提升經(jīng)濟作物育種技術(shù) 助力農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效

江小原

經(jīng)濟作物是我國農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的主要來源，提高經(jīng)濟作物育種技術(shù)和創(chuàng)新能力，關(guān)系著我國農(nóng)業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的質(zhì)量、速度和效益。近年來，我國在大豆、長絨棉、油菜等經(jīng)濟作物育種方面取得的成績證明，我國科技人員有能力在經(jīng)濟作物的育種領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟作物；大豆育種；長絨陸地棉；雜交油菜

大豆、棉花、油菜、蔬菜等主要經(jīng)濟作物是我國農(nóng)業(yè)增效農(nóng)民增收的主要來源，是社會經(jīng)濟的重要組成和命脈，與人們的生活和健康息息相關(guān)，也為工業(yè)提供了天然原料。尤其是蔬菜、油料、棉花的持續(xù)供應(yīng)和長足發(fā)展，關(guān)乎國際貿(mào)易、經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定，也是當(dāng)代人們健康的重要保障。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部扶貧辦調(diào)度數(shù)據(jù)，2019年，832個貧困縣蔬菜種植面積為2668.9萬畝，總產(chǎn)量為16349萬噸，實現(xiàn)銷售額1062.9億元，帶動貧困人口258.7萬人。據(jù)中國農(nóng)科院數(shù)據(jù)，2020年，經(jīng)濟與園藝作物種植面積約6.6億畝，總產(chǎn)值4.09萬億元，占種植業(yè)總產(chǎn)值的79.9%。

顯而易見，經(jīng)濟作物品種的發(fā)展水平直接關(guān)系到我國農(nóng)業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的質(zhì)量、速度和效益，提升經(jīng)濟作物育種技術(shù)水平和創(chuàng)新能力的重要性不言而喻。

大豆逆勢增產(chǎn)背后的育種支撐

大豆是重要的油料和蛋白飼料作物之一。我國的大豆消費需求包括食用大豆和壓榨（油用及飼用）大豆兩大類?！笆濉逼陂g，我國食用大豆年均消費量約為1600萬噸，壓榨大豆年均消費量為9000萬噸，大豆年均消費總量超過1億噸，比“十二五”期間增長30%，預(yù)計“十四五”期間我國大豆年均消費量將在1.2億噸左右。

2020年，我國大豆平均畝產(chǎn)132.4公斤，比2016年提高11%。中國工程院院士、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長萬建民表示，在主產(chǎn)區(qū)立地條件欠佳的不利形勢下，大豆畝產(chǎn)水平的提高，得益于育種科技的進(jìn)步。

我國大豆種植主要分布于黑龍江、安徽、內(nèi)蒙古、吉林、河南等省份，近年來國內(nèi)大豆平均畝產(chǎn)有一定提高，但仍處于較低水平，大豆種植綜合收益不佳?！笆濉逼陂g，大豆新品種的培育從以產(chǎn)量為核心向優(yōu)質(zhì)專用、抗病抗逆、資源高效、管理輕簡化的多元化方向發(fā)展，以滿足不同大豆生態(tài)區(qū)對品種的個性化需求。

隨著種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及“大豆振興計劃”的實施，近年來我國大豆實現(xiàn)穩(wěn)定增產(chǎn)。北京大北農(nóng)生物技術(shù)公司南美業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人于彩虹表示，面對大豆消費需求的不斷增長，我國大豆總產(chǎn)量還需提高。我國生物育種技術(shù)自主培育的大豆品種也開始大范圍推廣，并逐漸走向國際。

于彩虹介紹說，由于大豆種植效益偏低，國內(nèi)相當(dāng)一部分大豆生產(chǎn)用地屬于營養(yǎng)水分失衡的非優(yōu)耕地，干旱、澇害、土壤鹽堿化等非生物脅迫因素嚴(yán)重制約了優(yōu)良大豆品種的產(chǎn)量潛力發(fā)揮。傳統(tǒng)大豆育種方法主要依賴于表型選擇，效率較低，而生物育種技術(shù)能夠顯著提升大豆性狀改良與品種創(chuàng)新效率，有助于高效培育具備綜合抗逆性的環(huán)境友好型品種。因此，大豆生物育種策略的關(guān)鍵是，挖掘大豆育種關(guān)鍵基因，改良和創(chuàng)制優(yōu)異的育種基礎(chǔ)材料，構(gòu)建分子育種平臺，發(fā)展智能設(shè)計育種。

