杂交小麦育种与产业化

江亭

小麦是我国最重要的口粮之一，小麦产业发展直接关系到国家粮食安全和社会稳定。在我国三大主粮中，杂交水稻和杂交玉米都成功实现产业化，而小麦杂交育种受基因组复杂性所限，难度大、成本高，研究进展相对缓慢。近几年，我国科学家对小麦杂交育种的研究取得了突破性进展，实现了小麦杂种优势利用研究由“跟跑者”向“引领者”的全面跃升，随着杂交小麦技术的推广，未来10年将是我国杂交小麦产业推进、实现跨越式发展的重要机遇期。

关键词：杂交小麦;杂交育种;小麦产业化

我国是世界上最大的小麦生产国和消费国，小麦产量常年稳定在1.25亿—1.35亿吨，年度之间面积波动不大，主产区主要集中在黄淮海地区。国家统计局数据显示，2020年国内小麦总产量1.34亿吨，同比增加65.5万吨，处于历史较高水平。小麦国家工程实验室主任、国家小麦良种重大科研联合攻关专家委员会首席专家许为钢表示，按行政区划来看，河南省是全国乃至全世界最大的小麦主产区，小麦的平均单产达441公斤以上，高于全国水平，与世界最高单产的法国、荷兰、意大利等欧洲国家处于同一方阵，这样的成果与育种技术的提升密不可分。

20多年来，我国小麦育种在产量、品质、抗病等方面实现了全面提升，尤其是在高产、优质、节水等特性和外源基因导入、育种平台建设方面取得了重大进步。在杂交育种方面，过去5年，中国科学家不断攻克杂交小麦的技术壁垒，北京市农林科学院杂交小麦研发团队率先打通了以原创二系法为核心的杂交小麦全产业链，加速推进杂交小麦产业高质量发展，引领了世界杂交小麦研究与应用的发展方向。北京市农林科学院研究员，北京杂交小麦工程技术研究中心主任、首席专家赵昌平表示，经过几十年自主创新和不懈拼搏，中国科学家已经占据了全球小麦杂种优势研发高地，牢牢把住了中国小麦高端种业主动权。

小麦杂交育种面临的阻碍和技术突破

利用农作物的杂种优势提高产量、品质和抗逆性，是现代农业核心科技之一。所谓杂交种，即通过杂交两个亲本得到的后代种子。杂交种充分利用了杂种优势效应，可以提高生长势，增强病虫害抗性和提高产量。我国杂交水稻的成功种植让国人摆脱饥饿困境，对解决世界粮食安全问题也有着重要意义，玉米的杂交育种技术研发也非常成功。目前，杂交玉米、杂交水稻相继成功实现产业化。但是，同为世界三大粮食作物之一的小麦，受基因组复杂性所限，曾一度在杂交育种上停滞不前。杂种优势利用是今后大幅度提高小麦生产水平的重要途径，亦是世界百年科学难题，在2016年第七届世界作物科学大会上被国际同行称为作物科学领域的“最后的前沿”。

据预测，如果杂交小麦推广应用达到杂交水稻同等水平，我国每年可新增小麦产量约1200万吨（按照中国小麦年总产量1.2亿吨，10%增产来估算），将对保障国家粮食安全具有重大意义。

现有杂交小麦制种流程有个很大的瓶颈，就是制种成本很高，成为影响杂交小麦推广的主要障碍之一。先正达集团北京创新中心科学家吕建表示，粗略统计，生产一亩杂交小麦品种的成本，是一亩杂交玉米或杂交水稻成本的10倍左右。杂交小麦的研发和推广之路受限于昂贵的育种成本，其实根源在于小麦与水稻、玉米不同的物种特性。

据中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室副主任王克剑解释，杂交品种是父本和母本优势结合的产物。小麦和水稻一样，都属于雌雄同花，严格自交授粉作物。而要培育出杂交品种，就不能让这些母本自生自育，因此需要找到雄性不育系材料，让植株只具备母本特征，再与父本结合。杂交水稻和杂交玉米都可以选育出成本可控的雄性不育系，但杂交小麦却没那么容易。

