小麦育种的步骤与育种人的心得和体会

作者:杨翼骏  2021-07-10 21:09  阅读 9 次

原文标题:你在种小麦吗?不,我在进行一场修行

2021年6月10日4点30分,太阳刚爬上地平线,一群研究生便早早地出现在田间地头,开始了他们紧张而又平凡的一天。

今天的工作主题是收获,任务量是在中午之前拔两万小麦单株。

收麦的季节,朝阳是那么明媚(图片来源作者)

什么?拔??

相信你一定没错过这个字眼,相信你一定有些困惑。

2021年了,身为一名研究生,不在实验室里专心做研究,跑到农田拔麦子?是农业机械化覆盖面太小,还是生来一副铁掌非要试试麦芒?

其实,对于所有育种人来说,这样的一天,既是小麦成熟收获的季节,更是他们筛选、观察小麦的最佳黄金时间。

说育种,先从小麦的起源说起

小麦的进化简史(图片来源:作者)

我们现在吃的普通小麦是六倍体(基因组可以用AABBDD来表示),而最初,小麦的祖先是二倍体。普通小麦的起源进化是巧合且复杂的过程,它经历了两次异源多倍化进程。

第一次发生在约30-50万年以前,乌拉尔图小麦(A基因组供体)和拟斯卑尔脱山羊草或其近缘种(B基因组供体)杂交,染色体天然加倍形成野生二粒小麦(四倍体,基因组可以用AABB来表示)。野生二粒小麦经过驯化,逐渐演变成栽培二粒小麦;第二次异源多倍化发生在约8000年前,栽培二粒小麦和粗山羊草(D基因组供体)杂交,染色体天然加倍,形成六倍体普通小麦。

不同进化时期的小麦形态:左上,斯卑尔脱小麦;右上,野生二粒小麦;左下,栽培二粒小麦;右下,普通栽培小麦(图片来源:作者实验室)

随着人口的日益增加,人们对小麦产量的需求也日益增多,因此,人类开始驯化小麦,也就是早期的“育种”。我们今天所种植的农作物,都不是“纯天然”的,全都是根据需要,经过筛选和培育才诞生的,这些工作也就是咱们常说的“育种”。

回到开头的一幕,大家可能会觉得,育种就育种,为什么非到农田里拔麦子?说到底,小麦育种对于所有科研人员、科研团队来说是个非常艰辛且漫长的过程,而拔麦子,只不过是育种人进行田间试验的一个环节

小麦育种分几步?

如果要培育一个小麦新品种,首先就需要了解,什么叫单株?什么叫品种?

单株可理解为一粒种子经过生长发育至成熟的完整植株,下图为四个单株。(只有拔多了才看得出,它们四个相互都有差异)

单株(图片来源:Luo et al., 2021)

一般来说,品种是指:在一定的生态和经济条件下,经过人工选育,通过品种审定的,具有优良性状且遗传性稳定的群体。

这里面有两个关键点,一是优良性状(比如高产、抗病,适应性好),二是性状能够稳定遗传。

小麦系谱(类似于人的家族谱)(图片来源:胡铁柱)

通常,我们会先从“实验材料”中广泛寻找优良的性状(上图),比如抗病、早熟、大粒、抗寒、耐旱多粒等等,然后想办法将这些优良性状汇聚到一个“育种材料”身上,最终获得具有遗传性稳定且性状优良的品种。

例如:河南科技学院茹振钢教授和他带领的团队历经30年呕心沥血育成的高产多抗小麦品种“矮抗58”,具有高产稳产、矮秆抗倒、抗逆抗病适应性广、优质、稳定性好等品种优势。

矮抗58(图片来源:胡铁柱)

不会种地的人 摸不着育种的门

那么,育种过程中的田间试验具体都要做什么呢?

小麦育种田间试验步骤(图片来源:作者)

首先,我们根据研究目的,结合小麦的生长发育时期,开展每年的小麦田间试验工作,到农田(我们一般称为“大田”)中去干“农活”。

只不过,为了研究,这些农活干起来要精细得多。小麦的田间试验不只有拔麦子,还有其他很多工作,从计划、田间管理、播种、性状调查到收获、脱粒入库保存,是一个完整的育种流程。所以说,不去“种地”的话,根本摸不到育种的门。

接下来,我就结合这几个阶段的经历,和大家分享我作为小麦育种人的“种地”心得。不妥之处,敬请指正为谢!

