提升經濟作物育種技術 助力農業提質增效

江小原

經濟作物是我國農業增效、農民增收的主要來源，提高經濟作物育種技術和創新能力，關系著我國農業相關產業發展的質量、速度和效益。近年來，我國在大豆、長絨棉、油菜等經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濟作物的育種領域實現突破。

關鍵詞：經濟作物；大豆育種；長絨陸地棉；雜交油菜

大豆、棉花、油菜、蔬菜等主要經濟作物是我國農業增效農民增收的主要來源，是社會經濟的重要組成和命脈，與人們的生活和健康息息相關，也為工業提供了天然原料。尤其是蔬菜、油料、棉花的持續供應和長足發展，關乎國際貿易、經濟發展、社會穩定，也是當代人們健康的重要保障。據農業農村部扶貧辦調度數據，2019年，832個貧困縣蔬菜種植面積為2668.9萬畝，總產量為16349萬噸，實現銷售額1062.9億元，帶動貧困人口258.7萬人。據中國農科院數據，2020年，經濟與園藝作物種植面積約6.6億畝，總產值4.09萬億元，占種植業總產值的79.9%。

顯而易見，經濟作物品種的發展水平直接關系到我國農業相關產業發展的質量、速度和效益，提升經濟作物育種技術水平和創新能力的重要性不言而喻。

大豆逆勢增產背后的育種支撐

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。“十三五”期間，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132.4公斤，比2016年提高11%。中國工程院院士、中國農業科學院副院長萬建民表示，在主產區立地條件欠佳的不利形勢下，大豆畝產水平的提高，得益于育種科技的進步。

我國大豆種植主要分布于黑龍江、安徽、內蒙古、吉林、河南等省份，近年來國內大豆平均畝產有一定提高，但仍處于較低水平，大豆種植綜合收益不佳。“十三五”期間，大豆新品種的培育從以產量為核心向優質專用、抗病抗逆、資源高效、管理輕簡化的多元化方向發展，以滿足不同大豆生態區對品種的個性化需求。

隨著種植結構調整及“大豆振興計劃”的實施，近年來我國大豆實現穩定增產。北京大北農生物技術公司南美業務負責人于彩虹表示，面對大豆消費需求的不斷增長，我國大豆總產量還需提高。我國生物育種技術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，國內相當一部分大豆生產用地屬于營養水分失衡的非優耕地，干旱、澇害、土壤鹽堿化等非生物脅迫因素嚴重制約了優良大豆品種的產量潛力發揮。傳統大豆育種方法主要依賴于表型選擇，效率較低，而生物育種技術能夠顯著提升大豆性狀改良與品種創新效率，有助于高效培育具備綜合抗逆性的環境友好型品種。因此，大豆生物育種策略的關鍵是，挖掘大豆育種關鍵基因，改良和創制優異的育種基礎材料，構建分子育種平臺，發展智能設計育種。

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通常影響著成熟期的長短，從而影響產量。具體表現為同一品種在高緯度地區光照時間長、開花晚、成熟晚、產量高；而在低緯度地區光照時間短，則開花期提前，成熟較早，產量低。歷史上大豆馴化與選育主要在中高緯度地區完成，而低緯度地區則長期被認為不適于大豆的種植及生產。大豆長童期性狀在20世紀70年代被發現，并成功應用于低緯度地區大豆育種。20世紀90年代，研究發現J是控制大豆長童期性狀的關鍵位點，然而其編碼基因和分子調控機制一直未明確。

2016年，華南農業大學年海課題組和中國農業科學院作物科學研究所韓天富課題組在《分子植物》上發表論文，闡述了研究者們尋找了半個多世紀的大豆長童期基因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律；2017年和2020年，廣州大學教授孔凡江、劉寶輝團隊及其合作者團隊先后在《自然？遺傳學》雜志上發表兩篇論文，報道了大豆長童期關鍵基因J的克隆及進化機制研究成果，揭示了大豆光周期調控開花的分子調控網絡，系統闡釋了大豆中高緯度適應的多基因進化機制。

