农业可持续发展与植物育种发展策略探讨

1农业可持续发展与作物育种发展策略探讨石明亮江苏沿江地区农业科学研究所作物育种学的根本任务是对作物进行遗传改良，不断提高农作物的产量和品质，增强其适应性和抗逆性，促进作物生产的持续发展，以满足社会、经济和人民日益增长的对农产品的需求。1世界遗传育种面临的挑战及其对策1.1挑战2005年世界人口已达65亿，到2025年世界人口将达到80亿；科学家预计，到2050年世界人口将达到近100亿。目前将面临如下挑战：1.1.1绿色革命的品种改良，使产量持续上升，今后虽还有一定的增产潜力，但增产潜力的空间不大1961—1966年间，除非洲外,有些发展中国家粮食的产量几乎增长了一倍。1977-1986年间，全世界的粮食产量以每年2.42%的速度增长，而发展中国家以年3.16%的速度增长。但到1987-2001年间，年增长率已呈现较大的下降趋势。而可耕地面积在这些年间发展中国家仍以年0.25%的速度增长。2020年前食物和饲料的人口安全生产需要必须有年1.2%的比率增长。1.1.2灌溉的改良等，可耕地面积等已没有多大的增长空间过去由于灌溉的改良，在粮饲持续增长上起了决定性的作用。目前世界仍有一半人口生活在水资源短缺的环境。由于现代化的建设，熟化、肥沃的可耕地面积正持续下降；由于全球的温室效应，海平面上升，全球陆地面积有下降的趋势。还有全球的气候正不断恶化，高温、低温的变化幅度正在加大，恶劣的自然灾害发生较为频繁。1.1.3化肥、农药等的投入以及后来的遗传上的发明、发现，使产量达到一个很高的水平综上所述，过去在优良品种、灌溉、化肥、农药等方面的持续增长的投入、以及一些新遗传发明、发现，带来的产量不断增长，现在潜力已大部分耗尽。1.1.4绿色革命也给环境带来了影响病、虫与优良品种的抗性间形成互抗的关系，农民使用持续增加的杀虫剂等也增加了昆虫由于自然选择产生的抗药性，不仅淘汰了现有的安全农药，而且灭绝了环境中昆虫的天敌。科学的脆弱威胁着食品与饲料生产的持续增长。绿色革命使品种单一化，植物、农作物的多样性降低，生物的多样性降低。1.2新世纪需要一次新的绿色革命1.2.1新的绿色革命只能在品种改良上水、化肥、农药、矮化品种的技术等已不能再持续地发挥增长的作用，过去的技术多数还是在水源较充裕的地区发挥了作用，今后的技术将不得不在干旱地区、土壤结构极差、基础设施极为落后的地区实施。抗旱育种、耐瘠薄、耐盐碱、抗虫、抗病、高光效、氮、磷、钾高效利用、优良品质、特殊品质、工业原料利用等新一轮绿色革命基因的利用。如西非水稻改良协会的科学家育成了结合了西非亲本的杂草控制能力与抗旱特性及亚洲亲本的高产特性的新品种。又如育成水稻既高产又耐铁、锌缺乏品种。当然在那些贫穷的边远地区，起码的购买力、新技术接受能力、劳动技能等都严重贫乏，教育、素质、培训、农业基础设施、2交通、通讯等生计应是首先需要资助的，这也属社会学问题，需政策制定者介入，不全在绿色革命的范畴。1.2.2目前高科技成果利用上发达国家高于发展中国家，且多在非食用作物上研究、利用由于转基因农产品的安全性没有定论，发展中国家的盲目排外，转基因产品在发展中国家的利用不尽如人意。目前除中国等国家在食用作物上开发利用外，多在非食用、非饲料用上研究开发，将来还是要在特殊优良的食品上开发利用。如含有防癌物质的番茄、含抗生素的香蕉等。1.2.3新的绿色革命需要避免或克服过去绿色革命中出现的问题要注意保护生物的多样性；要继续搜集、保存有用的变异；要加强研究保存的种质资源；要研究寄生物与寄主间的互作关系，从寄生物方面研究寄生物的防治。等等。1.3新世纪赋予我们新机遇来自发达和发展中国家的许多科学家相信，最近在生物科技、精密农业、信息科技等新研究领域的发展只是冰山一角。中国和一些国家的科学家预测在今后20年农业技术仍将具有旺盛的技术成长。中国的科学家预测今后在传统育种与生物工程领域将有重大的发现。杂交稻具有增产15-20%的活力。