一、种地之前,先做种植计划

我们平时在大田里的种植的植株可以分为两种,育种材料与实验材料。

计划什么呢?计划育种材料和实验材料的种植规模和种植方式,也就是“种什么”和“怎么种”。

首先我们先得区别一下两类种植材料。

1.育种材料

(育种材料的梦想就是有朝一日成为一个好的品种!)

育种材料讲求整体性、综合性、稳定性。一般来源于已知的品种与品种间,品种与育种材料间,育种材料和育种材料间杂交后选育而来。

因此,在种植、选育育种材料时,要做到举重若轻,纵览全局,要求株系的株高、粒重、抗逆性、适应性等多维度性状的综合性好。

2.实验材料

实验材料主要用于研究某一特定的性状。比如研究小麦抗病性时,若在大田里发现一株不同与旁边“生病”的材料,其株系叶片等表现为健康。它便可以成为我们的实验材料。因此调查性状时要做到精确到某一植株的个体变化情况,也就是举轻若重。但研究实验材料最终的目的也是服务于育种材料,使得优异的性状能聚合在育种材料中。
实验材料来源广泛,不论国家审定品种还是农家种或者野生种,只要在某一方面有特定的优良性状即可,讲求特异性、多样性、精确性。

二、收获、播种双精细

试验设计完毕后,每年9月底到10月中旬,我们就开始田间播种工作。
整地开沟-划渠起垄-测距拉线-插牌发袋-播种覆土,整个播种过程一气呵成!

田间播种(图片来源:作者)

在研究过程中,不同的袋子之间、同一个袋子里不同的种子之间都会有一定差异,为了精确地研究其遗传特性,在播种前要先插牌对每一沟做好编号,播种时需要做到每一个袋子对应每一沟,每一个袋子里的种子要尽量均匀或等距地播种在对应的沟渠里。

、日常田间调查,以及采集小麦样品——精确调查,精确取样

播种完毕后,不同的时期还需要对小麦田间性状、抗病性情况调查并采集叶片用于实验室研究。

比如说,我们要调查小麦病害的情况,常见的小麦病害有条锈病、叶锈病、秆锈病、赤霉病等。

条锈病是小麦生产上危害性最高的病害之一,由小麦条锈病菌引发。图左边为感条锈病小麦,右边为抗锈病小麦(图片来源:作者)

如上图所示,一般来说,右边的小麦之所以能抗条锈病,是因为它里面含有一个或多个有抗性的抗条锈病基因。我们的研究目的,就是将抗病基因从这些抗病材料中克隆出来,然后导入到育种材料或品种中,使其拥有抗病性,以满足增加粮食产量迫切的需求。

然而,病菌也很聪明,也在不断地进化变异,导致我们的抗病基因有时候少则几年就失去了抗性,这便为我们育种工作提出了更高的要求,要求我们要不断地寻找更多样、抗性好的抗病基因。

田间地头,当你看见一群研究生们这里瞅瞅、那里看看,甚至有的人扶着麦苗、端详麦穗,正是大家认真、细致找寻具有特别表征小麦麦苗的时候,比如说“抗病”的、“感病”的,“高”的、“矮”的……在它们的身上,可都携带着对应的生物密码(基因)。

分子标记检测(图片来源:作者)

而当锁定了一些特别表征的小麦后,我们会采集对应的叶片,回到实验室,提取DNA,通过实验手段如分子标记检测等,定位并克隆这些表征所对应的基因。

总结一下,我们的田间工作目的就是寻找、并确定表型(如抗条锈病)→实验室里找到、克隆基因→将基因导入到育种材料或品种中。

那么问题来了,为什么不直接在实验室种植小麦、找到目标基因?

