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浅谈小麦育种方法的常规常新

 洋溢九洲 2022-02-20

一麦众承十组“麦陇和风”(2022年2月10日)

各位老师,大家好!

我是山东农业大学农学院赵岩,代表“一麦众承”十组(麦陇和风)值日,我们组长泰安市农科院小麦所钱兆国所长,组员还有新疆农业科学院粮食作物研究所曾潮武老师,鹤壁市农科院王怀平老师,河南科技学院王玉玲老师和中国农科院张勇老师。按组长安排,和各位领导、专家、票友交流小麦育种方法体会。

先自报家门,山东农大前身是1906年(清光绪年间)创办于济南的山东高等农业学堂,历经多次迁徙(济南-青岛-四川-青岛-济南)调整,1958年由济南迁泰安,以李晴祺先生为代表的一代代小麦育种工作者耕耘在泰山南麓这片曾诞生“大汶口文化”的沃土,选育出著名种质“矮孟牛”、鲁麦系列、山农系列等小麦品种。育种是讲究传承的,从李睛祺先生创制“矮孟牛”,到我们李斯深老师选育山农29、山农30两破全国纪录,我们团队一直致力于高产育种。李晴祺先生常讲一句话,“常规育种要常规常新”。我斗胆以此为题,在大咖云集的一麦众承群里姑且立个供大家来批评的靶子,好有的放矢吧。

一、杂交育种是小麦育种的“航空母舰”(常规);分子育种、快速育种技术是“航母”的弹射系统(常新)

在育种的1.0-4.0版(也有说是5.0)中,杂交育种处于2.0版,版本虽低目前却是最经典、最常用、最有效的育种方法(没有之一),仍是小麦育种的主力军,如比之为航母,其他技术则以此为骨架,是航母的升级系统,从属于航母。

杂交育种如何常规常新?

杂交育种是一条龙,龙首是配(配组合),龙身是选(选杂交后代),龙尾是比(品系比较),而龙若无目则漫天飞舞,龙目就是育种目标----金善宝院士《中国小麦学》。

1. 龙首----配(配组合)

配组考验一个育种人的功底。有两个方向:精配VS海配。(所谓拉郎配是育种人的自嘲之辞。)精配是以信息的充分占有和对材料秉性了如指掌为前提的。我校的赵檀方老师,每年以几个亲本为中心亲本,辅以重点亲本,配几十个组合,但选育出了山农14、15、8355、27(山东旱地CK)、28(2021全国面积第4)、31、32等大批品种。海配(海量配,每年几百上千)这个概念是学习了国外玉米育种海量配组之后借用的一个概念,量配,高淘汰。我们团队每年配几百,有的年份也超千,低代F1至F3高淘汰,早把精力放在重点组合。

分子育种和快速育种技术,给杂交育种添加了两个隐形的翅膀!基因是看不到的,特别是数量性状基因,分子育种可以发挥作用。举矮秆基因为例,中国分布最广泛的矮秆基因有4个,分别为4BS上的Rht1(Rht-B1b)、4DS上的Rht2(Rht-D1b)、2DS上的Rht8以及6AL上的Rht24。Rht1在陕西小麦材料分布频率最高(76.19%);Rht2在河南分布频率最高(84.21%),其次为山东(73.08%)。Rht8为河北(81.82%)、河南(77.19%)、陕西(66.67%)、山东(34.62%)(徐晴,2021)。这些信息文献可查,如何中虎老师团队的文章附件就很详细。山东品种利用Rht2多,Rht1和Rht8少,而河南(Rht8)、河北(Rht1、8)、陕西(Rht1、8)可以互补。再如钱所在群里的文章,泰安院用南片品种组配,经验极佳,收获极大。其他性状也是如此,育种家看到的性状的互补与遗传,实质是基因以模块化的组配和遗传。组配的主要方式还是单交为主,辅以有限回交和三交、双交,是常规;组配依据由性状向组学和基因(含主效QTL)发展,就是组配上的常新。

快速育种的优势和方法群里已讨论几次,不做赘述。有两点:快速育种的材料必须有田间表型筛选,离不开常规鉴定和育种家的经验;快速育种的原理是光周期理论,常规加代是刀背,分子技术也可以做刀刃(此处引述欧老师刀背刀刃比喻),如春性耐低温材料的分子机理一旦破解会极大促进快速育种的进程。这也是常规常新。

2. 龙身--选(选杂交后代)

杂种后代选的基本方法不外乎系谱和混合,其他方法都是此二种之糅合;只要能选出品种,都不失为好方法。重点组合:优异基因和优异基因型频率都高,容易选出东西;中等组合:不必轻易放弃,精挑细选仍有一定几率,这方面烟台所文章有详细分析,受益匪浅。中之下组合:几率太小,尽早淘汰。我们团队利用“组合-穗行”选择法,低代(F1-F3)以组合为选择单位,高代(F4-F6)以穗行为选择单位,不做单株选择,注重群体,其理论支撑是数量遗传学的原理;用此方法选育出了山农25、29、30、41、42、43等品种及一批参试品系。此法已经得到省内外不少育种单位的认可和利用。