赵昌平表示，在二倍体作物中，只要两组染色体上的基因保持协同和一致，性状改良就可以起作用。但小麦是六倍体，要六组染色体上的相关基因都保持协调和一致，难度明显加大，性状改良的代谢网络更加复杂。也正是因为这个原因，对于小麦而言，想要创造一个起作用且能稳定遗传的雄性不育与恢复系统，实现杂种优势利用，需要的周期更长，难度也更高。北京市农林科学院杂交小麦中心副研究员张胜全表示，寻找雄性不育遗传资源是实现小麦杂种优势利用的重要途径。

2013年，由中国农业科学院作物科学研究所与深圳华大基因研究院等单位合作，在国际上率先完成了小麦D基因组供体种——粗山羊草基因组草图的绘制。结束了小麦没有组装基因组序列的历史，标志着我国的小麦基因组研究跨入了世界先进行列。项目牵头人、中国农科院作科所研究员贾继增在当时表示，此次小麦D基因组序列草图的成功绘制，为粗山羊草的开发利用及进一步的品种改良奠定了基础，对小麦育种、小麦种质资源、小麦功能基因组、小麦进化及比较基因组研究将产生巨大的推动作用，有望使小麦常规育种与杂交小麦取得突破性进展。

据了解，我国小麦雄性不育突变体筛选始于几十年前，目前已经筛选到至少5个核基因编码的雄性不育突變体，被命名为Ms1—Ms5。其中Ms1和Ms5是隐性突变体，Ms2、Ms3和Ms4是显性突变体。克隆控制小麦雄性不育基因是利用雄性不育系规模化制备杂交小麦种子的关键。由于Ms2突变体的显性属性决定了它可以用于小麦育种并成为一个重要育种工具，但它很难用于规模化小麦杂交制种。为此，小麦隐性雄性不育突变体基因的克隆对创制规模化小麦杂交制种体系极为关键。

从1992年起，北京市农林科学院等科研团队在国际上率先发现了小麦光温敏雄性不育现象和材料。基于小麦光温敏雄性不育现象的发现，我国的小麦科学家从我国独有的BS系列小麦光温敏雄性不育种质中，首次发现并克隆了第一个小麦温敏雄性不育主效基因TaTMS1，发现其启动子有一个关键碱基变异，引起TaSL1对TaTMS1启动子结合增强，能在低温下降低TaTMS1表达;破坏TaTMS1与花药叶绿体内层TaATP1氧化区域互作，可导致能量供给出现紊乱和活性氧物质大量产生，最终致使雄性不育。小麦雄性不育基因的克隆为构建稳定、高效、规模化的杂交小麦制种技术奠定了基础，也为我国杂交小麦体系构建和成功利用不育系实现小麦杂种优势大面积应用提供了支撑。赵昌平表示，北京市农林科学院等科研团队历时20余年坚持自主创新，创制出了一批增产20%以上的强优势杂交小麦新组合，审定杂交小麦品种6个，实现了核心主产麦区审定品种“零”突破和国外审定品种“零”突破;在国际上率先创立了“中国二系杂交小麦技术体系”，很好地解决了困扰国际小麦界长达60多年的科学难题和技术瓶颈。

令人振奋的是，中国二系杂交小麦技术体系具有完全独立自主知识产权，其整体研发水平和应用速度领跑国际杂交小麦领域。近年来，陆续审定了京麦6号、京麦7号、京麦8号、京麦9号、京麦11、京麦179、京麦21等一批丰产稳产性好、抗旱节水能力突出的节水高效杂交小麦品种。例如，第二代超高产型新品种京麦9号，在河北唐山最高亩产达到739公斤，创造了高产纪录;抗盐碱杂交小麦品种京麦6号，在京津冀环渤海盐碱地多点实收平均亩产达500公斤以上。北京市农林科学院杂交小麦研发团队还积极探索全产业链关键技术创新，在国际上率先研发了杂交小麦全程机械化制种技术，真正实现了杂交小麦的大面积应用。

小麦“一减一增”背后的育种支撑

根据中国农业科学院近日公布的一组数据，我国小麦2020年播种面积比2011年减少2700万亩，但产量增加1300万吨。近几年，我国小麦种植面积整体呈下降趋势，小麦产量整体呈稳步增长态势。国家统计局数据显示，近年来，我国小麦种植面积在2016年达到了最大值2419万公顷，当年小麦产量12885万吨，实现单产5327.4公斤/公顷。到2020年，我国小麦种植面积降到了2338万公顷，较2016年降低81万公顷，小麦产量达到了13425万吨，较2016年增产540万吨，产量增加了4.19%，2020年实现单产5742.09公斤/公顷，单产增加414.69公斤/公顷。

