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玉米育种研究的发展方向


玉米育种研究的发展方向
在全球经济一体化的大背景下,可持续发展战略的农产品生产经营产业化的发展趋势对农业科学研究的内容、结构与发展方向 产生越来越强烈的积极影响。 1 玉米育种研究的发展方向 1.1 加强种质资源研究 以玉米生产为例,从 1949~1996 年,我国玉米年产量增加 8.88 倍,这期间播种面积增长 1.25 倍,而单位面积产量提高了 3.29 倍。玉米产

量的提高与普遍使用杂交种有直接关系,至少 40%的增产因素应归于品种改良。而增施化肥、合理密植和提高 复种指数都与使用杂交种有直接关系。目前,我国杂交种普及率已达到 90%,其中绝大部分是增产潜力很高的单交种。发展中国 家也越来越多地采用各种先进技术,正积极推广玉米杂交种,预计本世纪末杂交种普及率将达到 50%左右。但我们还应看到事物 的另一面,即现代科学技术也有其局限性。如果对现代技术寄予过高的期望而忽视其局限性,就难免会产生负效应。40 年前,
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我国农民在 1000 万/hm 玉米面积上至少种植了 12000 个遗传基础较复杂的地方农家品种;今天,玉米面积增加了一倍多,达到
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2350 万 hm , 可是我们只有 160~190 个遗传基础狭窄的杂交种。 其中推广面积前五位的品种是掖单 13 (14.9%) 丹玉 13 、 (12.5%) 、 中单 2 号(10.9%)、掖单 2 号(9.6%)和掖单 12(5.1%)。在 1995 年,全国有 53%的玉米面积种植这 5 个杂交种。更为严重 的是,60%以上的玉米生产面积仅仅依赖 Mo17(21.2%)、478(12.8%)、黄早四(10%)、丹 340(8.8%)和 E28(7.9%)这 5 个自交系。现代技术在提高产量潜力的同时,也把农业生产置于脆弱地位,使数千万公顷作物生产依赖狭窄的遗传基础对付遗 传基础广泛的多种病虫害。品种单一化是使病原菌和害虫生理小种发生变异、累积、爆发和流行的诱导因素。这就必然发生遗 传脆弱性的威胁。由少数自交系和杂交种控制全国大面积玉米生产的危险局面,自 80 年代中期以来一直没有大的改变。这要从 多方面去寻找原因,让我们首先看一看育种研究方面出现了什么问题。一个国家的植物育种项目通常由四个基本因素构成:一 是基本研究队伍,即一大批训练有素的科学家;二是正确的基本理论,即现代遗传学和相关学科的基本理论;三是基本育种方 法,要保持先进性和完整性;四是充足有效的基础材料。不难看出,对一个国家来说,前三个基本条件可以通过自身努力而逐 渐予以提高,唯有第四个基本条件是限制因素,只能通过引进多样性中心的种质资源,才能拓宽作物育种的遗传基础。我国主 要农作物的种质资源状况令人忧虑。水稻的多样性中心一半在中国,一半在南亚次大陆和东南亚,总的来说我国的水稻资源还 算丰富。小麦的多样性中心在地中海沿岸的西亚和北非地区,但小麦传入我国较早,在我国复杂的自然气候条件下,群体基因 频率发生变化,形成了许多特殊的种质类型,成为小麦的次生多样性中心;但总的来说,种质资源明显不足。玉米的多样性中 心在中南美洲,直到 15 世纪才有一小部分玉米种质传人欧洲和亚洲。因此,玉米科研和生产技术较先进的国家普遍缺乏种质资 源。全世界大约有 250 个玉米种族,美国生产上历来使用 2 个种族群。我国拥有的种族数量大约只有少数几个。