小麦育种几个重要问题 李斯深-2015-07 (2).ppt

小麦育种的几个重要问题 山东农业大学李斯深 2015 07 博士 后 教授 博导 主要研究方向为小麦遗传育种国家小麦品种审定委员会成员农业部粮食增产模式攻关专家山东省农作物品种审定委员会小麦专业组成员山东省小麦产业体系岗位专家山东农业大学1512工程第一层次 联系方式 山东农业大学农学院0538 8242903 0538 8246503 131817899592 一 我们需要什么样的小麦品种二 山东省小麦育种的主攻方向三 近期育成品种简介 什么是育种 百度 通过创造遗传变异 改良遗传特性 性状 以培育优良动植物新品种的技术 以遗传学为理论基础 并综合应用生态 生理 生化 病理和生物统计等多种学科知识 材料 加工 品种 群体 个体 细胞 分子 高产稳产节水抗旱肥料高效利用优质专用 功能食品 一 我们需要什么样的小麦品种 1 高产稳产 我国到2030年人口将至16亿按年人均用粮400公斤 小康 450公斤 中等 计算 需要有6 4 7 2亿吨粮食 耕地的面积逐步减少 已由1996年的19 51亿亩下降到目前的18 31亿亩 净减少耕地6200万亩 保有18亿亩耕地仍是长期艰巨的战略任务 粮食安全 1 1高产是对小麦品种基本要求 表1980 2012年全国小麦种植总面积 总产量 单产统计 表12002 2012山东省小麦生产情况表 提高小麦新品种产量水平是打破耕地面积制约 稳定提高总产的主要支撑力量打破小麦产量限制屏障 提高小麦产量潜力是小麦育种面临的主要挑战 从实打高产典型来看 小麦品种的产量潜力不断提高 远远超过平均水平 上世纪80年代末 小麦主产区黄淮麦区高产田突破亩产600公斤 1997年山东龙口市突破亩产700公斤 近期多个品种的产量潜力超过750公斤 亩 如2009年在山东滕州济麦22亩产789 9kg 泰农18亩产787 71kg 2011年在河南商丘郑麦7698亩产756 2kg 2014年出现了亩产超过800公斤的新例 1 2小麦的产量潜力 表1山东省农业厅组织专家实打小麦部分结果 产量因素 穗数 大穗 中穗 40万 亩 多穗 改善穗部性状 结实性 穗粒数 千粒重 株型 叶相 紧凑 中间 松散 叶片挺立 不宜过大 透光到底部其他 光合作用 叶片功能期 节约养分 水分 1 3什么样的品种才能高产稳产 高产 充分发挥小麦的产量潜力 协调产量三因素多穗 40万以上 协调三因素 高秆 80 85cm 抗倒 明显好于济麦22 与泰农18相当 中大穗 35 40万 协调三因素 高秆 抗倒 近期高产育种目标 抗倒 矮秆 茎秆质量抗病 条锈病 白粉病 纹枯病 赤霉病 根腐病抗虫 蚜虫抗干热风抗旱 耐盐 稳产 对生物和非生物逆境的抗性和适应性 纹枯病 山农0431和鲁麦21 2 节水抗旱 中国是一个干旱缺水严重的国家 人均淡水资源只有2200立方米 为世界平均水平的1 4我国粮食生产50 依赖于灌溉 而美国只有10 15 依赖溉灌 水资源严重不足 利用率为30 先进国家则达60 70 2 1选育节水抗旱高产小麦新品种是突破水资源短缺制约的必要条件 山东省人均水资源更为缺乏 全省多年平均水资源总量为305 8 108m3 占全国水资源总量的1 09 人均水资源占有量仅为344m3 亩均水资源占有量307m3 二者都不足全国平均数的1 6 低于世界人均占有量的1 20 山东及其周边地区小麦全生育期降雨量为100 200mm 而小麦生育期间需水400mm左右山东省灌溉用水量约占全部用水量的70 主要用于小麦灌溉 而且水分利用效率低 工程节水节水品种小麦是抗 耐 旱作物 2 2农业节水途径 1997年莱阳市冯格庄镇马岗村 1 65亩旱地小麦鲁麦21 实打亩产693 64 2005年河北省青县陈嘴乡蛮子营村5亩石家庄8号 在只浇两水的情况下 亩产平均高达634 5kg 2007年河北藁城辛集小麦节水高产攻关示范田 5亩石麦14 石2056 