我国小麦育种主要进展与展望_刘伟.pdf
《我国小麦育种主要进展与展望_刘伟.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《我国小麦育种主要进展与展望_刘伟.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、小麦是我国的重要口粮之一,小麦种业安全是主粮安全的关键。新中国成立后,我国小麦育种在产量、品质和抗性方面取得了一系列重大进展,目前小麦品种已实现完全自给。但近些年来,新品种培育水平遭遇瓶颈期,特别是产量长期未能取得新突破,产量、品质、抗性的协调提升困难。随着计算机、物联网、大数据、人工智能和生物技术等新技术的快速发展,种业竞争进入全球化时代。我国小麦育种在核心功能基因的深度挖掘利用、优异种质资源的开发保护和关键育种技术的发展创新等方面尽管取得重要进展,但尚存在诸多不足,迫切需要加强种业科技核心竞争力。未来由前沿科技引领的生物技术融合信息技术、人工智能和大数据等育种关键技术的交叉应用,将推动小麦
2、智慧育种产生新变革。关键词:小麦;育种技术;研究进程;展望中图分类号:S512.1文献标志码:A文章编号:1673-6486-20220120刘伟,李胜男,阮双,等.我国小麦育种主要进展与展望J/OL.大麦与谷类科学,2023,40(2):1-6.https:/doi.org/10.14069/ki.32-1769/s.2023.02.001.小麦是世界三大粮食作物之一,是全世界 40%人口的主粮,因此加快培育小麦新品种,对于保障全球粮食安全具有重要意义。近年来,小麦单产到达了一个瓶颈期,通过常规育种难以大幅提升单产水平。此外,伴随全球气候变化下的现代生产需要品质稳定性好、多抗、耐逆的优质绿色
3、小麦品种,但传统育种技术及单一的分子育种已难以支持小麦育种取得重大新突破。因此,本文对我国小麦育种的现状以及不足之处进行分析总结,并在此基础上提出了相应的建议及未来展望。1我国小麦育种进程作物育种技术的发展大致可分为 4 个阶段:驯化选择 1.0 时代、常规育种 2.0 时代、分子标记辅助选择育种 3.0 时代和智能化育种 4.0 时代。全球农业第一次绿色革命就是以矮秆抗病型改良为目标的杂交育种技术以及导致产量突破的杂种优势利用技术引发的,对农业发展和保障粮食安全起到了巨大的推动作用1。但常规育种技术周期较长、育种效率偏低的状况一直未有显著改变。20 世纪 60 年代以后,随着科学技术的高速发
4、展,低效耗时的传统育种技术逐渐被高效精准的分子育种技术所替代,世界农业育种正在逐步迭代升级到分子生物育种。以分子标记辅助育种和转基因育种为代表的育种技术虽是生物育种的初级阶段,但育种的目标性大大增加,周期明显缩短,育种效率大幅度提升2。近年来,作物育种的基础学科飞速发展,并与信息科学等学科交叉融合,催生了表型组学、生物信息学等前沿科学;转基因技术和基因编辑技术的发展,催生了高度交叉、深度融合的全基因组选择和合成生物等现代生物育种技术3,技术密集型成为智能化育种 4.0 时代的重要技术特征。近年来,高效精准的小麦育种新技术研发不断取得新进展:高效的基于玉米花粉诱导的双单倍体技术可以快速固定优异变
5、异4;小麦与野生近缘物种的远缘杂交育种技术已经得到广泛利用,大大拓展了小麦的遗传基础;基于化学诱变、辐射诱变和航天搭载的组合诱变技术,大大提高了变异诱导的效率,丰富了变异类型;光温协调的植物生长室快速育种技术,实现 1 年 6 代,大大加速了育种进程;小麦以及近缘物种基因组相继发布,大大推动了小麦重要性状基因发掘和调控网络研究;研发的小麦55K 等系列商业化育种芯片等高通量分子标记技术,大大推进了小麦分子标记辅助育种应用5;基于基因枪、农杆菌的高效遗传转化技术已经在小麦功1-大麦与谷类科学2023 年第 40 卷第 2 期能基因组研究和分子育种中广泛利用,小麦耐旱等转基因品种在澳大利亚等国家已
