高纬度寒冷地区水稻育种现状及展望

商全玉刘安晋王松张习文刘显元吴俊彦张文忠

（1黑龙江省农业科学院黑河分院，黑龙江黑河164300；2沈阳农业大学 东北粳稻遗传改良与优质高效生产省部共建协同创新中心，辽宁 沈阳110866；第一作者：shangquanyu11@163.com；*通讯作者：zwzhong@126.com）

水稻是最重要的粮食作物之一。我国作为水稻生产大国和消费大国，超过60%的人口以稻米为主食。随着人们生活水平的提高，市场上对粳稻的需求持续增加，粳稻生产在保障我国粮食安全中具有举足轻重的地位[1]。进入21世纪，粳米在国内稻米市场的主导作用越来越强，同时价格也一路上涨[2]。发展粳稻生产面积，提高粳稻产量和品质，对保障我国人民的口粮安全和社会和谐发展意义重大。

黑龙江是我国粳稻生产第一大省，水稻种植面积和产量均占全国的12.7%以上，是国家粮食安全的“压舱石”。黑龙江省水稻主产区是二、三积温区，但这两区继续增加种稻面积的潜力已经较小，而高纬度寒冷地区的四、五积温区却大有潜力可挖[3-4]。高纬度寒冷地区粳稻种植面积在70万hm2左右，约占黑龙江省水稻种植面积的20%左右。这一地区生态条件特殊，气候寒冷，无霜期短，对水稻育种有特殊需求，水稻育种工作中需要将熟期早、抗低温冷害能力强放在首位。本文回顾了黑龙江高纬度寒冷地区水稻育种历史，小结了其育种现状，并对未来的发展方向进行了展望。

1 高纬度寒冷地区水稻育种历史

黑龙江省属于大陆性季风气候，是一年一熟高纬度早熟水稻生产区，地理纬度决定了其年平均气温低、无霜期短（平均130 d）、昼夜温差大的生态条件，寒冷的生态环境形成了水稻品种特殊的生态类型。而位于黑龙江省以四、五积温带为代表的高纬度寒冷地区气候条件更为严苛，对水稻育种提出了更高要求。于1958年成立的黑龙江省农业科学院黑河分院（原名黑河农业科学研究所）是我国最北部一所综合性省级农业科研机构，位于黑河市（北纬50°15′），建所伊始就成立水稻试验站开展水稻新品种选育[5-6]。受科研条件和技术水平所限，当时主要进行纯系育种[7]，即从品种原始群体中选择变异株进行品种选育。代表性的品种是黑粳1号。当时水稻面积小，低温冷害频发，栽培技术水平落后。

1975年黑龙江省农业科学院黑河分院审定推广了高纬度寒冷区首个杂交选育而成的水稻新品种黑粳2号，之后相继审定通过黑粳3、4、5、6、7、8号等品种，为黑龙江省高纬度寒冷地区的水稻发展奠定了品种基础。这些品种早熟性突出，叶片少（9片叶），生育期衔接紧密，早生快发，营养生长迅速，生殖生长期短，直播种植全生育期85～100 d，插秧种植全生育期110～120 d，需活动积温1 900℃～2 150℃；耐寒性强，具有较强的耐低温发芽能力、苗期耐低温能力和孕穗期耐低温能力；丰产性好，插秧栽培产量稳定在6 000 kg/hm2以上（表1）。得益于这些品种的选育，当地水稻种植面积稳步发展。

表1 1975—2010年高纬度寒冷地区部分育成品种特性

2 高纬度寒冷地区水稻育种现状

2010年以来粳稻价格持续走高，黑龙江省委省政府提出了水稻“北扩”的发展战略。2011年黑龙江省农业科学院黑河分院进行了“旱改水”生产示范，示范面积6.7 hm2，通过采用三膜覆盖增温技术和全程机械化等操作流程，每667 m2水稻平均产量500 kg、纯收入550元，分别是种植大豆的3.3倍和2.7倍，由此，水稻种植面积在这一地区迅速扩大。