MAS在有些性状的选择上成功例子很多。如在抗病、优质标记辅助选择上,中国农大有很好的文章和实例可以学习。(拜读宿老师文章,收获很大,推荐重点阅读学习)

所以,经典选择法是常规;而MAS等隶属于选择,没有增加变异,但提高选择效率,是为选择的常新。

3. 龙尾--比(品系比较)

品系比较讲求的科学性、代表性和可重演;多点试验以空间换时间效率高。欧老师所讲矮秆夹在高杆中受限的观点,深受启发。把麦(把脉)是技术,是生产力,既然选择是经验和艺术,可否建立“人工智能 专家远程系统”,这样大专家在最紧要的小麦落黄期,可以“一日阅尽长安花”。一旦实现,大咖就可以在家里喝着茶把麦(把脉)了。常规把麦结合AI技术,是品比的常规常新。

4. 育种目标这点仅引赵洪璋院士生态理念,育种目标需符合所选育品种推广地域的生态条件,甚至饮食文化、生活习惯等等。极端气候给育种提出了新的目标,如21年收获季多雨需要早熟品种,播种季涝灾需要耐晚播品种等。

二、几点思考

小麦虽小,粒粒皆是人间烟火。一麦众承,开放的体系更能启发智慧,让每一个成熟或不成熟的想法得以表达,照亮漫漫育种路,其本身机制就是生命力所在。前面看了大家文章,学习了讨论,仍有许多疑问,抛出来共享。

?-1. 组合就是生产力

配组合既然重要,可否建立专家系统?好的组合本身就有价值。

?-2. 自律的品种就是好品种

赵振东院士讲全生育期选育,摸清每个时期的节律。栽培工作是给作物挂N多小闹钟,通过浇水、施肥让其拔节、灌浆、防病等;育种就是不用或少用闹钟,找出自律的类型做品种。举例来说,春暖花开,有的品种耐不住寂寞早早拔节了,倒春寒一来冻坏了;而百农207、济麦22和泰农18类型则保持自律,蓄势待发,生育节奏妙不可言,减少了提醒闹钟。

?-3. 育种符合美学(西施需要发现她的慧眼)---以节间为例

高产育种的策略之一就是理想株型育种。魏燮中、吴兆苏(1983)在《小麦植株高度的结构分析》中指出,现代小麦品种的株高构成指数(I)趋近于黄金分割(0.618),遗传力较高,品种间存在着极显著差异,该值的提高可通过杂交选择来实现(陈薇薇;刘兆晔,2000)。对现代高产品种株高构成指数分析,非常接近黄金分割值,如矮抗58自上而下(0.6203, 0.5817, 0.6395, 0.5414),济麦22(0.5825, 0.5603, 0.6368, 0.6063)(田伟,2011)。

?-4. 育种理论的突破口是特殊资源的出现

野败的发现实现了水稻三系配套;矮孟牛成功经验之一就是利用好了牛朱特;小叶型材料粒叶比高,经济系数高,高光效,小叶型品系莱州137在1999年就创造了773.8公斤的纪录,虽未审定,但北片利用广泛。再如常讲的麦无二旺,是否有贰旺甚至一旺到底的材料?可以讨论,因为打破常规是育种的常态。

没有常规,常新从何而来?没有常新,常规动力何在?是以“常规常新”。

各位同仁,以上一管之见,敬请斧正、拍砖。祝新年快乐,虎年虎虎生威!!

部分参考文献(内部交流,引文不到位之处请原作者谅解)

陈薇薇,祁适雨.小麦品种株高构成指数的分析[J].黑龙江农业科学,1986(01):34-38.

李均先,李希鹏,王晓彦,吕秀敏. 冬小麦小叶型与经济系数及超高产的关系, 山东农业科学,2005,2:15-16

刘兆晔,于经川,牟春生,刘维正,王江春,陈永娜.小麦株高构成指数的研究[J].莱阳农学院学报,2000(02): 120-123.

田伟.10个超高产小麦品种株型结构分析[J].河南农业科学,2011,40(08):67-71.

魏燮中,吴兆苏.小麦植株高度的结构分析[J].南京农业大学学报,1983(01):14-21.

徐晴,许甫超,秦丹丹,彭严春,朱展望,董静.矮秆基因在中国不同麦区小麦品种中的分布及其对赤霉病抗性的影响[J/OL].麦类作物学报.https://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20211227.2110.004.html

附:团队品种介绍及作者简介

山东农业大学作物生物学国家重点实验室“小麦育种和分子遗传团队”,负责人李斯深教授,研究方向为小麦育种、种质资源、基因功能分析。团队前期选育了山农17、泰农18、山农21、山农25、山农29、山农30等,其中山农17、泰农18已成为骨干亲本,近2年其血缘在黄淮北片和山东省区试约占1/5)。

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