6、经获批释放;建立了成熟的小麦基因编辑技术,并已经成功用于抗病、产量、品质、抗逆等性状的快速精准改良。此外,近年来,新一代杂种优势利用技术、无融合生殖技术、新型基因组编辑技术、高精度的全基因组选择技术、基于表型快速获取和鉴定的智慧育种技术等关键核心技术的研发和应用,将推动小麦育种的新变革。2我国小麦种质创新和骨干亲本创制我国在利用远缘杂交创制小麦种质资源方面取得了显著的成绩。20 世纪 50 年代,中国农业科学院鲍文奎院士开始 8 倍体小黑麦育种研究工作,创制了 4 700 多个小黑麦原始品系,其中“小黑麦 2号”和“小黑麦 3 号”在贵州等地广泛推广种植6。李振声院士团队培育出我国第一个远缘杂
7、交小麦新品种“小偃 6 号”,2006 年获国家最高科学技术奖7;到 80 年代末累计推广面积约 400 万 hm2,使我国小麦杂交育种技术走在了世界领先行列,极大地推动了我国小麦产业的发展,对于保障我国粮食安全具有里程碑式的意义。除此之外,南京农业大学刘大钧院士等开展簇毛麦与小麦远缘杂交研究,创制了兼抗条锈病和白粉病的小麦-簇毛麦 6VS 6AL 易位系8,被我国育种家广泛利用,培育了 40 多个小麦新品种。中国农业科学院李立会研究员团队从小麦-冰草 6P(6D)代换系后代鉴定出增加粒质量的T6DS.6PL 和 T6PS.6DL 易位系,培育出普冰系列新品种9。山东农业大学孔令让团队利用远缘
8、杂交,将长穗偃麦草抗赤霉病基因Fhb7转育到小麦中,培育出“山农 48”等小麦新品种,为攻克小麦赤霉病难题打下了基础10。南京农业大学王秀娥团队利用远缘杂交和染色体工程技术,创制出小麦-簇毛麦抗黄花叶病易位系和抗赤霉病小麦-纤毛鹅观草易位系,命名了抗赤霉病新基因FhbRc1。因此,在关乎我国种源安全的未来,远缘杂交仍将是小麦育种技术攻关的重点11。关键种质与骨干亲本是推动小麦育种技术进步的核心要素。济麦 22 是由鲁麦 14 衍生而来,而鲁麦 14 和烟农 19 是由烟农 74(11)选育出来的12。全国性骨干亲本矮孟牛与周 8425B 一起衍生了周麦 16、周麦 18 等,用其作为亲本育成的
9、品种百余个,累计推广面积超过 0.2 亿 hm213-14。以优质强筋小麦济南 17 为亲本,育成了后来大面积应用的超强筋小麦济麦 44。通过对国内外优异小麦品种的改造,创制中间材料,再通过阶梯杂交获得目标性状的优异新品种,是优异种质创新和骨干亲本创制的重要手段之一。早在 20 世纪 80 年代,北京农业科学院胡道芬研究员团队开展建立小麦花药培养的花培育种技术,相继育成花培系列品种,大大推进了育种进程15。近年来又建立了成熟的利用小孢子培养和小麦玉米远缘杂交诱导的小麦双单倍体技术。上海市农业科学院黄剑华团队长期从事麦类作物小孢子的培养,克服了小孢子技术应用于麦类作物育种的主要障碍,成功育成了“
10、花 30”等大麦品种16。云南省农业科学院杨木军研究员充分利用昆明夏播及元谋等地的夏、秋、冬播自然条件下麦类与玉米可同季大量种植的独特自然优势,通过十多年的研究,以简化操作规程、提高效率为重点,基本建立了一套简易高效的小麦双单倍体育种技术,将单倍体胚诱导率提高到 15%70%;大多数小麦基因型的单倍体胚诱导率可稳定达 35%40%;单倍体胚成苗率达到 65%、染色体加倍率达 85%90%,育成了“云麦 114”优质弱筋小麦新品系17-19。3我国小麦育种成就我国小麦育种起步较晚,但是发展很快。产量水平从建国初期全国平均产量不足 50 kg/667 m2,到 2022 年的全国平均产量超过 40
11、0 kg/667 m2,单位面积产量翻了近 8 倍。小偃 6 号、扬麦 158、扬麦20、宁麦 9 号、宁麦 13、淮麦 20、淮麦 33、西农 979、郑麦 9023、济麦 22 等诸多当家品种先后为我国小麦生产作出卓越贡献。据报道,2022 年小麦丰产方多地出现破纪录超高产,丰德存麦 20 号在安徽现场测产验收产量 999.6 kg/667 m2,在河南实打验收产量 907.12 kg/667 m2;郑麦 136 现场实打实收,最高产量 950.1 kg/667 m2;还有百农 307、烟农 1212等产量均超过 900 kg/667 m2,达到历史最好水平。育种技术的进步有力地保障了我国