于彩虹舉例說，大豆是光周期敏感的短日照作物。大豆對光周期的反應(yīng)通常影響著成熟期的長短，從而影響產(chǎn)量。具體表現(xiàn)為同一品種在高緯度地區(qū)光照時間長、開花晚、成熟晚、產(chǎn)量高；而在低緯度地區(qū)光照時間短，則開花期提前，成熟較早，產(chǎn)量低。歷史上大豆馴化與選育主要在中高緯度地區(qū)完成，而低緯度地區(qū)則長期被認(rèn)為不適于大豆的種植及生產(chǎn)。大豆長童期性狀在20世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn)，并成功應(yīng)用于低緯度地區(qū)大豆育種。20世紀(jì)90年代，研究發(fā)現(xiàn)J是控制大豆長童期性狀的關(guān)鍵位點，然而其編碼基因和分子調(diào)控機制一直未明確。

2016年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)年海課題組和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所韓天富課題組在《分子植物》上發(fā)表論文，闡述了研究者們尋找了半個多世紀(jì)的大豆長童期基因J，并揭示了J來自中國、美國和巴西等不同品種大豆各生育期的分布規(guī)律；2017年和2020年，廣州大學(xué)教授孔凡江、劉寶輝團(tuán)隊及其合作者團(tuán)隊先后在《自然？遺傳學(xué)》雜志上發(fā)表兩篇論文，報道了大豆長童期關(guān)鍵基因J的克隆及進(jìn)化機制研究成果，揭示了大豆光周期調(diào)控開花的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)闡釋了大豆中高緯度適應(yīng)的多基因進(jìn)化機制。

長童期基因J可以作為改良大豆短日照高溫適應(yīng)能力的分子靶點。大豆具有了長童期性狀就可在短日照條件下，延長成熟期并提高產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，長童期基因J促進(jìn)了光周期開花，且該基因突變型可推遲低緯度短日照條件下大豆開花時間，使大豆產(chǎn)量比野生型提高30%—50%。此外，長童期基因J上至少存在著8種功能缺失型等位變異位點，在育種中導(dǎo)入相關(guān)位點有助大豆品種在我國南方低緯度地區(qū)大面積推廣和種植，縮小大豆種植的地區(qū)差距。

長童期性狀在育種上的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，使得大豆的種植在低緯度地區(qū)快速擴展，從而使巴西等地迅速成長為世界上主要的大豆生產(chǎn)國與出口國，顯著改變了世界大豆的生產(chǎn)形勢。

高質(zhì)量參考基因組是作物育種基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。我國科學(xué)家曾經(jīng)成功對大豆品種“中黃13”參考基因組進(jìn)行了組裝和注釋，然而不同大豆種質(zhì)資源之間存在較大的遺傳變異，單一或少數(shù)基因組不能代表大豆群體的所有遺傳變異，大豆分子設(shè)計育種亟須能夠代表不同大豆種質(zhì)材料的全新基因組資源。

2020年，中國科學(xué)院田志喜、梁承志、韓斌等研究者通過全基因組重測序?qū)θ?898份具有遺傳多樣性的大豆種質(zhì)材料進(jìn)行分析和鑒定，進(jìn)而構(gòu)建了世界首個大豆泛基因組。本次泛基因組研究所選用的大豆種質(zhì)材料具有重要的育種和生產(chǎn)價值，其中“滿倉金”“十勝長葉”等種質(zhì)材料作為骨干核心親本已各自培育出“黑河43”“齊黃34”等上百個優(yōu)良新品種，這些品種被各個大豆主產(chǎn)區(qū)大面積推廣種植。

