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开辟小麦高产育种新途径 中国农业科学院李立会团队突破“小麦—冰草”远缘杂交世界难题

发布时间:2022-05-19    来源:人民日报 2022年5月16日    作者:喻思南 蒋建科 点击数:

李立会在试验基地观察小麦材料。
中国农业科学院作物科学研究所供图

 

  河南新乡的中国农业科学院试验基地里的小麦即将成熟,麦浪翻滚,一片金黄。走进麦田,李立会随手抽出一根麦穗,搓出麦粒,数了数后,放到嘴里嚼起来。

  李立会是中国农业科学院作物科学研究所研究员。为了选育良种,每年5月,他都要在试验基地待上一段时间。这个基地种植的小麦可不一般,是由李立会团队创制的“小麦—冰草”远缘杂交创新种质,被认为是开辟我国小麦高产育种途径的重要基因资源。

  小麦育种利用冰草属外源优异基因,实现从“0”到“1”的重要突破

  “小麦—冰草”远缘杂交曾被看作是不可能完成的工作。1988年,硕士研究生入学前,当李立会向自己的导师、著名作物种质资源专家董玉琛提出这一选题时,董老师好意劝告:“‘小麦—冰草’远缘杂交在国际上被判了‘死刑’,最好不要研究它。”

  “我想试一试,做不通,入学后就换题目。”李立会的执着说服了老师,随后他带领两名助手在试验田开始研究。

  冰草属植物是小麦的近缘野生种,具有多小穗、多小花的大穗特性,此外还具有极强的抗寒、抗旱性,对多种小麦病害表现出高度免疫性,被认为是小麦改良的最佳外源优异基因供体之一。

  “冰草和小麦外形上看上去相似,实际上亲缘关系很远,杂交起来非常困难。”李立会告诉记者。

  上世纪30年代开始,一些国家的学者希望解决这一难题,但直到80年代都未能成功。国际小麦研究界普遍认为:“小麦—冰草”远缘杂交是条死胡同。

  “小麦—冰草”远缘杂交有哪些挑战?李立会举例说,比如,小麦通常5月下旬成熟,而冰草生长在高纬度地区,此时才刚开花,让两者杂交,首先要把花期调节到同一时期。其次,还需要解决“小麦—冰草”授粉受精中的生殖隔离问题。即便授粉成功,胚也不能正常发育,还需要开发一套幼胚拯救技术才能获得杂种植株。

  小麦是最重要的粮食作物之一,占世界作物种植面积的1/5,是全球40%人口的主要食粮。过去,改进小麦品种、提高产量主要依靠现有推广品种之间的杂交来实现。然而,长期品种间杂交及对少数骨干亲本的大量应用,造成遗传变异范围缩小,品种抗原日趋单一,小麦育种进入瓶颈期。

  “小麦品种长期近亲繁殖,遗传相似度很高。通过远缘杂交,引入当前栽培小麦缺乏的关键优异基因,不仅产量能提高,抗逆抗病害能力也会增强。”李立会表示,通过远缘杂交将冰草优异基因导入小麦,是一项意义重大的工作。

  李立会带领团队,历时30多年,创建了一套小麦远缘杂交新技术体系。通过幼龄授粉、幼胚拯救、幼穗体细胞培养、高频率诱导异源易位、特异分子标记开发技术等一系列创新,攻克了“小麦—冰草”远缘杂交难题,实现了小麦育种上利用冰草属外源优异基因从“0”到“1”的重要突破。

  小麦高产育种有了基因宝库,解决了我国突破性高产小麦种质匮乏问题

  李立会团队的工作大体上分为四个阶段。第一阶段为1988年到1990年,首次证明了“小麦—冰草”远缘杂交是可行的;第二阶段从1990年到2005年,主要是创制一系列“小麦—冰草”的基础材料;第三阶段是2005年到2015年,进一步完成大量遗传学研究;2015年至今,团队一方面做优异种质资源的全基因组学测序工作,一方面推动创新种质的有效利用与新品种选育,让科研成果尽快应用于生产实践。

  “随着我们团队对冰草P基因组测序和‘小麦—冰草’创新种质测序工作的完成,相当于为小麦育种建立了一座巨大的基因宝库。”李立会解释,这项工作不仅从理论上证实了“小麦—冰草”远缘杂交创新种质的优良性能,还大大拓宽了小麦育种的基因源基础。