長童期基因J可以作為改良大豆短日照高溫適應能力的分子靶點。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量。研究發現，長童期基因J促進了光周期開花，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，在育種中導入相關位點有助大豆品種在我國南方低緯度地區大面積推廣和種植，縮小大豆種植的地區差距。

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

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

2020年，中國科學院田志喜、梁承志、韓斌等研究者通過全基因組重測序對全球2898份具有遺傳多樣性的大豆種質材料進行分析和鑒定，進而構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材料具有重要的育種和生產價值，其中“滿倉金”“十勝長葉”等種質材料作為骨干核心親本已各自培育出“黑河43”“齊黃34”等上百個優良新品種，這些品種被各個大豆主產區大面積推廣種植。

據于彩虹介紹，分子標記輔助選擇、全基因組選擇等是分子育種的代表性技術，其旨在對大豆內源基因進行聚合或修飾，賦予大豆新的性狀，而這些育種技術的應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自然群體遺傳變異的發布為大豆育種技術研究提供了重要的資源和平臺，也為推進大豆分子設計育種、提升大豆產量奠定了基礎。

此外，“十三五”期間，國內科研院所還通過全基因組關聯分析、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量、品質、抗逆性、生育期等重要性狀相關的關鍵基因，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、免耕覆秸等技術模式的不斷成熟，良種良法結合，刷新了小面積高產紀錄，創造了大面積高產典型。萬建民介紹說，比如，“中黃37”蛋白質含量高、籽粒大，成為黃淮海地區主栽品種之一；“中黃30”抗旱耐陰，成為西北地區主栽品種；“中黃901”早熟高產，抗大豆灰斑病，適宜東北北部種植；“中黃39”適宜種植區域從北緯20度到40度，是我國種植區域緯度跨度最大的大豆品種。

長絨陸地棉的逆襲

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

我國棉花產業鏈涉及棉花加工、流通、紡織、印染、服裝、出口等多個行業。而追溯到這些行業的源頭，都離不開一粒小小的棉種。棉種質量的好壞直接影響和決定著春播能否實現一播全苗。

作為世界上栽培棉種中最為廣泛的兩類栽培棉種，陸地棉產量高、適應性廣，占世界棉花總產量90%以上；海島棉產量低，但纖維具有長、強、細的特性，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。

由于海島棉產出的棉纖維細長、堅韌，又被稱為長絨棉，是業界公認的“棉中極品”。“但長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。”湖南省棉花科學研究所副研究員陳浩東介紹說，由于對種植環境要求更高，我國海島棉僅在新疆南疆零星種植，因適應性普遍較差，難以大面積推廣應用。

長絨棉由于日照時間長，因而成熟度高，棉絨長，手感好，品質遠優于普通棉，相對一般陸地棉纖維而言，商業價值也更高。雖然我國棉花產量位居世界前列，但我國棉花生產也面臨瓶頸，棉類型單一、纖維品質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代化紡紗技術的高速發展，國內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，我國用于生產長絨棉的海島棉年產量僅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質棉產業的健康可持續發展。

陳浩東說，業界普遍認為，只有海島棉才能產出長絨棉。一直以來，他們都想解析陸地棉和海島棉在產量、適應性和品質等方面差異的原因，并試圖將二者優勢結合起來，選育產量高、適應性廣、纖維品質達到長絨棉標準的陸地棉新品種。陸地棉和海島棉最顯著的區別之一，就是纖維長度。35毫米是個坎兒，大多數陸地棉品種很難達到這個標準。另外，纖維越細長，對韌性越是考驗。強度上不去，也很難應用于生產。在育種過程中，棉絲變細強度往往會降低，在紡織過程中容易拉斷，只有同時具備長、細、強這三點，才可以紡織出高質量紗線，達到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現，有時候品質提升了，產量又下去了。育種過程中，此消彼長的矛盾如何調和？“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”。