自从推广杂交 种以来,生产用种质迅速减少,目前主要是用美国的 Lancaster 和 Reid,中国的唐山四平头和旅大红骨 4 种类型。就全世界范 围来说,在现代技术的冲击下,一些资源正在消失。保护下来的 250 个种族,大多数没有经过现代技术的改良,因而尚未充分 利用。现在人们经常议论超高产育种,事实上,我国非常缺乏高产和超高产育种所必须依赖的种质基础;研究种质资源的手段 与设施条件比较陈旧。高产和超高产育种必须扩增种质资源和遗传基础。需要引进或发现新的杂种优势群和杂种优势模式,这 才有可能选育出配合力更高的自交系和进一步提高杂种优势水平。从粮食生产安全性角度来看,必须引进各种抗逆性基因来源, 增加作物生产的遗传多样性,提高抵御自然灾害的能力。以上我们强调了种质扩增的重要性。从管理的角度来看,可持续农业 要求加快品种的更新速度,具体说来就是缩短品种的使用寿命和增加品种数量。为此,需要 1 修改品种审定办法,简化手续, 加快新品种推广速度;2 加强新品种保护,调动研究和推广新品种的积极性;3 改变农业科技奖励政策,引导作物育种的群体行 为。这些政策性的修改,将有利于可持续农业的健康发展。@正 1 从多样性中心引进外来种质经常伴随各种不适应现象,因而要 经历驯化过程。历史上的引种莫不如此。但古代引种一般是渐进过程,而现代引种的地理跨度和生态条件变化剧烈。现代育种 所承受的生产压力更大,因而要求在较短时间内就完成历史上漫长的引种驯化过程。正是这种现实矛盾,使许多人对引进和利 用外来种质缺乏信心。玉米原产热带和亚热带短日照条件,引种到温带长日照条件下,光周期反应异常强烈,甚至不能正常结 实。通过轮回选择的方法,用 4~5 代时间就能使外来种质适应温带长日照条件。中国农科院作物所自 1984 年开始,在北京对引 进的亚热带玉米基因库进行改良,已经积累了成功的经验。目前,正在执行农业部的引进项目,拟引进一批热带和亚热带玉米 杂种优势群和杂种优势模式。经过近几十年的研究,初步发现 ETO、Tuxpeno、Tuson、Antigua 和 Suwan 系列 5 个热带玉米种族 是非常好的杂种优势群,其中 ETO×Tuxpeno 是与温带的 Lan-caster×Reid 相对应的热带杂种优势模式,ETO×Suwan-1 也是很 好的杂种优势模式。我们正在引进这些杂种优势群,并通过接力式改良方案,使它们逐渐地适应温带长日照条件,最终成为北 方玉米育种方案的基础材料。预计 10 年以后,我国玉米育种和生产所依赖的种质群将从目前的 3、4 个增加到 7 个以上,利用

的杂种优势模式将从 1 个增加到 3 个以上。到那时,我国玉米杂交种的综合抗逆能力和产量水平将会有很大提高。玉米种质资 源研究的重要内容是遗传分类。植物育种必须以丰富的遗传资源为前提。育成一批农艺性状优良的自交系和杂交种并不困难, 但是将大量的遗传资源加以鉴定、改良和有效利用则十分困难,常因人力或财力限制而使人感到力不从心。为此,需要建立杂 种优势模式,把育种材料作适当的分群,找出材料之间的规律性关系,这样就可以从整体上提高育种工作的效率。通过以上分 析可得出第一个结论,今后玉米育种的发展方向就是加强种质资源研究,而且下个世纪育种的突破将取决于种质资源研究的规 模与深度。 1.2 生物技术与常规育种方法紧密结合 本世纪遗传学对农业生产作出的最大贡献就是杂种优势的理论与技术。今后,有关的理论和技术将会继续发展,并对农业 生产作出新的贡献。但下个世纪,应用生物技术将会对育种方法作出如下突破性贡献。1 实现种间、属间甚至动植物间的基因流 动。这方面早已引起人们的关注,并寄予了极高的期望。2 与常规方法相结合,提高育种效率。育种程序中的关键环节是准确地 鉴别合乎需要的基因型。这是育种研究成败的关键。