中国农业科学院副院长、中国工程院院士万建民表示，一减一增的背后，是科技的力量。“十三五”期间，中国农业科学院围绕小麦全产业链开展了“藏粮于技”重大科研任务，新育成一批具有国际领先水平的小麦新品种，而且我国小麦品种全部为国产自育。

据了解，“十三五”国家重点研发计划“七大农作物育种”重点专项，育成了广适高产稳产小麦新品种“鲁原502”和超强筋早熟抗病小麦新品种“济麦44”，前者连续多年被列为农业农村部和省级主导品种，亩产突破800公斤，累计推广种植5738.5万亩;后者获得品种转让收益1500万元，创全国最高纪录。

近五年来，我国主要农作物基因组学研究取得飞速进展，在深度解析基因组结构变异、基因组演变规律及关键农艺性状基因克隆等基础研究领域取得了一系列前瞻性、引领性、原创性重大突破。在小麦领域，完成了小麦染色体级别的D基因组精细图谱的绘制;克隆出小麦太谷核不育基因Ms2和抗赤霉病基因Fhb1、Fhb7，大幅度提高了小麦育种效率。特别是在小麦育种方面，我国科学家不断攻克杂交小麦的技术壁垒，率先打通了以原创二系法为核心的杂交小麦全产业链，实现了小麦杂种优势利用和产业推广，在杂交小麦研究与应用领域走在世界前列。

目前，我国小麦需求主要包括食用需求、工业需求和饲用需求。据中国国家粮油信息中心首席分析师王晓辉透露，小麦食用需求相对稳定，年度间波动不大，属于城乡居民刚性消费，数量在9000万吨左右;工业需求主要以小麦为原料生产淀粉、酒精、酿酒等，需求量小幅波动，数量在1000万吨左右。饲用消费受小麦品质、玉米与小麦价差等因素影响，年度之间波动较大，近20年在700万—3500万吨之间波动，年平均1382万吨。

针对近年小麦进口，王晓辉表示，我国小麦种植品种主要为中筋品种，而进口多为高筋和低筋小麦。近20年，我国小麦年度进口量在4.3万吨（2008年）—838万吨（2020年）之间大幅波动，平均进口量（2000—2020年）265万吨。加入WTO以来，我国小麦进口量从未超过963.6万吨的关税配额，2020年小麦进口838万吨，创入世以来最大进口量。从“吃得饱”向“吃得好”转变，未来我国小麦进口仍将保持一定数量。

中国农科院作物科学研究员孙果忠在近日召开的2021中国农业展望大会上表示，我国小麦做到了供需平衡有余，单产处于国际先进水平，重大自然灾害已不足以威胁国家粮食安全，且良种全部为国产自育自供，覆盖率已达99%，生产全程机械化普及率96%以上，加工业快速发展，形成了较完备的小麦产业技术支撑结构。但目前小麦生产能力区域间差异显著，仍然存在自然灾害频繁、资源环境紧张的压力;加工产能过剩，加工利用率仅为45%，远低于70%的世界平均水平;小麦生产组织不强，经济效益不高，农民种植积极性较低。未来，我国要集成推广“一控、两减、三高效”的绿色生产技术;逐步建立“食品→面粉→小麦”为主体的市场需求型小麦产业链，推动小麦产业化和商品化发展，在种植、经销、加工等全产业链上共同分享小麦的红利;不断提升技术研发水平，使我国由小麦生产和消费大国发展成为小麦产业技术创新强国。

杂交小麦产业化优势与现状

赵昌平表示，雜交小麦是世界上唯一尚未开发的主要粮食作物杂交种业，产业潜力巨大，预计每年可创造市场价值300亿—500亿元，国内市场每年可达30亿—50亿元，每年可减少灌水约10亿立方米，减少经济投入约10亿元。目前我国杂交小麦的应用现状相当于杂交水稻20世纪80年代初期的状况，未来10年将是我国杂交小麦产业推进、实现跨越式发展的重要机遇期。

