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寻迹百年麦种,为精准育种贡献中国智慧

  你是否曾好奇过,我们餐桌上那一片片面包,隐藏着怎样的科学奥秘?作为人类获取能量和营养的重要来源,小麦不仅是全球最主要的粮食作物之一,更是农业科学家们研究的焦点。

  面对当前全球人口不断增长、环境气候复杂多变和小麦新品种培育的遗传增益效应逐渐减缓等一系列挑战,科学家亟需找到一条高效、精准的小麦育种之路,以培育高产优质的小麦新品种,保障粮食安全和发展可持续农业。

  6月17日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所的程时锋团队联合国内外多家单位在国际顶尖期刊《自然》上发表了最新研究成果,揭示了全球百年小麦种质资源的多样性,为小麦精准设计育种提供了重要支持。这是国际“谷-豆”计划开展以来的重要成果,是全球小麦科学研究工作的一大里程碑,为全球农业科技发展贡献了中国智慧和中国力量。

  古麦今用:寻回丢失的遗传多样性

  这项研究对小麦基础科研和育种应用的重要意义,要从过去一个世纪的农业绿色革命说起。开始于20世纪60-70年代的农业绿色革命,主要集中在通过培育和推广半矮秆稻麦品种来提高作物适应化肥施用量的增加、减少倒伏的能力,通过提高收获指数从而显著提高产量。

  然而,育种过程中偏好性选择那些控制矮杆和能显著提高收获产量的特定基因,会忽略大量的其它可能有益的遗传变异,遗传范围狭窄的单一品种的选育、杂交和推广,会导致小麦现代品种多样性的丢失,遗传多样性频谱过于狭窄,使农业生态系统更加脆弱,不利于应对复杂的病虫害和气候变化的影响。

  沃氏小麦地方品种资源由英国植物学家A.E. Watkins于20世纪二三十年代通过广泛的国际贸易于全世界各地收集而来;在21世纪的过去几十年,经过多年的调查和鉴定,确定其中827份为核心种质,广泛用于研究。这827份地方品种主要来源于欧洲、亚洲和非洲的32个国家。这套材料的收集时间为绿色革命之前,这一时间点对现代小麦育种具有特别重要的意义。

寻迹百年麦种,为精准育种贡献中国智慧

  图:百年前收集的全球小麦地方种多样性极高,图为程时锋课题组拍摄的Watkins小麦

  从历史上看,养活当地人民数千年的各个地方小麦驯化品种,已经能够很好地适应当地环境,但与现代品种相比,产量相对较低,植株较高。

  然而,地方品种较少受到历史和地理瓶颈效应的影响,使得其往往能保有丰富的遗传多样性,但尚未在现代品种中得到充分利用。有少数主要效应性状(例如,主要抗病基因),通过现代品种与地方品种进行异花授粉,得以产生具有优良性状的后代;但地方品种中的优异变异大多数以稀有或低频方式分散在少数品种中,一些复杂数量性状的解析更是面临多重技术、科学和经济上的挑战,使得现代育种中很少使用地方品种。

  因此,即使地方品种蕴藏着巨大的提升作物育种价值的优异遗传多样性,但从中鉴定、发掘和利用现代品种中缺失的新的遗传多样性,需要克服一系列的育种障碍,包括开发地方品种的基因组资源,构建其遗传资源和充分的表型数据集,并进行一系列目标基因的功能性验证和育种价值的确认。

  2018-2019年期间,程时锋团队将这份多样性丰富的全球地方品种的种质资源引入中国以后,先后在广东、湖北、江苏、河北、山东和黑龙江等地进行了广泛和全面的表型鉴定和杂交试验,对沃氏小麦地方品种在中国的适应性情况进行了全面摸底,并对其在我国不同生态区的表现进行了系统鉴定。结合英国历史上完成的表型数据集合,形成了一套史无前例的小麦表型组矩阵。通过与现代品种的比较,研究者发现现代小麦品种的遗传多样性下降了至少60%,且主要来源于沃氏小麦地方品种中的两个祖先群体,而其他五个祖先群体则包含了大量未被利用的遗传变异。

  致敬前辈:沃氏小麦并非第一次大规模引种

  沃氏小麦地方品种的引进并非中国第一次大规模引进国外小麦品种,而是继承了国内前辈们的工作。在20世纪初,农业学家沈宗瀚先生在中国已经开始了系统的小麦品种引进和杂交试验工作。1932年,沈宗瀚先生组织购进英国小麦专家潘希维尔(John Percival)收集的一套共1700多份品种的全球小麦种质资源(Percival Collection,潘氏小麦)。这是中国第一次大规模从国外引进小麦品种资源的重要事件。以这份重要的种质资源为父母本,通过与中国地方品种进行杂交、筛选,选育出了一系列优良小麦新品种并广泛推广。这些历史事件表明,中国的小麦品种改良和引进工作有着悠久和系统的传统。