“小麥—冰草”開辟小麥高產育種新途徑

5月底，河南新鄉的中國農業科學院作物科學研究所試驗基地里，小麥即將成熟，麥浪翻滾，一片金黃，這片地里種植的小麥品種中，中國農業科學院作物科學研究所研究員李立會團隊創制的90個“小麥—冰草”遠緣雜交創新種質，以每個種類0.5畝集中種植，場景蔚為壯觀。該種質被認為是開辟中國小麥高產育種途徑的重要基因資源，為小麥育種創新提供了優異種質資源，為實現種業科技自立自強、種源自主可控注入了創新力量。

5月24日，由中國農業科學院作物科學研究所、中國農業科學院中原研究中心聯合舉辦的“小麥—冰草”遠緣雜交新品系（種）田間展示暨有效利用研討會在新鄉召開，40余家科研院校、種業企業等育種單位代表現場觀摩了“小麥—冰草”遠緣雜交高產、穩產、強筋新品系（種）90個，其中包括2023年國審小麥新品種“普冰03”和9個正在參加國家區域試驗的新品系。

小麥—冰草“聯姻”為何如此受業界關注？“今年展示的‘小麥—冰草’遠緣雜交系列種質經升級換代表現出顯著的多樣性。這些新材料不僅保持了多花多實的特性，還擁有緊湊的株型和直立的葉片。值得一提的是，它們對當前的主要病害如莖基腐病和赤霉病表現出了卓越的抗病性，并且還兼具優質強筋的特點。”中國工程院院士、中國農科院作科所研究員劉旭評價說。

攻克遠緣雜交的世界難題

冰草屬植物是小麥的近緣野生種之一，生命力極其頑強，具有優秀的抗旱、抗寒、抗病性。它的穗和小麥有點像，但穗子很大，具有小穗數和小花數多的突出特性，此外還具有極強的抗寒、抗旱性，對多種小麥病害表現出高度免疫性，被認為是小麥改良的最佳外源優異基因供體之一。

要想讓小麥和冰草實現遠緣雜交，談何容易。“冰草和小麥外形看上去相似，實際上親緣關系很遠，雜交起來非常困難。”李立會說。

20世紀30年代開始，一些國家的學者希望解決這一難題，但直到20世紀80年代都未能成功。國際小麥研究界普遍認為：“小麥與冰草屬間遠緣雜交”是條死胡同。

1988年，碩士研究生入學前，當李立會向自己的導師、著名作物種質資源專家董玉琛提出這一選題時，董老師好意勸他放棄。“我想試一試，做不通再換題目。”李立會的執著說服了老師，隨后他帶領兩名助手在試驗田開始研究。

36年后，河南新鄉的試驗田里，數十種小麥和冰草雜交而成的小麥材料即將成熟，用這些材料育成的新品種，已經有15個，后備新品種也有39個。

“小麥—冰草”遠緣雜交有哪些挑戰？

“遠緣雜交有三大障礙，雜交不親和、雜種不育、后代‘瘋狂分離’，這幾個難題一直都解決不了。”中國農科院作物科學研究所研究員張錦鵬說，舉例來說，小麥通常5月下旬成熟，而冰草生長在高緯度地區，此時才剛開花，讓兩者雜交，首先要把花期調節到同一時期。其次，還需要解決“小麥—冰草”授粉受精中的生殖隔離問題。即便授粉成功，胚也不能正常發育，還需要開發一套幼胚拯救技術才能獲得雜種植株。

常規育種技術路線走不通，就另辟蹊徑，研究人員通過種質資源創新培育，終于突破了小麥與冰草的“生殖隔離”。在李立會的帶領下，中國農業科學院作物科學研究所小麥種質資源創新與利用團隊通過不懈努力，創建了一套小麥遠緣雜交新技術體系。通過幼齡授粉、幼胚拯救、幼穗體細胞培養、高頻率誘導異源易位、特異分子標記開發技術等一系列創新，攻克了“小麥—冰草”遠緣雜交難題，實現了小麥育種上利用冰草屬外源優異基因從“0”到“1”的重要突破。

團隊還完成了對野生供體種冰草的基因組測序和衍生后代的重測序，不斷推動創新種質的有效利用與新品種選育。利用“小麥—冰草”多粒漸滲系親本材料，選育出顯著增產的普冰資300、具有氮素養分高效利用的普冰資301、具有多生態區穩定表現的優質強筋新品系普冰資4696，這些品系正在參加國家小麥品種審定試驗。

