玉米種質(zhì)資源的利用與評價

玉米種質(zhì)資源的利用與評價

在過去五年中，美國先鋒公司培育的大量混合進入中國許多省份和全國玉米區(qū)域。這些代表美國15~20年前育種水平的雜交種所到之處,表現(xiàn)突出。先鋒品種在每個區(qū)試組均列居前二三名,產(chǎn)量潛力高,而且在年份間和地區(qū)之間產(chǎn)量穩(wěn)定,所以今冬先鋒品種在部分地區(qū)種子銷售十分緊俏。而我國育種者培育的品種在區(qū)試中則退居次要位置。兩相比較,暴露出我們的品種存在許多嚴重缺陷,主要是對環(huán)境敏感,抗逆性差,產(chǎn)量不穩(wěn)定。這些試驗結(jié)果引起我們對育種目標、育種思路、技術(shù)路線和科研管理體制進行深刻的反思。2006年9月,中國玉米科學家代表團一行9人訪問美國先鋒公司總部,除了參觀試驗室、分子標記輔助育種和轉(zhuǎn)基因玉米品種以外,他們的高產(chǎn)試驗田給我們留下了非常深刻的印象。先鋒每年花許多人力和物力做品種展示,目的是供農(nóng)民參與選擇新品種。同時,對主推品種作密度試驗,指導農(nóng)民采用合適的種植密度和提高品種的產(chǎn)量潛力。試驗密度有3000株/畝、6000株/畝、9000株/畝、12000株/畝和15000株/畝,其中以9000株/畝產(chǎn)量最高。在不同的密度條件下,我們注意到幾個有趣的現(xiàn)象:第一,在上述5個密度下,沒有發(fā)生倒伏和空稈;第二,株高沒有可見的變化,即在每畝15000株與3000株的密度下,植株高度一樣;第三,在各種密度下,未見生育期有明顯變化。這樣的品種抗逆性突出,產(chǎn)量潛力高而穩(wěn)定。據(jù)主人解釋,這是他們幾十年育種工作的積累?？鐕静捎玫目鼓嬗N方法并不復(fù)雜,其關(guān)鍵技術(shù)是高密度育種。他們在選育自交系過程的最早代群體是300~600株,種植密度達到每畝1.3萬株,在高密度下暴露和篩選抗逆性強、結(jié)實性好的基因型。這是繼續(xù)提高產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量穩(wěn)定性的第一步措施。通過座談、交流育種技術(shù)和查閱文獻資料,我們對中、美兩國玉米育種的目標、思路、技術(shù)、方法和資源管理模式等做出如下比較分析。1.增強品種的抗逆性以往,國內(nèi)育種家常把產(chǎn)量概念抽象化,忽視具體涵義和繼續(xù)提高產(chǎn)量的操作途徑,因此對育種目標的盲目性比較大。在國外,特別是跨國企業(yè)明確地認識到產(chǎn)量就是抗逆性。雜交種產(chǎn)量的不斷增長與雜種優(yōu)勢沒有直接關(guān)系。今后繼續(xù)提高產(chǎn)量的最大回報是增強品種的抗逆性。首先是耐密植、抗倒伏,還包括耐干旱、耐低溫和高溫,耐不良土壤和抗病蟲等。密植是繼續(xù)增產(chǎn)的主要途徑,而密植育種法則不僅提供適宜密植栽培的新品種,更重要的是揭示和篩選抗逆性強的基因型。因此高密度育種是玉米商業(yè)育種的最重要手段。2.種質(zhì)創(chuàng)新的重點在于提高一般配合力在過去80年,玉米產(chǎn)量的持續(xù)高速度增長取決于自交系一般配合力的持續(xù)提高。這和產(chǎn)量的概念一致。產(chǎn)量與雜種優(yōu)勢沒有對應(yīng)關(guān)系,而產(chǎn)量與特殊配合力也沒有正向平行關(guān)系。歷史的經(jīng)驗告訴我們,種質(zhì)創(chuàng)新的重點是繼續(xù)提高一般配合力。由此衍生出循環(huán)育種策略。3.簡化遺傳資源管理通過雜種優(yōu)勢群內(nèi)的循環(huán)育種,提高育種材料的一般配合力,這是80年來玉米育種的基本經(jīng)驗。迷信特殊配合力,會迷失育種方向,浪費資源。循環(huán)育種的實踐基礎(chǔ)是簡化統(tǒng)一的雜種優(yōu)勢模式?？鐕景延衩追N質(zhì)資源劃分成母本一群,父本一群。這樣簡化了種質(zhì)資源的管理,大大提高了育種效率。而國內(nèi)育種家把種質(zhì)材料的類群關(guān)系劃分得過于復(fù)雜,在一定程度上影響了我國玉米育種的總體效率。