麥田里的守望者
——劉秉華

本刊記者/王圣媛 吳浪

麥田里的守望者
——劉秉華

本刊記者/王圣媛 吳浪

糧食問題始終是關系我國國民經濟發展和全面建設小康社會的重大戰略性問題。確保糧食安全是我國農業可持續發展永恒的主題，是我國農業科技工作的重大基礎性戰略任務。糧食安全必須通過擴大自主生產能力的途徑來保證。小麥作為我國第二大糧食作物，其生產能力的高低直接關系到我國糧食安全和國民經濟的發展。在耕地銳減的嚴峻形勢下，培育有突破性的小麥新品種來大幅度提高小麥單產，以提高單產來穩定和提高小麥總產是我國小麥生產面臨的迫切任務，而向依靠科技進行育種技術的創新是培育小麥超高產優良品種的關鍵。

中國農業科學院作物科學研究所研究員、博士生導師劉秉華，利用遺傳育種技術，歷經數年成功研制矮敗小麥及其高效育種技術新體系，樹立了小麥遺傳育種史上重要的里程碑，使我國小麥育種技術研究實現了革命性突破。這位“麥田守望者”在中國農業科學院原院長翟虎渠等領導的支持下，帶領團隊推出的“矮敗小麥及其高效育種方法的創建與應用”榮獲2010年度國家科學技術進步獎一等獎。這項擁有自主知識產權、國際領先的創新成果曾被“綠色革命之父”、諾貝爾獎獲得者布勞格博士譽為“小麥育種的革命”。

發現小麥基因定位新方法

矮敗小麥是指具有矮稈基因標記的太谷核不育小麥。為我國特有的遺傳資源，其創制者就是劉秉華。

1979年，從河南鄢陵農村走出來的劉秉華考取了中國農科院作物所作物遺傳育種專業的研究生，師從國內外知名育種科學家、法國農業科學院外籍院士鄧景揚研究員。

當時，我國已經發現了后來被稱之為“國寶”的“太谷核不育小麥”。這種特殊小麥的雌蕊柱頭發達，雄花完全退化、敗育，開花時穎殼張開角度大，柱頭外露，便于接受外來花粉，異交結實率很高。雄性不育品種是進行作物群體改良和大規模生產雜交種的工具，是遺傳育種工作者重要的研究對象。鄧景揚等通過遺傳分析，明確了太谷核不育小麥的不育性受一個顯性單基因所控制，這是個我國科研人員在世界上首次發現的小麥顯性雄性不育天然突變體。但由于太谷核不育小麥基因性質特殊，不能用常規方法進行基因定位，癡迷遺傳學的劉秉華決定以此作為自己的研究生論文題目。

有了明確的定位和目標，劉秉華就鉚足了勁開始干起來。他運用自身已有知識，查閱大量資料，仔細思考研究，終于想到了用顯微鏡觀察染色體，根據外部表現和染色體的行為進行綜合分析定位的方法。經過溫室和異地加代的回交種植以及對數千株太谷核不育小麥的細胞學檢測和遺傳分析，劉秉華創立了小麥顯性核不育基因定位新方法，即以四倍體(AABB)硬粒小麥和二倍體(AA)一粒小麥為輪回父本，與太谷核不育小麥(AABBDD)雜交并連續回交，根據回交后代育性分離比率變化，確定太谷核不育基因Ms2所在的染色體組；又經過端體分析，成功定位太谷核不育基因。

他的這項研究成果，立即在國內通過最高學術權威的鑒定；還被國際基因組織認可并登記，刊登于國際權威的植物育種刊物，同時作為大學教材給學生講授。

創造矮敗小麥

雖然成功定位了太谷核不育基因，但是劉秉華的研究之路還很遙遠，因為很多研究人員用太谷核不育小麥和矮稈作物資源雜交，培育帶有矮稈不育基因的小麥都沒有成功，他希望能給太谷核不育小麥做“不育基因標記”，使其真正成為作物群體改良和大規模生產雜交種的便利工具。

他推斷，只要加大種植規模，小麥有關基因就能交換到一起，就可能得到不育的矮稈類型。于是，為打破高稈與雄性敗育的緊密連鎖，獲得矮稈與雄性敗育的重組類型，劉秉華將測交后代群體由第一輪的321株，先后擴大到3248株和5216株。經歷一次次的失敗后，劉秉華絲毫沒有灰心。終于，經過大量細致的表型鑒定和細胞學研究，他從累計8785株群體中發現1株顯性不育基因Ms2與顯性矮稈基因Rht10緊密連鎖在一起的重組體，表現為既矮稈又雄性不育的植株。其后代群體中分離出了矮稈不育株和非矮稈可育株。該矮稈不育株授以非矮稈品種的花粉，其后代的矮稈株表現雄性不育，非矮稈株表現正常可育，二者的分離比為1:1。由于矮稈株總是表現雄性敗育，因此這種具有矮稈基因標記的太谷核不育小麥被命名為“矮敗小麥”。

