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小麦育种方向的创新与实践问题研究

添加时间:2019-01-22 10:14

  摘    要: 结合我国小麦生产现状, 分析现阶段常见的几种小麦创新育种方向, 以超级小麦的育种为基本研究对象, 选育出不同类型的小麦新品种, 并就小麦育种的未来优化创新问题进行探究。

  关键词: 小麦育种; 发展方向; 创新; 实践;

  Abstract: The paper combines the status quo of wheat production in China to analyze innovative breeding direction for a few kinds of common wheat varieties at the current stage.Besides, it regards super-wheat breeding as the basic research subject so as to breed new wheat varieties of different types, and it explores the future optimization and innovation of wheat breeding.

  Keyword: wheat breeding; development direction; innovate; practice;

  小麦是重要的粮食作物, 我国是世界最大的小麦生产国和消费国, 发展小麦生产对保障我国粮食安全和市场需求具有重要作用。2018年中央一号文件明确指出, 要加大实施种业自主创新重大工程和主要农作物良种联合攻关力度, 实现小麦育种的创新。为了更好地满足社会发展目标, 本研究就小麦育种方向的创新与实践问题进行探究。

  1 我国小麦生产现状

  小麦是世界上广泛种植的禾本科植物, 是世界上总产量排名第2的粮食作物, 仅次于玉米, 世界上约40%的人口以小麦为主要食粮。我国是世界上小麦的重要生产国和消费国, 分别占世界的17%, 16%, 小麦的生产在确保社会市场经济稳定中起十分重要的作用[1]。2017年我国小麦总产量1.29亿t, 比2006年增长17.4%, 其中, 单产提高是小麦总产量增加的主要因素[2]。过去40 a间, 我国小麦单产从1978年的1 840 kg/hm2提高到2017年的5 410 kg/hm2, 在全球范围内已处在较高水平。近十几年来, 春麦区、西南冬麦区和北部冬麦区面积不断下降, 小麦主产区集中到黄淮麦区和长江中下游麦区。对我国小麦生产贡献最大的省份依次是河南、山东、河北、安徽和江苏等, 这5个省份小麦产量占全国小麦总产量的75%。适应机械化收获的高产、矮秆、抗逆、优质的小麦品种得到大面积推广和普及, 优质麦产业有较快发展[3,4]。

  2 小麦育种方向的创新

  2.1 小麦多抗育种的创新发展

  小麦多抗育种在选择亲本时, 需关注亲本的适应性。实践证明, 育种者往往选取当地丰产性好、抗倒性强、推广面积大、能抵御不良气候影响的小麦品种作为育种目标。小麦亲本的适应性主要表现在对温度、光照、水肥等外部环境的综合适应能力, 对外界环境因素变化反应不敏感, 表明其具有更大的利用推广价值。这样育种者进行一次杂交, 就能够达到预期目的, 不必进行多次杂交。如当时在生产上大面积种植的京411小麦品种, 通过晋麦62号/京411和BPM27/京411单交, 成功育成晋麦86号[5]和中麦175, 现在正大面积推广应用, 是北部水地的主推和当家品种, 这2个品种与京411相比, 前者是粒质和茎秆得到改观, 后者是茎秆变矮10 cm以上, 抗倒伏能力增强。一次不能满足要求, 就可以考虑回交或者双交的方法, 经过数次杂交之后, 对于一些性状不良的小麦, 就需直接淘汰, 加大优良性状的数量。育种者在进行小麦培育时, 从杂交一代开始就需对品种的整齐度、产量以及抗病抗逆性等性状进行严格要求, 同时为后代选择出多样化的类型, 适应不同的生态环境, 对出圃的小麦品系进行再次筛选, 淘汰掉不符合生态环境要求的小麦品系, 以此来提升小麦的整体适应能力, 确保其丰产性、稳定性, 以便大面积进行推广应用。
 

