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麦收故事 农业科研国家队让草成为小麦改良的资源

小麦和冰草怎样实现远缘杂交?一人高的小黑麦,为何成为西北和中原地区广泛种植的饲草、饲粮?能够和世界一流强筋小麦媲美的中国小麦是怎样育成的?

广袤平坦的黄淮海平原,是我国最大的小麦主产区,种植着超过2亿亩的冬小麦。时值三夏,这里进入了一年中最忙碌的收获季。

在黄淮海麦区的中心地带,河南新乡的平原上,有一座特殊的农场,这里是中国农业科学院作物科学研究所的实验基地,常年驻扎着许多农业科研机构。近日,麦收之时,基地举行了一场线上科技开放活动,展示了农业科学家们数十年育种的成果。

麦收故事 农业科研国家队让草成为小麦改良的资源

5月7日,中国农业科学院新乡基地,科学家们线上介绍农业科技进展。中国农科院供图

远缘杂交,让草成为小麦改良的资源

35年前,刚刚考上研究生的李立会,为自己立了一个“不可能完成”的目标,攻克“小麦-冰草”远缘杂交的难题,在此之前,这个难题已经困扰了全球育种家们半个多世纪。

冰草是一类常见的野草,生命力极其顽强,具有优秀的抗旱、抗寒、抗病性。冰草属的植物,是小麦的近缘野生种,它的穗和小麦有点像,但穗子较大、小穗、小花更多。

假如小麦也能具有冰草那样顽强的生命力和高产能力,必然会改变小麦种植的历史。早在上世纪30年代,国外就有科学家开始尝试将两者杂交,但一直到80年代,半个世纪过去,无一成功。李立会的导师、著名作物种质资源专家董玉琛院士告诉他,两者的杂交在国际上已经被判了“死刑”。

35年后,河南新乡的试验田里,数十种小麦和冰草杂交而成的小麦材料即将成熟,用这些材料育成的新品种,已经有15个,后备新品种也有39个。15个新品种中,有高抗的品种,如甘肃、陕西两省审定的小麦新品种普冰151,已经是当地条锈病等病害流行和旱地麦区的主栽品种。也有高产的品种,如国审新品种川麦93,穗粒数达54.2粒,增产16.7%。做到这一切,李立会花了三十多年。三十多年里,李立会和他的团队,解决了小麦和冰草花期不同、生殖隔离、杂交胚胎不能正常发育等诸多问题,为小麦育种增添了多种新的种质资源。“从远缘杂交成功至今,已经有5000多种冰草的基因,通过杂交进入了小麦中。”中国农业科学院作物科学研究所所长、中国科学院院士钱前说。

麦收故事 农业科研国家队让草成为小麦改良的资源

基地有1100多亩,常年驻扎着20多个育种团队。中国农科院供图

“在小麦驯化的过程中,长期的近亲繁殖,使得小麦的遗传相似度很高。”李立会说,“而小麦-冰草这样的远缘杂交,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。”

5月27日举行的线上农科开放日活动中,李立会在河南新乡的基地中,以视频的形式介绍了多种“小麦-冰草远缘杂交”的小麦材料,“比如我手边的这种,粒数非常高,正常可以达到100粒以上,千粒重可以保证在50克以上,而且株形紧密,有利于亩穗数提高。”

小黑麦,一人高的麦子其实是饲草

和普通的麦田中整整齐齐的麦子不同,试验田里的麦子长得有些凌乱,高矮不齐、青黄相间。其实,在每一块麦田中,都种植着数十上百种育种材料,科学家们则在其中选育那些性状优良的材料继续培育,一个新品种的育成,往往需要漫长的时间来重复选育。

中国农业科学院作物科学研究所副研究员孟凡华的试验田里,种着很多近一人高的“麦子”,这些不是普通的“麦子”,而是一种名为“小黑麦”的饲草、饲粮多用作物。

麦收故事 农业科研国家队让草成为小麦改良的资源

小黑麦是新物种,也是优质的饲粮、饲草作物。中国农科院供图

5月中旬,有地方用小麦做青贮饲料的消息,引发了普遍关注,农业农村部也为此下发通知,杜绝毁麦现象。

小麦做青贮饲料并不经济,在“麦子家族”中,小黑麦才是专门为畜牧业育成的饲草、饲粮作物。孟凡华介绍,小黑麦是一种非常年轻的作物,它的发展史只有140多年。“但它结合了小麦的高产和黑麦的抗寒、耐寒、耐瘠薄、抗三锈、白粉病免疫等性状,是非常优秀的饲粮、饲草特色作物。每亩生物量在3吨到3.5吨,晾干后的青干草也可以达到1吨到1.2吨。”

