雜交小麥育種與產業化

江亭

小麥是我國最重要的口糧之一，小麥產業發展直接關系到國家糧食安全和社會穩定。在我國三大主糧中，雜交水稻和雜交玉米都成功實現產業化，而小麥雜交育種受基因組復雜性所限，難度大、成本高，研究進展相對緩慢。近幾年，我國科學家對小麥雜交育種的研究取得了突破性進展，實現了小麥雜種優勢利用研究由“跟跑者”向“引領者”的全面躍升，隨著雜交小麥技術的推廣，未來10年將是我國雜交小麥產業推進、實現跨越式發展的重要機遇期。

關鍵詞：雜交小麥;雜交育種;小麥產業化

我國是世界上最大的小麥生產國和消費國，小麥產量常年穩定在1.25億—1.35億噸，年度之間面積波動不大，主產區主要集中在黃淮海地區。國家統計局數據顯示，2020年國內小麥總產量1.34億噸，同比增加65.5萬噸，處于歷史較高水平。小麥國家工程實驗室主任、國家小麥良種重大科研聯合攻關專家委員會首席專家許為鋼表示，按行政區劃來看，河南省是全國乃至全世界最大的小麥主產區，小麥的平均單產達441公斤以上，高于全國水平，與世界最高單產的法國、荷蘭、意大利等歐洲國家處于同一方陣，這樣的成果與育種技術的提升密不可分。

20多年來，我國小麥育種在產量、品質、抗病等方面實現了全面提升，尤其是在高產、優質、節水等特性和外源基因導入、育種平臺建設方面取得了重大進步。在雜交育種方面，過去5年，中國科學家不斷攻克雜交小麥的技術壁壘，北京市農林科學院雜交小麥研發團隊率先打通了以原創二系法為核心的雜交小麥全產業鏈，加速推進雜交小麥產業高質量發展，引領了世界雜交小麥研究與應用的發展方向。北京市農林科學院研究員，北京雜交小麥工程技術研究中心主任、首席專家趙昌平表示，經過幾十年自主創新和不懈拼搏，中國科學家已經占據了全球小麥雜種優勢研發高地，牢牢把住了中國小麥高端種業主動權。

小麥雜交育種面臨的阻礙和技術突破

利用農作物的雜種優勢提高產量、品質和抗逆性，是現代農業核心科技之一。所謂雜交種，即通過雜交兩個親本得到的后代種子。雜交種充分利用了雜種優勢效應，可以提高生長勢，增強病蟲害抗性和提高產量。我國雜交水稻的成功種植讓國人擺脫饑餓困境，對解決世界糧食安全問題也有著重要意義，玉米的雜交育種技術研發也非常成功。目前，雜交玉米、雜交水稻相繼成功實現產業化。但是，同為世界三大糧食作物之一的小麥，受基因組復雜性所限，曾一度在雜交育種上停滯不前。雜種優勢利用是今后大幅度提高小麥生產水平的重要途徑，亦是世界百年科學難題，在2016年第七屆世界作物科學大會上被國際同行稱為作物科學領域的“最后的前沿”。

據預測，如果雜交小麥推廣應用達到雜交水稻同等水平，我國每年可新增小麥產量約1200萬噸（按照中國小麥年總產量1.2億噸，10%增產來估算），將對保障國家糧食安全具有重大意義。

現有雜交小麥制種流程有個很大的瓶頸，就是制種成本很高，成為影響雜交小麥推廣的主要障礙之一。先正達集團北京創新中心科學家呂建表示，粗略統計，生產一畝雜交小麥品種的成本，是一畝雜交玉米或雜交水稻成本的10倍左右。雜交小麥的研發和推廣之路受限于昂貴的育種成本，其實根源在于小麥與水稻、玉米不同的物種特性。

據中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室副主任王克劍解釋，雜交品種是父本和母本優勢結合的產物。小麥和水稻一樣，都屬于雌雄同花，嚴格自交授粉作物。而要培育出雜交品種，就不能讓這些母本自生自育，因此需要找到雄性不育系材料，讓植株只具備母本特征，再與父本結合。雜交水稻和雜交玉米都可以選育出成本可控的雄性不育系，但雜交小麥卻沒那么容易。