小麦育种方向的创新与实践问题研究
 

  2.2 小麦超高产育种的创新发展

  在育种技术的不断深化和科研人员坚持不懈的努力下, 小麦栽培在超高产育种方面将会实现突破性的进展。为此, 栽培方式有望是精量或者半精量栽培模式, 大大节约了成本。因此, 在选配小麦品种时需要选取分蘖能力强、无效分蘖少, 大穗多穗, 多花多实的品种, 并且协调发展。此外, 育种者在选用时注意系谱, 可以实现冬性与春性基因库的相互交流以及多样化抗源的积累, 按照此方法选出的小麦品种有极强的适应能力, 同时不会受到光温反应的影响。但超高产小麦一定要在继承和创新中发展, 对有明显缺点但存在巨大增产潜力的亲本要耐心改良。实践证明, 要想培育出超高产品种, 就必须有优异的种质资源来扩大遗传基础;要想取得突破性的进展, 就要在遗传资源方面下功夫, 分析其遗传背景, 实现超高产育种创新。从当前来看, 小麦超高产育种的实现方式包含物理辐射、化学诱变、远缘杂交[6,7]和轮回选择等。轮选987小麦就是通过轮回选择群体选出的品种, 轮选987小麦适应性非常强, 不但适宜北部冬麦区种植, 而且也适宜黄淮冬麦区种植推广, 是超高产育种取得的突破性进展。

  2.3 超级小麦育种的创新发展

  超级小麦育种是在超级水稻发展理念基础上提出的一种小麦育种方式。一般认为, 抗倒、抗病, 种植面积达6.7 hm2以上, 连续2 a产量稳定在9.75~10.5 t/hm2, 比目前高产品种 (以7 500 kg/hm2为基数) 增产30%~40%, 而且加工品质优良的小麦品种称为“超级小麦”。常规杂交育种作为一种宏观基因调控的遗传, 是超级小麦育种中的主要方法。需要掌握大量的国内、外种质资源, 并对其遗传特性进行详细研究的基础上, 采用阶梯杂交、聚合杂交等育种方法, 把控制同一性状的多个微效基因累加到一个杂种个体中, 创造超亲性状, 或者把分别控制成穗率、穗粒数和千粒质量等主要产量性状的主效基因聚合于1个杂种个体中, 培育出超级小麦新品系[8]。前苏联高产、优质春小麦品种萨拉托夫29就是通过3次阶梯杂交, 分别把亲本白士尔卡的优质性状、波尔塔夫卡和留切申91的高产性状和留切申55/11的抗黑穗病性状聚合在一起, 培育成为世界上推广面积最大的小麦品种。周俊儒等[9]利用优良基因结合阶梯杂交育种方法, 先后将几十个亲本10多次阶梯杂交, 成功育成兼有大穗、抗倒、广适性和增产显着的绵阳28号小麦品种, 比对照增产16.6%。这些成功范例标志着超级小麦育种创新具有长足发展。

  2.4 饲用小麦育种的创新发展

  畜牧业的蓬勃发展使得农业生产结构被调整, 从而对小麦的种植结构也产生了深刻的影响, 在这种情况下, 有学者相应提出了饲用小麦品种选育[10]。饲用小麦的育种目标分为3种类型:第一, 籽粒饲用小麦育种研究。这类小麦要求籽粒蛋白质含量要高, 丰产性要好, 可配制精饲料。第二, 茎秆饲用小麦的育种研究。这类小麦要求根系发达、茎秆粗壮、光合能力强、生物产量和收获指数高, 生产出的小麦茎秆含有丰富的蛋白质和易于消化的纤维素含量较多。第三, 麦草饲料小麦的育种研究。麦草饲料小麦的育种一般不需要考虑籽粒, 但必须注重产草量。一年除冬季外, 多次刈割直接作为鲜饲料, 既可青贮, 也可晒干制成草粉。麦草中的蛋白质、氨基酸、维生素、SOD酶等含量相对较高。近年来, 山西省农业科学院作物科学研究所和小麦研究所相继育成晋饲草1号和临草2号饲用小麦品种[11,12]。饲用小麦育种的创新给畜牧业带来巨大的经济效益和生态效益, 发展前景十分广阔。