小黑麦在西北黄土高原、青藏高原、沿黄河滩涂盐碱地、南方冬闲稻田广泛种植,对种养结合的养殖业有极为明显的作用。上世纪六七十年代,我国育成自己的小黑麦品种,数十年来,已经成为极好的饲料原料。

除了接近一人高的小黑麦,试验田中还有一米左右的矮秆小黑麦,是饲粮用的小黑麦,孟凡华介绍,在国外,小黑麦主要以饲粮为主,亩产可以达到600公斤,当前,我国也在着力培育饲粮用的小黑麦。

中国面包,用中国的小麦

面条是否筋道,和小麦品质有关。但实际上,在中国小麦消费中,主要消费的是中筋小麦,与之相对的弱筋、强筋小麦,国内消费量并不多。

中筋小麦主要用于面条、馒头等传统面食的制作,而弱筋小麦多用于酿酒等工业生产,强筋小麦则多用于制作面包等特种食品。

在过去,我国弱筋、强筋小麦生产不足,品种不佳,尤其是强筋小麦,长期依赖进口调剂。随着农业科技的发展,如今,中国自己的弱筋、强筋品种,已经普遍赶上国际先进水平。

在小麦品质与新品种选育团队首席科学家何中虎的试验田中,就种植着大片国产强筋小麦中麦578,这是中国农业科学院作物科学研究所和棉花研究所合作,历时二十年育成的优质强筋小麦,品质优良、抗性好、适应性强。在黄河南北、西北地区都可以种植,预计今年种植面积可达到五六百万亩。

何中虎所在的团队,有七十多年小麦育种的经验,最早从1946年开始,由已故的小麦专家庄巧生建立,七十多年来代代相传,育成了无数全国知名的小麦品种。

在新乡的试验田里,今年除了种植中麦578之外,旁边还种着它的亲本冀麦22、中麦255等。

麦收故事 农业科研国家队让草成为小麦改良的资源

几十年中,基地攻克了许多育种的难关,也为无数科研单位提供着新的育种材料。中国农科院供图

何中虎介绍,中麦255是利用河南的豫麦49和澳大利亚优质小麦品种杂交培育而成的。育成时间是2008年,之后又历经十多年时间,再次育成中麦578这个中国自己的优质强筋小麦。“中麦578的品质,可以和国外的优质小麦相媲美,做面包或者做优质面条、饺子都很好,且产量高于国外。”

中国农业科学院作物科学研究所研究员张勇介绍,“2021年,河南焦作的试验田中种植的中麦578,创造了841.5公斤的高产纪录。在规模化生产中,也可达到600公斤左右。2020年,在河北邢台的一个合作社中,实收589公斤。2021年,同一个合作社,实收607公斤,其中连片种植的865亩中,达到了703公斤。”

亲近自然,也在不断抗衡自然

“育种是一个漫长的过程,在无数不同的小麦材料中,选择性状好的材料,不断地组合,不断地选择,经过漫长的时间,才有可能选育出一个好的品种。”在中国农业科学院作物科学研究所研究员张学勇的试验田中,种植着许许多多不一样的小麦,这些小麦正处在选育之中,所以不能称为品种,在育种中,它们通常被称为材料。

“脚下的这些材料,有的长得壮,有的长得矮,都是不错的材料,也有的看着很高,但实际上不太好。”张学勇说,“从种质资源到品种,是一个金字塔形态的,底层是无数的种质资源,而育成的品种则是塔尖。”

一个好的品种是怎样的?张学勇介绍,首先要有稳定性,其次要有一致性,第三,还要对当地普遍的病虫害有较好的抗性。

2017年,张学勇团队选育中麦66,一种为河南选育的优良品种。这是一种矮秆高抗的品种,不但高产,且适合晚播。2021年秋汛致使多地冬小麦晚播,适宜的晚播品种就格外重要。在试验田中,有一片2021年11月2日播种的中麦66,和其他10月15日播种的品种,几乎没有太大差别。

