玉米种质资源的利用与评价

玉米种质资源的利用与评价

在过去五年中，美国先锋公司培育的大量混合进入中国许多省份和全国玉米区域。这些代表美国15~20年前育种水平的杂交种所到之处,表现突出。先锋品种在每个区试组均列居前二三名,产量潜力高,而且在年份间和地区之间产量稳定,所以今冬先锋品种在部分地区种子销售十分紧俏。而我国育种者培育的品种在区试中则退居次要位置。两相比较,暴露出我们的品种存在许多严重缺陷,主要是对环境敏感,抗逆性差,产量不稳定。这些试验结果引起我们对育种目标、育种思路、技术路线和科研管理体制进行深刻的反思。2006年9月,中国玉米科学家代表团一行9人访问美国先锋公司总部,除了参观试验室、分子标记辅助育种和转基因玉米品种以外,他们的高产试验田给我们留下了非常深刻的印象。先锋每年花许多人力和物力做品种展示,目的是供农民参与选择新品种。同时,对主推品种作密度试验,指导农民采用合适的种植密度和提高品种的产量潜力。试验密度有3000株/亩、6000株/亩、9000株/亩、12000株/亩和15000株/亩,其中以9000株/亩产量最高。在不同的密度条件下,我们注意到几个有趣的现象:第一,在上述5个密度下,没有发生倒伏和空秆;第二,株高没有可见的变化,即在每亩15000株与3000株的密度下,植株高度一样;第三,在各种密度下,未见生育期有明显变化。这样的品种抗逆性突出,产量潜力高而稳定。据主人解释,这是他们几十年育种工作的积累。跨国公司采用的抗逆育种方法并不复杂,其关键技术是高密度育种。他们在选育自交系过程的最早代群体是300~600株,种植密度达到每亩1.3万株,在高密度下暴露和筛选抗逆性强、结实性好的基因型。这是继续提高产量潜力和产量稳定性的第一步措施。通过座谈、交流育种技术和查阅文献资料,我们对中、美两国玉米育种的目标、思路、技术、方法和资源管理模式等做出如下比较分析。1.增强品种的抗逆性以往,国内育种家常把产量概念抽象化,忽视具体涵义和继续提高产量的操作途径,因此对育种目标的盲目性比较大。在国外,特别是跨国企业明确地认识到产量就是抗逆性。杂交种产量的不断增长与杂种优势没有直接关系。今后继续提高产量的最大回报是增强品种的抗逆性。首先是耐密植、抗倒伏,还包括耐干旱、耐低温和高温,耐不良土壤和抗病虫等。密植是继续增产的主要途径,而密植育种法则不仅提供适宜密植栽培的新品种,更重要的是揭示和筛选抗逆性强的基因型。因此高密度育种是玉米商业育种的最重要手段。2.种质创新的重点在于提高一般配合力在过去80年,玉米产量的持续高速度增长取决于自交系一般配合力的持续提高。这和产量的概念一致。产量与杂种优势没有对应关系,而产量与特殊配合力也没有正向平行关系。历史的经验告诉我们,种质创新的重点是继续提高一般配合力。由此衍生出循环育种策略。3.简化遗传资源管理通过杂种优势群内的循环育种,提高育种材料的一般配合力,这是80年来玉米育种的基本经验。迷信特殊配合力,会迷失育种方向,浪费资源。循环育种的实践基础是简化统一的杂种优势模式。跨国公司把玉米种质资源划分成母本一群,父本一群。这样简化了种质资源的管理,大大提高了育种效率。而国内育种家把种质材料的类群关系划分得过于复杂,在一定程度上影响了我国玉米育种的总体效率。4.提高抗逆性的能力在选育自交系的早代,施行高密度育种。目的是鉴别抗逆基因型,包括耐密植、抗倒伏、抗病、耐旱、耐高温、耐低氮,肥料利用效率,以及结实性、早熟性和灌浆速度等。在高密度条件下可以充分揭示许多性状的遗传变异,从而为选择需要的抗逆基因型创造条件。我国育种者在很低的密度下选育自交系,缺乏必要的选择压力,这是育种效率低的重要原因。5.育种程序不规范规模化育种是跨国公司技术研发的突出特色,目的是用多点试验代替多年试验以换取时间,提高效率。通常在全国布20多个试验点。育成一个新品种仅需要3~4年时间,在推出之前已经累计进行60~70次的产量比较试验,这在国内是非常罕见的。国外育种材料向前推进的速度非常快,从80年前的原始材料发展到今天,国外经历了十几轮的循环改良,而国内的种质改良速度比较缓慢。跨国公司通常在世界各地设70多个育种实验站,如此大规模的研发体系如果没有标准化的操作技术和育种程序作为支撑,则会降低总体效率。因此,程序化和标准化是大规模商业育种的重要管理基础。提出建议1.玉米育种技术取得的成就在没有科学指导的情况下,经验是发明和创新的主要源泉。由于我国历来具有人口数量优势,所以更容易通过“试错和改错”的经验途径获得创新成果。现在,玉米育种技术水平已经达到了经验发明曲线的顶点,今后继续创新,发生重大突破的概率越来越小,大多数新品种只是对原有自交系和品种做微小的改进。