在全生育期只浇2水的情况下 实现平均亩产为635 93 充分利用深层土壤水分关键时期浇水1 2次达到亩产500 600kg典型品种 鲁麦21 烟农19 2 3水旱兼用型品种选育 我国耕地资源中坡耕地有600万公顷 且4 耕地受到沙漠化威胁 8 耕地受到次生盐渍化威胁 20 耕地受到重金属污染更为严重的是耕地中有50 的缺磷 23 缺钾 14 缺磷钾 需要施用化肥补充 3 肥料高效利用 3 1选育水肥高效的小麦品种是缓解农业生态环境压力的重要途径 能源价格上涨导致N肥生产成本不断提高 2040年后我国P矿资源将会短缺 我国K矿资源有限 K肥的进口依赖度高达70 水源污染 造成人们生活用水短缺 并因饮用被污染的水源而导致的健康损害 导致河川 湖泊 内海的富营养化 造成水草繁生 许多水塘 水库 湖泊因此变臭 成为死水 使土壤酸化以及物理性质恶化 土壤中某些元素过剩 破坏了内在平衡 导致土壤板结 食品 饲料中有毒成分增加 危害人体健康 大气中氮氧化物含量增加 化肥中的氮元素等进入大气后 增加温室气体 环境温度升高 化肥污染 近年来我国大田作物化肥投入大量增加 却难以达到增产目标 1996 2006年 我国化肥总用量增长了34 而粮食总产量却下降了1 4 增肥不增产现象凸显 提高肥料利用效率 特别是中低产田 是亟待解决的重大问题 N P K是小麦最重要的矿质营养 我国小麦N P K肥平均利用效率分别仅为28 2 10 7 和31 9 分别为世界发达国家平均值的49 4 25 4 和78 7 尚有很大的提升空间 3 2肥料利用效率 矿质营养元素 大量元素 氮 磷 钾 钙 镁 硫微量元素 铁 锰 铜 锌 硼 钠 氯 锡 钼利用土壤中的养分 3 3肥料高效新品种选育 4 优质专用 小麦最终产品 小麦最终产品 馒头 面条 水饺 面包 糕点小麦 馒头 面条 85 其他 15 优质专用馒头 面条对品质要求 中强筋 中筋面包 强筋配粉中强筋应该是我国小麦的主要指标 适合制作馒头 面条 馒头评价标准 SB T10139 93 功能食品 富硒小麦抑制 自由基 损伤 润泽肌肤 延年益寿对糖尿病有明显的食疗作用具有抗肿瘤作用富铬小麦能有效降低糖尿病人的血糖 有机铬具有激活胰岛素的作用 抗性淀粉其他小麦功能食品 二 山东省小麦育种的主攻方向 选育 高产抗倒型 品种 进一步提升高产田的产量选育 水肥高效型 品种 提升小麦中低产田的产量其他类型新品种选育创造目标性状突出 综合性状好 具有新基因的育种亲本材料分子标记辅助育种 1 选育 高产抗倒型 品种 进一步提升高产田的产量 高产田小麦面积占全省面积的30 以上 亩产约在600kg以上 选育和推广适宜于高产田种植的小麦品种 不但对提升山东省小麦单产和总产具有重要作用 而且可以引领小麦整个育种的方向 1 1现状与问题 随着机械化收获加强和人工费的提高 对品种的抗倒性要求越来越高 许多品种抗倒性不够的缺点凸显 推广面积受到影响 因此 高产超高产育种的关键是抗倒性其他问题 早熟 抗性 问题 超高产育种的主攻方向在更高水平上协调产量三因素 进一步提高光能利用率 增强小麦对倒伏和对多种病害的抗性 在适当株高的前提下 着力提高茎秆的质量 合理的株型和叶相是超高产品种的重要形态特征 有利于增加叶片叶绿素含量 提高光合生产率 增加光合产物 进而提高小麦生物产量和籽粒产量 这是选育超高产小麦新品种重要的突破口 1 2实现高产超高产的途径 2 选育 水肥高效型 品种 提升小麦中低产田的产量 山东及周边地区的高产田比例不足40 中产田和低产田比例近70 中产田亩产为400公斤左右 低产田亩产为250公斤左右 而高产田达到了亩产600公斤 山东省高产创建多年多点达到了亩产780公斤的产量 因此 中低产田的产量有很大提升空间而且难度较小 是提高平均单产和总产关键所在 1 1现状与问题 1 2节水抗旱新品种选育 转纯抗旱为节水 重点提高水分利用效率 主要育种目标是在有限而多变的水分条件下 选育耐旱性较好 