在三大主粮中,杂交水稻和杂交玉米都成功实现产业化,但对杂交小麦的育种和推广已走过约一个世纪,迟迟未取得重大进展。

长期以来,杂交小麦推广之路受制于高昂的制种成本。日前,先正达集团科学家在《自然-生物技术》杂志(Nature Biotechnology)发表论文,首次公开“一步胞质不育系转育技术”。论文发表后引发业界和媒体关注。评论认为,这项成果大大加速了育种进程,有望一举破解杂交小麦推广瓶颈。

这项技术的核心研究成员之一一——先正达集团北京创新中心科学家吕建博士在接受本报采访时表示,把杂交小麦推向市场是一代代育种家的梦想,同样也是先正达的梦想。先正达计划在未来三到五年内,实现杂交小麦商业化种植。

杂交小麦为何难推开?

利用农作物的杂种优势提高产量、品质和抗逆性,是现代农业核心科技之一。所谓杂交种,即通过杂交两个亲本得到的后代种子。“杂交种充分利用了杂种优势效应,可以提高生长势,增强病虫害抗性和提高产量。”吕建介绍。

杂交玉米、杂交水稻相继成功实现产业化。尤其是后者,以袁隆平为代表的一批科学家历时数十年,让中国杂交稻技术领跑世界,为保障中国乃至全球粮食安全做出巨大贡献。

但是,迄今为止,与水稻和玉米相比,小麦杂种利用却在全世界均未获得预期突破。对杂交小麦的研究,国际上开始于上世纪20年代,中国开始于上世纪60年代。

事实上,对杂交小麦品种的开发一直未停止,近些年陆续有新品种上市。“现有杂交小麦制种流程有个很大的瓶颈,就是制种成本很高,成为影响杂交小麦推广的主要障碍之一。”吕建说,粗略统计,生产一亩杂交小麦品种的成本,是一亩杂交玉米或杂交水稻成本的10倍左右。

除了成本,在科研界,对杂交小麦的研究还存在一个困惑点:小麦究竟有没有杂种优势?换言之,与杂交水稻、杂交玉米带来产量、抗逆性上的飞跃相比,现有杂交小麦品种似乎表现并不优异。

果真是这样吗?“从我们的研究和同行发表的论文成果看,杂交小麦可以实现增产10%-20%,比较好的组合甚至增产25%。”吕建认为,通过优化组合,杂交小麦的潜力不比其它杂交作物低。

中国年产小麦大约是1.2亿吨,而年消耗量在1.1亿吨。毋庸置疑,利用小麦的杂交优势进一步提升产量,对于粮食安全意义重大。

小麦杂交育种的瓶颈是什么?

杂交小麦的研发和推广之路,受限于昂贵的育种成本。这根源于小麦与水稻、玉米不同的物种特性。

杂交品种是父本“帅哥”和母本“靓女”优势结合的产物。小麦和水稻一样,都属于雌雄同花,严格自交授粉。而要培育出杂交品种,就不能让这些母本自生自育“近亲结婚”,因此需要找到雄性不育系材料,让植株只具备“女性”特征,再与父本结合。

杂交水稻和杂交玉米都可以选育出成本可控的雄性不育系,但杂交小麦却没那么容易。

“水稻和玉米是二倍体,同样的基因一般只有2个拷贝。而小麦则是六倍体,同样的基因会有6个拷贝,所以小麦的种质创新相对比较费劲,育种周期很长,难度也很高。”中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室副主任王克剑解释。

以三系小麦杂交育种技术为例,传统方法是将现有不育系材料同可育品种材料进行杂交,再进行5~7代的回交。显而易见,这种方法需要多年多代的杂交选育,既耗时又浪费资源,育种成本很高。

“一步到位”胞质不育系转育突破在哪里?

传统的杂交育种方法耗时费力,有没有更高效的育种路径?

“我们开发了一步胞质不育系转育技术。这是基于父本单倍体技术,将不育系开发成父本单倍体诱导系,将待转育的材料诱导父本单倍体,再利用单倍体加倍技术实现胞质不育系的一步转育。”吕建说。

这个技术的关键,是将父本单倍体诱导技术应用到小麦上,实现快速育种,但操作起来有待克服诸多难关。

首先,可用于父本单倍体诱导的基因很少,目前公开报道的只有两个,即玉米ig1和拟南芥CenH3。

吕建的团队将小麦ig1进行基因敲除,发现并不能诱导父本单倍体。而针对拟南芥CenH3基因,全球众多科学家经过多年努力,都没能在作物上重复拟南芥上的成功。

通过大胆创新、缜密设计和团队通力合作,吕建与Tim Kelliher等先正达全球种业科学家一起,最终实现了7%的父本单倍体诱导率。

这是技术上的重要突破。“7%的诱导率是首次在小麦上成功实现,这个效率在商业上具有可操作性。”先正达北京创新中心总裁张蓓在接受采访时说。

传统方法需要多年多代的杂交选育,而先正达集团实现了一步到位胞质不育系转育,耗费的时间和成本都极大降低。据估算,依托这项技术,每年预期就能节省800万-4000万美金。

“他们这项成果最大的亮点是可以快速实现不育系的创制,大大加速杂交小麦品种选育的进程,更快捷更省事,促进杂交小麦在更大范围的利用和推广。”王克剑说。

困扰科学界的杂交小麦育种成本难题出现新的解决方案。未来,先正达集团将通过持续不断的种质创新和技术创新,加速推动杂交小麦规模化种植。

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