2024-08-13 10:50:24
“氣溫每上升1℃，所選育的小麥品種的環(huán)境適應能力將下降8.7%?！?/p>
國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）河南中心與中國農業(yè)科學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)境的關系，得出了上述結論。近日，相關研究成果在線發(fā)表于《自然-氣候變化》。
論文第一作者兼通訊作者熊偉建議，未來必須對現有育種策略進行調整，增加抗逆高產品種的遺傳多樣性，以適應不斷增加的極端天氣事件。
CIMMYT首席科學家、華中農業(yè)大學教授Ravi Singh認為，該研究是一項開創(chuàng)性的工作，可以指導氣候韌性育種。
高產品種抗逆能力降低
“氣候變化嚴重威脅全球農作物生產，培育適應氣候變化的作物新品種是確保未來糧食安全的關鍵。目前育種周期一般在10年以上，因此迫切需要改進現有作物育種方法，提升品種韌性?！焙幽限r業(yè)大學特聘教授、負責CIMMYT河南中心研究及日常工作的熊偉表示，“小麥是全球種植最為廣泛的主要糧食作物，其適應能力的提升至關重要?！?/p>
論文作者之一、中國農業(yè)科學院作物科學研究所研究員何中虎說，發(fā)展中國家的育種一直以高產為主要目標，通常做法是在高產親本的基礎上，不斷引入更多產量性狀優(yōu)良基因或其他需要關注的優(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，育成品種與自然進化條件下形成的品種之間的基因差異會越來越大，使高產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，并且經歷更頻繁的熱浪，培育具有氣候韌性的品種將成為確保產量穩(wěn)定的關鍵?！毙軅ジ嬖V《中國科學報》。
氣候韌性的復雜性狀育種是指在高產育種中更多引入具有環(huán)境適應性的遠源基因，如野生種、不同地區(qū)和極端環(huán)境下進化的農家種等，并針對這些品種對環(huán)境適應的表型特性或特定基因，進行雜交和選擇或者基因導入和編輯，從而增加品種的適應性。但開展這項工作的前提，是對這些環(huán)境適應性強的品種的表型性狀、基因特征、適應性機制進行深入研究。
農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）氣候情景的產量反應，并評價了每份品系在不同氣候條件下的反應。
研究表明，不同小麥品系對溫度升高的產量反應存在很大差異。在2011—2020年試驗地點的溫度平均升高0.26℃的情況下，適應這種變化的品系不到1/3，而適應變化的表現僅在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)境適應能力將下降8.7%。
“氣候變化可能會限制發(fā)展中國家農民選擇優(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，不僅要求風調雨順時高產，也要求發(fā)生災害時有一定的抗逆能力，還要求能適應多地的環(huán)境。由于這樣的品種少之又少，農民可選擇的范圍非常有限。如果進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，農民可選擇品種的范圍就更窄了。
熊偉認為，在這種情況下，育種工作需要考慮氣候變化導致的更復雜的生態(tài)環(huán)境。比如，專門針對黃淮麥區(qū)的半干旱區(qū)，進行高產優(yōu)質多抗廣適性冬小麥育種；針對西南潮濕地區(qū)，開展高產抗病育種工作。
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對氣候變化或抗熱作為品種選育的重要目標。主要原因是品種育成后通常會在不同環(huán)境下進行試種，育種人員認為這種多點試驗已經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站點開展，且只進行一兩年，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的性狀納入育種規(guī)劃。”熊偉認為，適應氣候變化，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構正在進行生理育種。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)境適應性的新品系。
生理育種不斷引入不同的適應能力強的重要基因，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象在短期內很難改變。而生理育種是打破隔離的主要途徑之一?！毙軅フf，很多野生品種有很強的適應能力，生理育種可以將廣適性基因導入現有推廣品種，增強高產品種的環(huán)境適應能力。
熊偉強調，系統(tǒng)創(chuàng)新育種方法需要多學科合作，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、表現型和環(huán)境數據。人工智能輔助模型可以測試各種雜交組合和選擇策略，能有效指導實際育種工作，并加速培育氣候韌性小麥品種。
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