創新種質的利用空間很大

“過去，改進小麥品種、提高產量主要依靠現有推廣品種之間的雜交來實現。然而，長期品種間雜交及對少數骨干親本的大量應用，造成遺傳變異范圍縮小，品種抗原日趨單一，小麥育種進入瓶頸期。”李立會說，“因此，通過遠緣雜交將冰草優異基因導入小麥，是一項意義重大的工作。在小麥野生近緣種中，冰草屬物種具有小麥育種的眾多優異目標性狀，通過遠緣雜交，引入當前栽培小麥缺乏的關鍵優異基因，不僅產量能提高，抗逆抗病害能力也會增強。”

小麥和冰草結合后，最直接的好處就是高產。李立會介紹，傳統育種中，畝穗數、穗粒數和千粒重是影響產量的三個要素，但這三者互為負相關，即一個要素的提高往往會造成其他兩個要素的下降，難以同時提高。而“小麥—冰草”創新種質解決了這個問題，具有多花多實的高產特性，比小麥主栽品種增產可以超過10%，解決了中國突破性高產小麥種質匱乏問題，特別是發現了“多粒—高千粒重—有效分蘗”優異基因簇，其穗粒數和千粒重顯著提高。

抗逆抗病害能力也大大增強。研究發現，“小麥—冰草”創新種質對白粉、條銹、葉銹菌等病害具有廣譜抗性，為培育持久抗性且兼具多種病害抗性新品種提供了強力支撐。截至目前，“小麥—冰草”衍生系發放全國育種單位，培育出攜帶冰草外源目標基因新品種21個、參加國家和省級區試新品系39個，覆蓋全國小麥主產區。其中，甘肅、陜西兩省審定的小麥新品種普冰151，已成為當地條銹病等病害流行和旱地麥區的主栽品種，實現了多抗育種新突破。

“未來將建立‘小麥—冰草’創新種質利用聯合體，大力提升利用效率，并加強創新種質中來自冰草P基因組高產、優質、多抗等重要基因的功能解析。”李立會說。

今年展示的“小麥—冰草”遠緣雜交系列種質材料還具有優質強筋的特點。

面條是否筋道，和小麥品質有關。中筋小麥主要用于面條、饅頭等傳統面食的制作，而弱筋小麥多用于釀酒等工業生產，強筋小麥則多用于制作面包、水餃、拉面等食品。過去，中國弱筋、強筋小麥生產不足，品種不佳。隨著農業科技的發展，如今，中國自己的弱筋、強筋品種，已經普遍趕上國際先進水平。

“從種質創新到有效利用，雖然時間通常比較長，但影響深遠。我們期待‘小麥—冰草’遠緣雜交研究將推動小麥育種取得新突破。”李立會說，“‘小麥—冰草’創新種質的利用空間很大，一些潛力有待深入挖掘。團隊從新鄉基地收獲材料中，篩選出強筋類型普冰新種質12個，這些新品系的蛋白質含量高，適合制作高檔面包，具有很高的市場價值。”

“這表明‘小麥—冰草’的利用上了一個新臺階。”中國工程院院士、中國農業大學校長孫其信說，從種質材料到新品種，從多花多實到多抗，這些品系（種）的潛力還是蠻大的，應該把這個優勢轉化為生產的優勢，造福小麥育種。

中國工程院院士、西北農林科技大學教授康振生最近一直在關注如何提高小麥品種的綜合抗病能力，“普冰的抗病性就是綜合性的。”康振生說，希望未來對普冰的品種利用上，通過挖掘不同的抗性資源，合理布局，形成生物屏障，對多種小麥病害產生持續的控制力。

此次研討會上，展示的“小麥—冰草”遠緣雜交新品系和新品種，大家稱之為“普冰”，它們與現在生產上推廣種植的小麥品種間遺傳差異大于60%。這些品系（種）有20—40個姊妹系，將盡可能滿足推廣區域的不同要求。來自企業的代表對“小麥—冰草”新品系的高產潛力、抗病性、抗倒伏、抗穗發芽逆境能力和強筋品質特性給予了高度評價，對下一步的合作開發和推廣表達強烈意愿。