水分利用效率较高 而且产量较高的品种 一般年份只浇一次水的条件下亩产达到500 600公斤 目前节水耐旱性能好而且产量较高的品种非常缺乏 农民在中低产田普遍种植耐旱节水性能较差的高产田品种 产量受到严重影响 因此迫切需要提高水分利用效率 选育耐旱节水性能好 产量较高的品种 兼顾节水性的基础上 重点改良产量潜力和抗倒性 适于中产田种植 1 2肥料 营养 高效新品种选育 提高小麦肥料利用效率 不仅可以降低生产成本 减少由于肥料流失所造成的环境污染 而且更能充分的发挥肥料的增产作用 因此 提高肥料利用效率 特别是中低产田 是亟待解决的重大问题 N肥是小麦最重要的肥料 P是不可再生的资源 大量的P积累在土壤中 使土壤全P含量较丰 但有效P含量很低 一般耕地全P含量是有效P含量的200 500倍 1980 2003年我国农田土壤有效P含量增长约为19mg kg 1 通常所讲的土壤P缺乏是遗传学缺乏 而不是土壤学缺乏 土壤中的K绝大多部分 98 是以矿物态和缓效态形式存在 有效态K素含量相对较低 常难以满足作物生长的需要 提高N P K肥利用效率育种基本上没有开展 在土壤肥力较差的条件下获得较高的产量 建立土壤N P K不同含量的营养池等鉴定条件 并优化水肥高效利用评价指标体系 3 其他类型新品种选育 优质专用抗赤霉病 纹枯病抗蚜虫 其他 4 创造目标性状突出 综合性状好 具有新基因的育种亲本材料 我国小麦种质资源非常丰富 并创造了大量新种质 但总体上讲 在育种中真正利用并发挥重要作用的种质很少 其重要原因之一是创新种质的综合农艺性状较差 难以作为亲本直接利用创造目标性状突出 综合性状好的育种亲本材料 是迫切需要解决的重要问题 也是育种家一项主要工作 经系谱分析和DNA鉴定 当前山东省生产上大面积推广的小麦品种同质化程度非常高 遗传基础狭窄 这不仅给小麦生产带来潜在风险 从长远看 也妨碍育种的突破性进展 育种后劲不足 要开展育种亲本材料的创制和持续改良 重点创造目标性状优异 综合性状好 在育种上 能用 好用 的材料增加异质性 特别是利用染色体工程技术 将小麦近缘物种的优异基因导入小麦 创制异源附加系 异代换系和易位系 为小麦育种提供新的优异基因 丰富小麦品种的遗传基础 获得重要基因的分子标记和克隆出重要基因是小麦分子育种的基础 近期 开发了高通量 低成本分子标记技术 单核苷酸多态性 SNP 技术和多样性微阵列技术 DArT 实现了分子标记的大规模 自动化检测 为小麦育种提供了良好的分子基础 尽管获得了大量基因 QTL的分子标记 却难以在育种中利用 这些基因 QTL和标记必须和具体材料结合起来 携带这些基因 QTL或标记的种质材料 才能在育种中利用 一旦换了种质材料 这些基因 QTL和标记便基本失去作用 而目前用于基因 QTL分析的种质却因农艺性状差而不被育种家选作亲本 5 分子标记辅助育种 问题 将材料和目标性状相结合 对重要亲本材料的重要目标性状如高产 抗病 水肥利用效率等 进行高通量的DArT和SNP等分子标记分析和关联分析 解析这些性状的遗传基础 做到理论研究和育种实践相结合 完善高效的常规技术和现代生物学技术相结合的育种技术体系 核心是由 表型 评价选择转向 表型 基因 QTL 评价选择 在深入鉴定种质资源的基因 QTL基础上 结合性状表现 选择含有目标性状基因 QTL的种质作为重点亲本 设计杂交组合 采用聚合杂交 有限回交等方式组配亲本 将多方面性状融合在一起 对重点组合的重要目标基因 QTL进行分子标记辅助选择 主攻方向 图TaGS1a基因功能标记开发FigFunctionalmarkerdevelopmentbasedaSNPofTaGS1ain60wheatvarieties 图功能标记TaGS1a CAPS的染色体定位Fig ChromosomelocationofTaGS1a CAPSmarker ChromosomelocationsofEST SSRmarkers1N1AT1B 