功夫不負有心人。通過構建超大分離群體，多次回交、混交及自交，陳浩東團隊克服了遠緣雜交瘋狂分離的難題，并經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量性狀和品質性狀的遺傳負相關，實現了高產、優質、抗病的綜合優勢，單鈴重達到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。

棉花品種質量好壞，直接影響農戶種植效益。據陳浩東介紹，紡織企業來地頭收棉花時，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。當纖維長度達到35毫米以上，回收價會直接跳升一個檔，達到一噸增加8000元左右，價格可增長近二分之一。

目前，“湘C176”已在長江、黃河流域進行過示范種植，長勢良好。不光適應性廣，“湘C176”的衣分更是達到了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：一畝地一般品種產量在五六百斤，畝收益通常在1500—1800元左右。“湘C176”常規種產量與雜交種產量相當，增值效應將主要來自于衣分和品質，憑借品種優勢，“湘C176”至少能讓農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量低、種植區域極小的海島棉品種生產的紡高支紗原棉，今后也可通過產量高、適應性廣的陸地棉進行生產，陸地棉終于成功逆襲。

2020年，湖南棉花科學研究所與新疆國欣種業有限公司、湖南安鄉縣農業局經作站合作，在新疆、安鄉等地建立了5個“湘C176生產示范基地”進行示范推廣，受到了農戶、加工廠和企業的廣泛認可。

據介紹，明年“湘C176”將進行商業化開發，以訂單生產模式進行推廣種植，該品種的推廣應用將進一步滿足我國紡織產業對長絨棉的供應需求，有望改變我國紡高支紗優質原棉主要靠國外進口的局面，助力我國紡織產業提質升級。

雜交油菜助農增收

油菜是我國重要的油料作物，我國每年生產食用植物油約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先水平。華中農業大學教授、中國工程院院士、第三世界科學院院士傅廷棟見證了我國油菜的發展歷程：40年來，油菜種植面積增長了3倍、畝產量增長了3倍、總產量增長了近10倍。油菜作為我國第一大油料作物，所產菜籽油占國產油料作物產油量的近50%。

傅廷棟專注雜交油菜育種60余年，帶領團隊培育近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在扶貧一線的科學家，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“全國脫貧攻堅先進個人”榮譽稱號。

20多年前，傅廷棟在調研中發現一到七八月份收割完小麥，西北地區的土地就空著了，容易造成生態環境惡化，同時，農牧地區飼料嚴重短缺。1999年，他開始在位于“三區三州”國家深度貧困地區的甘肅和政試驗麥后復種飼料（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，畝產從100公斤增至200公斤，品種全部實現優質化（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和親自推動下，華中農業大學與甘肅和政在農業技術攻關、科技成果推廣、特色產業發展等領域全面合作。2020年10月，雙方簽訂了在和政縣共建“華中農業大學臨夏現代農業研究院”“西北寒旱農業研究院”協議，合作內容從油菜拓展到其他作物、食用菌、先進農業、寒旱農業等諸多方面。

據傅廷棟介紹，隨著油菜領域的科技進步，如今的油菜具有六大功效，除用于產油和飼料之外，還可以用來發展蔬菜、綠肥、采蜜、觀花旅游。傅廷棟團隊里的科研人員已經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。

對于如何將油菜產業效益最大化，傅廷棟團隊已在西北地區探索麥收后種油菜十幾年，兩個月的秋季閑田種植，既改善了田地綠化，又讓農民每畝增收4噸左右的青飼料，緩解了當地畜牧業發展中的飼料問題。這也成為油菜產業一個新的增長點。

傅廷棟提出，新疆有1億畝鹽堿地，土壤養分嚴重不足。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、推廣油菜新品種，農民在鹽堿“花花田”上也能種出植物來；在新疆南部，飼料油菜技術簡單易上手，是農牧結合的好項目。

傅廷棟預計，北方有2000萬—3000萬畝秋閑地、南方有4000萬—5000萬畝冬閑田，再發展1000萬畝飼料油菜是可能的，這相當于3億到4億畝中等草原產草量，發展潛力巨大。