河南新鄉的中國農業科學院試驗基地里的小麥即將成熟,麥浪翻滾,一片金黃。走進麥田,李立會隨手抽出一根麥穗,搓出麥粒,數了數后,放到嘴里嚼起來。

李立會是中國農業科學院作物科學研究所研究員。為了選育良種,每年5月,他都要在試驗基地待上一段時間。這個基地種植的小麥可不一般,是由李立會團隊創制的“小麥-冰草”遠緣雜交創新種質,被認為是開辟我國小麥高產育種途徑的重要基因資源。

小麥育種利用冰草屬外源優異基因,實現從“0”到“1”的重要突破

“小麥-冰草”遠緣雜交曾被看作是不可能完成的工作。1988年,碩士研究生入學前,當李立會向自己的導師、著名作物種質資源專家董玉琛提出這一選題時,董老師好意勸告：“‘小麥-冰草’遠緣雜交在國際上被判了‘死刑’,最好不要研究它。”

“我想試一試,做不通,入學后就換題目。”李立會的執著說服了老師,隨后他帶領兩名助手在試驗田開始研究。

冰草屬植物是小麥的近緣野生種,具有多小穗、多小花的大穗特性,此外還具有極強的抗寒、抗旱性,對多種小麥病害表現出高度免疫性,被認為是小麥改良的最佳外源優異基因供體之一。

“冰草和小麥外形上看上去相似,實際上親緣關系很遠,雜交起來非常困難。”李立會告訴記者。

上世紀30年代開始,一些國家的學者希望解決這一難題,但直到80年代都未能成功。國際小麥研究界普遍認為：“小麥-冰草”遠緣雜交是條死胡同。

“小麥-冰草”遠緣雜交有哪些挑戰？李立會舉例說,比如,小麥通常5月下旬成熟,而冰草生長在高緯度地區,此時才剛開花,讓兩者雜交,首先要把花期調節到同一時期。其次,還需要解決“小麥-冰草”授粉受精中的生殖隔離問題。即便授粉成功,胚也不能正常發育,還需要開發一套幼胚拯救技術才能獲得雜種植株。

小麥是最重要的糧食作物之一,占世界作物種植面積的1/5,是全球40%人口的主要食糧。過去,改進小麥品種、提高產量主要依靠現有推廣品種之間的雜交來實現。然而,長期品種間雜交及對少數骨干親本的大量應用,造成遺傳變異范圍縮小,品種抗原日趨單一,小麥育種進入瓶頸期。

“小麥品種長期近親繁殖,遺傳相似度很高。通過遠緣雜交,引入當前栽培小麥缺乏的關鍵優異基因,不僅產量能提高,抗逆抗病害能力也會增強。”李立會表示,通過遠緣雜交將冰草優異基因導入小麥,是一項意義重大的工作。

李立會帶領團隊,歷時30多年,創建了一套小麥遠緣雜交新技術體系。通過幼齡授粉、幼胚拯救、幼穗體細胞培養、高頻率誘導異源易位、特異分子標記開發技術等一系列創新,攻克了“小麥-冰草”遠緣雜交難題,實現了小麥育種上利用冰草屬外源優異基因從“0”到“1”的重要突破。

小麥高產育種有了基因寶庫,解決了我國突破性高產小麥種質匱乏問題

李立會團隊的工作大體上分為四個階段。第一階段為1988年到1990年,首次證明了“小麥-冰草”遠緣雜交是可行的；第二階段從1990年到2005年,主要是創制一系列“小麥-冰草”的基礎材料；第三階段是2005年到2015年,進一步完成大量遺傳學研究；2015年至今,團隊一方面做優異種質資源的全基因組學測序工作,一方面推動創新種質的有效利用與新品種選育,讓科研成果盡快應用于生產實踐。

“隨著我們團隊對冰草P基因組測序和‘小麥-冰草’創新種質測序工作的完成,相當于為小麥育種建立了一座巨大的基因寶庫。”李立會解釋,這項工作不僅從理論上證實了“小麥-冰草”遠緣雜交創新種質的優良性能,還大大拓寬了小麥育種的基因源基礎。

