农科视窗(2)|一棵野草与小麦杂交成功,为何赢得院士们点赞?

农村大众陈建志
2021-06-07 09:29:28     来源:大众报业·农村大众客户端

孟夏时节,麦浪翻滚。河南省新乡市,中国农业科学院作物科学研究所试验基地,成了许多业内人士关注的地方。

5月20日,黄淮、西北等小麦主产区育种单位、种子企业的数百名代表,纷纷从四面八方,拥向这里,参加小麦-冰草创新种质田间展示会。打眼望去,这些小麦-冰草新品系长势正旺,但高矮不一、长相有别。

与会者当中,走来3位中国工程院院士、1位中国科学院院士。他们看现场、听汇报,不约而同对小麦-冰草新品系竖起大拇指,啧啧称赞。

这些小麦-冰草新品系,是一种名叫冰草的野草与小麦杂交的后代,在外行人眼中似无特异之处,何以赢得院士们的高度评价?

此事详情,暂且按下不表,先说一位小麦育种大家——

01

李振声,开创小麦远缘杂交育种新领域

李振声,何许人也?他籍贯山东淄博,大学毕业于山东农学院(现山东农业大学),曾任中国科学院副院长,现为中国科学院院士。

李振声学术成果丰硕,其中一项重大成果,就是开创性地进行小麦远缘杂交育种,并获得成功。农学界因此称他为“中国小麦远缘杂交之父”,还把他与“杂交水稻之父”袁隆平并称为“南袁北李”。

李振声院士在试验田观察小麦。

生于1931年的李振声,青年时代不畏艰苦,立下志向:在科研上作出自己的贡献。25岁那年,他从位于繁华首都北京的中国科学院大本营乘车出发,辗转2000余公里,来到偏僻荒凉的陕西杨凌,入职中国科学院西北农业生物研究所。

当时,正遇到西北地区小麦条锈病大流行。

小麦条锈病是一种重大病害,监测难、蔓延快、为害大,一般可导致染病小麦减产20%-30%,严重的超过50%,甚至绝收。单凭药物防治,效果不佳,且治标不治本。

李振声想,可否培育一种抗病性强的小麦品种?拿什么作亲本呢?他煞费苦心,大胆尝试,最终选出一种叫做长穗偃麦草的野草,来与小麦做杂交。这是一次艰难的选择,即使付出辛苦劳动,将来也未必能抵达成功的彼岸。

经过20余年艰辛探索,到20世纪70年代,终于实现了重大突破。1979年,李振声培育的集持久抗病性、高产、稳产、优质等性状于一身的小麦新品种“小偃6号”问世,并大面积推广取得成功。

小偃6号。

不止于此。小偃6号还是一种优异种质材料,已成为我国北方麦区小麦育种的重要骨干亲本,其衍生品种有50余个,累计推广面积超过3亿亩。

小偃6号,是我国科学家通过小麦远缘杂交,选育的第一代代表性小麦品种!李振声主持的“远缘杂交小麦新品种小偃6号”,荣获1985年度国家技术发明奖一等奖。

后人把李振声的这项突破性成果,称为小麦育种史上的一座里程碑。

接着,说说——

02

李立会,开展冰草与小麦杂交研究

首先,介绍冰草。东部沿海一带的人,对于冰草是陌生的,而在新疆、内蒙古等地牧民眼中,这是一种优质牧草,被广为种植。

冰草属植物是小麦的近缘野生种,被育种专家看中的原因是:它具有多小穗、多小花的大穗特性,极强的抗寒性、抗旱性,以及对多种小麦病害表现出的高度免疫性。因此,冰草属物种被认为是小麦改良的最佳外源供体之一。

冰草具有抗旱、抗病、穗粒数多等特性。

将冰草优异基因向小麦转移,用于小麦的遗传改良,备受关注,也是一道国际难题。从20世纪30年代开始,美国、加拿大等国外许多学者开始尝试小麦与冰草属间杂交,虽经不懈努力,但均以失败而告终。

李立会,现为中国农业科学院作物科学研究所研究员,担任小麦大麦优异种质资源发掘与创新利用团队首席。他从事小麦种质资源基础性工作、小麦种质创新的理论与应用研究,至今已有30余载。

20世纪80年代,他还是一名初出茅庐的青年科研人员。

1988年,在著名作物种质资源学家董玉琛院士的指导下,年轻的李立会迎难而上,选择小麦与冰草属远缘杂交这道国际难题,作为研究课题。

李立会研究员介绍小麦-冰草新种质。(来源:现代种业)