  3 超级小麦的育种创新实践

  3.1 调整育种目标

  超级小麦的育种目标需要明确、具体, 且还需要随着社会生产力水平的提升而做出相应的调整。山东省在实施小麦种植产业化以来[13], 就超高产小麦育种问题展开了探究。在探究中进一步强调了育种目标的重要性, 即根据超级小麦育种涉及到的内容繁杂、工作难度大, 在育种目标的指定下需要具备超前发展意识, 增强小麦产量指标定位的预见性。小麦育种目标要考虑社会市场经济发展需求和市场发展导向, 以增产增收为重要目标。在小麦育种目标确定之后, 需要结合社会市场经济发展需要来选择适合的超级小麦品种, 以抗病和抗倒作为基本选定标准, 不断挖掘小麦的生产能力。根据小麦选种的要求, 以大穗和中穗为基本类型, 如聊89-1、聊89-2、聊9629、聊1709和9638等。经过实践证明, 产量都能够达到9 000 kg/hm2以上。

  超级小麦的选择要求综合性状优良, 单位面积穗数、穗粒数和千粒质量三者协调发展, 主要品种类型是中间穗和大穗。在稳定穗数的基础上, 进一步提高穗粒数和千粒质量[14]。在小麦品种的选择上, 并不是穗越大越好, 而是需要全面综合考虑。

  3.2 种质资源的引进和创新应用

  超高产育种的突破有赖于新型种质的创造创新, 主要是在亲本材料的征集、改造、创新利用上有所突破。优异的小麦种质资源为小麦育种提供必要的物质支持。每个优良品种的成功选育都离不开品种资源的特殊贡献, 系谱都可追溯[15]。育种实践表明, 任何品种资源本身都存在一定的局限性, 所以, 在小麦育种上要通过各种途径征集品种资源, 同时注重种质资源的开发利用与创新, 广泛整理、鉴定、评价、筛选现有种质, 了解其遗传特性, 从中选出优异种质, 以满足超高产小麦育种利用。

  3.3 育种方法

  3.3.1远缘杂交方法

  为了选育出突破性的小麦品种, 高产育种的关键是单穗质量, 远缘杂交育种能够合成新的物种, 创造新的育种材料。不少专家以小麦与偃麦草、山羊草、黑麦、簇毛麦等人工合成二倍体材料, 将多种生物技术与常规技术相结合, 将小麦亲缘物种携带的优良基因染色体组或者染色体片段转移到小麦中, 筛选出农艺性状优良、兼抗多种小麦病害的品种, 如山农97J43、山农97J64等。

  3.3.2聚合杂交方法

  通过聚合育种方法, 将几个目的性状基因转入到一个大面积的推广品种中, 将几个不同的种质基因聚合在一起, 转入综合丰产稳产性状好的小麦品种中, 然后用它作为轮回亲本再聚合, 从中选出符合育种目标要求的聚合品种 (系) 。育种过程是:利用超级种质资源作亲本, F1选出大穗大粒单株与主推品种回交, F2根据超级小麦育种目标要求, 再与创新优异种质或者正在参加区试的田间表现农艺性状好、丰产性能好的优良品种继续回交。把不同时期最好的品种作轮回亲本, 可确保回交后代综合丰产性处于最好水平, 把决定产量性状的几个重要基因聚合在一起, 可以选育出超高产品种, 把优质基因和高产基因聚合在一起, 可以选育出产量超级、品质超级、多抗的优良品种 (系) 。2018年山东省超级小麦新品种培育重大项目在泰安通过了验收, 最高公顷产量达到12 427.55 kg, 创造了全国小麦的高产纪录。