2N1BT1D 3N1DT1B 16N6AT6B 17N6BT6A 18N6DS 23CS SWES2 SWES5 ChromosomelocalizationofEST SSRmarkersusing ChineseSpringnulli tetrasomiclines 三 育成品种简介 研究方向 小麦种质资源 小麦育种 重要功能基因分析 生物进化育种研究 前期致力于高产优质相结合新品种的选育 育成的高产优质的山农17 泰农18和山农21等品种 近期在保持高产优质的同时 主要致力于抗倒伏 水肥高效利用育种 不断探讨新的育种方法 并用其育成了一批以LS6109 LS4211为代表的表现突出的新品种 系 理论研究 小麦重要基因的分子标记和基因克隆构建了3个RIL群体和1个自然品种群体 绘制高密度分子标记遗传图谱 并进行产量 品质 节水抗旱 矿质营养 抗病等方面性状的QTL分析 发现了一批重要的QTL或QTL簇 利用EMS诱变小麦品种 系 构建突变体库 开展重要基因的功能分析 利用同源克隆的方法在小麦中抗旱相关基因 N效率相关基因 建立了基因与农艺性状的关系 开发功能基因标记 山农29 LS6109 国家和山东省生产试验山农25 LS4211 2014山东省审定国家区试品系 LS4223 LS3639前期品种 泰农18 山农17 山农21 育成品种 系 1 山农29 LS6109 2014 15国家黄淮北片水地组生产试验2014 15山东省高肥组生产试验组合 泰农18 临麦6号突出特点 高产 抗倒 广适 山东省高肥区试2011 12预试 亩产569 89kg 比对照济麦22增产7 12 2012 13区试 亩产580 09kg 比对照济麦22增产5 59 2013 14区试 亩产609 35kg 比对照济麦22增产6 05 两年区试平均亩产594 72kg 比济麦22增产5 82 国家黄淮北片水地2012 13区试 亩产521 4kg 比对照良星99增产4 66 2013 14区试 亩产620 0kg 比对照良星99增产6 38 两年区试平均亩产570 7kg 比良星99增产5 52 产量表现 品质表现 特征特性 半冬性 幼苗半匍匐 抗寒性好 分蘖力较强 成穗率高 熟期较对照略早 落黄性好 植株较矮 株型较紧凑 抗倒性好 方穗 小穗较密 结实性好 白壳 白粒 角质 国家和山东省区试四年次平均 株高78 1cm 亩穗数45 0万 穗粒数34 5粒 千粒重44 1g 中国农科院植保所2年接种鉴定 慢条锈病 中抗 中感白粉病 高感叶锈病和纹枯病 2 山农25 LS4211 2014年9月 小麦专业组推荐山东省审定组合 J1697 山农17姊妹系 烟农19突出特点 高产 优质 节水抗旱 山东省旱地区试2011 12区试 亩产494 75kg 比对照鲁麦21增产3 43 2012 13区试 亩产456 66kg 比对照鲁麦21增产6 66 两年平均亩产475 71kg 比对照鲁麦21增产4 96 2013 14年旱地生产试验 亩产455 06kg 比对照鲁麦21增产5 94 产量表现 品质表现 2011 12 2012 13年度山东省区试统一测定 容重801 788g L 湿面筋含量29 3 31 1 蛋白质含量14 1 13 9 沉淀值39 0 41 3mL 形成时间5 4 6 0min 稳定时间11 6 10 3min 白度76 5 76 7 两年平均容重795g L 湿面筋含量30 2 蛋白质含量14 0 沉淀值40 2mL 形成时间5 7min 稳定时间11 0min 白度76 6 主要品质指标达到了国家优质强筋小麦标准 特征特性 半冬性 幼苗匍匐 抗寒性好 分蘖力强 成穗率较高 落黄性好 株高较矮 株型中等紧凑 抗倒性较好 方穗 结实性好 白壳 白粒 角质 2012 13 2013 14山东省旱地区试 2013 14旱地生产试验三年平均 株高69 7cm 亩穗数38 5万 穗粒数35 7粒 千粒重