只有以现代科学原理为指导,建立完善的种质创新、技术创新和产品创新体系,才能够以更高的速度和效率推动玉米商业育种的可持续发展。2.以现代科学为指导,改进育种技术和方法主动创新,要加强自信心。事实上,多数玉米育种家缺乏自主创新的心理准备。我们要通过项目引导和学术交流等途径,立足现在已经掌握的种质资源,改进育种技术和方法体系,提高自交系和杂交种的选育水平。关键是强调以现代科学理论为指导,改进育种的思路和技术、方法。10年内,我们完全有能力选育出像美国先锋一样好的自交系和杂交种。3.推行序列、方式和技术体系结合我们的国情条件,研究和建立简单易行的程序化、标准化和规模化的育种技术体系,经过专家论证和实践检验,向全国推广。目标是大幅度提高玉米育种效率,加快育种材料改良和创新的速度。4.玉米育种和栽培专家2008年秋季,建议农业部出面,组织全国各地的玉米育种和栽培专家赴美国考察。对象是先锋、孟山都、Holden、Iowa大学和CIMMYT。目的是转变我国玉米科技人员的育种思路和提高技术创新能力。5.研究建立长期育种目标经过两年的精心筹备,在适当的时候组织全国玉米专家召开育种发展战略与技术策略研讨会。总结经验、教训,分析现代科学理论指导下的种质创新、技术创新和产品创新的基本思路与技术途径。由于我国大多数育种家和科研单位浮躁心理较重,对短期利益考虑得多,长期目标考虑得少,因此,重点讨论并制定长期育种目标就显得尤为必要。王绍平、潘光堂、史桂荣和辽宁农科院及本课题组部分专家参加讨论,并提出宝贵意见。遗传产量与实际产量的研究方向不垂直在育种计划中,产量目标不可抽象化,应具体分析哪些限制因素影响玉米的产量潜力和产量的稳定性。通过分析玉米生产的限制因素,排列出目标地区的科技发展优先序。应逐一针对这些限制因素设定研发目标。国内外调研得出一致结论,即抗逆性已成为最重要的研究对象。对作物产量有两种认识,少数人强调突破产量屏障,培育超高产品种。还有一种观点是针对限制因素,释放品种的遗传潜力,大范围提高实际生产能力。后一种观点把科学研究与生产紧密结合在一起,强调抗逆性的宏观增产效应。这里涉及到关于产量的三种概念,即实际产量、边际产量和遗传产量。需要注意的是我国玉米品种区域试验的边际产量甚至略低于欧美发达国家的实际产量。这反映出我们的玉米育种整体水平还比较低。绿色革命的突出成就是普遍提高了作物品种的遗传产量,带动化肥、农药、动力和水利的投入。实际产量受许多外界因素影响,与遗传产量有很大差距。缩小这个差距,是绿色革命以后农业科技进步必须重点解决的研究方向。但我国玉米遗传产量与实际产量的差距不是在缩小,而是在扩大。这说明遗传产量除了新闻价值外,对于提高玉米生产没有实践意义。我国目前玉米的实际产量是每亩350千克,边际产量590千克,而遗传产量超过1300千克(见附件3)。遗传产量对于带动实际产量的提高没有可操作的现实意义,而我们能够拉动实际产量稳步增长的边际产量却略低于美国、法国、加拿大等国的实际产量。今后的育种研究目标不要紧盯在遗传产量,要下力气实实在在地提高边际产量,这需要全国的育种家共同努力,以此拉动整个国家玉米生产的实际产量水平稳步提高。这就要求彻底改变育种思路,摆脱计划经济的思想束缚,务实地认识玉米产量和谋划育种思路,从而实实在在地提高育种水平。高风险品种是计划经济的产物。公司已经越来越不敢贸然推广高秆、大穗、晚熟的高风险型品种。种子企业已经融入市场经济,必然寻求低风险型品种。这就要求缩小品种的实际产量与边际产量的差距。实际上,长期坚持培育高秆、大穗、晚熟、耗水、耗肥和高风险型品种,是计划经济时期特有的技术停滞现象。而农大108和郑单958则在一定程度上打破了这种局面。上图,高密度中密度于2000年交叉,其原因在于上世纪90年代以后,或许早在上世纪80年代中后期,我国玉米育种的目标、材料和技术路线开始出了问题。这个试验是2005年在新疆完成的。我们把1970年以来的代表性杂交种复配出来,然后送新疆做三个密度的产量试验。之所以在新疆做这个试验,是为了排除病虫害等逆境因素对产量潜力的干扰。图中———线代表2000株/亩的低密度。--线代表3000株/亩的中密度。……线代表4000株/亩的高密度。初步结果表明高密度线与中密度线没有在早期交叉,而是在最近时期交叉,这反应出两个问题。第一,4000株/亩没有达到最佳种植密度。第二,我国上世纪70-80年代培育的品种对高密度反应正常,表明当时的育种技术和成果达到很高水平。但是从上世纪90年代开始出现隐患。到了2000年,终于暴露出明显的问题,新品种对高密度反应不正常。也就是说,我们培育的许多新品种对逆境因素的反应越来越敏