利用外源優(yōu)質(zhì)基因選育多抗冬小麥品種的研究

劉 眾，劉卓娜

（1.平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅平?jīng)?44000；2.甘肅亞盛實業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司平?jīng)鲛r(nóng)業(yè)分公司，甘肅涇川744300）

糧食是國家特殊的戰(zhàn)略性物資，是國家安全、社會穩(wěn)定和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。小麥?zhǔn)俏覈匾纳唐芳Z和貯備品種，對保障國家糧食安全、解決民生和社會穩(wěn)定起著極為重要的作用。小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，全球約40%的人以其為主食，其種植面積、產(chǎn)量、貿(mào)易量在世界谷物常年產(chǎn)銷中均占有較大比重。

近年來，國內(nèi)外小麥育種工作都處于艱難爬坡階段，其根本原因在于種質(zhì)資源貧乏和育種手段落后。因此，品種綜合性狀水平的提高有待于育種方法的革新，提高小麥產(chǎn)量一直是小麥育種者的首要目標(biāo)，綜合農(nóng)藝性狀對產(chǎn)量具有重要影響[2]。小麥種屬外源基因?qū)肫胀ㄐ←湆貙捰N基因庫，增強(qiáng)多抗能力，提高產(chǎn)量潛力，優(yōu)化品質(zhì)，增強(qiáng)抗性?？傊S著市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展，小麥未來育種方向是提高水肥利用率來增加單產(chǎn)?？偖a(chǎn)，走資源節(jié)約、生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的路子，努力選育抗逆能力強(qiáng)，肥水利用率高，“少投資、多產(chǎn)出、環(huán)境友好”的高產(chǎn)良種，使有限的資源生產(chǎn)出盡可能多的小麥，從而達(dá)到糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收、保護(hù)生態(tài)之目的[3]。

隴東地區(qū)屬涇河上游冬小麥區(qū)，在全國小麥區(qū)劃中屬“北部晚熟冬麥區(qū)邊緣地帶”，是甘肅的重要商品糧基地，也是北方居民食用最廣的細(xì)糧作物[4]。長期以來，干旱、寒冷、土壤瘠薄、條銹病重發(fā)等不利因素嚴(yán)重阻礙當(dāng)?shù)匦←湹母弋a(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。為了加速旱地小麥科技創(chuàng)新工作，西北農(nóng)林科技大學(xué)建立平?jīng)龊档匦←準(zhǔn)痉秷@，旨在開展旱地小麥育種多點試驗和示范工作。2017 年西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院和平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合共建了西北農(nóng)林科技大學(xué)旱地小麥科技創(chuàng)新園，2019 年成立以康振生院士為首的平?jīng)龊底鬓r(nóng)業(yè)院士專家工作站。在此基礎(chǔ)上，育種課題組根據(jù)甘肅隴東地區(qū)的生態(tài)條件、氣候狀況及小麥產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需求，試驗示范了西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所合作選育的旱地小麥新品種普冰322，取得圓滿成功，實現(xiàn)了抗旱高產(chǎn)育種與水肥高效利用有效結(jié)合、突破優(yōu)質(zhì)、多抗于一體的育種策略技術(shù)路線，由傳統(tǒng)育種向優(yōu)質(zhì)多抗型轉(zhuǎn)變[5]。

目前，普冰322 在甘肅隴東旱塬區(qū)采用“院校+基地+農(nóng)戶”育、繁、推一體化經(jīng)營模式，受到來自全國和陜甘兩省小麥育種專家的充分肯定，使西北農(nóng)林科技大學(xué)又一科研成果在隴原大地開花結(jié)果，解決了甘肅省小麥品種長期以來高稈、易倒伏的難題。普冰322 集稈矮、穗大粒多、多種抗性于一體，已成為冬小麥推廣的主栽品種之一，為甘肅小麥產(chǎn)業(yè)化持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收提供了品種技術(shù)支撐。

1 利用外源基因選育品種的技術(shù)思路

1.1 選育背景及育種目標(biāo)

甘肅隴東麥區(qū)地形、地貌復(fù)雜，常年干旱、寒冷、土壤瘠薄、條銹病頻發(fā)。干旱多災(zāi)，氣候類型復(fù)雜，品種多亂雜現(xiàn)象嚴(yán)重，長期以來導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)，為確保糧食安全和滿足人們對品質(zhì)的需求，選育和推廣優(yōu)質(zhì)、多抗、節(jié)水小麥品種，是穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展小麥產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的現(xiàn)實需要。因此，決定了對小麥品種的嚴(yán)格要求和小麥育種的復(fù)雜性和難度，按照國家小麥生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展、市場需求、建設(shè)小康社會不僅要吃飽還要吃好的要求，以“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”為育種目標(biāo)，育種課題組制定了“三抗一豐一優(yōu)”和“多點異地聯(lián)合鑒定篩選”的技術(shù)路線，開展了利用外源優(yōu)質(zhì)多抗基因?qū)肫胀ㄐ←溸x育研究工作[6]。