矮敗小麥具有以下特點：不育基因與矮稈基因緊密連鎖；易于鑒別不育與可育；利于提高異交結實率；避免輪選群體植株逐輪升高；集異花授粉與自花授粉的特性于一體；是一種高效的育種工具。

輪回選擇技術助育種

研究小麥育種的人都知道，小麥輪回選擇育種技術能創造豐富的遺傳變異，實現包括主效基因和數目眾多的微效基因的持續優化與重組；能打破不良基因的連鎖，通過基因重組獲得最佳的基因型組合。再加之小麥輪回選擇群體大，變異類型多，提供了充分的選擇機會，為選育突破性新品種打下了堅實的遺傳基礎，因而容易選育出復合育種目標的新品種。但其關鍵是必須有便于開展小麥輪回選擇的工具。矮敗小麥繼承了太谷核不育小麥雄性敗育徹底、不育性穩定，異交結實率高的優點，同時減少了鑒定育性的大量勞動，避免輪選群體株高漸升的弊端，是理想的輪回選擇工具。

作為矮敗小麥的創制者，劉秉華研究員帶領的課題組經過10多年的反復實踐與探索，將20份不同遺傳背景的矮敗小麥，按照一定比例，組成遺傳基礎豐富的輪回選擇基礎群體，并研究出一套方便實用且相對量化的輪回選擇技術。該技術核心內容是通過輪選群體花粉源選擇與控制，以及矮稈不育株分期多次選擇，不斷優化父本與母本；通過父本(輪選群體內非矮稈可育株、優異種質、選種圃優良植株等)與母本(矮稈不育株)雜交，實現基因的大規模交流與重組。收獲矮稈不育株上得到優化的雜交種，組成新一輪群體。循環往復，不斷優化群體遺傳結構和個體基因型，持續進行優異種質創制和新品種選育。每輪群體都是由上一輪群體的矮稈不育株異交種子混合而成，其遺傳構成的一半來自矮稈不育株(母本)，另一半來自給矮稈不育株授粉的父本。因此，保證矮稈不育株(母本)和花粉供體(父本)的遺傳質量，是輪回選擇成敗的關鍵。同時，他還利用矮敗小麥和輪選技術，首先建成高產、優質、多抗等類型的動態基因庫，不斷選育有關性狀突出的優異種質。

傳統的雜交育種，靠人工去雄授粉配制雜交組合，費工費時，效率較低。將優異種質和各生態區大面積推廣品種轉育成矮敗小麥，進行單交、復交、階梯雜交等，采用矮敗小麥輪回育種技術選育出的品種能將高產、優質和多抗協調地融為一體，顯示出矮敗小麥育種技術的高效性。

劉秉華及其課題組通過輪回選擇和試驗，打破不利遺傳連鎖，協調基因互作關系，聚合有益基因，有效解決高產與多抗、高產與廣適、矮稈與高產、優質與高產等諸多矛盾，育成一批突破性小麥新品種。如利用矮敗小麥高效育種方法育成輪選系列、川麥系列等超高產新品種；通過冬春雜交，構建矮敗小麥輪選群體，育成淮麥系列等高產、穩產、廣適新品種；利用20份優異種質構建優質抗病矮敗小麥輪選群體，經過連續幾輪“選擇——互交”，使群體得到改良，從中選育出優質弱筋新品種豫麥50；利用矮敗小麥輪選技術育成中旱110等抗旱節水品種等。

劉秉華教授給意大利記者講解矮敗小麥

劉秉華教授觀察矮敗小麥育成的新品種

矮敗小麥育種技術在小麥育種上的廣泛應用，將對小麥育種學科發展產生具有歷史意義的深遠影響。“這是國家頒給廣大農業科技戰線所有工作者的榮譽，體現了黨對‘三農’工作的重視與關愛。也說明農業的進步必須依靠科技進步來支撐。雖然我為這個項目付出了多年的心血，值得！”獲得2010年度國家科學技術進步一等獎時，劉秉華研究員的一番獲獎感言表達了他對農業科技工作的無限熱忱！