種有了長足進(jìn)步，以豫谷1 號(hào)、昭谷1 號(hào)和晉谷21 為代表的一系列品種培育成功，產(chǎn)量水平得到顯著提高，雖也有一定的種子經(jīng)營，但自留種仍很普遍，谷子種業(yè)發(fā)展處于萌芽階段。從21 世紀(jì)初開始，隨著抗拿捕凈（烯禾啶）除草劑谷子新品種的培育成功，以抗除草劑谷子品種為核心的谷子種業(yè)開始形成，同時(shí)谷子雜種優(yōu)勢(shì)在生產(chǎn)上得以成功應(yīng)用，基于雜交種種子生產(chǎn)的種子企業(yè)也隨之形成并發(fā)展壯大。2000 年《種子法》頒布實(shí)施之后，谷子種業(yè)發(fā)展開始進(jìn)入商業(yè)化時(shí)期，經(jīng)過20 年發(fā)展谷子種業(yè)體系基本形成。經(jīng)國家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系2021 年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全國進(jìn)行谷子種子經(jīng)營的種子公司150 多家，其中河北19 家、山西33 家、內(nèi)蒙古26 家、遼寧17 家、吉林20 家，是谷子種業(yè)的核心力量。河北巡天種業(yè)新技術(shù)有限責(zé)任公司以雜交種為經(jīng)營主體，利潤顯著提升，成為了我國谷子種業(yè)的龍頭企業(yè)；河北東昌種業(yè)有限公司則在抗除草劑谷子新品種經(jīng)營上創(chuàng)立了品牌，也發(fā)展成為谷子種子經(jīng)營的龍頭企業(yè)；內(nèi)蒙古蒙龍種業(yè)科技有限公司、內(nèi)蒙古禾為貴種業(yè)有限公司、內(nèi)蒙古利禾農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司等一批以谷子種子生產(chǎn)和經(jīng)營為主體的企業(yè)在市場(chǎng)中確立了地位，谷子種業(yè)體系初步形成，為谷子種業(yè)的高效商業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2015 年《種子法》修訂后，谷子品種施行登記制度，建立了相關(guān)的制度和程序。2019 年李榮德等[15]對(duì)谷子品種施行登記制度后的管理工作進(jìn)行了總結(jié)性梳理，提出了優(yōu)化建議。截至2021 年8月底，我國完成登記的谷子新品種497 個(gè)，從登記單位看，企業(yè)登記238 個(gè)，占47.9%，科研單位登記259個(gè)，占52.1%；從品種類型看，常規(guī)品種448 個(gè)，占90.1%，雜交品種49 個(gè)，占9.9%；抗除草劑品種179個(gè)，占37.4%，其中常規(guī)品種130 個(gè)，占常規(guī)品種登記總數(shù)的29.1%，49 個(gè)雜交種均為抗除草劑品種（資料來源：全國農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)推廣中心作物品種登記網(wǎng)站信息）。谷子種業(yè)發(fā)展迎來了蓬勃發(fā)展期。

2 我國谷子種業(yè)的發(fā)展差距與不足

盡管我國谷子種業(yè)發(fā)展迅速，但與發(fā)展更好的大作物及國外先進(jìn)水平相比還面臨著很多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 種質(zhì)資源的世界覆蓋度差，種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定評(píng)價(jià)未開展，具有重大應(yīng)用價(jià)值的種質(zhì)嚴(yán)重缺乏雖然我國谷子資源數(shù)量在全世界最多，但主要是我國自己的，且主要是農(nóng)家品種，近緣野生種和國外資源的數(shù)量很少，國內(nèi)一些非谷子主產(chǎn)區(qū)省份的資源數(shù)量也有限，如福建和浙江等省區(qū)[4-5]。我國谷子種質(zhì)資源表型和基因型精準(zhǔn)鑒定評(píng)價(jià)仍處于起步階段，表型精準(zhǔn)鑒定規(guī)模小、系統(tǒng)性不足，基因型精準(zhǔn)鑒定缺乏針對(duì)性、不能覆蓋全基因組，庫存資源基本上未經(jīng)過深度鑒定。株型緊湊耐密植的中矮稈材料、灌漿后期快脫水材料、跨生態(tài)區(qū)廣泛適應(yīng)的材料、品質(zhì)和產(chǎn)量相協(xié)調(diào)的材料等具有重大育種應(yīng)用前景的種質(zhì)極度缺乏。