據(jù)于彩虹介紹，分子標(biāo)記輔助選擇、全基因組選擇等是分子育種的代表性技術(shù)，其旨在對大豆內(nèi)源基因進(jìn)行聚合或修飾，賦予大豆新的性狀，而這些育種技術(shù)的應(yīng)用都依賴于對大豆功能基因組的深入研究和全面了解。因此，大豆泛基因組和相關(guān)自然群體遺傳變異的發(fā)布為大豆育種技術(shù)研究提供了重要的資源和平臺，也為推進(jìn)大豆分子設(shè)計育種、提升大豆產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。

此外，“十三五”期間，國內(nèi)科研院所還通過全基因組關(guān)聯(lián)分析、連鎖分析，基因組重測序等分子手段，鑒定克隆了一系列與大豆產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性、生育期等重要性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因，解析了一批新基因的功能和重要性狀形成的分子機制，構(gòu)建了大豆分子育種平臺。

隨著大壟密植、淺埋滴管、免耕覆秸等技術(shù)模式的不斷成熟，良種良法結(jié)合，刷新了小面積高產(chǎn)紀(jì)錄，創(chuàng)造了大面積高產(chǎn)典型。萬建民介紹說，比如，“中黃37”蛋白質(zhì)含量高、籽粒大，成為黃淮海地區(qū)主栽品種之一；“中黃30”抗旱耐陰，成為西北地區(qū)主栽品種；“中黃901”早熟高產(chǎn)，抗大豆灰斑病，適宜東北北部種植；“中黃39”適宜種植區(qū)域從北緯20度到40度，是我國種植區(qū)域緯度跨度最大的大豆品種。

長絨陸地棉的逆襲

作為紡織工業(yè)的主要原材料之一，棉花是關(guān)系國計民生的重要戰(zhàn)略物資，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。中國是全球主要的棉花生產(chǎn)國和消費國，總產(chǎn)量和單產(chǎn)均居世界首位。

我國棉花產(chǎn)業(yè)鏈涉及棉花加工、流通、紡織、印染、服裝、出口等多個行業(yè)。而追溯到這些行業(yè)的源頭，都離不開一粒小小的棉種。棉種質(zhì)量的好壞直接影響和決定著春播能否實現(xiàn)一播全苗。

作為世界上栽培棉種中最為廣泛的兩類栽培棉種，陸地棉產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣，占世界棉花總產(chǎn)量90%以上；海島棉產(chǎn)量低，但纖維具有長、強、細(xì)的特性，使得織出來的布料順滑有光澤、韌性十足、懸垂感強，是紡織纖維的上上品，價格不菲。

由于海島棉產(chǎn)出的棉纖維細(xì)長、堅韌，又被稱為長絨棉，是業(yè)界公認(rèn)的“棉中極品”?！暗L絨棉生長需要的熱量大、周期長，在熱量條件相同的情況下，長絨棉的生長期比陸地棉長10—15天?！焙鲜∶藁茖W(xué)研究所副研究員陳浩東介紹說，由于對種植環(huán)境要求更高，我國海島棉僅在新疆南疆零星種植，因適應(yīng)性普遍較差，難以大面積推廣應(yīng)用。

長絨棉由于日照時間長，因而成熟度高，棉絨長，手感好，品質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于普通棉，相對一般陸地棉纖維而言，商業(yè)價值也更高。雖然我國棉花產(chǎn)量位居世界前列，但我國棉花生產(chǎn)也面臨瓶頸，棉類型單一、纖維品質(zhì)和纖維強度偏低等問題突出。

隨著人民生活水平的日益提高和現(xiàn)代化紡紗技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)國際市場對長絨棉的需求量將不斷增加。陳浩東表示，近年來，我國用于生產(chǎn)長絨棉的海島棉年產(chǎn)量僅4萬噸左右，而年需求量在16萬噸上下。長絨棉的短缺困擾著我國優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