  4 小麦育种方向创新实践优化策略

  4.1 加强育种材料, 选择抗性过硬的新品种

  由于小麦育种材料使用较窄, 优良品种单一。譬如, 四川省1949年以来几次小麦品种大更换过程中, 除生产力发展水平带来新的要求以外, 小麦条锈生理小种的变化是带来一代品种毁灭性变化的主要原因。李邦发[16]在利用繁6家族抗源同时, 早在1990年开始引进其他系统的抗源, 如贵农19、贵农20、贵农21, 墨西哥M-18, M-212抗源, 以色列143抗源等, 不断充实自己的选种材料, 形成各代连续的抗病后代群体。1999年条锈病大暴发时, 李邦发的选种圃有大量的高抗甚至条锈病、白粉病双免的优良株 (系) , 从中选出了西科麦1号和西科麦6号等。所以, 小麦新品种选育必须近期目标和长期目标相结合, 拓展创新基因资源, 加强育种材料, 才能选出抗性过硬的小麦品种。

  4.2 小麦的育种目标要和社会市场经济发展需要相适应

  多少年来, 我国的小麦育种注重产量的提高, 对籽粒品质改良不够, 致使我国小麦的遗传改良工作远远低于欧美等国家。我国在生产上推广的小麦品种品质普遍较差, 尤其是山西中部优质亚基7+8, 5+10的品种缺乏。根据笔者30多年的小麦育种实践认为, 育种目标一定要根据生产发展、人们生活水平和社会市场发展需求来制定。现阶段需要将产量和品质提高有机结合, 提高蛋白质和面筋含量, 满足面条、馒头、饺子等传统食品加工要求。由于知识产权的保护, 所培育的品种还需具有良好的商品性, 让生产、经营和加工各方面都得到认同, 使其成果迅速推广使用, 达到优质、高产、高效的目的。近年来, 从山西省农科院各研究所征集回太10604、长6794、晋麦100号等20多份优质资源, 配制组合后, 选择的单株表现遗传力强、株高适中、抗病性较好、籽粒漂亮、粒质透明, 具备优质的标准, 明年有一部分株系出圃, 经室内微量SDS检测和结合田间品系鉴定, 在未来几年将会有一批优质高产的小麦新品种 (系) 崭露锋芒。

  4.3 将传统育种方式和新型育种方式密切结合

  新型的转基因育种、分子育种、基因克隆等新技术能否转育成功, 能否有效表达, 育种效率和效果有待提高。传统育种能使大量丰富的基因得到重组和转移, 将传统方法与高新技术有机结合, 对育种会产生积极的效果。在小麦育种中, 品种改良的任务一方面是把分散在不同个体的目标性状重组在一起;另一方面是把累加那些具有加性效应的目标基因, 强化目标性状。如陈永兴等[17]选育的农大399就是利用滚动式加代回交转育和穿梭育种的策略, 采用系谱法结合分子标记辅助选择, 经多点鉴定选育出的高产、稳产、抗病小麦新品种。这种选择方法更准, 效率更高, 易于快速准确的收敛各亲本的优良性状于一体, 加快育种进程。

  4.4 结合实际, 选择正确的小麦育种方向

  近10多年来, 由于对生产和群众的需要不了解, 当时审定的一些小麦品种根本无人种植和使用, 造成资源和经济的浪费。经调查, 山西省旱地和丘陵区从新中国成立以来一直使用的是无芒或顶芒品种, 如晋麦5号、晋麦44号和晋麦68号等。当时喜欢无芒品种的原因是没有麦芒, 牲口食用不会被卡, 人工收割不会被扎。现在随着农业机械化的不断普及, 采用联合收割机收获。有芒小麦品种有防鸟害的作用, 尤其在小面积情况下, 无芒品种鸟害会更严重。加之有麦农认为, 有芒品种比无芒品种产量高 (其实这是一种误解) , 所以, 有芒小麦品种深受欢迎。笔者经过10多年的辛勤选育, 在2017年成功培育成抗旱、优质、高产的晋麦104号[18]。2018年被山西省农业科学院立项, 进行大面积示范推广。

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