12、的粮食安全。在小麦抗赤霉病种质的发掘、筛选、鉴定和育种应用方面也取得了较大进展,除了早期的地方品种和改良品种苏麦 3 号、望水白等,还有从小麦近缘种属中发掘的鹅观草属、偃麦草属等。育种家们2-大麦与谷类科学2023 年第 40 卷第 2 期已经通过多种技术手段,结合分子标记辅助选择,创制出一系列综合性状突出且携带Fhb抗病基因的育种材料。我国早期的小麦育种主要依靠品种改良,从评选地方品种起步。20 世纪 50 年代后期,陆续引进300 余份国外品种,包括意大利的阿夫、阿勃等品种,智利的欧柔以及罗马尼亚的洛夫林 10 号等品种,择优与当地品种杂交配组,育成了泰山 1 号、内乡 5 号等大面积推广
13、品种,极大地推动了我国小麦育种技术的发展20。80 年代以后,我国小麦育种技术进入快速发展期,国内种质资源的收集、交换、引进、利用越发活跃,全国协作网络初步形成,并与国外同行广泛开展学术交流与合作。我国研发的小麦SNP 育种芯片、基因特异性标记的 KASP 高通量检测以及分子模块育种技术,随着小麦基因组信息的发布,已在常规育种中得到广泛应用,分子育种技术逐渐成为培育重大品种的常规手段21。4我国小麦生物育种在转基因技术方面,我国较早开展了小麦转基因研究。中国农业科学院徐惠君研究员和叶兴国研究员带领团队,建立了基于基因枪的小麦转化技术,并开展抗病毒等转基因研究,多个单位合作,获得抗小麦黄花叶病的
14、转基因小麦种质22。近年来,中国农业科学院、中国农业大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所、山东农业科学院等多家单位引入了日本的 PureWheat 系统,推动了小麦功能基因组学的研究,改良了小麦粒质量、光合作用、生长发育、抗病性、抗旱性和品质等相关性状,创制出多个转基因小麦新材料,但目前的商业化应用受限于日本的专利保护,还未能大规模应用到育种实践中23。在基因编辑育种方面,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队利用基因组编辑技术敲除小麦白粉病的感病基因MLO,获得了广谱高抗白粉病的遗传材料,是基因编辑育种的经典案例24。西北农林科技大学王晓杰等利用基因编辑敲除条锈病感病基因TaPsIPK
15、1,创制了广谱抗病材料,开辟了现代生物育种新途径25。在新一代基因编辑工具开发和基因编辑技术在生物育种的应用方面,苏州齐禾生科生物科技有限公司已经开始布局。对小麦基因编辑应用领域的研究,我国已经走在世界前沿。一大批抗除草剂、抗白粉病、抗锈病等特殊性能的基因编辑小麦新材料、新品种已经研制成功26-27。中国农业大学张永亮研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所王延鹏研究组,合作开发了基于大麦条纹花叶病毒(BSMV)的 sgRNA 递送载体系统BSMV-sg,在小麦中成功建立了高效、可遗传、不需要组织培养的基因组编辑递送系统,可应用于小麦大规模和高通量基因组编辑,为小麦功能基因研究和分子设计育种提
16、供重要技术支持28。5我国小麦智慧育种在智慧育种技术领域,相比欧美发达国家,我国植物表型研究起步较晚,表型组学设施建设仍处于起步阶段,多限于实验室性质的建设工作,可采集分析的表型信息还比较有限。华中农业大学和华中科技大学合作研制了首个水稻表型平台29,可有效提取株高、叶面积等 15 个参数30。中国科学院遗传与发育生物学研究所建成的包括可见光成像等 8个集成单元植物表型组学研究平台(PPAP),可用于小麦等农作物的穗型、穗长、穗粒数等农艺性状分析,并可基于 CT 成像技术和光学成像技术的结合,开展小麦等作物在干旱、盐胁迫、高温等胁迫过程中的动态表型分析31。中国农业科学院生物技术研究所建设了亚
17、洲第一套全自动高通量 3D 成像植物表型分析平台,可用于小麦等重要农艺性状的表型分析,为作物遗传育种、突变株筛选、表型筛选提供重要分析依据32。华中农业大学农作物表型中心、南京农业大学植物表型学研究中心、中国科学院植物研究所基于激光雷达技术研究并开发了一套以激光雷达为主,集成了高分辨率工业相机、红外热成像仪、高光谱成像仪等先进传感器的高通量作物表型监测平台-Crop 3D33,可以快速并同步地对作物各生育时期进行多数据源表型性状的收集以及同时获取植物株高、叶长、叶宽、叶倾角和叶面积等表型性状,平台优势明显。6我国小麦育种制约因素长期以来,由于育种遗传基础狭窄,品种同质化现象十分严重。同时,传统