2.2 生物育種關(guān)鍵技術(shù)與大作物和世界發(fā)達(dá)國家差距巨大，仍需大發(fā)展盡管我國在谷子基因組測(cè)序、重測(cè)序、遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯等方面取得了一定成績(jī)，但谷子是中小作物，研究力量和經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足，研究積淀薄弱。如水稻、玉米等大作物已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)的分子標(biāo)記輔助育種，由于谷子關(guān)鍵性狀遺傳解析相關(guān)研究的缺乏，僅處在起始階段，外源基因轉(zhuǎn)化效率和基因編輯的效率仍然很低，且局限在少數(shù)幾個(gè)模式品種上，全基因組選擇、分子設(shè)計(jì)和人工智能育種等新興交叉領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)原始創(chuàng)新基本沒有開展，這將嚴(yán)重影響谷子種業(yè)創(chuàng)新的后續(xù)深入發(fā)展。

2.3 新品種同質(zhì)化嚴(yán)重，雜交種的利用形式單一，真正有創(chuàng)新的突破性品種缺乏自2018 年開始谷子品種登記以來，登記的品種數(shù)量已達(dá)497 個(gè)，品種的數(shù)量呈現(xiàn)井噴式增加，這一點(diǎn)和同期其他作物類似。但這些品種間差異極小，同質(zhì)化嚴(yán)重，夏谷區(qū)基本是對(duì)豫谷18 的改良，在株型、產(chǎn)量潛力和米質(zhì)上均沒有新的突破。在谷子雜種優(yōu)勢(shì)利用方面，目前所有的雜交種均是利用20 世紀(jì)70 年代創(chuàng)制的蒜系28 的高度雄性不育基因，所生產(chǎn)的雜交種種子是包括雜交種和母本不育系的混池，不育系繁種產(chǎn)量低且容易生物學(xué)混雜，谷子雜種優(yōu)勢(shì)利用急需開辟新的途徑，或者改良現(xiàn)在的繁種制種方式。

2.4 種業(yè)企業(yè)育種剛剛起步，商業(yè)化育種和原始創(chuàng)新的能力尚待提高過去的谷子遺傳育種一直由科研單位承擔(dān)，谷子的商業(yè)化育種只是近幾年才有的，而且僅局限在很少的幾家公司。這些企業(yè)研發(fā)投入不足，創(chuàng)新能力有限，競(jìng)爭(zhēng)力弱；標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、信息化、規(guī)?；纳虡I(yè)育種體系尚未建立。同時(shí)，企業(yè)以出品種為目標(biāo)，對(duì)種業(yè)原始創(chuàng)新的種質(zhì)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新完全不重視，這也將限制谷子種業(yè)的長期健康發(fā)展和產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的高質(zhì)量提升。

2.5 谷子品種登記的管理制度有待完善，品種權(quán)保護(hù)應(yīng)該加強(qiáng)谷子屬中小作物，目前品種管理實(shí)施登記制度。該制度所要求的DUS 測(cè)試指標(biāo)等，申請(qǐng)者均可自己完成，且登記并未要求進(jìn)行DNA 指紋檢測(cè)和數(shù)據(jù)庫同質(zhì)品種比對(duì)等工作，使得品種登記門檻很低，造成品種數(shù)量的井噴和品種真實(shí)性的不確定，也為套牌種子提供了方便之門。

3 主要經(jīng)驗(yàn)和未來發(fā)展思考

3.1 穩(wěn)定的財(cái)政支持是谷子種業(yè)長久高水平發(fā)展的關(guān)鍵近10 年來谷子種業(yè)之所以快速發(fā)展，主要得益于在優(yōu)質(zhì)品種的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)、抗除草劑品種和雜種優(yōu)勢(shì)利用等方面的育種成就，這些絕大部分是國家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系取得的。谷子是中小作物，很難拿到國家大項(xiàng)目的穩(wěn)定支持，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系給谷子育種創(chuàng)新提供了穩(wěn)定的長期支持，保證了谷子遺傳育種的穩(wěn)定開展。企業(yè)是未來的創(chuàng)新主體，但目前就谷子等中小作物而言，遺傳育種創(chuàng)新的主要力量和科研積累仍在科研單位，應(yīng)從政策上鼓勵(lì)科企聯(lián)合，促進(jìn)谷子育種人員向企業(yè)流動(dòng)。加強(qiáng)政策扶持與財(cái)政投入，促進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)從品種層面上升到基因?qū)用?，提高?yōu)勢(shì)種質(zhì)資源收集、保護(hù)與利用水平。加強(qiáng)種業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加大種質(zhì)資源保護(hù)與發(fā)掘、關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新、突破性品種選育研究投入。