陳浩東說，業(yè)界普遍認(rèn)為，只有海島棉才能產(chǎn)出長絨棉。一直以來，他們都想解析陸地棉和海島棉在產(chǎn)量、適應(yīng)性和品質(zhì)等方面差異的原因，并試圖將二者優(yōu)勢結(jié)合起來，選育產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣、纖維品質(zhì)達(dá)到長絨棉標(biāo)準(zhǔn)的陸地棉新品種。陸地棉和海島棉最顯著的區(qū)別之一，就是纖維長度。35毫米是個坎兒，大多數(shù)陸地棉品種很難達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)。另外，纖維越細(xì)長，對韌性越是考驗。強度上不去，也很難應(yīng)用于生產(chǎn)。在育種過程中，棉絲變細(xì)強度往往會降低，在紡織過程中容易拉斷，只有同時具備長、細(xì)、強這三點，才可以紡織出高質(zhì)量紗線，達(dá)到80支以上的高支棉就往往會有一種絲綢般的觸感。

在育種過程中陳浩東又發(fā)現(xiàn)，有時候品質(zhì)提升了，產(chǎn)量又下去了。育種過程中，此消彼長的矛盾如何調(diào)和？“種植條件的改善很難突破這道坎兒，只能靠遺傳因素來改變”。

功夫不負(fù)有心人。通過構(gòu)建超大分離群體，多次回交、混交及自交，陳浩東團(tuán)隊克服了遠(yuǎn)緣雜交瘋狂分離的難題，并經(jīng)過混生病圃的強化篩選，最終培育出陸地棉新品種“湘C176”。打破了棉花育種史上長期難以打破的產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的遺傳負(fù)相關(guān)，實現(xiàn)了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病的綜合優(yōu)勢，單鈴重達(dá)到5.8克，衣分41.4%，纖維上半部平均長度35.4毫米，斷裂比強度36.5cN/tex，耐枯、黃萎病。

棉花品種質(zhì)量好壞，直接影響農(nóng)戶種植效益。據(jù)陳浩東介紹，紡織企業(yè)來地頭收棉花時，纖維長度大于30毫米的棉絮中，纖維每長一毫米，每噸收購價就能高200元錢。當(dāng)纖維長度達(dá)到35毫米以上，回收價會直接跳升一個檔，達(dá)到一噸增加8000元左右，價格可增長近二分之一。

目前，“湘C176”已在長江、黃河流域進(jìn)行過示范種植，長勢良好。不光適應(yīng)性廣，“湘C176”的衣分更是達(dá)到了42%。一般品種平均在40%左右，衣分越高，軋花廠就愿意收，收購價格越高。陳浩東算了一筆賬：一畝地一般品種產(chǎn)量在五六百斤，畝收益通常在1500—1800元左右。“湘C176”常規(guī)種產(chǎn)量與雜交種產(chǎn)量相當(dāng)，增值效應(yīng)將主要來自于衣分和品質(zhì)，憑借品種優(yōu)勢，“湘C176”至少能讓農(nóng)戶效益提升三分之一左右。

去年，“湘C176”通過了湖南省審定，這意味著原來僅能通過產(chǎn)量低、種植區(qū)域極小的海島棉品種生產(chǎn)的紡高支紗原棉，今后也可通過產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣的陸地棉進(jìn)行生產(chǎn)，陸地棉終于成功逆襲。

2020年，湖南棉花科學(xué)研究所與新疆國欣種業(yè)有限公司、湖南安鄉(xiāng)縣農(nóng)業(yè)局經(jīng)作站合作，在新疆、安鄉(xiāng)等地建立了5個“湘C176生產(chǎn)示范基地”進(jìn)行示范推廣，受到了農(nóng)戶、加工廠和企業(yè)的廣泛認(rèn)可。

據(jù)介紹，明年“湘C176”將進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)，以訂單生產(chǎn)模式進(jìn)行推廣種植，該品種的推廣應(yīng)用將進(jìn)一步滿足我國紡織產(chǎn)業(yè)對長絨棉的供應(yīng)需求，有望改變我國紡高支紗優(yōu)質(zhì)原棉主要靠國外進(jìn)口的局面，助力我國紡織產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級。