趙昌平表示，在二倍體作物中，只要兩組染色體上的基因保持協同和一致，性狀改良就可以起作用。但小麥是六倍體，要六組染色體上的相關基因都保持協調和一致，難度明顯加大，性狀改良的代謝網絡更加復雜。也正是因為這個原因，對于小麥而言，想要創造一個起作用且能穩定遺傳的雄性不育與恢復系統，實現雜種優勢利用，需要的周期更長，難度也更高。北京市農林科學院雜交小麥中心副研究員張勝全表示，尋找雄性不育遺傳資源是實現小麥雜種優勢利用的重要途徑。

2013年，由中國農業科學院作物科學研究所與深圳華大基因研究院等單位合作，在國際上率先完成了小麥D基因組供體種——粗山羊草基因組草圖的繪制。結束了小麥沒有組裝基因組序列的歷史，標志著我國的小麥基因組研究跨入了世界先進行列。項目牽頭人、中國農科院作科所研究員賈繼增在當時表示，此次小麥D基因組序列草圖的成功繪制，為粗山羊草的開發利用及進一步的品種改良奠定了基礎，對小麥育種、小麥種質資源、小麥功能基因組、小麥進化及比較基因組研究將產生巨大的推動作用，有望使小麥常規育種與雜交小麥取得突破性進展。

據了解，我國小麥雄性不育突變體篩選始于幾十年前，目前已經篩選到至少5個核基因編碼的雄性不育突變體，被命名為Ms1—Ms5。其中Ms1和Ms5是隱性突變體，Ms2、Ms3和Ms4是顯性突變體。克隆控制小麥雄性不育基因是利用雄性不育系規模化制備雜交小麥種子的關鍵。由于Ms2突變體的顯性屬性決定了它可以用于小麥育種并成為一個重要育種工具，但它很難用于規模化小麥雜交制種。為此，小麥隱性雄性不育突變體基因的克隆對創制規模化小麥雜交制種體系極為關鍵。

從1992年起，北京市農林科學院等科研團隊在國際上率先發現了小麥光溫敏雄性不育現象和材料。基于小麥光溫敏雄性不育現象的發現，我國的小麥科學家從我國獨有的BS系列小麥光溫敏雄性不育種質中，首次發現并克隆了第一個小麥溫敏雄性不育主效基因TaTMS1，發現其啟動子有一個關鍵堿基變異，引起TaSL1對TaTMS1啟動子結合增強，能在低溫下降低TaTMS1表達;破壞TaTMS1與花藥葉綠體內層TaATP1氧化區域互作，可導致能量供給出現紊亂和活性氧物質大量產生，最終致使雄性不育。小麥雄性不育基因的克隆為構建穩定、高效、規模化的雜交小麥制種技術奠定了基礎，也為我國雜交小麥體系構建和成功利用不育系實現小麥雜種優勢大面積應用提供了支撐。趙昌平表示，北京市農林科學院等科研團隊歷時20余年堅持自主創新，創制出了一批增產20%以上的強優勢雜交小麥新組合，審定雜交小麥品種6個，實現了核心主產麥區審定品種“零”突破和國外審定品種“零”突破;在國際上率先創立了“中國二系雜交小麥技術體系”，很好地解決了困擾國際小麥界長達60多年的科學難題和技術瓶頸。

令人振奮的是，中國二系雜交小麥技術體系具有完全獨立自主知識產權，其整體研發水平和應用速度領跑國際雜交小麥領域。近年來，陸續審定了京麥6號、京麥7號、京麥8號、京麥9號、京麥11、京麥179、京麥21等一批豐產穩產性好、抗旱節水能力突出的節水高效雜交小麥品種。例如，第二代超高產型新品種京麥9號，在河北唐山最高畝產達到739公斤，創造了高產紀錄;抗鹽堿雜交小麥品種京麥6號，在京津冀環渤海鹽堿地多點實收平均畝產達500公斤以上。北京市農林科學院雜交小麥研發團隊還積極探索全產業鏈關鍵技術創新，在國際上率先研發了雜交小麥全程機械化制種技術，真正實現了雜交小麥的大面積應用。

小麥“一減一增”背后的育種支撐

根據中國農業科學院近日公布的一組數據，我國小麥2020年播種面積比2011年減少2700萬畝，但產量增加1300萬噸。近幾年，我國小麥種植面積整體呈下降趨勢，小麥產量整體呈穩步增長態勢。國家統計局數據顯示，近年來，我國小麥種植面積在2016年達到了最大值2419萬公頃，當年小麥產量12885萬噸，實現單產5327.4公斤/公頃。到2020年，我國小麥種植面積降到了2338萬公頃，較2016年降低81萬公頃，小麥產量達到了13425萬噸，較2016年增產540萬噸，產量增加了4.19%，2020年實現單產5742.09公斤/公頃，單產增加414.69公斤/公頃。