1.2 親本來源及選育程序

作物育種的成效取決于材料是否恰當(dāng)和方法是否正確，親本材料是育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，選配組合是育種成敗的關(guān)鍵所在。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院李立會研究員率先突破普通小麥與冰草遠(yuǎn)緣雜交的技術(shù)瓶頸，與西北農(nóng)林科技大學(xué)張正茂研究員合作以日本小麥品種Fukuho 作母本，以抗寒、抗旱、兼抗多種病害、多分蘗的多年生冰草(Agropyron cristatum)作父本，進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，再用Fukuho 回交（Fukuho/冰草(Agropyron cristatum)//Fukuho）。根據(jù)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，結(jié)合西北生態(tài)區(qū)化，及時調(diào)整育種方向，認(rèn)真研究試驗方案，確定了抗逆、高產(chǎn)、廣適相結(jié)合為突破口，在陜西永壽、乾縣和澄城的多點抗旱鑒定以及甘肅平?jīng)龅目购?、抗旱和抗病性鑒定等有利條件，由于遠(yuǎn)緣雜交后代瘋狂分離，自1997 年起連續(xù)進(jìn)行混合系譜選擇，經(jīng)多年異地多生態(tài)區(qū)交替鑒定，成功選育出適應(yīng)性廣的旱地小麥新品種普冰322，2015—2017 年參加甘肅省隴東片冬小麥區(qū)域試驗，2017—2018 年度參加甘肅省隴東片生產(chǎn)試驗，同期進(jìn)行生產(chǎn)示范。2020 年1 月14 日經(jīng)甘肅省第35 次農(nóng)作物品種審定會議審定通過，審定編號20200016。

2 產(chǎn)量表現(xiàn)

2.1 品系鑒定試驗

2013—2014 年在甘肅省涇川縣平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院高平試驗站參加旱地鑒定試驗，平均折合產(chǎn)量5 044.5 kg/hm2，較對照品種隴育4 號增產(chǎn)30.5%，居15 個參試品種（系）的第二位。

2.2 品種比較試驗

2014—2015 年在甘肅省涇川縣平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院高平試驗站參加旱地品比試驗，平均折合產(chǎn)量4 327.5 kg/hm2，較對照品種中麥175 增產(chǎn)14%，居16 個參試品種（系）的第三位。

2.3 品種區(qū)域試驗

2015—2016、2016—2017 年參加甘肅省冬小麥隴東片區(qū)域試驗，平均產(chǎn)量分別為5 535.3 kg/hm2、3 468 kg/hm2，較對照品種隴育4 號分別增產(chǎn)5.6%、4.0%。綜合2 年平均產(chǎn)量4 357.5kg/hm2，較對照隴育4 號增產(chǎn)5.2%。

2.4 生產(chǎn)試驗

2017—2018 年參加甘肅省隴東片冬小麥生產(chǎn)試驗，在慶城、西峰、鎮(zhèn)原、寧縣和盛、涇川高平、靈臺6 個試點平均產(chǎn)量4 209 kg/hm2，較對照隴育4 號增產(chǎn)7.4%。截至2020 年在甘肅隴東不同生態(tài)區(qū)示范推廣面積2 萬hm2。

3 特征特性

3.1 植物學(xué)特性

普冰322 屬冬性，幼苗半匍匐，中熟。旗葉卷曲，莖稈基部堅實，穗下節(jié)長，植株彈性好，抗倒伏。紡錘形穗，長芒白粒，穗大粒多、籽粒飽滿、角質(zhì)。株高80 cm，穗長7.6 cm；小穗數(shù)15.2 個；穗粒數(shù)38.0 個，結(jié)實性好；成穗數(shù)528 萬穗/hm2；千粒重45.5 g；容重830 g/L，屬大穗大粒型品種。生育期266 d，中晚熟。旗葉功能期長，分蘗力強(qiáng)，成穗率高，株型較緊湊，穗層整齊，穗粒數(shù)和千粒重較高，落黃正常，綜合性狀優(yōu)良，優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 抗逆性

經(jīng)隴東旱塬區(qū)多點多年抗寒、抗旱性測定，越冬率平均93.0%，抗凍性1～2 級，與隴育4 號對照品種相當(dāng)。可在甘肅隴東旱塬區(qū)安全越冬。植株莖稈基部堅實，彈性好，根系發(fā)達(dá)，分蘗多，抗倒性能力強(qiáng)，穗下莖節(jié)細(xì)長，抗旱性級別1～2 級，在旱肥地、臺地種植具有較強(qiáng)的抗旱節(jié)水性。

3.3 抗病性

普冰322 品種2017—2018 年連續(xù)2 年經(jīng)甘肅省農(nóng)科院植保所在甘谷試驗站小種圃成株期分小種接種鑒定和蘭州溫室進(jìn)行苗期混合菌接種鑒定，苗期對條銹病混合菌表現(xiàn)中感，成株期對條銹菌供試菌系條中34 號、中4-1、G22-14、G22 其他表現(xiàn)免疫；對條中32 號、條中33 號及混合菌表現(xiàn)中感。總體抗性表現(xiàn)中感，但病情指數(shù)低于25，黃矮病輕、白粉病中抗。

