【科学头条】理论变现 蹚出小麦育种路——旱地冬小麦“兰大211”成长记

日期: 2021-09-06 阅读: 来源: 关键词:

夏日伊始,骄阳似火,空气卷着热浪将麦田烘成了金黄色。在定西市通渭县平襄镇旱地农作物试验基地里,兰州大学旱地冬小麦新品种“兰大211”穗头壮硕、颗粒饱满,仿佛预示着又一个丰收年。

7月8日—9日,定西通渭和天水张家川的“兰大211”示范田里一片忙碌,丈量面积、实打实收、称重、去杂……来自农业农村部小麦专家指导组、甘肃省农业技术推广总站等单位的专家正在按照农业农村部高产创建实收测产程序对“兰大211”进行实产测定。

经过严格测定,在通渭示范田里实际测产,冬麦新品种“兰大211”标准产量为455.05公斤/亩。根据当地相关部门数据显示,2017年至2019年,通渭小麦统计产量为每亩174.83公斤。在张家川测产示范田,该品种标准产量为507.54公斤/亩。

从二十世纪九十年代将生态学理论融入育种理论中,到2000年前后开始尝试小麦育种工作,再到如今培育出兰大第一个通过甘肃省审定的小麦品种,兰州大学生命科学学院李凤民教授带领团队在这一过程中利用擅长的生态学理论蹚出一条富有特色的小麦育种路。

埋下育种的“种子”

兰大不是农业院校,没有作物育种的传统。李凤民团队怎么会“不务正业”,搞起小麦育种了呢?这是许多人见到小麦新品种“兰大211”时常有的疑问。

时间回到30年前,这颗育种的“种子”早在那时就已经埋在李凤民心里。当时,兰大老一辈科学家赵松岭教授在理论生态学的基础上,针对我国旱地农业中的困局,提出了集水农业理论。在研究过程中,他经常带领学生与农民打交道。作为赵老师的第一个博士后,李凤民主攻旱地农业生态研究。他经常跟着赵老师走在田间地头,深深体会到“农民的日子实在是苦”,旱地农业生态研究必须首先解决农民生产上的实际问题,然后才能真正解决生态问题。

1995年,在中央、甘肃省、学校的大力支持下,干旱农业生态国家重点实验室成立,为深入探索旱地农业发展提供了机会和平台。

于是,将兰大擅长的生态学理论运用到农业中去,帮助西北地区旱地农业更好地发展便成为李凤民努力前行的方向,“西北的生态问题是和农户的生存和生产紧密联系在一起的,做农业生态研究必须以解决实际问题为突破口。”由此,他结合赵松岭老师的想法,开始思考如何将生态学中的重要理论运用到农业生产实践中来。

一开始,他追随老师的脚步,沿着集水农业的思路,探索旱地农田沟垄覆膜集雨栽培的增产效应,帮助农民提高作物产量,解决了困扰黄土高原几百年的吃饭难题。

在进行集雨栽培提高产量相关研究的同时,他开始打起农作物品种的主意。作为甘肃省最重要的“细粮”作物,小麦“理所当然”成为李凤民团队又一个主要研究方向。他们尝试着将进化生态学思想融入小麦育种的实践中,强调作物育种的“群体选择”属性,希望通过协调个体和群体的关系,建立起和小麦常规育种相协调的理论和实践体系。

育种理论生根发芽

一直以来,常规育种主要靠专家个人的认知和经验积累。但经验是个人的感知,很难跟别人讲清楚。“如果有一种理论能够解释个人的经验,并能够指导新的育种实践,今后就能够大幅度提高育种效率。”这是李凤民团队开展育种研究的基本想法。

借助于兰大理论生态学深厚的学术功底,李凤民一直试图把植物生理生态学研究引向解决实际问题的轨道上来。而“同作物育种相结合”,正是生理生态走向实践化的重要方向。

在一些相关领域的会议、活动中,李凤民带领团队把多年育种理论研究中获得的一些认识跟育种专家交流,“似乎有很多共同感兴趣的话题,能够产生很多共鸣。”但如何进一步落实,把问题讲透彻,运用于实践,“总感觉有一层窗户纸在隔着。”经过反复思考,同育种专家长期交流,他决定带领团队直接进入到育种的具体实践中去。

