2024-08-13 10:50:24
“氣溫每上升1℃，所選育的小麥品種的環(huán)境適應(yīng)能力將下降8.7%。”
國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）河南中心與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究人員通過分析CIMMYT近50年來在全球育成的3652份小麥新品系與環(huán)境的關(guān)系，得出了上述結(jié)論。近日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然-氣候變化》。
論文第一作者兼通訊作者熊偉建議，未來必須對現(xiàn)有育種策略進(jìn)行調(diào)整，增加抗逆高產(chǎn)品種的遺傳多樣性，以適應(yīng)不斷增加的極端天氣事件。
CIMMYT首席科學(xué)家、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授Ravi Singh認(rèn)為，該研究是一項開創(chuàng)性的工作，可以指導(dǎo)氣候韌性育種。
高產(chǎn)品種抗逆能力降低
“氣候變化嚴(yán)重威脅全球農(nóng)作物生產(chǎn)，培育適應(yīng)氣候變化的作物新品種是確保未來糧食安全的關(guān)鍵。目前育種周期一般在10年以上，因此迫切需要改進(jìn)現(xiàn)有作物育種方法，提升品種韌性?！焙幽限r(nóng)業(yè)大學(xué)特聘教授、負(fù)責(zé)CIMMYT河南中心研究及日常工作的熊偉表示，“小麥?zhǔn)侨蚍N植最為廣泛的主要糧食作物，其適應(yīng)能力的提升至關(guān)重要?！?/p>
論文作者之一、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員何中虎說，發(fā)展中國家的育種一直以高產(chǎn)為主要目標(biāo)，通常做法是在高產(chǎn)親本的基礎(chǔ)上，不斷引入更多產(chǎn)量性狀優(yōu)良基因或其他需要關(guān)注的優(yōu)良基因，從而使各種優(yōu)良性狀基因在新育品種中不斷疊加。
然而，多種優(yōu)良基因的積累會導(dǎo)致一定的基因隔離，提高品種對環(huán)境、栽培管理等條件的需求。在這種情況下，育成品種與自然進(jìn)化條件下形成的品種之間的基因差異會越來越大，使高產(chǎn)品種的抗逆能力以及環(huán)境與管理韌性降低。
“隨著全球小麥種植地區(qū)變得更加溫暖，并且經(jīng)歷更頻繁的熱浪，培育具有氣候韌性的品種將成為確保產(chǎn)量穩(wěn)定的關(guān)鍵。”熊偉告訴《中國科學(xué)報》。
氣候韌性的復(fù)雜性狀育種是指在高產(chǎn)育種中更多引入具有環(huán)境適應(yīng)性的遠(yuǎn)源基因，如野生種、不同地區(qū)和極端環(huán)境下進(jìn)化的農(nóng)家種等，并針對這些品種對環(huán)境適應(yīng)的表型特性或特定基因，進(jìn)行雜交和選擇或者基因?qū)牒途庉?，從而增加品種的適應(yīng)性。但開展這項工作的前提，是對這些環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的品種的表型性狀、基因特征、適應(yīng)性機(jī)制進(jìn)行深入研究。
農(nóng)民可選品種范圍更窄了
CIMMYT每年在全球90多個國家和地區(qū)的650個試驗點鑒定1000份以上小麥新品種新品系。研究團(tuán)隊使用全球品種區(qū)域試驗中的3652份新品系建立了一個定量遺傳模型，模擬了這些品系對過去（1981—2020年）和未來（到2100年）氣候情景的產(chǎn)量反應(yīng)，并評價了每份品系在不同氣候條件下的反應(yīng)。
研究表明，不同小麥品系對溫度升高的產(chǎn)量反應(yīng)存在很大差異。在2011—2020年試驗地點的溫度平均升高0.26℃的情況下，適應(yīng)這種變化的品系不到1/3，而適應(yīng)變化的表現(xiàn)僅在1/4的試驗環(huán)境下是穩(wěn)定的。此外，氣溫每上升1℃，所培育的小麥品種的環(huán)境適應(yīng)能力將下降8.7%。
“氣候變化可能會限制發(fā)展中國家農(nóng)民選擇優(yōu)良品種的范圍?！焙沃谢⒔忉屨f，氣候變化的主要特征是不同地區(qū)的環(huán)境差異變大，同一地區(qū)不同時期的環(huán)境差異也變大。
氣候變化加大了對品種廣適性的要求，不僅要求風(fēng)調(diào)雨順時高產(chǎn)，也要求發(fā)生災(zāi)害時有一定的抗逆能力，還要求能適應(yīng)多地的環(huán)境。由于這樣的品種少之又少，農(nóng)民可選擇的范圍非常有限。如果進(jìn)一步考慮更多的氣候變化問題，如減排、提升投入利用效率等，農(nóng)民可選擇品種的范圍就更窄了。
熊偉認(rèn)為，在這種情況下，育種工作需要考慮氣候變化導(dǎo)致的更復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境。比如，專門針對黃淮麥區(qū)的半干旱區(qū)，進(jìn)行高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗廣適性冬小麥育種；針對西南潮濕地區(qū)，開展高產(chǎn)抗病育種工作。
需創(chuàng)新育種策略
這項研究還表明，目前很多地區(qū)的育種工作尚未把應(yīng)對氣候變化或抗熱作為品種選育的重要目標(biāo)。主要原因是品種育成后通常會在不同環(huán)境下進(jìn)行試種，育種人員認(rèn)為這種多點試驗已經(jīng)可以反映出氣候變化的因素。但實際上，多點試驗往往只在少數(shù)站點開展，且只進(jìn)行一兩年，并不能全面反映環(huán)境差異或可能的溫度上升范圍。
“為了應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，育種策略必須系統(tǒng)地將與氣候韌性相關(guān)的性狀納入育種規(guī)劃?！毙軅フJ(rèn)為，適應(yīng)氣候變化，急需育種創(chuàng)新。
目前，CIMMYT、國際水稻研究所等國際公立育種機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行生理育種。熊偉介紹說，生理育種是利用生理性狀選擇培育抗熱節(jié)水、具有廣泛環(huán)境適應(yīng)性的新品系。
生理育種不斷引入不同的適應(yīng)能力強(qiáng)的重要基因，保證小麥新品系的遺傳多樣性和表型穩(wěn)定性；相比之下，商業(yè)育種則不斷優(yōu)化選擇過程，使得基因多樣性不斷降低，逐步形成與其他地區(qū)或外源品種的基因隔離。
“由于種種原因，不同國家的品種資源交流受到很大制約，所以這種基因隔離現(xiàn)象在短期內(nèi)很難改變。而生理育種是打破隔離的主要途徑之一。”熊偉說，很多野生品種有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，生理育種可以將廣適性基因?qū)氍F(xiàn)有推廣品種，增強(qiáng)高產(chǎn)品種的環(huán)境適應(yīng)能力。
熊偉強(qiáng)調(diào)，系統(tǒng)創(chuàng)新育種方法需要多學(xué)科合作，包括生理育種、全基因組選擇、基因發(fā)掘和基因編輯等，以及持續(xù)分析基因型、表現(xiàn)型和環(huán)境數(shù)據(jù)。人工智能輔助模型可以測試各種雜交組合和選擇策略，能有效指導(dǎo)實際育種工作，并加速培育氣候韌性小麥品種。
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