经过40多年的探索和研发，黑河分院水稻育种团队针对黑龙江四、五积温带有效积温少、春秋冷凉、夏季高温时间短的生态特点，创建了以“低世代双冷结合”和“高世代熟期后移”为核心的寒地超早熟优质粳稻育种技术。利用“低世代双冷结合”技术解决了超早熟区的耐冷难题，在F2代至F4代采用冷水灌溉结合黑河冷凉的自然低温，实现超早熟和耐冷的结合。利用“高世代熟期后移”技术解决超早熟区的优质难题，利用品质遗传具有细胞质遗传的特点，以日本早熟优质品种为母本，以当地超早熟高产耐冷资源为父本，通过温室遮光解决花期不遇问题，保证最大的优质血缘。同时，利用高世代材料晚播晚插，使高世代材料遭遇早秋低温，以高出米率和低垩白作为关键选择指标，实现超早熟和优质的结合。通过两个关键技术的创制，建立了寒地超早熟优质粳稻育种技术体系，为黑龙江省超早熟水稻新品种的选育奠定了技术支撑。

通过体系构建，成功选育出黑龙江省第1个第五积温带审定品种黑粳10号，该品种填补了黑龙江省第五积温带没有审定水稻品种的空白[8]。黑粳10号是超早熟9片叶品种，全部米质指标达到国家优质稻2级标准，引领黑龙江省四、五积温带米质指标由国标3级到国标2级的飞跃。2018年审定推广的黑粳9号是一个长粒香型超早熟水稻品种，米质优，茉莉清香型，口感好[9]。黑粳9号和黑粳10号品种经销权转让给了齐齐哈尔市富尔农艺有限公司，为品种育成单位黑龙江省农业科学院黑河分院带来成果转化收入325万元，创造了高纬度寒冷地区水稻品种转化之最。

由于高纬度寒冷地区水稻种植面积的扩大，省内其他科研单位和种业公司也投入相当大的科研力量，黑龙江省高纬度寒冷地区水稻育种迎来了“百花齐放，百家争鸣”的时代。黑龙江省农业科学院水稻研究所先后育成了龙粳47和龙粳48等品种，黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所育成了龙稻111等品种，黑龙江省农垦总局建三江分局农科所育成了三江1号等品种，黑龙江省监狱管理局农业科学研究所育成了龙盾106，庆安县北方绿洲稻作研究所育成了龙庆稻2号，黑龙江田友种业有限公司和中国农业科学院作物科学研究所联合育成中农粳179等品种（表2）。这些品种的成功选育，丰富了高纬度寒冷地区水稻种植品种选择，进一步促进了该区域水稻产业发展。

表2 高纬度寒冷地区近年选育的部分品种特性

3 高纬度寒冷地区水稻育种展望

高纬度寒冷地区水稻育种难度大，存在的共性问题是育种手段相对落后、理论缺乏创新、突破性品种数量少、育成品种的品质与高纬度积温区还存在一定差距等。

3.1 加强对国内外优异种质资源挖掘利用与创新

优异种质资源是育成优良品种的前提条件。但由于黑龙江省水稻生产历史短，水稻育种起步也相对较晚，资源不丰富，品种资源间血缘关系近。应加强寒地优异种质资源，特别是日本、韩国等地优异种质资源的保护、挖掘和利用[10-11]。可以采用远缘杂交、籼粳杂交、EMS诱变[12]、航天辐射育种、分子育种等多种技术导入现有资源有益基因，丰富其遗传多样性，拓宽其遗传基础。

3.2 加强育种理论与技术创新，提高育种理论和技术水平

黑龙江省北部高纬度寒冷地区育种手段和育种技术水平落后，各育种单位缺乏有效联合，种质资源不丰富，育种理论与技术创新能力不足的问题凸显。具体体现在原始性创新不足、科研盲目跟风严重、相似品种多、缺乏关键性的创新与理论突破。鉴于此，中国科学院、中国农业科学院和省内外高等院校与当地育种单位联合开展分子标记辅助选择育种、转基因育种等合作。今后，本地育种单位要依据黑龙江省实际情况，取长补短，发挥优势，从品种资源多样性分析、材料创新、表型分析、基因型检测和标记筛选等，到优良品种培育的系统技术路线和适用、经济、高效的分子育种技术体系建立等方面创新发展，突破常规育种技术难题，选育出突破性水稻品种。