在育种专家的鼓励与合作下,他们从田间小麦授粉做起,和育种专家长时期泡在一起,与专家的语言隔膜慢慢消失了,双方都能“听懂对方在说什么”,作物进化生态学理论开始在育种实践中初试锋芒。

他们发现,“旱地小麦同主产区小麦一样,应当遵循弱竞争和适度密植的原则。相对于主产区而言,旱地环境资源禀赋差,波动大,高产品种需要保留一定的韧性,不宜过度弱化竞争能力,这样才能保持稳产高产。但长久以来,旱地小麦为了弱化个体间竞争,往往会缩短花前营养器官生长时间,成熟期提前,而对收获后的雨热资源利用不足”。这些发现给新品种选育提供了机会,理论与实践开始相向而行。

一直跟随着李凤民做农业生态研究的杜彦磊教授介绍道,“作物群体产量与个体适合度是一种单峰关系”,个体太强或太弱都不利于群体生长,如果能将二者的关系理解清楚就可以让育种工作者根据当地的实际环境,找到协调个体和群体生长关系的理想株型。而高产和稳产之间存在权衡关系,一味追求高产可能做不到稳产,“只有抓住两者间的平衡点,才能做到效益最大化”。

“兰大211”开花结果

理论框架正在逐步清晰化,团队和育种专家的合作也在不断深化。

据相关资料显示,甘肃省小麦目前种植面积约为1100万亩,其中冬小麦870万亩左右,主要分布在陇东、陇南、天水和陇中以及临夏、甘南等地。团队深入调研发现,甘肃旱地降雨量少而波动较大的气候环境限制了小麦产量的提升,时常爆发的条锈病危害也很严重。

基于这两个问题,培育出高产、稳产并抗条锈病的小麦品种应当是甘肃旱地小麦育种的主要目标。团队选择了带有抗条锈基因的Dippes Triumph/兰天10号的后代96-18-1-3-2-1和Flanders/兰天10号的后代00-30-3-2分别作为母本和父本,通过杂交将其抗病基因聚合到一起,以达到加强抗性的目的。

从配置杂交组合开始,每年的开花期,团队成员就会带着学生到田里进行人工授粉,“将母本用剪刀和镊子小心翼翼地去雄,再将父本的花粉轻轻抖入……”,这是团队每个人都铭记于心的授粉步骤。杂交后收获种子,再每年进行播种挑选单株,逐渐淘汰存在发育迟缓、穗小、条锈病、倒伏等各种问题的单株,挑选可能形成群体产量优势的单株。

2006年以来,团队通过多次杂交重组系谱选育,获得抗条锈冬小麦品系,逐步进行小范围种植试验。在此期间,他们充分利用前期积累的育种理论,协调个体和群体的关系,最终实现品种中多重抗逆性状的聚合。经过至少6-7代的筛选,获得优良株系06-653-2-1-1。该株系随后通过品种鉴定和品种比较试验,参加品种审定区域试验。

2020年3月,“兰大211”通过甘肃省主要农作物品种审定,成为能够走到农户手里、种在田里的小麦新品种。2020年6月,“兰大211”在天水张家川完成品种推广授权签约,在天水、陇南、平凉、定西等地区推广试种。2021年7月,“兰大211”在通渭旱地农田实测亩产超900斤,在张家川半湿润雨养农业区跨上旱地冬小麦亩产千斤粮的台阶。

从一粒种子到一株小麦,再到成片的试验田……他们从数不清的麦穗中挑出形态特征良好、具有高产潜力的株系,每一步都是一个春夏秋冬。如杜彦磊所说:“我们在挑选小麦的时候,小麦也在挑选我们!”四季流转,种子埋下后,谁都不清楚它会开什么样的花,结什么样的果,能做的只有耐住性子等待。十几年寒来暑往中,是李凤民团队选择了“兰大211”,也是“兰大211”成就了他们。

“兰大211”是一个良好的开端,在进化生态学理论运用于小麦育种实践这一领域,这个年轻且扎实的团队还有很长的路要走。正如李凤民所言,“做生态育种研究需要有深厚的理论功底,每一个新品种的出现,都是对生态育种理论研究的一次提升,日积月累,就会实现从理论到实践的飞跃。”

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文:孔子俊,顾植敏
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编辑:侯牧晨
责任编辑:许文艳

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