據了解,該團隊創制出的“小麥-冰草”新品系具有多花多實的高產特性,比小麥主栽品種增產可以超過10%,解決了我國突破性高產小麥種質匱乏問題。特別是發現了“多粒-高千粒重-有效分蘗”優異基因簇,解決了小麥傳統育種中產量三要素(畝穗數、穗粒數和千粒重)難以同時選擇的問題。同時,“小麥-冰草”創新種質對白粉、條銹、葉銹菌等病害具有廣譜抗性,為培育持久抗性且兼具多種病害抗性新品種提供了強力支撐。

“小麥-冰草”新種質向科學界共享。目前,“小麥-冰草”衍生系創新種質應用到全國100多個育種單位,已培育新品種15個、后備新品種39個。其中,甘肅、陜西兩省審定的小麥新品種普冰151,已成為當地條銹病等病害流行和旱地麥區的主栽品種,實現了多抗育種新突破。科學家培育出的國審新品種川麥93,穗粒數達54.2粒,增產16.7%,顯著高于3%的國家審定標準。

業內專家表示,培育高產、抗病、抗逆小麥新種質是實現綠色增產技術最有效和經濟的途徑,可以減少農藥施用量,提高全生育期抵御各種自然災害能力,對保障和穩定我國小麥的安全生產具有重要意義。

“‘小麥-冰草’創新種質的利用空間很大,一些潛力有待深入挖掘。”李立會說,團隊從新鄉基地收獲材料中,篩選出強筋類型普冰新種質12個,這些新品系的蛋白質含量高,適合制作高檔面包,具有很高的市場價值。

“從種質創新到有效利用,雖然時間通常比較長,但影響深遠。我們期待‘小麥-冰草’遠緣雜交研究將推動小麥育種取得新突破。”李立會說。

做種質創新來不得半點虛假,要持之以恒,敢于嘗試,不斷探索

“我們的工作都是在實驗室、試驗田一步步試錯中摸索出來的。”回顧30多年育種生涯,李立會表示,持之以恒是關鍵。同時還要敢于嘗試,不斷探索。“如果僅僅依靠教科書的結論,就不可能嘗試做成功‘小麥-冰草’遠緣雜交。”

“李老師是實干家,教導我們做種質創新來不得半點虛假。”李立會團隊成員、中國農業科學院作物科學研究所研究員張錦鵬說,李老師對試驗基地的小麥非常熟悉,每個材料種在哪里、有什么特點都印在他腦子里。

在李立會的多年探索過程中,他很感念導師董玉琛以及著名小麥遺傳育種學家李振聲的幫助。1988年,聽到李立會在試驗田的研究有了進展,董玉琛興奮地跑到地里,冒著烈日和他一起到田間工作。1990年,以李立會為第一作者的論文發表在《中國科學》期刊,前期董玉琛改了13稿。

李振聲是李立會碩士和博士生論文的答辯老師。他對“小麥-冰草”遠緣雜交工作十分關心,曾多次去試驗田指導。李振聲每次走到田間,都像農民一樣,熟練撥開麥子,搓出麥粒,放在手掌心數一數有多少粒。

“李先生的鼓勵給了我們堅持下去的信念。”多年后,李立會依舊清晰記得李振聲的教誨：“對遠緣雜交研究來說,科學發現只是一小步。在平地蓋一層平房,它的高度顯示不出來,只有繼續推動應用,在平房上再建一層,這樣的研究工作才真正有價值。”

遠緣雜交研究是個苦差事,除了要經得起漫長的周期等待,還要長年累月在田間播種、觀察記錄、選種,烈日暴曬、蚊蟲相伴更是家常便飯。但對李立會來說,每年5、6月份,在新鄉基地是他一年中最快樂的一段時間。

“做遠緣雜交工作,熱愛才能堅持。李老師帶我們下地,指導如何觀察選擇,通過言傳身教影響著我們。”中國農業科學院作物科學研究所副研究員周升輝說,2016年加入李立會團隊,如今自己已經學會享受小麥種質創新的樂趣。

張錦鵬告訴記者,做遠緣雜交工作不容易出成果。寫論文,僅收集數據一般就需要至少花費5年時間,沒有一點執著和熱情,“小麥-冰草”遠緣雜交研究很難延續30多年。

“要想打贏種業翻身仗,必須要有突破性的種質資源。”李立會說,我們著眼的是當前,解決的是未來的問題。希望“小麥-冰草”創新種質盡快分發到育種家手里,培育出高產優質小麥新品種。