育种技术的不断进步,测试手段的不断完善,都是为了更准确地鉴定表现 型而推测其基因型。为了鉴定产量等数量性状,发展了数量遗传学和生物统计学方法,尽可能消除环境因素的干扰,减少试验 误差,提高鉴定基因型的准确性与可靠性。为了鉴定营养品质和生理性状,动用了许多先进的仪器设备。为了筛选抗病虫基因 型,发明了各种抗病虫鉴定技术。尽管如此,许多性状的鉴定技术仍然很不可靠,易受环境影响,费用昂贵,效率很低。例如, 耐旱性、耐寒性和抗虫性鉴定,技术难度大,费用高昂而且不够准确。如果在上述抗逆性育种过程中,把分子技术与常规方法 结合起来,就可以准确地鉴定基因型,省钱、省工、省时,准确、可靠,因而效率高。进行多抗性育种时,传统的田间选择方 法是一次对应一种病害。现在利用分子生物技术辅助育种,可以先用常规方法把多个抗性基因组装在一起,然后利用分子标记 技术快速、准确地鉴定出多抗性基因型。在这过程中不涉及转基因操作,因而是对环境安全的生物技术。可以预料,下个世纪 植物育种的第二个突破性方向是应用生物技术与常规方法的紧密结合。这是植物育种方法的革命性变革。 1.3 品质育种 90 年代和下个世纪初,植物育种的第三个重要发展方向是品质育种。这是由于世界各国的农产品生产越来越趋向于产业化 和商品化,必然要求良好的商品品质、加工品质和营养品质。有些农产品还要求耐储藏和耐运输的特殊品质要求。随着全球经 济的一体化,对农产品的品质将有越来越严格的要求。这样才能为市场提供优质、安全、营养、可口的各类农产品。我国培育 的玉米杂交种具有很高的丰产潜力,但主要品种达不到食用玉米的品质要求。一些省份的玉米生产和淀粉加工能力过盛,但我 国直链淀粉和支链淀粉却需要从国外进口。从营养品质来说,我国饲料玉米消费量占玉米总产量的 60%以上,可是蛋白质来源不 足,限制了畜牧业发展。70 年代以来,在李竞雄院士的领导下,我国开展了优质蛋白玉米(QPM)育种。这是一个难度很大的研 究项目,它对贫穷落后地区分散农户发展畜牧业生产有很好的促进作用。经过 20 多年的努力,我国在该领域的研究已经达到国 际先进水平。这是符合可持续发展战略的研究项目,因而在国际上重新受到重视。在这种情况下,中国所取得的成就备受关注, 这样一个已经达到国际先进水平的研究项目,不应该被忽视。我国有许多种作物的商品品质无法与国际经济贸易的发展趋势相 接轨。全球经济一体化并不排斥每个国家保持其特色,相反,可持续农业的发展战略恰恰鼓励各个国家和地区保持其产品特色, 但必须以现代科学技术为依托,发展或改造本国最有特色的那部分农产品生产。否则就会失去本国特色和市场份额。在未来的 植物育种研究中,品质育种会越来越重要。21 世纪,主要农作物的育种将在前两个方向上取得突破性进展,而品质育种将越来 越重要。 2 与可持续农业有关的技术问题 除了上述保护、整理、利用植物的遗传资源以外,还应注意保护农业生态环境,包括土壤、水资源、草地、森林等。许多 问题已经引起社会关注,此处不再重复。但土壤退化问题似乎需要再强调一下,以引起重视,而且应该成为一个研究课题。我 国有的地方农民在玉米地里施用了过量的化肥,据说已经达到美国农民的施肥水平,但是全国平均产量水平只有美国的六成。 许多地方已经丢弃了施用农家肥料的好传统,再加上提高复种指数,过度垦植,土壤肥力下降,不得不过量施用化肥,恶性循 环,后果令人担忧。至少现在已经严重污染了地下水资源。所以,如何提高土壤肥力,经济合理地施用化肥,改进农家肥料的 加工与施用技术,如何节约用水,合理灌溉等,应引起农业科技工作者的重视。 在我国占耕地面积 70%的中低产田改造一直是个争论不休的实际问题。关键是政府的资金投向哪里。 这影响到科技人员的研 究兴趣。国家的政策应引导科技人员去解决实际问题。科学家的职责是寻找问题、分析问题和解决问题。如此大面积的中低产 田改造,虽然科技含量并不高,但潜力巨大,不可忽视。制定育种目标需正视这一现实。在育种研究中一直强调高产再高产。 注重考核产量指标,不太重视育种方法和基础材料,因而协作攻关流于形式,不能形成合力。对高产的片面追求实际上是严重

