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从黑面窝头紧缺到白面制品丰富 揭开小麦增产提质背后的秘密

来源:光明网2021-12-08 08:53

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  作者:叶兴国(中国农业科学院作物科学研究所 研究员)

  小麦是重要的粮食作物之一,面粉可以用来制作面条、馒头、面包、糕点等样式繁多的美味食品。小麦产量和品质与日常生活及社会经济发展密切相关。

  培育优良小麦新品种是提高小麦产量、改进面粉品质的主要措施。我国1950年前小麦生产以种植农家品种为主,亩产不足90斤,人均年占有量仅为50多斤,为了能够吃饱,小麦只能过度加工为粗糙的黑面粉,能吃到白面馒头是人们的奢望。新中国成立后杂交育种成为小麦主要育种手段,远缘杂交育种和辐射诱变育种技术也得到了应用,实现了优良基因在小麦品种间或小麦亚族内的交换,及人工创造新的遗传变异,培育了碧玛1号、南大2419、泰山4号、内乡5号、济南2号、百农3217、丰产3号、小偃6号、北京8号、扬麦158、宁春4号、济麦22、郑麦7698、矮抗58、西农979等著名小麦品种,小麦亩产提高到了800斤左右(比1949年增加了9倍之多),人均年小麦占有量达到260多斤(比1949年增加了4.5倍),面制品也变得丰富多彩。

  然而,上述常规育种存在育种周期长、基因型纯合速度慢、性状改良精准性差等缺点。近年来,单倍体育种、分子标记辅助育种、转基因育种和基因编辑育种等生物技术先后用于小麦品种改良,极大丰富了小麦育种技术。

  通过单倍体诱导技术缩短小麦育种周期

  小麦单倍体育种是对优良亲本杂交后代进行花药培养或小孢子培养,诱导雄配子发育成单倍体植株;或利用玉米花粉诱导产生小麦单倍体胚,通过幼胚拯救培养获得单倍体植株。单倍体植株经过染色体加倍获得纯合稳定、正常结实的二倍体植株,进一步通过性状鉴定获得小麦新品种,可将小麦新品种培育由传统的8-10年缩短为5-6年,加快育种进程。

  我国利用单倍体育种技术培育了多个小麦品种,如京花1号、花培5号、奎花1号、京花9号、中麦155、宁春50号等,在生产中发挥了较好的作用。

从黑面窝头紧缺到白面制品丰富 揭开小麦增产提质背后的秘密

利用单倍体育种技术培育的小麦新品种宁春50号

  借助分子标记技术提高小麦育种选择的准确性

  在小麦育种过程中,对于品质、营养和不具有发病条件下的抗病性等需要进行生化分析鉴定或诱发病害鉴定,无疑增加了育种的工作量。为了提高育种效率,分子标记辅助育种技术应运而生。分子标记辅助育种是针对控制目标性状的基因,开发出一段与目标性状紧密连锁的DNA标记,只要在所选择的植株中能检测到目标DNA序列,就意味着目标性状的存在,提高了选择的精准性。目前应用比较多的是STS、SSR和KASP等标记。

  近20年来,我国开发了小麦多酚氧化酶、黄色素、籽粒硬度、麦谷蛋白亚基、黄矮病抗性、白粉病抗性、条锈病抗性、穗发芽抗性等性状的分子标记,显著提高育种选择效率,促进了外源优良基因从中间偃麦草、黑麦、簇毛麦、冰草和山羊草等近缘种属植物中向小麦中的引渗,培育了中麦175、中麦895、中麦578和普冰系列等新品种。

从黑面窝头紧缺到白面制品丰富 揭开小麦增产提质背后的秘密

利用分子标记辅助育种技术培育的小麦新品种中麦895

  利用转基因技术定向改良小麦

  杂交育种和远缘杂交育种基因的交流范围大,遗传变异广泛,选择的工作量繁重;诱变育种的方向性不能人为掌控,而且负向变异往往多于正向变异。因此,小麦遗传改良需要转基因育种技术,即将控制优良性状(抗病、高产、优质、抗逆等)的基因转入小麦,经过安全性评价和目标性状表型鉴定后获得小麦新品种。转基因育种技术可以定向、有针对性的改良小麦的目标性状。

  我国科学家从小麦中鉴定出再生基因TaWOX5用于小麦转基因育种,大幅度提高了小麦转化效率,基本克服了小麦转基因技术对基因型的依赖性。迄今为止,我国已将与抗旱、抗病、优质、营养高效吸收等性状有关的众多基因转入了小麦,部分新品系已进入安全性评价阶段,有望在小麦生产中发挥作用。

  利用基因编辑技术使得小麦重要性状扬长避短

  近几年,基因编辑技术快速发展,它是通过对生物体自身目标基因进行切割,生物体在修复DNA切口的过程中出现新的遗传变异。相对转基因技术,通过基因编辑技术培育的植物品种更容易被人们接受。

  利用CRISPR/Cas9基因编辑技术已经创制了一批性状明显改良的小麦新材料。如抗白粉病、抗穗发芽的小麦,低醇溶蛋白和面筋含量的小麦,小麦单倍体诱导系,育性恢复的矮败小麦,糯性增强的小麦等。这些小麦新材料,具有很好的育种利用价值和推广应用潜力。

从黑面窝头紧缺到白面制品丰富 揭开小麦增产提质背后的秘密

利用基因编辑技术彻底恢复了矮败小麦育性

  多种育种技术密切结合打好小麦种业攻坚战

  种业是农业发展的制高点,先进生物育种技术的研发和突破性品种的培育是种业发展的核心。虽然目前我国小麦品种的国产供给率为100%,但优质品种较为缺乏。另外,由于全球气候变化,干旱、高温、寒冷等极端天气频繁出现,加之土壤盐碱和病虫危害不断加重,使得小麦生产面临严峻挑战。开展小麦种业攻坚战,需要加强生物育种技术的利用。

  在小麦育种实践中,不同生物育种技术需要有机结合,实现优势互补。如:单倍体技术与转基因、基因编辑技术结合,可以加快转基因和基因编辑材料的纯合;转基因技术、基因编辑技术与常规育种技术结合,可以扩大转基因和基因编辑材料的应用范围;基因编辑创制的单倍体诱导系可直接获得单倍体籽粒,缩减单倍体育种周期和工作量,扩大育种规模。

  我们相信,生物育种技术将会为推动小麦产业提质增效,为打赢种业攻坚战、确保国家粮食安全和农业可持续发展做出积极贡献。

[ 责编:赵清建 ]
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