麦田里的守望者——刘秉华

本刊记者/王圣媛 吴浪

麦田里的守望者
——刘秉华

本刊记者/王圣媛 吴浪

粮食问题始终是关系我国国民经济发展和全面建设小康社会的重大战略性问题。确保粮食安全是我国农业可持续发展永恒的主题，是我国农业科技工作的重大基础性战略任务。粮食安全必须通过扩大自主生产能力的途径来保证。小麦作为我国第二大粮食作物，其生产能力的高低直接关系到我国粮食安全和国民经济的发展。在耕地锐减的严峻形势下，培育有突破性的小麦新品种来大幅度提高小麦单产，以提高单产来稳定和提高小麦总产是我国小麦生产面临的迫切任务，而向依靠科技进行育种技术的创新是培育小麦超高产优良品种的关键。

中国农业科学院作物科学研究所研究员、博士生导师刘秉华，利用遗传育种技术，历经数年成功研制矮败小麦及其高效育种技术新体系，树立了小麦遗传育种史上重要的里程碑，使我国小麦育种技术研究实现了革命性突破。这位“麦田守望者”在中国农业科学院原院长翟虎渠等领导的支持下，带领团队推出的“矮败小麦及其高效育种方法的创建与应用”荣获2010年度国家科学技术进步奖一等奖。这项拥有自主知识产权、国际领先的创新成果曾被“绿色革命之父”、诺贝尔奖获得者布劳格博士誉为“小麦育种的革命”。

发现小麦基因定位新方法

矮败小麦是指具有矮秆基因标记的太谷核不育小麦。为我国特有的遗传资源，其创制者就是刘秉华。

1979年，从河南鄢陵农村走出来的刘秉华考取了中国农科院作物所作物遗传育种专业的研究生，师从国内外知名育种科学家、法国农业科学院外籍院士邓景扬研究员。

当时，我国已经发现了后来被称之为“国宝”的“太谷核不育小麦”。这种特殊小麦的雌蕊柱头发达，雄花完全退化、败育，开花时颖壳张开角度大，柱头外露，便于接受外来花粉，异交结实率很高。雄性不育品种是进行作物群体改良和大规模生产杂交种的工具，是遗传育种工作者重要的研究对象。邓景扬等通过遗传分析，明确了太谷核不育小麦的不育性受一个显性单基因所控制，这是个我国科研人员在世界上首次发现的小麦显性雄性不育天然突变体。但由于太谷核不育小麦基因性质特殊，不能用常规方法进行基因定位，痴迷遗传学的刘秉华决定以此作为自己的研究生论文题目。

有了明确的定位和目标，刘秉华就铆足了劲开始干起来。他运用自身已有知识，查阅大量资料，仔细思考研究，终于想到了用显微镜观察染色体，根据外部表现和染色体的行为进行综合分析定位的方法。经过温室和异地加代的回交种植以及对数千株太谷核不育小麦的细胞学检测和遗传分析，刘秉华创立了小麦显性核不育基因定位新方法，即以四倍体(AABB)硬粒小麦和二倍体(AA)一粒小麦为轮回父本，与太谷核不育小麦(AABBDD)杂交并连续回交，根据回交后代育性分离比率变化，确定太谷核不育基因Ms2所在的染色体组；又经过端体分析，成功定位太谷核不育基因。

他的这项研究成果，立即在国内通过最高学术权威的鉴定；还被国际基因组织认可并登记，刊登于国际权威的植物育种刊物，同时作为大学教材给学生讲授。

创造矮败小麦

虽然成功定位了太谷核不育基因，但是刘秉华的研究之路还很遥远，因为很多研究人员用太谷核不育小麦和矮秆作物资源杂交，培育带有矮秆不育基因的小麦都没有成功，他希望能给太谷核不育小麦做“不育基因标记”，使其真正成为作物群体改良和大规模生产杂交种的便利工具。