中國農業科學院副院長、中國工程院院士萬建民表示，一減一增的背后，是科技的力量。“十三五”期間，中國農業科學院圍繞小麥全產業鏈開展了“藏糧于技”重大科研任務，新育成一批具有國際領先水平的小麥新品種，而且我國小麥品種全部為國產自育。

據了解，“十三五”國家重點研發計劃“七大農作物育種”重點專項，育成了廣適高產穩產小麥新品種“魯原502”和超強筋早熟抗病小麥新品種“濟麥44”，前者連續多年被列為農業農村部和省級主導品種，畝產突破800公斤，累計推廣種植5738.5萬畝;后者獲得品種轉讓收益1500萬元，創全國最高紀錄。

近五年來，我國主要農作物基因組學研究取得飛速進展，在深度解析基因組結構變異、基因組演變規律及關鍵農藝性狀基因克隆等基礎研究領域取得了一系列前瞻性、引領性、原創性重大突破。在小麥領域，完成了小麥染色體級別的D基因組精細圖譜的繪制;克隆出小麥太谷核不育基因Ms2和抗赤霉病基因Fhb1、Fhb7，大幅度提高了小麥育種效率。特別是在小麥育種方面，我國科學家不斷攻克雜交小麥的技術壁壘，率先打通了以原創二系法為核心的雜交小麥全產業鏈，實現了小麥雜種優勢利用和產業推廣，在雜交小麥研究與應用領域走在世界前列。

目前，我國小麥需求主要包括食用需求、工業需求和飼用需求。據中國國家糧油信息中心首席分析師王曉輝透露，小麥食用需求相對穩定，年度間波動不大，屬于城鄉居民剛性消費，數量在9000萬噸左右;工業需求主要以小麥為原料生產淀粉、酒精、釀酒等，需求量小幅波動，數量在1000萬噸左右。飼用消費受小麥品質、玉米與小麥價差等因素影響，年度之間波動較大，近20年在700萬—3500萬噸之間波動，年平均1382萬噸。

針對近年小麥進口，王曉輝表示，我國小麥種植品種主要為中筋品種，而進口多為高筋和低筋小麥。近20年，我國小麥年度進口量在4.3萬噸（2008年）—838萬噸（2020年）之間大幅波動，平均進口量（2000—2020年）265萬噸。加入WTO以來，我國小麥進口量從未超過963.6萬噸的關稅配額，2020年小麥進口838萬噸，創入世以來最大進口量。從“吃得飽”向“吃得好”轉變，未來我國小麥進口仍將保持一定數量。

中國農科院作物科學研究員孫果忠在近日召開的2021中國農業展望大會上表示，我國小麥做到了供需平衡有余，單產處于國際先進水平，重大自然災害已不足以威脅國家糧食安全，且良種全部為國產自育自供，覆蓋率已達99%，生產全程機械化普及率96%以上，加工業快速發展，形成了較完備的小麥產業技術支撐結構。但目前小麥生產能力區域間差異顯著，仍然存在自然災害頻繁、資源環境緊張的壓力;加工產能過剩，加工利用率僅為45%，遠低于70%的世界平均水平;小麥生產組織不強，經濟效益不高，農民種植積極性較低。未來，我國要集成推廣“一控、兩減、三高效”的綠色生產技術;逐步建立“食品→面粉→小麥”為主體的市場需求型小麥產業鏈，推動小麥產業化和商品化發展，在種植、經銷、加工等全產業鏈上共同分享小麥的紅利;不斷提升技術研發水平，使我國由小麥生產和消費大國發展成為小麥產業技術創新強國。

雜交小麥產業化優勢與現狀

趙昌平表示，雜交小麥是世界上唯一尚未開發的主要糧食作物雜交種業，產業潛力巨大，預計每年可創造市場價值300億—500億元，國內市場每年可達30億—50億元，每年可減少灌水約10億立方米，減少經濟投入約10億元。目前我國雜交小麥的應用現狀相當于雜交水稻20世紀80年代初期的狀況，未來10年將是我國雜交小麥產業推進、實現跨越式發展的重要機遇期。