4.提高抗逆性的能力在選育自交系的早代,施行高密度育種。目的是鑒別抗逆基因型,包括耐密植、抗倒伏、抗病、耐旱、耐高溫、耐低氮,肥料利用效率,以及結(jié)實性、早熟性和灌漿速度等。在高密度條件下可以充分揭示許多性狀的遺傳變異,從而為選擇需要的抗逆基因型創(chuàng)造條件。我國育種者在很低的密度下選育自交系,缺乏必要的選擇壓力,這是育種效率低的重要原因。5.育種程序不規(guī)范規(guī)?；N是跨國公司技術(shù)研發(fā)的突出特色,目的是用多點試驗代替多年試驗以換取時間,提高效率。通常在全國布20多個試驗點。育成一個新品種僅需要3~4年時間,在推出之前已經(jīng)累計進行60~70次的產(chǎn)量比較試驗,這在國內(nèi)是非常罕見的。國外育種材料向前推進的速度非?？?從80年前的原始材料發(fā)展到今天,國外經(jīng)歷了十幾輪的循環(huán)改良,而國內(nèi)的種質(zhì)改良速度比較緩慢。跨國公司通常在世界各地設(shè)70多個育種實驗站,如此大規(guī)模的研發(fā)體系如果沒有標準化的操作技術(shù)和育種程序作為支撐,則會降低總體效率。因此,程序化和標準化是大規(guī)模商業(yè)育種的重要管理基礎(chǔ)。提出建議1.玉米育種技術(shù)取得的成就在沒有科學指導的情況下,經(jīng)驗是發(fā)明和創(chuàng)新的主要源泉。由于我國歷來具有人口數(shù)量優(yōu)勢,所以更容易通過“試錯和改錯”的經(jīng)驗途徑獲得創(chuàng)新成果?，F(xiàn)在,玉米育種技術(shù)水平已經(jīng)達到了經(jīng)驗發(fā)明曲線的頂點,今后繼續(xù)創(chuàng)新,發(fā)生重大突破的概率越來越小,大多數(shù)新品種只是對原有自交系和品種做微小的改進。只有以現(xiàn)代科學原理為指導,建立完善的種質(zhì)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新體系,才能夠以更高的速度和效率推動玉米商業(yè)育種的可持續(xù)發(fā)展。2.以現(xiàn)代科學為指導,改進育種技術(shù)和方法主動創(chuàng)新,要加強自信心。事實上,多數(shù)玉米育種家缺乏自主創(chuàng)新的心理準備。我們要通過項目引導和學術(shù)交流等途徑,立足現(xiàn)在已經(jīng)掌握的種質(zhì)資源,改進育種技術(shù)和方法體系,提高自交系和雜交種的選育水平。關(guān)鍵是強調(diào)以現(xiàn)代科學理論為指導,改進育種的思路和技術(shù)、方法。10年內(nèi),我們完全有能力選育出像美國先鋒一樣好的自交系和雜交種。3.推行序列、方式和技術(shù)體系結(jié)合我們的國情條件,研究和建立簡單易行的程序化、標準化和規(guī)模化的育種技術(shù)體系,經(jīng)過專家論證和實踐檢驗,向全國推廣。目標是大幅度提高玉米育種效率,加快育種材料改良和創(chuàng)新的速度。4.玉米育種和栽培專家2008年秋季,建議農(nóng)業(yè)部出面,組織全國各地的玉米育種和栽培專家赴美國考察。對象是先鋒、孟山都、Holden、Iowa大學和CIMMYT。目的是轉(zhuǎn)變我國玉米科技人員的育種思路和提高技術(shù)創(chuàng)新能力。5.研究建立長期育種目標經(jīng)過兩年的精心籌備,在適當?shù)臅r候組織全國玉米專家召開育種發(fā)展戰(zhàn)略與技術(shù)策略研討會?？偨Y(jié)經(jīng)驗、教訓,分析現(xiàn)代科學理論指導下的種質(zhì)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的基本思路與技術(shù)途徑。由于我國大多數(shù)育種家和科研單位浮躁心理較重,對短期利益考慮得多,長期目標考慮得少,因此,重點討論并制定長期育種目標就顯得尤為必要。王紹平、潘光堂、史桂榮和遼寧農(nóng)科院及本課題組部分專家參加討論,并提出寶貴意見。