首先,他选择生长于新疆和内蒙古的三份四倍体冰草为父本,以一种普通小麦品种(Fukuho)为母本,进行杂交试验。

试验田里的授粉杂交十分辛苦,常常需要头顶烈日来完成。冰草与小麦,是分属不同属的植物。为了克服不同属间远缘杂交的不亲和性,他要在小麦开花前的中午1点左右,柱头还没有完全开好,免疫蛋白尚未形成之前,将冰草的花粉收集起来,放入冰壶,再转移到试验田里与小麦做杂交。为避免花粉破裂,这个过程必须在5分钟之内完成。如此来回疾走,一朵又一朵,总共杂交了数万朵花。艰辛的付出迎来回报,李立会终于收获了第一批可育杂交种子,至此首战告捷。

长话短说。历经30余年,李立会领衔的团队攻城夺隘,完成了一系列育种技术的创新,例如幼胚拯救杂交技术、幼穗体细胞培养壮苗与扩繁技术、远缘杂交小麦受体亲本(Fukuho)单一回交技术,最终实现了小麦-冰草远缘杂交技术的实质性突破。

团队再接再厉,创制出小麦-冰草新品系。这一新品系对白粉、条锈、叶锈菌等病害具有广谱抗性,还有多花多实的高产特性,同时将亩穗数和千粒重产量因子协调提高,单产可提高10%以上。

2019年1月,李立会研究员牵头完成的“小麦与冰草属间远缘杂交技术及其新种质创制”,获得2018年度国家技术发明奖二等奖。

小麦-冰草衍生系新种质。

目前,他率领团队创制的小麦-冰草衍生系,正在被全国100余个育种单位广泛利用,已培育出新品种12个、后备新品系39个。其中,甘肃省、陕西省审定的小麦新品种普冰151,已成为上述两省条锈病等病害流行和旱地麦区的主栽品种,实现了多抗育种新突破。他们还培育出国审新品种川麦93。

回到本文开头的场景。2021年5月20日,小麦-冰草创新种质田间展示会召开,中国工程院院士刘旭、万建民、吴孔明和中国科学院院士钱前等院士专家,来到现场,对这种创新种质纷纷给予高度评价。

最后,聊聊——

03

远缘杂交难在哪?育种利用价值有多大?

5月25日,大众报业·农村大众记者来到济南市历城区,走进山东省农业科学院作物研究所的小麦试验田,看到该所小麦种质创新与利用团队的崔德周博士,正在做调查。

崔德周博士在试验田做调查。

崔德周说,他做的是远缘杂交。

他介绍,小麦近缘种往往含有丰富的抗病、抗逆、优质基因。野生二粒小麦,就是小麦的一个近缘种,含有抗条锈病基因。这几年,他正在用野生二粒小麦,与具有高产、稳产、广适等性状的济麦22杂交,创制抗条锈病的新种质。目前通过杂交、回交,已经做到了第三代、第四代。

他期望,继续做下去,数年之后,能得到一个理想的新种质,既保留济麦22优良的农艺性状,又能抗条锈病。

山东省农业科学院作物研究所小麦种质创新与利用团队学术带头人楚秀生研究员,讲解了远缘杂交的概念,以及在小麦育种中的价值。

楚秀生研究员在试验田里观察小麦长势。

按照植物分类学知识,植物界的分类等级,从大到小依次为:门、纲、目、科、属、种。其中,种(又叫物种)是最小的分类等级。植物杂交,通常在种内不同品种、品系之间进行。如果在两个不同的种之间(种间),或者两个不同的属之间(属间)杂交,难以成功。

远缘杂交,是指植物种间、属间甚至亲缘关系更远的物种之间的杂交。科研人员进行远缘杂交,可谓迎难而上。

假如远缘杂交获得成功,可以把不同种、属的特征、特性结合起来,突破种、属界限,扩大遗传变异,从而创造出新变异类型或新物种。

远缘杂交与小麦育种有何关系?

崔德周说,综观各地小麦育种,主要采取品种(或品系)间的“优优配”。这就导致一系列问题:生产上大面积推广的小麦品种同质化程度非常高,遗传基础狭窄,单产难以取得实质性突破、抵御病虫害及抗逆境能力下降。

这些问题如何破解?实施远缘杂交,从更加广泛的种质资源中,包括小麦的近缘植物中,挖掘未被利用的关键优异基因,创制一批具有自主知识产权的核心育种材料,为培育突破性小麦新品种奠定基础。

这就是远缘杂交的价值。

(本文学术顾问:山东省农业科学院作物研究所楚秀生研究员、崔德周博士)

大众报业·农村大众记者 陈建志

策划:段书强

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责任编辑:段书强    
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