2017年3月，河南省鄧州市與北京市農林科學院成立了迄今為止國內唯一的雜交小麥產業化基地。依托我國原創的“中國二系雜交小麥技術體系”，按照現代產業全產業鏈一體化設計，以圍繞國際前沿、攻克產業核心技術為方針，開展雜交小麥品種創制、規模化高效種子生產、雜交小麥示范推廣與產業化等內容。目前，鄧州腰店、十林、劉集等鄉鎮共種植京麥系列雜交小麥種子5000余畝，機械化率達到90%，京麥系列全程機械化種子生產體系已初步構建完成，良種產量也連續三年突破300公斤每畝，進入大田應用和產業化生產階段。據了解，經過4年的努力，鄧州國家雜交小麥項目產業化基地已經選育出4代不育系和輔助系良種小麥，并在我國黃淮等主產麥區、環渤海鹽堿地帶和“一帶一路”沿線巴基斯坦、烏茲別克斯坦等國家和組織推廣種植。

2020年，北京雜交小麥品種京麥9號在河北省廊坊市試種，平均畝產達到了600公斤以上，創下了規模化連片小麥的高產佳績;京麥9號在山東省濱州市鹽堿示范田試種，畝產達到了490公斤，北京雜交小麥讓中低產田增產30%-50%。

北京雜交小麥正在成為我國北方麥區中低產田穩產增產的助推器。優勢互補，協同推廣是北京雜交小麥成果轉化的特色。2016年以來，京津冀農業企業、科研院所和農技部門協同創新，組建了京津冀雜交小麥聯合測試網絡，依托測試網絡篩選的雜交小麥新品種，在北京、天津、河北、山西、山東等地進行了大面積推廣種植。此外，北京市農林科學院聯合20余家上述五地的種業企業，在北方冬麥區布置雜交小麥聯合示范區超過200個，年推廣種植面積快速增長，實現了科技創新和產業應用的協同加速效應。據初步統計，“十三五”以來，北京雜交小麥在北方麥區應用面積達到30萬畝/年以上，成功邁出了產業化第一步。

在培育雜交小麥優良新品種的同時，北京市農林科學院將雜交小麥的成果轉化延伸到了產業鏈中下游。北京市農林科學院雜交小麥中心博士張勝全說，“我們先后開發了雜交小麥混播制種、全程機械化制種、化控輔助種子收獲、節水抗旱配套栽培、種子活力提升、高質量糧食收儲等產業化關鍵技術，在雜交小麥制種節本增效、中低產田良種良法配套等方面，通過科技創新實現了產業鏈的初步貫通。”好種子不僅要有好收成，對產業鏈下游的收儲、加工企業而言，還要有好的商品性。北京市農林科學院還開發了雜交小麥優質優價收儲方案，帶動了雜交小麥推廣。據張勝全介紹，“十三五”以來，北京雜交小麥商業化育種及測試規模擴大2倍，育種速度及效率提高3倍，雜交小麥研發推廣團隊人員及規模擴大3倍，雜交小麥種業實現了科技研發向商業化育種的轉型。

自2012年，北京市農林科學院/北京雜交小麥工程技術研究中心就開始了北京雜交小麥向巴推廣的工作。從當時的初步探索到產業化，北京雜交小麥經歷了8年在巴基斯坦的實驗與展示。2020年，在離北京5000公里外的巴基斯坦拉合爾市郊的雜交小麥示范田，在超低播種量情況下，北京雜交小麥試種比正常播種量的當地主導品種增產了20%以上。張勝全曾表示，北京雜交小麥在巴基斯坦推廣意義重大。對外農業合作是實現“一帶一路”宏偉構想的重要內容，我國小麥研發水平居世界前列，具備了將小麥雜種優勢利用等技術快速應用于“一帶一路”國家的基礎。這對保障區域糧食安全、重塑國際農業規則、促進合作共贏、推動中國農業高技術走向世界有著積極影響。

到2020年，北京市農林科學院已經在巴基斯坦、孟加拉國、烏茲別克斯坦等國開展了二系雜交小麥測試與示范，初步建立了覆蓋西亞和中亞區域的二系雜交小麥聯合測試示范網絡，累計測試示范網點超過30個，累計測試組合超過500個。

趙昌平表示，“源頭創新在北京、組裝生產在全國、推廣輻射在全球”的雜交小麥商業化育種體系已初步構建，北京雜交小麥將開創中國雜交小麥產業化的新時代。