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    藏糧于技:挖掘小麥抗旱耐熱潛力

    2020-07-29 14:57 | 作者: 中國科學報 | 標簽: 小麥

    在遺傳學中,抗旱屬于數量性狀遺傳,比質量性狀更難于研究。中國工程院院士萬建民指出,科學家分析發現,在水資源缺乏的中國,影響小麥和玉米等旱地作物產量的最重要性狀恰是抗旱能力。

    干旱和后期高溫嚴重影響小麥生產力。因此,選育抗旱耐熱高產穩產品種是抵御逆境、保障糧食安全的重要途徑。

    近日,中國農業科學院作物科學研究所(以下簡稱作科所)召開“小麥藏糧于技計劃優異抗逆種質資源田間展示暨研討會”,展示了小麥基因資源發掘與利用創新團隊篩選出的455份表型多樣的抗旱耐熱小麥種質。其中蘊藏著豐富的抗旱耐熱基因資源,可供小麥育種家們按需選擇利用。

    抗旱品種一年可節約北京市三年生活用水

    我國干旱半干旱地區占國土面積50%以上,人均水資源占有量只有世界平均水平的1/4,但是全國70%以上的種植業產品來自于灌溉耕地,農業用水占全國用水總量的比例高達62%。

    作科所研究員景蕊蓮介紹,小麥是我國北方農業用水大戶,用水量占農業用水的70%;旱地和非充分灌溉小麥約占總面積60%,常年受旱約1億畝,每年減產50億公斤,造成經濟損失超過110億元。

    小麥抗旱耐熱改良可以說迫在眉睫。然而,缺乏準確高效的抗旱耐熱鑒定評價技術體系,抗旱耐熱分子標記尚未實用化,抗旱耐熱優異種質資源嚴重短缺,抗旱耐熱高產穩產品種不能滿足生產需求等問題依然限制著小麥改良的進程。

    “我國已收集保存的5萬多份小麥種質資源中的抗旱耐熱基因是進行高效育種的物質基礎。”景蕊蓮說。

    歷時39年,作物種質資源工作者通過田間和人工模擬干旱、高溫條件,先后對2.4萬份小麥種質資源材料進行了抗旱性鑒定評價,對部分材料進行了耐熱性鑒定評價。他們篩選出455份抗旱性或耐熱性比較突出的種質資源,其中抗旱耐熱材料110余份,為小麥抗旱耐熱育種提供了必要的物質基礎。

    景蕊蓮團隊根據育種應用難易程度,將這些材料分為三類:綜合農藝性狀良好的抗旱耐熱種質,經過簡單改造后可以在育種中利用,少數材料可以推薦給育種單位直接利用;抗旱耐熱性突出但有少數缺點的種質,需要改造之后在育種中應用;抗逆性突出缺點較多的種質,把其中的優良基因導入到良好的遺傳背景材料中,才能有效利用。

    該團隊還建立了覆蓋農藝、生理和根系性狀的抗旱性鑒定評價技術體系,制定了國家標準《小麥抗旱性鑒定評價技術規范》。他們確立了種子萌發期、苗期及全生育期抗旱性鑒定評價的性狀指標、技術參數、控制條件和量化標準,被國家農作物品種審定委員會和育種單位廣泛采用,被列為小麥種質資源抗旱性評價標準。

    基于小麥種質資源,利用合理的抗旱性狀評價體系,該團隊培育的中麥36抗旱耐熱,旱作豐產潛力大,廣適性強。生產試驗平均畝產370.9 kg,比對照品種增產12.6%;抗倒性增強,抗旱指數優于對照;水分利用效率比對照提高14.2%。2019年被確定為國家黃淮冬麥區旱薄組區域試驗新對照品種。

    2019年,中麥36在寶雞市陳倉區種植,當年遭遇近60年來罕見持續干旱,但田間實收測產結果達畝產540kg。

    參與測產驗收工作的中國工程院院士康振生說:“我感到非常驚訝。在我們旱區,黃土高坡上頭,小麥還能獲得這樣好的一個產量。”

    保守測算,應用抗旱耐熱小麥新品種每年至少比普通品種少澆一次水。景蕊蓮算了一筆賬,按常年易旱小麥面積1億畝計算,抗旱品種在增產19.95億公斤的基礎上,可節水40億噸,相當于北京市三年的生活用供水總量。

    小麥改良將實現重大突破

    “這個項目我早就關注了。水是個大問題,擁有這些抗旱耐熱的基因,能讓小麥在遇到不良氣候條件的時候減產減得少一點,這恐怕是今后在品種改良上要注意的問題。”中國工程院院士程順和說。

    萬建民說,這個項目創建了抗旱性鑒定體系和標準,用其鑒定分析抗旱資源,找到控制抗旱性的基因,創制新種質,篩選不同的新品種。“這樣一個體系是非??茖W和先進的,值得推廣。”

    康振生認為,這項工作從理論上、技術上、方法上做出了很多的貢獻,在抗旱機理、抗旱性篩選辦法和評判標準等方面做了大量的研究工作,更重要的是通過改良、創新,創造了新的種質資源,選育了一批新品種。

    從事小麥種質資源研究30余年的作科所研究員賈繼增說:“現在,作物改良處在一個非常關鍵的時期,無論哪一個作物的改良都需要一個極大的突破。這個極大的突破現在已經有了基礎,小麥有三個支撐條件。”

    首先,在基因組學推動下,科學家正在挖掘各類重要性狀基因,小麥的基因資源可能取得巨大的突破。

    其次,小麥作為異源多倍體的天然雜種優勢的機理即將在理論上取得重大突破。

    再次,全基因組選擇和一年多代技術的結合使得育種方法上可能取得重大突破。

    “小麥種質資源中蘊藏著豐富的基因資源,發掘優異基因,利用功能分子標記選擇優異等位基因,將有效提高雜交組合親本選配的預見性和后代材料選擇的準確性,提高小麥遺傳改良效率。”景蕊蓮說。

    抗旱研究應聯合攻關

    每年5月初,作物種質資源工作者開始到各地進行種質資源考察。“小麥考察對小麥種質資源的鑒定評價,特別是對育種的推進工作發揮了很大的作用。”作科所研究員王述民說。

    有一段時間,景蕊蓮團隊要在熱棚里分析500多份小麥材料,每一份都要考察抗旱耐熱相關的農藝性狀和生理性狀;同時利用土柱法檢測這些材料的根系性狀,測根的形態,稱根的重量,工作量巨大。

    對于抗旱這個數量性狀而言,巨大的工作量有時會讓科研人員筋疲力盡。

    萬建民認為,抗旱研究不能孤立進行,應組織專家聯合攻關,從技術體系、資源、基因等層面全面開展。他建議,抗旱種質資源應該向全國的育種家提供,應用于生產、發揮作用。“團結全國的小麥科學家,一起攻克這樣的難關,為國家的糧食安全做出新的貢獻。”萬建民說。

    長期從事小麥種質資源研究的作科所研究員李立會說,要充分發掘地方品種和育成品種中相互基因的可利用性。加強原始創新,創造一些育種家手中沒有的,或者說抗旱前景比較大的種質。提高有效利用,重點關注性狀之間的協調表達與遺傳特性。

    與會專家還建議,要挖掘和克隆關鍵的主效抗旱基因,聚合優異等位基因,創制更好的新的抗旱種質,在品質、產量、抗旱、耐熱性等方面進一步改善。由于旱區也是小麥病害流行區域,也應該考慮到抗病性狀的聚合。

    萬建民認為,小麥種質資源研究的突破,將會為水稻、玉米全育種體系的構建打下很好的基礎。

    來源:中國科學報

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