他推断，只要加大种植规模，小麦有关基因就能交换到一起，就可能得到不育的矮秆类型。于是，为打破高秆与雄性败育的紧密连锁，获得矮秆与雄性败育的重组类型，刘秉华将测交后代群体由第一轮的321株，先后扩大到3248株和5216株。经历一次次的失败后，刘秉华丝毫没有灰心。终于，经过大量细致的表型鉴定和细胞学研究，他从累计8785株群体中发现1株显性不育基因Ms2与显性矮秆基因Rht10紧密连锁在一起的重组体，表现为既矮秆又雄性不育的植株。其后代群体中分离出了矮秆不育株和非矮秆可育株。该矮秆不育株授以非矮秆品种的花粉，其后代的矮秆株表现雄性不育，非矮秆株表现正常可育，二者的分离比为1:1。由于矮秆株总是表现雄性败育，因此这种具有矮秆基因标记的太谷核不育小麦被命名为“矮败小麦”。

矮败小麦具有以下特点：不育基因与矮秆基因紧密连锁；易于鉴别不育与可育；利于提高异交结实率；避免轮选群体植株逐轮升高；集异花授粉与自花授粉的特性于一体；是一种高效的育种工具。

轮回选择技术助育种

研究小麦育种的人都知道，小麦轮回选择育种技术能创造丰富的遗传变异，实现包括主效基因和数目众多的微效基因的持续优化与重组；能打破不良基因的连锁，通过基因重组获得最佳的基因型组合。再加之小麦轮回选择群体大，变异类型多，提供了充分的选择机会，为选育突破性新品种打下了坚实的遗传基础，因而容易选育出复合育种目标的新品种。但其关键是必须有便于开展小麦轮回选择的工具。矮败小麦继承了太谷核不育小麦雄性败育彻底、不育性稳定，异交结实率高的优点，同时减少了鉴定育性的大量劳动，避免轮选群体株高渐升的弊端，是理想的轮回选择工具。

作为矮败小麦的创制者，刘秉华研究员带领的课题组经过10多年的反复实践与探索，将20份不同遗传背景的矮败小麦，按照一定比例，组成遗传基础丰富的轮回选择基础群体，并研究出一套方便实用且相对量化的轮回选择技术。该技术核心内容是通过轮选群体花粉源选择与控制，以及矮秆不育株分期多次选择，不断优化父本与母本；通过父本(轮选群体内非矮秆可育株、优异种质、选种圃优良植株等)与母本(矮秆不育株)杂交，实现基因的大规模交流与重组。收获矮秆不育株上得到优化的杂交种，组成新一轮群体。循环往复，不断优化群体遗传结构和个体基因型，持续进行优异种质创制和新品种选育。每轮群体都是由上一轮群体的矮秆不育株异交种子混合而成，其遗传构成的一半来自矮秆不育株(母本)，另一半来自给矮秆不育株授粉的父本。因此，保证矮秆不育株(母本)和花粉供体(父本)的遗传质量，是轮回选择成败的关键。同时，他还利用矮败小麦和轮选技术，首先建成高产、优质、多抗等类型的动态基因库，不断选育有关性状突出的优异种质。

传统的杂交育种，靠人工去雄授粉配制杂交组合，费工费时，效率较低。将优异种质和各生态区大面积推广品种转育成矮败小麦，进行单交、复交、阶梯杂交等，采用矮败小麦轮回育种技术选育出的品种能将高产、优质和多抗协调地融为一体，显示出矮败小麦育种技术的高效性。

刘秉华及其课题组通过轮回选择和试验，打破不利遗传连锁，协调基因互作关系，聚合有益基因，有效解决高产与多抗、高产与广适、矮秆与高产、优质与高产等诸多矛盾，育成一批突破性小麦新品种。如利用矮败小麦高效育种方法育成轮选系列、川麦系列等超高产新品种；通过冬春杂交，构建矮败小麦轮选群体，育成淮麦系列等高产、稳产、广适新品种；利用20份优异种质构建优质抗病矮败小麦轮选群体，经过连续几轮“选择——互交”，使群体得到改良，从中选育出优质弱筋新品种豫麦50；利用矮败小麦轮选技术育成中旱110等抗旱节水品种等。

刘秉华教授给意大利记者讲解矮败小麦

刘秉华教授观察矮败小麦育成的新品种

矮败小麦育种技术在小麦育种上的广泛应用，将对小麦育种学科发展产生具有历史意义的深远影响。“这是国家颁给广大农业科技战线所有工作者的荣誉，体现了党对‘三农’工作的重视与关爱。也说明农业的进步必须依靠科技进步来支撑。虽然我为这个项目付出了多年的心血，值得！”获得2010年度国家科学技术进步一等奖时，刘秉华研究员的一番获奖感言表达了他对农业科技工作的无限热忱！