他们还认为未来的传统与基因工程育种除增产外，还能提高品质、减少投入、改善环境、增进健康。还有节水农业及其育种也有其广阔的前景。遗传、农艺、其他新技术应用或许能减慢或停止可耕地面积下降的趋势。还有精密农业与信息科技能为即使处于边远地区的农民服务，另还有节工、提高肥效、环境友好等技术也能提高产量。2现阶段育种目标的探讨根据市场经济和可持续发展的需求，不断调整育种目标，使其更加丰富、多样化，育种目标应注重市场需求、高效低耗、抗灾稳产三个方面。2.1市场需求我国目前正处于社会主义市场经济阶段，大部分农产品已经市场化，有的“告别短缺”进入买方市场。育种目标相应地必需由市场导向，突出的要求其多样化和多变化。2.1.1多样化，符合不同用途、各个层次的需求以粮食作物来说，需要满足口粮、加工、饲料、工用、备荒等多方面用途；在口粮中又应有不同地区、民族、个人的质地、口味、习惯等的区别。在温饱型之后，如何提高粮食及其加工品的质量以及在保健功能等方面已成为关注的热点，需要从品种选育开始逐步加以解决。如在玉米育种上，随着人们生活质量的提高和加工业的发展，玉米的品质育种有所重视。利用玉米的遗传变异，通过育种方法将传统的玉米改变为特殊的工业原料、食品等，如高油玉米育种、高淀粉玉米育种、高蛋白质玉米育种、甜糯玉米育种、饲用玉米育种等方面。而特用玉米并不等于优质玉米，而特用玉米本身也存在优质的问题，优质玉米的标准应该是针对各类品种的用途而言。2.1.2多变化，创新是市场竞争的保证，要求加速农产品及其品种的更新换代建国以来全国农作物品种平均7至8年更换一次，为适应市场的不同需求，今后要求缩短到5年左右，任务极为繁重。2.2高效低耗只有做到农产品生产的高效低耗才有竞争力去占领市场，才能节药资源、降低消耗和污3染，同时也是可持续发展的需要。农业发展的这种总趋势应在育种中加以落实，强调新品种的综合性状符合节劳、节肥、节药、节水和节能等的要求，选育经济经济型的高产品种和资源高效利用与环保型的品种。2.3抗灾稳产人类在工业化、现代化过程中，破坏了自然，造成资源滥用、环境污染和生态破坏，正在受到灾害加重等的惩罚，成为世界面临的最严重挑战。农业的主要灾害，传统上的生物、气候和土壤三类都有加重趋势；在旧灾加重的同时又出现了新灾，如臭氧层破坏、温室效应和酸雨等。新旧灾害严重影响到农业稳产和持续发展，需要有保护生态环境、协调人与自然关系的根本性措施。作物育种应该消除自身给生态环境带来的负面影响，如高产品种需过量施用化肥和农药产生的恶果，基因类型狭窄削弱了生物多样性、抗逆性和适应性，等等。作物育种的积极作用是选育各类灾害的抗性品种。对气候性灾害需要选育耐旱、耐涝、耐寒等新品种，或通过调节生育期和布局加以避免。对生物性灾害，针对病原、害虫等的变异性和适应性，在选育高抗多抗品种的同时，应有准备地加速品种的更新换代。新灾害的出现给育种提出的要求是，根据灾害发生为害的规律，建立相应的取材诱变筛选技术体系，选育抗性强的稳产型品种。3新时期育种资源的研究策略3.1常规的育种资源研究方法3.1.1充分利用现有资源建国后，经我国科技工作者的不懈努力，共搜集、研究、整理了各种作物的种质资源40余万份。利用各个不同历史时期的科技条件，对所搜集到的品种资源做了相当详尽、重要而又必要的研究。对种质资源的品种名称、产地或来源等作了较为明确的说明，对其抗、感病情况进行了鉴定，对在各地的倒伏情况建立了档案，对产量性状都有了详细而精确的记述，为有效利用种质资源打下了良好的基础。如果能认真研读种质资源目录，细心选择对己有用的材料，切实有效地应用，同时利用现代化的手段研究这些材料，必将对推进作物育种工作起极大的作用。3.1.2抗病虫性鉴定作物的抗病虫性鉴定工作是育种的重要环节。过去大多是根据自然发病情况进行鉴定。现在可以利用国家、省建立的抗病性鉴定点对重要材料进行抗病虫性鉴定。也可以各单位利用简易方法对普通的病害进行抗病性接种鉴定，更准确地鉴定出品种、种质的特异抗病性能，以利于育成更高产稳产的品种。