3.3 加强稻米品质育种，提升稻米品质

目前黑龙江省高纬度寒冷地区通过审定的水稻品种数量较多，但优质的品种较少。黑龙江省水稻审定标准2018年做出修改，主要米质指标由国标3级优质米提高到国标2级优质米。当地生产的稻谷主要进入国储粮库，增加了库存压力。今后，要加大优良食味品种的选育，同时加大对香稻[13]、糯稻、特种稻等的选育力度。并延长稻米产业链，增加产品竞争力，提升稻米生产附加值。

3.4 加强抗性育种

高纬度寒冷水稻生产区低温冷害发生频繁，3～5年一小发生，8～10年一大发生，虽然随着全球气候的变暖，近年来活动积温上升明显，但仍要提防低温冷害影响。稻瘟病也是该区域最主要的病害，稻瘟病受品种遗传影响较大，而遗传基础狭窄，增加了稻瘟病发生的风险。受台风的影响，尤其是抽穗期至成熟期的台风影响越来越频繁，水稻倒伏严重，像2020年台风“美莎克”就对当地水稻生产造成严重影响。在今后水稻育种中要选育集抗低温冷害、抗病、抗倒伏等综合抗性于一身的品种。

3.5 加大耐盐碱育种

位于黑龙江省松嫩平原西部的齐齐哈尔、大庆等地，分布着大量盐碱地，2014年黑龙江省的盐碱地总面积已超过200万hm2，并且还在以每年2万hm2的速度增加，形势严峻。2021年启动建设国家耐盐碱水稻技术创新中心，这是全国农业领域首批启动建设的3个国家技术创新中心之一。国家耐盐碱水稻技术创新中心东北中心落户于黑龙江省农业科学院，根据方案布局要求，黑河分院成立国家耐盐碱水稻技术创新中心东北中心黑河试验站，开展早熟极早熟耐盐碱种质资源筛选、鉴定和品种创制工作。黑河试验站的建立将为北部高纬度寒冷地区水稻育种增加新内容。

3.6 加大直播育种

近年来随着劳动力的流失，插秧种植成本不断上升，以直播为代表的轻简栽培技术发展迅速。直播技术的兴起，必然带动直播品种的需求。目前黑龙江省没有审定直播水稻品种渠道，也没有审定的专用直播水稻品种，现有的直播用种都是从插秧稻品种筛选而来。直播面积的迅速扩大，增加了早熟极早熟水稻品种应用面积，建议今后要选育比当地插秧种植早熟5～7 d的品种，另外要重点选择种子萌发能力强，尤其是耐低温萌发能力强的品种，同时也要考虑其抗倒伏能力、抗病性和产量。

3.7 加强开展富集微量元素的水稻种质创新育种

黑河五大连池风景区以优美的自然景观和地质构成享誉海内外。当地矿泉水资源丰富，矿泉水中含有多种人体必需的微量元素，据检测发现，采用当地矿泉水灌溉的大米中各种微量元素相应提高。今后要通过育种手段和技术措施，把控制各微量元素含量的基因导入到当地优良水稻品种之中，通过当地独特的五大连池矿泉水资源灌溉，创制出一系列微量元素含量丰富的水稻种质和产品，满足市场需求。

3.8 加强科研单位与种子企业交流

品种是种业的“芯片”。目前高纬度寒冷稻作区水稻育种还是以科研单位为主，科研育种单位优势明显，有丰富的人才基础、多年的育种经验、先进的技术手段。种子企业有种子生产设备和场地、完善的市场渠道。科研单位与种子企业要发挥各自长处，通过创新合作形式和内容，各取所需，各尽其能，形成具有育种、制种、销售、服务于一体的水稻产业技术联盟，应对跨国种业对我国种业市场的威胁和挑战。

4 结语

经过几代人的努力，我国水稻育种在世界上已处于较为先进的水平。早熟极早熟水稻品种的选育在世界各国水稻育种中都很受重视，但受地理环境的局限，适于北纬48°以北高纬度寒冷地区栽培的水稻品种还不多。日本北海道留萌地区（北纬44°43′）是日本最北的稻作区[14]，但与目前我国高纬高寒地区相比，不仅纬度低，而且种稻面积小，产量也不高。早熟极早熟水稻品种的成功选育和大面积种植，发展和丰富了我国和世界高纬度地区稻作技术，意义重大。