2017年3月，河南省邓州市与北京市农林科学院成立了迄今为止国内唯一的杂交小麦产业化基地。依托我国原创的“中国二系杂交小麦技术体系”，按照现代产业全产业链一体化设计，以围绕国际前沿、攻克产业核心技术为方针，开展杂交小麦品种创制、规模化高效种子生产、杂交小麦示范推广与产业化等内容。目前，邓州腰店、十林、刘集等乡镇共种植京麦系列杂交小麦种子5000余亩，机械化率达到90%，京麦系列全程机械化种子生产体系已初步构建完成，良种产量也连续三年突破300公斤每亩，进入大田应用和产业化生产阶段。据了解，经过4年的努力，邓州国家杂交小麦项目产业化基地已经选育出4代不育系和辅助系良种小麦，并在我国黄淮等主产麦区、环渤海盐碱地带和“一带一路”沿线巴基斯坦、乌兹别克斯坦等国家和组织推广种植。

2020年，北京杂交小麦品种京麦9号在河北省廊坊市试种，平均亩产达到了600公斤以上，创下了规模化连片小麦的高产佳绩;京麦9号在山东省滨州市盐碱示范田试种，亩产达到了490公斤，北京杂交小麦让中低产田增产30%-50%。

北京杂交小麦正在成为我国北方麦区中低产田稳产增产的助推器。优势互补，协同推广是北京杂交小麦成果转化的特色。2016年以来，京津冀农业企业、科研院所和农技部门协同创新，组建了京津冀杂交小麦联合测试网络，依托测试网络筛选的杂交小麦新品种，在北京、天津、河北、山西、山東等地进行了大面积推广种植。此外，北京市农林科学院联合20余家上述五地的种业企业，在北方冬麦区布置杂交小麦联合示范区超过200个，年推广种植面积快速增长，实现了科技创新和产业应用的协同加速效应。据初步统计，“十三五”以来，北京杂交小麦在北方麦区应用面积达到30万亩/年以上，成功迈出了产业化第一步。

在培育杂交小麦优良新品种的同时，北京市农林科学院将杂交小麦的成果转化延伸到了产业链中下游。北京市农林科学院杂交小麦中心博士张胜全说，“我们先后开发了杂交小麦混播制种、全程机械化制种、化控辅助种子收获、节水抗旱配套栽培、种子活力提升、高质量粮食收储等产业化关键技术，在杂交小麦制种节本增效、中低产田良种良法配套等方面，通过科技创新实现了产业链的初步贯通。”好种子不仅要有好收成，对产业链下游的收储、加工企业而言，还要有好的商品性。北京市农林科学院还开发了杂交小麦优质优价收储方案，带动了杂交小麦推广。据张胜全介绍，“十三五”以来，北京杂交小麦商业化育种及测试规模扩大2倍，育种速度及效率提高3倍，杂交小麦研发推广团队人员及规模扩大3倍，杂交小麦种业实现了科技研发向商业化育种的转型。

自2012年，北京市农林科学院/北京杂交小麦工程技术研究中心就开始了北京杂交小麦向巴推广的工作。从当时的初步探索到产业化，北京杂交小麦经历了8年在巴基斯坦的实验与展示。2020年，在离北京5000公里外的巴基斯坦拉合尔市郊的杂交小麦示范田，在超低播种量情况下，北京杂交小麦试种比正常播种量的当地主导品种增产了20%以上。张胜全曾表示，北京杂交小麦在巴基斯坦推广意义重大。对外农业合作是实现“一带一路”宏伟构想的重要内容，我国小麦研发水平居世界前列，具备了将小麦杂种优势利用等技术快速应用于“一带一路”国家的基础。这对保障区域粮食安全、重塑国际农业规则、促进合作共赢、推动中国农业高技术走向世界有着积极影响。

到2020年，北京市农林科学院已经在巴基斯坦、孟加拉国、乌兹别克斯坦等国开展了二系杂交小麦测试与示范，初步建立了覆盖西亚和中亚区域的二系杂交小麦联合测试示范网络，累计测试示范网点超过30个，累计测试组合超过500个。

赵昌平表示，“源头创新在北京、组装生产在全国、推广辐射在全球”的杂交小麦商业化育种体系已初步构建，北京杂交小麦将开创中国杂交小麦产业化的新时代。