18、育种技术与现代生物技术结合不紧密,导致我国小麦育种技术进展缓慢。目前,我国育种领域的主力军仍然是以课题和项目为考核目标的科研院校,目的的不同导致育种3-大麦与谷类科学2023 年第 40 卷第 2 期研发与市场应用脱节,对基础性、长期性、战略性研究重视程度不够,大量科研成果未能转化落地,基础研究与育种应用各自为战,普遍存在“两张皮”现象,不能自然过渡和衔接。体制机制的弊端逐渐显现,种业科研缺乏顶层设计,从中央到地方的各级科研工作同质化严重,种业产业链各模块之间不衔接。育种过度依赖传统技术,且效率低下,生物育种技术创新不足,突破性关键核心基因匮乏等现象凸显,严重制约着小麦育种技术的进步和发展。急
19、需构建以企业为主体的商业化育种体系,通过顶层设计引导人才、技术、资源等要素进一步向企业流动,以市场需求为导向,以科学技术为支撑,以推广应用为目标,加大科技成果转化力度,推动民族种业做大做强34。7展望7.1提高科研水平,实现智慧育种运用规模化的精准表型鉴定和预测技术为我国育种服务。高效精准的表型鉴定和预测是优异种质创制和新品种选育的基础。育种是科学与艺术的结合,艺术需要经验的积累。传统育种过程中,中间材料和品种选择依赖于育种家的经验,需要长期的经验积累,预见性低。智慧育种基于表型组学的选择,依赖于基于信息科学的数据分析和育种选择软件,较少受育种者经验限制,预见性强。小麦表型组学研究和应用较早:
20、利用测试冠层光谱反射率可以评估小麦产量35;利用红外线热成像和荧光成像技术可以测试评价耐旱性36-37;利用高光谱成像技术可以测试小麦氮素利用效率和耐盐性38-40;利用计算机断层扫描技术可以分析小麦根系表型41。目前已经研发了温室型、田间表型平台高通量表型组学研究设施。澳大利亚利用传送式温室型表型平台研究小麦耐盐性、抗旱性、抗毒性、盐胁迫和根系发育,进行高通量小麦生物量精准建模和预测;德国J lich 植物表型研究中心对小麦麦穗和穗粒进行三维重建,预测了理论产量和实际产量的相关性等。7.2拓宽育种思路,丰富品种类型由于气候和环境的变化,小麦生产要应对极端气候频发、病虫草害抗逆性增强、种植结构
21、调整、供给侧结构性改革等变量因素。目前,我国小麦种业对粮食增产贡献率已接近 50%,但我们的选育水平还不能完全满足市场的定制化需要。绿色生态、高产稳产、抗病优质、抗逆广适、轻简宜机等更多优良性状的有效聚合是需要着重研究的领域。对酿酒和面粉加工企业而言,还需要满足软质、适合制曲等特定性状的要求。需求的个性化对小麦育种技术提出了更高的挑战。“吃得饱”“吃得好”“吃得安全健康”是必然趋势,因此需要在育种技术上实现表型选择与基因型选择的高度衔接。7.3加强种质创新,提升育种能力目前,我国小麦育种技术仍然处于以常规育种为主的阶段,普遍缺乏自主创新。急需从顶层设计开始加大科研的精准投入力度,加大从全球范围
22、搜集、引进、发掘、利用优异种质资源,丰富遗传基础,在关键共性技术创新点上寻求突破,快速提升主粮行业的整体育种能力和前沿科技应用水平。大力开展种质创新,创造关键中间材料,及时抓住骨干亲本,开展品种改良。从应用角度出发,今后的小麦育种应重点围绕抗病抗倒、高产稳产、优质营养、节水抗旱、氮磷高效、替代进口、耐逆耐储、轻简宜机等方向开展相关研究,满足市场多样化需求。7.4衔接基础应用,推动融合发展我国人口众多,东西南北的地理气候及自然环境多样,小麦栽培经过数千年的演化,已经拥有非常丰富的种质资源,尤其在高产、早熟、优质、多抗、广适、高亲和性方面有着巨大的优势。未来应继续充分搜集、引进、发掘国内外优异小麦
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 我国 小麦 育种 主要 进展 展望 刘伟
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。