答案是:不可能。

就拿研究小麦条锈病来说,小麦条锈病菌是一种寄生真菌,必须依附在活体小麦之上才能存活。条锈菌的繁殖体夏孢子可随高空气流远距离传播,并反复感染小麦,在小麦上完成周年的侵染循环,其侵染循环可分为越夏,侵染秋苗,越冬及春季流行四个环节。小麦收获后,条锈菌会转主寄生在小檗上。在条锈菌没有传播的地区(比如实验室里),就观测不到小麦感条锈病,也就无法找到对应基因。

四、收获的季节,其实我们也有收割机

每年的小麦收获,正是一年当中最热闹的时间段。课题组的全体人员顶着酷日、集体下地,欢聚一堂,并对收获和农用车驾驶技术进行充分、全面的锻炼。

下图佐证:

笔者所在的课题组拍摄于石家庄高邑县

相信现在大家也开始明白我们在收获材料时,为什么要“下地拔麦子”了。

这是因为,我们学习小麦育种的方法后,还要通过精细地研究小麦农艺性状、抗病性的遗传规律,以期将优异的遗传性状应用到实际生产中。

为此,我还总结了近一、两年收获实验材料——拔麦子的四种常见方法,希望对大家特别是对拔麦的初学者有所帮助。

姿势一:弯腰式——田间最常见的拔麦方式,缺点是不适合身高太高的人,费腰。

姿势二:曲膝式——精髓在于曲膝、提臀、用背部发力。优点是能锻炼背部力量,适合健身爱好者。

姿势三:蹲式——优点在于省力且速度快,缺点在于长时间蹲着腿容易麻,猛地站起容易跌倒,建议与弯腰式轮换。

姿势四:站立式——站立比较轻松,但对小麦高度有要求,拔的时候需要气沉丹田,集中发力,不然容易断根,伤害材料完整性。

轮到育种材料小区收获时,情况就不同了。

那是一个风和日丽的下午,具体时间为2021年6月19日14点10分,任务是收获育种小区。与往常不同,今日的三大防晒法宝:帽子、云、口罩里,没有云。

太阳是那么灿烂,也是那么毒辣(截图自当日天气)

因为实验材料是按行种植,而大部分育种材料是按小区种植,因此育种材料与实验材料的收获要求和方式有所不同,开心地开上了百万级机械收割机。(实际是跟在收割机后面将种子袋装车)

机械收获育种材料(图片来源:作者)

我们按照不同的种植小区(图中一块一块间隔的区域就是小区)收割,收割后脱粒的种子会被分装入编有不同标签的袋子。

、材料的脱粒、装袋与入库

那些收获(拔)时是按行种植的实验材料和育种材料的单株,都需要单株脱粒,脱粒后按编号装进对应袋,入库以备使用。

或许还有人疑惑,既然实验材料要一一对应,那为什么在收材料的时候,有时拔的单株小麦并没有挂牌?

图片来源:作者提供

其实,有没有标志牌要看情况,有时候为了提高收获效率,在农忙时为抢收种植材料,一些材料(如遗传和突变体等群体)会全部收获后分单株脱粒,在脱粒时,对装入的袋子进行标号即可。

田间试验,是一场属于育种人的修行

在田间试验阶段,还有很多好玩的事,比如杂交、诱变、人工接菌等,这里就不再一一和大家分享啦,有兴趣的朋友可以联系我们,共同交流。

可是难免还是会有人疑惑,这些田间试验,为什么一定要学生来干?为什么连博士都需要下地?

首先,实验材料不是从天上掉下来的,常常是一种传承。一个研究群体的配置常常需要数年,我的实验材料就来自师兄师姐们的辛勤培育。而且,有的性状在实验室观测不到,即使在实验室能调查,也应该以大田为主,因为在育种实验室中一切科学手段的检测和分析,最终也要通过在大田里的表型来验证。

另外,小麦表型的鉴定和育种并不是件容易的事,需要多年的经验积累,而且每个人的研究目的不同,对材料了解程度不同。自己的课题自己鉴定,本就是理所应当的,就连那些年近70高龄的育种家们仍热衷活跃于田间地头,乐在其中。

可以说,田间试验,是一场属于育种人的修行。只有经过酷暑严寒、倾其所能的钻研,本科生才能认识到自己是否适合读硕士,硕士生才能感受到自己是否适合读博,博士生才能清楚自己是否适合搞科研和育种。

不经过繁重实验的考验,不经过酷暑中开展田间试验的磨炼,只是站在门槛外空想,恐怕不少人都会以为自己是拯救科研界和育种界的天选之子。

在育种这件事上,选择是相互且残酷的,你在选育材料,材料也在选择你。

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