遺傳產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的研究方向不垂直在育種計劃中,產(chǎn)量目標不可抽象化,應(yīng)具體分析哪些限制因素影響玉米的產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量的穩(wěn)定性。通過分析玉米生產(chǎn)的限制因素,排列出目標地區(qū)的科技發(fā)展優(yōu)先序。應(yīng)逐一針對這些限制因素設(shè)定研發(fā)目標。國內(nèi)外調(diào)研得出一致結(jié)論,即抗逆性已成為最重要的研究對象。對作物產(chǎn)量有兩種認識,少數(shù)人強調(diào)突破產(chǎn)量屏障,培育超高產(chǎn)品種。還有一種觀點是針對限制因素,釋放品種的遺傳潛力,大范圍提高實際生產(chǎn)能力。后一種觀點把科學研究與生產(chǎn)緊密結(jié)合在一起,強調(diào)抗逆性的宏觀增產(chǎn)效應(yīng)。這里涉及到關(guān)于產(chǎn)量的三種概念,即實際產(chǎn)量、邊際產(chǎn)量和遺傳產(chǎn)量。需要注意的是我國玉米品種區(qū)域試驗的邊際產(chǎn)量甚至略低于歐美發(fā)達國家的實際產(chǎn)量。這反映出我們的玉米育種整體水平還比較低。綠色革命的突出成就是普遍提高了作物品種的遺傳產(chǎn)量,帶動化肥、農(nóng)藥、動力和水利的投入。實際產(chǎn)量受許多外界因素影響,與遺傳產(chǎn)量有很大差距?？s小這個差距,是綠色革命以后農(nóng)業(yè)科技進步必須重點解決的研究方向。但我國玉米遺傳產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的差距不是在縮小,而是在擴大。這說明遺傳產(chǎn)量除了新聞價值外,對于提高玉米生產(chǎn)沒有實踐意義。我國目前玉米的實際產(chǎn)量是每畝350千克,邊際產(chǎn)量590千克,而遺傳產(chǎn)量超過1300千克(見附件3)。遺傳產(chǎn)量對于帶動實際產(chǎn)量的提高沒有可操作的現(xiàn)實意義,而我們能夠拉動實際產(chǎn)量穩(wěn)步增長的邊際產(chǎn)量卻略低于美國、法國、加拿大等國的實際產(chǎn)量。今后的育種研究目標不要緊盯在遺傳產(chǎn)量,要下力氣實實在在地提高邊際產(chǎn)量,這需要全國的育種家共同努力,以此拉動整個國家玉米生產(chǎn)的實際產(chǎn)量水平穩(wěn)步提高。這就要求徹底改變育種思路,擺脫計劃經(jīng)濟的思想束縛,務(wù)實地認識玉米產(chǎn)量和謀劃育種思路,從而實實在在地提高育種水平。高風險品種是計劃經(jīng)濟的產(chǎn)物。公司已經(jīng)越來越不敢貿(mào)然推廣高稈、大穗、晚熟的高風險型品種。種子企業(yè)已經(jīng)融入市場經(jīng)濟,必然尋求低風險型品種。這就要求縮小品種的實際產(chǎn)量與邊際產(chǎn)量的差距。實際上,長期堅持培育高稈、大穗、晚熟、耗水、耗肥和高風險型品種,是計劃經(jīng)濟時期特有的技術(shù)停滯現(xiàn)象。而農(nóng)大108和鄭單958則在一定程度上打破了這種局面。上圖,高密度中密度于2000年交叉,其原因在于上世紀90年代以后,或許早在上世紀80年代中后期,我國玉米育種的目標、材料和技術(shù)路線開始出了問題。這個試驗是2005年在新疆完成的。我們把1970年以來的代表性雜交種復(fù)配出來,然后送新疆做三個密度的產(chǎn)量試驗。之所以在新疆做這個試驗,是為了排除病蟲害等逆境因素對產(chǎn)量潛力的干擾。圖中———線代表2000株/畝的低密度。--線代表3000株/畝的中密度?！€代表4000株/畝的高密度。初步結(jié)果表明高密度線與中密度線沒有在早期交叉,而是在最近時期交叉,這反應(yīng)出兩個問題。第一,4000株/畝沒有達到最佳種植密度。第二,我國上世紀70-80年代培育的品種對高密度反應(yīng)正常,表明當時的育種技術(shù)和成果達到很高水平。但是從上世紀90年代開始出現(xiàn)隱患。到了2000年,終于暴露出明顯的問題,新品種對高密度反應(yīng)不正常。也就是說,我們培育的許多新品種對逆境因素的反應(yīng)越來越敏