  据了解,该团队创制出的“小麦—冰草”新品系具有多花多实的高产特性,比小麦主栽品种增产可以超过10%,解决了我国突破性高产小麦种质匮乏问题。特别是发现了“多粒—高千粒重—有效分蘖”优异基因簇,解决了小麦传统育种中产量三要素(亩穗数、穗粒数和千粒重)难以同时选择的问题。同时,“小麦—冰草”创新种质对白粉、条锈、叶锈菌等病害具有广谱抗性,为培育持久抗性且兼具多种病害抗性新品种提供了强力支撑。

  “小麦—冰草”新种质向科学界共享。目前,“小麦—冰草”衍生系创新种质应用到全国100多个育种单位,已培育新品种15个、后备新品种39个。其中,甘肃、陕西两省审定的小麦新品种普冰151,已成为当地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。科学家培育出的国审新品种川麦93,穗粒数达54.2粒,增产16.7%,显著高于3%的国家审定标准。

  业内专家表示,培育高产、抗病、抗逆小麦新种质是实现绿色增产技术最有效和经济的途径,可以减少农药施用量,提高全生育期抵御各种自然灾害能力,对保障和稳定我国小麦的安全生产具有重要意义。

  “‘小麦—冰草’创新种质的利用空间很大,一些潜力有待深入挖掘。”李立会说,团队从新乡基地收获材料中,筛选出强筋类型普冰新种质12个,这些新品系的蛋白质含量高,适合制作高档面包,具有很高的市场价值。

  “从种质创新到有效利用,虽然时间通常比较长,但影响深远。我们期待‘小麦—冰草’远缘杂交研究将推动小麦育种取得新突破。”李立会说。

  做种质创新来不得半点虚假,要持之以恒,敢于尝试,不断探索

  “我们的工作都是在实验室、试验田一步步试错中摸索出来的。”回顾30多年育种生涯,李立会表示,持之以恒是关键。同时还要敢于尝试,不断探索。“如果仅仅依靠教科书的结论,就不可能尝试做成功‘小麦—冰草’远缘杂交。”

  “李老师是实干家,教导我们做种质创新来不得半点虚假。”李立会团队成员、中国农业科学院作物科学研究所研究员张锦鹏说,李老师对试验基地的小麦非常熟悉,每个材料种在哪里、有什么特点都印在他脑子里。

  在李立会的多年探索过程中,他很感念导师董玉琛以及著名小麦遗传育种学家李振声的帮助。1988年,听到李立会在试验田的研究有了进展,董玉琛兴奋地跑到地里,冒着烈日和他一起到田间工作。1990年,以李立会为第一作者的论文发表在《中国科学》期刊,前期董玉琛改了13稿。

  李振声是李立会硕士和博士生论文的答辩老师。他对“小麦—冰草”远缘杂交工作十分关心,曾多次去试验田指导。李振声每次走到田间,都像农民一样,熟练拨开麦子,搓出麦粒,放在手掌心数一数有多少粒。

  “李先生的鼓励给了我们坚持下去的信念。”多年后,李立会依旧清晰记得李振声的教诲:“对远缘杂交研究来说,科学发现只是一小步。在平地盖一层平房,它的高度显示不出来,只有继续推动应用,在平房上再建一层,这样的研究工作才真正有价值。”

  远缘杂交研究是个苦差事,除了要经得起漫长的周期等待,还要长年累月在田间播种、观察记录、选种,烈日暴晒、蚊虫相伴更是家常便饭。但对李立会来说,每年5、6月份,在新乡基地是他一年中最快乐的一段时间。

  “做远缘杂交工作,热爱才能坚持。李老师带我们下地,指导如何观察选择,通过言传身教影响着我们。”中国农业科学院作物科学研究所副研究员周升辉说,2016年加入李立会团队,如今自己已经学会享受小麦种质创新的乐趣。

  张锦鹏告诉记者,做远缘杂交工作不容易出成果。写论文,仅收集数据一般就需要至少花费5年时间,没有一点执着和热情,“小麦—冰草”远缘杂交研究很难延续30多年。

  “要想打赢种业翻身仗,必须要有突破性的种质资源。”李立会说,我们着眼的是当前,解决的是未来的问题。希望“小麦—冰草”创新种质尽快分发到育种家手里,培育出高产优质小麦新品种。

(单位:中国农业科学院作物科学研究所 )