3.4 品質(zhì)

經(jīng)2015 年原農(nóng)業(yè)部谷物品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心檢測，普冰322 容重830 g/L，硬度指數(shù)64，降落數(shù)值386 s，粗蛋白質(zhì)（干基）13.86%，濕面筋（14%濕基）31.3%，吸水量（14%濕基）60.4 ml/100 g，形成時間2.8 min，穩(wěn)定時間2.7 min，拉伸面積59 cm2，延伸性220 mm，最大拉伸阻力196 EU。

4 栽培技術(shù)要點

普冰322 最大特點就是大穗大粒，莖稈堅硬，機(jī)械性能好，根系發(fā)達(dá)，抗倒性好，在隴東川水臺地和旱肥地、山塬旱地全地膜覆蓋以及陜西長武、乾縣等類似地區(qū)種植都具有良好的適應(yīng)性，水旱兼用，省肥、省水、省藥，適合簡約化栽培。

4.1 精細(xì)整地，施足基肥，足墑下種，確保苗全苗壯

任何一個優(yōu)良品種都有其自身的發(fā)育特點和對環(huán)境的要求。小麥良種只有在與生育特點相適應(yīng)的栽培技術(shù)的配合下，才能充分發(fā)揮其潛力。在前茬作物收獲后應(yīng)及時深耕滅茬，雨后耙耱，精細(xì)整地?？筛鶕?jù)土壤肥力基礎(chǔ)和肥力質(zhì)量確定施肥量，一般要求施農(nóng)家肥7.5 萬kg/hm2、尿素225～300 kg/hm2、磷酸二銨225～300kg/hm2，旱肥地采用“三肥墊底一炮轟”和平衡施肥技術(shù)。地膜種植注意防治地下害蟲和雜草，用50%辛硫磷加水10 倍，噴拌細(xì)沙土750 kg撒施；用50%乙草胺乳油100 g 兌水50 kg 全地面噴施后及時覆膜。

4.2 適期精量播種，良種良法配套

高產(chǎn)是綜合因素的體現(xiàn)，品種、栽培、植保等相關(guān)學(xué)科要高度集成，特別是高產(chǎn)田要重視與生產(chǎn)環(huán)節(jié)密切配合。隴東旱塬區(qū)9 月下旬播種為宜，播量187～225 kg/hm2，旱肥地最好采用壟溝寬幅鎮(zhèn)壓抗旱播種技術(shù)。

4.3 鎮(zhèn)壓保墑

春季小麥返青期要根據(jù)土壤墑情及時鎮(zhèn)壓保墑，人工中耕鋤草，謹(jǐn)防農(nóng)藥防治，以防小麥幼穗分化畸形。

4.4 田間管理

中后期加強(qiáng)田間管理，該品種比較省肥省水，春季追肥不宜過多，防止貪青晚熟，同時采取“一噴三防，護(hù)葉養(yǎng)根，防蟲治病，促控結(jié)合”措施。

4.5 收獲

及時機(jī)械收獲，防止霉變或穗發(fā)芽。

5 適宜種植區(qū)域

適宜在甘肅隴東地區(qū)旱地以及類似生態(tài)區(qū)陜西省渭北旱原中西部種植。

6 討論

開發(fā)利用小麥種屬外源基因，將多年生冰草優(yōu)質(zhì)基因、抗病基因?qū)肫胀ㄐ←湥M(jìn)行資源創(chuàng)新，可以豐富小麥育種資源，拓寬種質(zhì)基因庫，將廣適性、極強(qiáng)的抗旱性、抗寒性通過雜交、回交，基因定位，同時結(jié)合染色體工程育種技術(shù)和常規(guī)育種方法，按照育種程序有目標(biāo)地進(jìn)行品種選育，解決旱地小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)不高產(chǎn)的矛盾以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的重大關(guān)鍵技術(shù)和管理問題[7]。

普冰322 是通過院校協(xié)作選育旱地小麥新品種，按照育種目標(biāo)構(gòu)建合理的株型結(jié)構(gòu)，在選育過程中堅持5 個過渡，高稈向矮稈過渡；小穗小粒向大穗大粒過渡；多分蘗向中等分蘗過渡；中晚熟向中早熟過渡；單抗向多抗性過渡。在育種方法上實現(xiàn)3 個轉(zhuǎn)變，品種間雜交向種屬間遠(yuǎn)緣雜交轉(zhuǎn)變；雜交材料向創(chuàng)新材料轉(zhuǎn)變，同時重視資源的研究與創(chuàng)新；食用品種向優(yōu)質(zhì)加工型品種轉(zhuǎn)變。

旱地小麥長期產(chǎn)量低而不穩(wěn)，嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量，水資源短缺、生態(tài)類型特殊是制約甘肅隴東旱塬區(qū)小麥生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸，利用小麥種屬外源基因資源，運(yùn)用生態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)的原理，利用水旱協(xié)調(diào)混合選擇法，異地水旱多生態(tài)適應(yīng)性鑒定，豐富小麥遺傳基礎(chǔ)，解決抗旱性與豐產(chǎn)性難以結(jié)合的矛盾[8]。