农业是靠天吃饭的行业,而科技的进步,让人类拥有了更多与环境、与自然相处的能力。

“比如中麦66,它有很好的抗病性,使用农药较少,籽粒中的残留、对地下水的污染也更小,这也是我们在育种中,为何要一直强调抗性的原因。”张学勇说,“在环境友好方面,育种中还会强调肥料使用的效果,怎样通过加强品种利用肥料的能力,使得人类可以减少化肥的使用,同时又能达到高产的效果,这也能有效减少肥料对土壤的污染。中麦66是一种对肥料不敏感的品种,在缺水缺肥的时候,也能长得比较好。事实上,中麦66的亩产水平普遍可以达到1250斤到1300斤,管理特别好的时候,可以达到1400斤,具有很好的推广价值。”

一把青稞一杯酒,农耕文化的新与旧

中国农业科学院作物科学研究所研究员杨平的麦田中,高大的麦子已经彻底熟透了,这里种植的是大麦,和小麦相比,它的麦芒更长,且成熟后,麦粒和壳仍旧紧紧连在一起。

大麦是传统的农作物,和小麦一样,起源于西亚,在漫长的历史中传播到世界各地,脱粒后的大麦,就是人们熟知的青稞,它是重要的饲粮作物,也是酿造青稞酒、啤酒、威士忌的主要配料。

在全球范围内,大麦种植非常广泛,杨平介绍,全世界大麦种植面积约为7.6亿亩,每年产量在1.4亿吨左右,其中70%是饲料,20%用于酿酒,5%作为粮食使用,比如我国的青藏高原地区,居民多以大麦为食。在今天,大麦作为健康食品,食用群体正在变得更加广泛,“比如北方常见的大麦茶,也是由大麦制成。同时,大麦中富含β-葡聚糖等多种成分,对防治高血糖、高血压、高血脂等有不错的效果,可以作为健康食品食用。”

在新乡的试验田中,几乎种植着近七十年来大部分的主栽品种,有早期的农家品种,也有近年来育成的新品种,还有大量正在选育中的大麦材料,“这里既是一个种质圃,也是大麦育种历史沿革的一个展示区,通过了解育种历史的演变,寻找未来的育种方向,育成农民需要的品种。”

在传统不断演变的过程中,新的育种方法,也在改变着育种的状态,尤其是分子育种、智慧育种技术的进步,使得育种的速度、效果都在快速提升。在杨平的试验田中,有一片特殊的大麦材料,是科研人员通过诱变育种的技术获得的材料,其蛋白质含量高出传统品种40%左右。

钱前院士:育种国家队要做什么

种子是农业的芯片,种业技术的进步,是农业发展的基础,也是保障14亿人粮食安全的重要前提。一组来自中国农业科学院的数据显示,从1978年到2018年,40年间,中国农业全要素生产增长率,年均达到了3.26%,其中技术进步的贡献是78%。

小麦是我国居民的两大口粮之一,我国的小麦育种,早在二十世纪上半叶就已经开始,数十年中,一步步走到了世界的前列,得益于一代又一代育种家们的不懈探索。

位于北京的国家作物种质库中,保存着5万多份小麦种质资源,而在河南新乡的基地中,20多个研究组,每年在这里进行着60多项科研任务,面向黄淮海及周边地区,培育一个个新的品种,同时也为无数科研单位,提供育种的材料。

麦收故事 农业科研国家队让草成为小麦改良的资源

这里育成的小麦品种,在黄淮海及周边麦区广泛推广种植。中国农科院供图

“这就是国家队要做的事情。”钱前说,“比如李立会建立的小麦-冰草远缘杂交体系,为丰富小麦种质资源作出了巨大的贡献,每年为数百家单位提供素材。再如何中虎他们育成的中麦578,可以和国外的高档小麦面粉相媲美。而这些,都是从小麦育种中的原始创新开始的。”

来自中国农业科学院作物科学研究所的资料显示,这片1100亩左右的新乡基地,自1993年开始建设,2003年正式入驻,是黄淮海小麦主产区唯一的综合性实验基地,近二十年来,这里取得了国家科技进步一等奖、国家科技发明二等奖等多个奖项。基地育成了多个系列的粮食作物新品种,其中中麦895已成我国第三大小麦品种,强筋高产小麦中麦578秋播面积达到500万亩。

中国农业科学院作物科学研究所副所长王文生介绍,基地具有科普的功能,每年面向政府、企业、种植户及中小学开放,会向更多人介绍育种的故事。

新京报记者周怀宗

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