的误导,并不符合我国国情。在这个考核指标的引导下,攻关单位育成的杂交种确实有很高的产量潜力,但适应性差,生育期 适应范围狭窄,对水肥条件敏感;有些育种者追求高产指标,忽视自交系的制种产量和制种技术要求,也是品种难推广的原因。 一些品种抗逆性差,不抗病虫害,不耐高温干旱。如果把育种目标确定在合理位置上,强调适应性,包括抗病虫、生育期、耐 旱性、抗倒伏,自交系产量和制种技术要求等,那么育成的品种将会有较广的适应范围和综合抗逆能力,使产量更稳定,从全 国总体来看,增产粮食的潜力和贡献可能会更大。生产上使用了 21 年的中单 2 号、14 年的丹玉 13 和当前推广面积最大的掖单 13 等,都不是产量潜力最高的品种,但它们无一例外,都有很好的适应性,包括耐贫瘠、耐干旱、耐高温、抗病虫,中早熟生 育期和很高的制种产量,以及制种技术较简单等优点。换句话说,它们的产量潜力和技术要求符合当前的国情需要,因而对生 产贡献大,这正是它们成功的原因之一。 总之,我们应当根据可持续农业的指导思想,制定与当前农业生产条件相适应的育种目标,实现投入产出的平衡,达到投 资效果。我国玉米面积的 2/3 分布在干旱半干旱的丘陵山区,常年受旱面积约 40%左右,一般减产幅度约 30%。如果我们不重视 这一现象,不去培育适宜的耐旱品种,育种研究就不能算是完善的。今后,需要把抗逆性育种提到重要日程。耐旱,可以节水; 抗病虫能减少化学污染;适当的生育期和耐寒性可以充分利用光热资源,减少对农机作业的压力和扩大品种的种植区域,在东 北地区还可以减少能源投入和储藏损失等。此外,耐酸性、耐盐碱和耐贫瘠土壤的育种,有利于扩大玉米的种植面积和逐步改 良中低产田。总之,作物育种要根据可持续农业的发展战略,实事求是地调整育种目标和技术条件,推动我国农作物育种健康 发展。在国际经济一体化的大趋势中,农产品的生产经营越来越商品化。可持续发展战略鼓励各国或各地区保持其本国或本区 域的农业生产特点,专业化生产经济效益高,有国际竞争力的特色农产品。因此,农业生产的产业化为大势所趋。就玉米来说, 它的产业化特征首先表现在杂交种子生产经营的商业化。这是一个从靠政府补贴的事业型种子行业转变为育繁加销一体化的独 立种子产业的技术改造过程。产业化改造必须有一系列的法律、法规作后盾,而且需要技术支持。特别要求育种研究逐步实行 产业化,由政府行为转变为公司行为。 在育种的产业化过程中,有一个重大技术障碍,是公司很难解决的,即种质资源。如上述,种质资源研究是今后育种取得突破 性进展的限制因素。如何解决这一矛盾呢?通过项目推动改革,分流人才,改革体制,一方面促进育种产业化,一方面建立改良 中心,为全国提供种质资源、育种理论、方法、信息和培训服务,为产业化育种提供技术支持。没有中心的技术支持,产业化 育种将不可能具有生命力。不论是产业化育种,还是建设种质改良研究中心,都面临改革体制的迫切要求。要以项目带动改革。 就育种研究来说,要把小作坊式的个人化育种逐步改变为流水线式的集体操作,这才能提高产业化育种的效率。要做到这一步, 一靠政策引导与扶持,二靠商品化,通过育繁加销一体化,把育种研究融入种子产业,实现政府行为向公司行为的转变,从而 建立政府与公司两套不同的研究体系,促进育种研究和种质改良研究健康发展。


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