“普冰系列我跟了3年，試種了兩年，特別是去年出現‘爛場雨’的情況下，我們看到了普冰300品種是非常耐穗發芽的，千粒重能達到42至43克。”河南科林種業有限公司董事長李松科說，“我注意到，普冰系列小麥的穗層比較厚，有三層穗，特別是最下面的小穗，我數了數都在15粒左右，而且它的成熟期跟上面大穗的成熟期很接近，這也就是說小穗也能產糧，由此可以提高產量，生產潛力很大。我們在基地今年種的是第二年，每年試種了一畝地，穗粒數還是很高的。所以從市場的角度看，我們覺得這個品種值得拓展。”

發揮育種國家隊牽頭作用

農業現代化，種子是基礎。今年是種業振興行動由“三年打基礎”轉向“五年見成效”的關鍵一年。黃淮麥區小麥生產功能區，是全國糧食生產的核心區。種業振興行動以來，加快培育具有原始創新性的突破性新種源，成為種業科技創新的重中之重。

中國的小麥育種，早在20世紀上半葉就已經開始，得益于一代又一代育種家們的不懈探索，逐步走到了世界前列。種子是農業的“芯片”，種業技術的進步，是農業發展的基礎，也是保障糧食安全的重要前提。

“目前中國小麥單產水平位居世界前列，在自主品種種源自給方面優勢明顯，但也面臨著產量提升進入瓶頸期、綠色多抗優質品種供給不足等問題。回顧種業科技創新發展歷程，每一次產量品質的大面積提升，都是得益于突破性新種質的產生，及其衍生出一大批突破性的重大新品種。”中國農業科學院副院長葉玉江說，比如李立會研究員帶領團隊，通過30多年的艱苦努力，在破解了小麥與冰草屬間遠緣雜交難題基礎上，圍繞突破性重大新品種培育需要，創制出一批育種家能用、好用、想用的多穗粒數、綠色抗病、優質強筋小麥新種質，進一步拓寬小麥育種的新基因源，增強了中國小麥種業的競爭力。

種子是農業的根本，種質資源則是種業的基石。位于北京的國家作物種質庫中，零下18攝氏度的低溫中，保存著5萬多份小麥種質資源。“這些被妥善保存的豐富基因，是中國作物育種和種業振興的希望。作物種質資源，在遺傳育種中起到很大的作用。中國的農業科學家，培育了許許多多新品種，都是利用作物種質資源來培育的。這些新品種培育以后，農民種植了新品種，使原有的單產提高了4到5倍，甚至8到9倍。”劉旭說。

在河南新鄉的中國農科院作物所的基地中，20多個研究組每年在這里進行著60多項科研任務，面向黃淮海及周邊地區，培育一個個新的品種，同時也為眾多科研單位提供育種的材料。

“這片1100畝左右的新鄉基地，自1993年開始建設，2003年正式入駐，是黃淮海小麥主產區唯一的綜合性實驗基地，在支撐研究所科技創新和推動成果轉化中發揮重要作用。基地育成了多個系列的糧食作物新品種。”張錦鵬介紹，其中，“矮敗小麥及其高效育種方法的創建與應用”獲國家科技進步一等獎，“小麥與冰草屬間遠緣雜交技術及其新種質創制”獲國家技術發明二等獎。中麥、航麥、輪選、普冰系列小麥，中單、中玉系列玉米，中黃系列大豆等386個品種通過國家和省級審定，累計推廣面積4億余畝。

“作科所發揮了育種國家隊的牽頭作用。”中國農業科學院作物科學研究所所長周文彬說，作科所以小麥、玉米、大豆、水稻和雜糧等作物為重點，瞄準世界作物科技前沿，面向國家現代農業發展需求，以資源研究為基礎，基因挖掘為核心，品種培育為目標，耕作栽培為保障，開展作物科學基礎與應用研究，為國家糧食安全和農業高質量發展提供科技支撐。

“在種質資源鑒定和推進轉化應用方面仍需持續發力，要加強科企合作，解決新種質到新品種‘最后一公里’問題，持續加快創新種質的釋放利用和成果轉化，為小麥穩產保供做貢獻。”周文彬說。

農業農村部種業管理司司長劉莉華認為，在如期完成了第三次全國農作物種質資源普查基礎上，種質資源保護利用要通過在資源精準鑒定上加力加速、在資源挖掘創制上改良突破、在資源共享利用上創新機制，把資源優勢轉變為創新優勢、產業優勢，讓資源用得上、用得好，真正發揮作用。