雜交油菜助農(nóng)增收

油菜是我國重要的油料作物，我國每年生產(chǎn)食用植物油約1000萬噸，油菜籽油占一半以上。十三五期間，我國油菜高油育種躍居世界領(lǐng)先水平。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、中國工程院院士、第三世界科學(xué)院院士傅廷棟見證了我國油菜的發(fā)展歷程：40年來，油菜種植面積增長了3倍、畝產(chǎn)量增長了3倍、總產(chǎn)量增長了近10倍。油菜作為我國第一大油料作物，所產(chǎn)菜籽油占國產(chǎn)油料作物產(chǎn)油量的近50%。

傅廷棟專注雜交油菜育種60余年，帶領(lǐng)團(tuán)隊培育近60個油菜品種，被稱為“世界雜交油菜之父”。同時，他也是一名始終奮戰(zhàn)在扶貧一線的科學(xué)家，年過八旬，依然常年奔波在全國各地的油菜田里。不久前，傅廷棟榮獲“全國脫貧攻堅先進(jìn)個人”榮譽稱號。

20多年前，傅廷棟在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)一到七八月份收割完小麥，西北地區(qū)的土地就空著了，容易造成生態(tài)環(huán)境惡化，同時，農(nóng)牧地區(qū)飼料嚴(yán)重短缺。1999年，他開始在位于“三區(qū)三州”國家深度貧困地區(qū)的甘肅和政試驗麥后復(fù)種飼料（綠肥）油菜，研究推廣雙低雜交油菜品種。自此，秋閑種飼料油菜，逐漸成為西北、東北多地的選擇。這不但緩解了西北、東北秋冬青飼料不足的難題，而且增加了綠色覆蓋。

二十多年來，和政縣油菜種植面積從2.5萬畝擴大到16萬畝，畝產(chǎn)從100公斤增至200公斤，品種全部實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)化（低芥酸、低硫苷），雜交種全面普及。2019年11月，和政整縣脫貧摘帽，傅廷棟院士也被和政縣政府授予“榮譽市民”稱號。

近兩年，在傅廷棟院士的大力倡導(dǎo)和親自推動下，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)與甘肅和政在農(nóng)業(yè)技術(shù)攻關(guān)、科技成果推廣、特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域全面合作。2020年10月，雙方簽訂了在和政縣共建“華中農(nóng)業(yè)大學(xué)臨夏現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院”“西北寒旱農(nóng)業(yè)研究院”協(xié)議，合作內(nèi)容從油菜拓展到其他作物、食用菌、先進(jìn)農(nóng)業(yè)、寒旱農(nóng)業(yè)等諸多方面。

據(jù)傅廷棟介紹，隨著油菜領(lǐng)域的科技進(jìn)步，如今的油菜具有六大功效，除用于產(chǎn)油和飼料之外，還可以用來發(fā)展蔬菜、綠肥、采蜜、觀花旅游。傅廷棟團(tuán)隊里的科研人員已經(jīng)在從事油菜花色研究，油菜花將不再只是黃色，油菜田里將增添更多的色彩。

對于如何將油菜產(chǎn)業(yè)效益最大化，傅廷棟團(tuán)隊已在西北地區(qū)探索麥?zhǔn)蘸蠓N油菜十幾年，兩個月的秋季閑田種植，既改善了田地綠化，又讓農(nóng)民每畝增收4噸左右的青飼料，緩解了當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展中的飼料問題。這也成為油菜產(chǎn)業(yè)一個新的增長點。

傅廷棟提出，新疆有1億畝鹽堿地，土壤養(yǎng)分嚴(yán)重不足。對于重度鹽堿地，可種植飼料油菜，第一年油菜翻耕作綠肥，第二年就可作飼料。

在新疆北部，通過改良飼料油菜種植技術(shù)、推廣油菜新品種，農(nóng)民在鹽堿“花花田”上也能種出植物來；在新疆南部，飼料油菜技術(shù)簡單易上手，是農(nóng)牧結(jié)合的好項目。

傅廷棟預(yù)計，北方有2000萬—3000萬畝秋閑地、南方有4000萬—5000萬畝冬閑田，再發(fā)展1000萬畝飼料油菜是可能的，這相當(dāng)于3億到4億畝中等草原產(chǎn)草量，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>