3.1.3配合力、杂种优势群划分研究育种永恒的主题是产量育种，因而种质资源研究的恒久课题还应是配合力、杂种优势群划分等产量形成机理、特征性状结合、实际育种技术等基本育种技巧方法上。配合力包括一般配合力和特殊配合力。过去对种质资源的配合力研究方面是一个薄弱环节。适应于各种生态条件下的作物品种间应该具有较高的一般或特殊配合力二者至少必居其一。由于盲从于国外的优良自交系或国内的优良骨干系，对一般的遗传资源的配合力及杂种优势群的划分缺少广泛深入的研究。如同我国的玉米育种发展阶段跳越了地方品种资源的深入研究阶段一样，各国由于玉米育种阶段发展的不平衡性，后进者总是奋起直追赶超先进，因而不可避免地带来对地方品种资源研究的欠缺。有学者认为，近十年来，玉米育种的产量4基本上没有得到改进，只是在抗病性、抗倒性、抗旱性、耐涝性、株型等方面得到了改进，使得品种的稳产能力得到了加强。品种的抗逆性等得到改善，是重视利用种质资源的结果。如果再利用配合力及杂种优势群研究的方法，在种质资源的产量性状方面进行研究，则对克服目前玉米育种的“瓶颈”，使得产量性状的改良上有所突破，具有重要的意义。3.1.4根据各种育种材料的产量、抗性等性状的不同遗传效应值，广泛利用种质资源目前育种上由于育种方法上的局限，只利用了众多资源中的极少部分。如玉米育种中的只注重杂种优势，目前的育种不是以累加有用加性效应为主，因而主要注重在利用显性效应、超显性效应、上位性效应等，即主要从双亲配合力方面来考量，并没有从单亲的基础种质加性效应的累加为主来考量。这就带来了虽然在亲本自交系产量上虽有所改善，但并没有较大改良的现状。水稻育种中同样如此。水稻为自花授粉作物，目前的杂种优势利用育种也有这方面的偏废。水稻经千万年的进化，成为自花授粉作物，且产量构成遗传效应中以近交优势效应为主，即由相斥型的杂种优势已进化为相引型的杂种优势并大多已被近交固定成为近交优势，所以在水稻或小麦等自花授粉作物上应用目前的杂种优势模式育种，即三系配套、两系配套，有违作物自然进化的规律，虽然利用了杂种优势效应中的显性、超显性、上位性效应，但作物进化的首选模式并不是在以近交优势固定的基础上从事的研究为主，所以自花授粉作物的主要育种方法值得商榷。所以袁隆平院士提出，水稻杂种优势的利用途径是从三系利用向两系法发展，最后向一系法发展，一系法即充分固定近交优势，与作物进化方向一致，充分显示了其高屋建瓴的战略思考。如果在任何作物的育种上从显性效应、超显性效应、上位性效应、加性效应、近交优势的固定等各种效应上平等、综合利用，研究适宜的育种方法，对推进作物育种发展必将具有十分重要的意义。3.1.5吸取与继承我国传统农业中的有利于可持续发展的理论与技术，继续为我国农业、社会的可持续发展作贡献我国数千年的农业传统中的精耕细作、劳动力投入多、农家肥投入维持地力、冬耕春耕、土地承载量高等，不似有些国家土地资源多可资休闲等，我国的育种应适应我国农业的传统与现状，不盲从国外的抗除草剂育种等课题，在产量育种上投入巨资，聚合各种数量、质量遗传的有关产量、抗逆基因，适应我国农业的发展需要，以推进社会的可持续发展。3.2利用高新技术进行种质资源的扩增种质资源是育种的基础。育种上的突破进展，如矮杆品种、三系杂交水稻和两系杂交水稻等的选育成功，都与利用新种质密切相关。优良种质资源，甚至是一株杂草，也可能引起育种变革，促进种子和产业的革命。种质资源研究开发的趋向是扩大亲缘距离进行远缘育种，打破物种间界限进行超远缘育种。水稻育种正在利用籼稻、粳稻、爪哇稻三个亚种间的优势和优点；小麦育种跨越了五大亲缘关系，在种、属甚至族间进行基因重组。特别是基因工程的出现，更有利于打破物种界限，展示着可能在植物、动物和微生物间进行有用基因的转移，实现按照人们意愿改造生物的愿望。在我国已入库的20余万份种质材料中，极大部分是栽培种、地方种，少部分是野生种、半野生种或其它类型的种质材料。过去几十年种质改良中除了极小部分直接利用外，大多数都是不能直接利