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藏粮于技:挖掘小麦抗旱耐热潜力

2020-07-29 14:57 | 作者: 中国科学报 | 标签: 小麦

在遗传学中,抗旱属于数量性状遗传,比质量性状更难于研究。中国工程院院士万建民指出,科学家分析发现,在水资源缺乏的中国,影响小麦和玉米等旱地作物产量的最重要性状恰是抗旱能力。

干旱和后期高温严重影响小麦生产力。因此,选育抗旱耐热高产稳产品种是抵御逆境、保障粮食安全的重要途径。

近日,中国农业科学院作物科学研究所(以下简称作科所)召开“小麦藏粮于技计划优异抗逆种质资源田间展示暨研讨会”,展示了小麦基因资源发掘与利用创新团队筛选出的455份表型多样的抗旱耐热小麦种质。其中蕴藏着丰富的抗旱耐热基因资源,可供小麦育种家们按需选择利用。

抗旱品种一年可节约北京市三年生活用水

我国干旱半干旱地区占国土面积50%以上,人均水资源占有量只有世界平均水平的1/4,但是全国70%以上的种植业产品来自于灌溉耕地,农业用水占全国用水总量的比例高达62%。

作科所研究员景蕊莲介绍,小麦是我国北方农业用水大户,用水量占农业用水的70%;旱地和非充分灌溉小麦约占总面积60%,常年受旱约1亿亩,每年减产50亿公斤,造成经济损失超过110亿元。

小麦抗旱耐热改良可以说迫在眉睫。然而,缺乏准确高效的抗旱耐热鉴定评价技术体系,抗旱耐热分子标记尚未实用化,抗旱耐热优异种质资源严重短缺,抗旱耐热高产稳产品种不能满足生产需求等问题依然限制着小麦改良的进程。

“我国已收集保存的5万多份小麦种质资源中的抗旱耐热基因是进行高效育种的物质基础。”景蕊莲说。

历时39年,作物种质资源工作者通过田间和人工模拟干旱、高温条件,先后对2.4万份小麦种质资源材料进行了抗旱性鉴定评价,对部分材料进行了耐热性鉴定评价。他们筛选出455份抗旱性或耐热性比较突出的种质资源,其中抗旱耐热材料110余份,为小麦抗旱耐热育种提供了必要的物质基础。

景蕊莲团队根据育种应用难易程度,将这些材料分为三类:综合农艺性状良好的抗旱耐热种质,经过简单改造后可以在育种中利用,少数材料可以推荐给育种单位直接利用;抗旱耐热性突出但有少数缺点的种质,需要改造之后在育种中应用;抗逆性突出缺点较多的种质,把其中的优良基因导入到良好的遗传背景材料中,才能有效利用。

该团队还建立了覆盖农艺、生理和根系性状的抗旱性鉴定评价技术体系,制定了国家标准《小麦抗旱性鉴定评价技术规范》。他们确立了种子萌发期、苗期及全生育期抗旱性鉴定评价的性状指标、技术参数、控制条件和量化标准,被国家农作物品种审定委员会和育种单位广泛采用,被列为小麦种质资源抗旱性评价标准。

基于小麦种质资源,利用合理的抗旱性状评价体系,该团队培育的中麦36抗旱耐热,旱作丰产潜力大,广适性强。生产试验平均亩产370.9 kg,比对照品种增产12.6%;抗倒性增强,抗旱指数优于对照;水分利用效率比对照提高14.2%。2019年被确定为国家黄淮冬麦区旱薄组区域试验新对照品种。

2019年,中麦36在宝鸡市陈仓区种植,当年遭遇近60年来罕见持续干旱,但田间实收测产结果达亩产540kg。

参与测产验收工作的中国工程院院士康振生说:“我感到非常惊讶。在我们旱区,黄土高坡上头,小麦还能获得这样好的一个产量。”

保守测算,应用抗旱耐热小麦新品种每年至少比普通品种少浇一次水。景蕊莲算了一笔账,按常年易旱小麦面积1亿亩计算,抗旱品种在增产19.95亿公斤的基础上,可节水40亿吨,相当于北京市三年的生活用供水总量。

小麦改良将实现重大突破

“这个项目我早就关注了。水是个大问题,拥有这些抗旱耐热的基因,能让小麦在遇到不良气候条件的时候减产减得少一点,这恐怕是今后在品种改良上要注意的问题。”中国工程院院士程顺和说。

万建民说,这个项目创建了抗旱性鉴定体系和标准,用其鉴定分析抗旱资源,找到控制抗旱性的基因,创制新种质,筛选不同的新品种。“这样一个体系是非常科学和先进的,值得推广。”

康振生认为,这项工作从理论上、技术上、方法上做出了很多的贡献,在抗旱机理、抗旱性筛选办法和评判标准等方面做了大量的研究工作,更重要的是通过改良、创新,创造了新的种质资源,选育了一批新品种。

从事小麦种质资源研究30余年的作科所研究员贾继增说:“现在,作物改良处在一个非常关键的时期,无论哪一个作物的改良都需要一个极大的突破。这个极大的突破现在已经有了基础,小麦有三个支撑条件。”

首先,在基因组学推动下,科学家正在挖掘各类重要性状基因,小麦的基因资源可能取得巨大的突破。

其次,小麦作为异源多倍体的天然杂种优势的机理即将在理论上取得重大突破。

再次,全基因组选择和一年多代技术的结合使得育种方法上可能取得重大突破。

“小麦种质资源中蕴藏着丰富的基因资源,发掘优异基因,利用功能分子标记选择优异等位基因,将有效提高杂交组合亲本选配的预见性和后代材料选择的准确性,提高小麦遗传改良效率。”景蕊莲说。

抗旱研究应联合攻关

每年5月初,作物种质资源工作者开始到各地进行种质资源考察。“小麦考察对小麦种质资源的鉴定评价,特别是对育种的推进工作发挥了很大的作用。”作科所研究员王述民说。

有一段时间,景蕊莲团队要在热棚里分析500多份小麦材料,每一份都要考察抗旱耐热相关的农艺性状和生理性状;同时利用土柱法检测这些材料的根系性状,测根的形态,称根的重量,工作量巨大。

对于抗旱这个数量性状而言,巨大的工作量有时会让科研人员筋疲力尽。

万建民认为,抗旱研究不能孤立进行,应组织专家联合攻关,从技术体系、资源、基因等层面全面开展。他建议,抗旱种质资源应该向全国的育种家提供,应用于生产、发挥作用。“团结全国的小麦科学家,一起攻克这样的难关,为国家的粮食安全做出新的贡献。”万建民说。

长期从事小麦种质资源研究的作科所研究员李立会说,要充分发掘地方品种和育成品种中相互基因的可利用性。加强原始创新,创造一些育种家手中没有的,或者说抗旱前景比较大的种质。提高有效利用,重点关注性状之间的协调表达与遗传特性。

与会专家还建议,要挖掘和克隆关键的主效抗旱基因,聚合优异等位基因,创制更好的新的抗旱种质,在品质、产量、抗旱、耐热性等方面进一步改善。由于旱区也是小麦病害流行区域,也应该考虑到抗病性状的聚合。

万建民认为,小麦种质资源研究的突破,将会为水稻、玉米全育种体系的构建打下很好的基础。

来源:中国科学报

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