3.2 加強(qiáng)谷子育種急需的種質(zhì)創(chuàng)新和關(guān)鍵核心育種技術(shù)研發(fā)我國谷子資源雖然數(shù)量巨大，但對(duì)世界產(chǎn)區(qū)的覆蓋度低，且沒有野生資源的收集和研究，在做好這兩方面資源征集的同時(shí)，加強(qiáng)國內(nèi)外優(yōu)異谷子種質(zhì)資源的收集保護(hù)、鑒定評(píng)價(jià)，規(guī)?；l(fā)掘、精準(zhǔn)鑒定、創(chuàng)制具有重要育種價(jià)值的材料，特別是中矮稈緊湊株型、后期籽粒和植株快脫水、食味品質(zhì)優(yōu)質(zhì)和廣泛適應(yīng)性等；加強(qiáng)谷子的育種基礎(chǔ)研究，包括重要功能基因分析、優(yōu)異單倍型發(fā)掘、分子標(biāo)記開發(fā)，以及基因編輯、合成生物學(xué)、全基因組選擇、智能設(shè)計(jì)育種等關(guān)鍵核心技術(shù)原始創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)育種技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)的結(jié)合，保持我國谷子遺傳育種技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

3.3 加強(qiáng)科企聯(lián)合和育種聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)施實(shí)質(zhì)性派生品種制度大作物水稻種業(yè)實(shí)施的種業(yè)權(quán)益改革和實(shí)質(zhì)性派生品種制度，為其他作物提供了很好的榜樣，相關(guān)改革和制度可以促進(jìn)種業(yè)企業(yè)與科研、高校等研究機(jī)構(gòu)合作，科研人員到企業(yè)兼職增加，有效促進(jìn)科企平臺(tái)共建、成果共享，促進(jìn)人才流動(dòng)和成果轉(zhuǎn)化，提升企業(yè)創(chuàng)新能力。在品種管理上推進(jìn)谷子等小作物實(shí)質(zhì)性派生品種制度，遺傳相似系數(shù)大于92%且其原始品種已獲得植物新品種權(quán)保護(hù)的品種，則實(shí)質(zhì)性派生品種育成單位向原始品種權(quán)利人分享獲益分成。

3.4 完善谷子等中小作物品種管理的登記制度，建立登記品種DNA 指紋庫，切實(shí)保護(hù)原始創(chuàng)新技術(shù)成果谷子育種材料、優(yōu)異種質(zhì)及新品種知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)力度不夠，尚未建立起市場(chǎng)認(rèn)可的多元化的品種鑒定試驗(yàn)及DUS 測(cè)試體系，品種登記后的評(píng)價(jià)機(jī)制缺乏，沒有形成谷子DNA 指紋及分子身份證標(biāo)準(zhǔn)，直接導(dǎo)致種業(yè)市場(chǎng)監(jiān)管難度大，品種趨同現(xiàn)象及套牌侵權(quán)問題嚴(yán)重，極大影響了育種者的積極性和種子企業(yè)的利益，影響了種業(yè)的健康發(fā)展。為了規(guī)范種業(yè)市場(chǎng)，避免品種雷同和套牌經(jīng)營，最為有效快捷的途徑就是建立品種的分子指紋數(shù)據(jù)庫，并形成相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，在品種登記、品種權(quán)申請(qǐng)等環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)市場(chǎng)流通銷售的種子進(jìn)行檢查，杜絕侵權(quán)套牌現(xiàn)象的發(fā)生。李榮德等[15]也提出了關(guān)于對(duì)登記品種加強(qiáng)管理的類似建議。

谷子種業(yè)依托原始創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了種業(yè)發(fā)展從“0到1”的突破，可以預(yù)見，不久的將來，通過繼續(xù)深入開展原始創(chuàng)新研究，在關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)更多的技術(shù)突破，加強(qiáng)品種管理，必將推動(dòng)谷子種業(yè)繼續(xù)做大做強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)水平和技術(shù)能力的快速提升，為保證我國人民的膳食健康作出積極的貢獻(xiàn)。