玉米育种研究的发展方向

玉米育种研究的发展方向中国农业科学院作物所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，我国农民在1000万/hm2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2350万hm2，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