中美育种经验比较

中美育种经验比较分类：原创|标签：育种产量现代玉米抗逆性2014-12-2121:52阅读(519)评论(20)中美育种经验比较逻辑思维，又叫理论思维，是人们在认知过程中借助于概念、判断、推理等思维形式能动地反映客观现实的理性认识过程，是人类认知的高级阶段。就玉米育种来说，不只是概念性地描述育种经验，更要基于正确的理论基础、试验设计和对试验数据进行推理分析，然后针对性地抽象出指导性结论，或面向未来提出新的概念。逻辑思维是一个不断的试错过程，因而越来越接近事物本质的动态过程。我们经常聆听一些专家教授在玉米育种研讨会上介绍经验，某些专家取得了很突出的育种成就，但思维方式带有典型的中国特色，很像是几千年来中医的思路和方法；中医的特点是糊里糊涂地给人治好病，而现代西医则明明白白地把许多人治死。中国多数育种者的经验缺少理论支撑，有的甚至与正确理论相抵触，但能够不明不白地育成品种，甚至偶然出现大品种，虽然他们介绍的经验中包含着推理判断，但想当然的成分居多，缺少充分的试验依据。最近，张铭堂先生在科企合作培训会上作报告，介绍了丰富的育种经验，都是与理论研究结果相一致，而不纯粹是经验之谈。那些育种经验都能找到理论依据。育种家积累了一些实践经验，还要动手做试验，阅读文献，才能把理论和实践结合起来，比较深入地探索育种的理论和技术。我们基于各年代中国玉米骨干杂交种的田间试验数据与Duvick的综述比较中美两国玉米育种的变化趋势和育种经验，试图判断育种经验的有效性和生命力。这种比较，本质上是经验育种和商业化pipeline育种的区别，深一步分析，可归结为文化的区别。如果不对我们的育种经验和研发管理升级换代，特别是文化观念的升级换代，就很难建立可持续的商业育种机制和提升中国种业的核心竞争力。1.几十年来，美国育种家提高了玉米的群体产量，而中国育种家侧重于提高品种的单株生产能力，其背后效应是普遍忽视抗逆性。这是经验育种的共同特点。其背后缺少逻辑的严谨性和实证的支持。虽然主观上和技术上忽视抗逆性，但中国育种家培育的优秀品种无一例外都是在抗逆性方面取得突破，虽然是无意识的，但新老品种的突破主要不是在产量潜力，而是在抗逆性。产量只是表面现象。在小面积试验中超过对照的高产品种很多，但抗逆性都比不过郑单958和先玉335。差别就在这里！将近一个世纪，美国玉米品种的单株产量潜力没有实质性变化，即种植在没有逆境的低密度下，新杂交种并不比老杂交种的产量高。国内的经验育种却与此相反，各个年代的典型品种种植在新疆没有逆境的试验条件下，在高密度下新老品种差异甚微，即郑单958、农大108与金皇后、白马牙的产量没有明显差异；这个现象值得深思。十几年前，戴景瑞曾经分析过甘肃历年的玉米品种区域试验产量数据，发现过类似现象。而我们在不同地点做密度梯度试验，不同年代推广的骨干品种在低密度下产量增益速度很快。这说明中国育种家千辛万苦，提高了单株产量能力，而忽视了群体产量能力和抗逆能力的提升。虽然杰出品种在抗逆性方面无意中取得突破，但非逆境条件下的密度梯度试验依然揭示了育种过程忽视抗逆性的痕迹。各个国家都经历过经验育种向科学育种的转型阶段，至今还有许多育种家谦虚地自称要从艺术性转向科学性，但由于重视统计学技术和数据管理，所以，商业育种基本上依靠数据进行选择。这是商业育种进展和累积比较快的原因，可能不是人为的，却实实在在地把握了正确的育种方向。商业育种强调产量数据分析，而经验育种更重视抗病性，以至于经常把抗病性强调得过了头，由此导致高杆大穗晚熟和稀植的偏向。在市场经济环境里，这个偏向是不难理解和纠正的。美国虽然没有刻意讨论这些问题，但基于机械化作业和田间试验数据分析的育种选择总体上符合市场需求。我们没有必要正面讨论甚至辩论其中的细节，但只要引进和发放美国先进的玉米商业自交系，培训数量遗传学理论、统计技术、育种管理软件和建立先进的品种测试体系，整体育种思路也就慢慢纠正过来了。在这个问题上，关键不是在科学知识和育种的基本方法产生分歧，而是思维方式和判断事务的价值标准发生扭曲。也就是说，育种方向端正了，理论和技术就不再是障碍。下面的讨论无不渗透着这个观念。2.美国玉米品种的杂种优势下降，中国品种的杂种优势缓慢增加几十年来，美国玉米品种子粒产量的相对杂种优势没有增加，反而从75%下降到50%。中国育种家则把杂种优势从66%提高到69%。育种家付出了艰苦努力，但农民为这3个百分点付出了更沉重的经济代价，还有区域环境代价。对公司来说，即使有丰富的研发资源和较强的能力，但沿着这个方向发展，将越来越丧失核心竞争力。先锋公司注重稳步提高玉米产量和农民的生产效益，甚至不过分强调抗病性。我国种子企业和育种家需要研究杂种优势下降这个现象，并反思所奉行的育种思路和技术路线。3.生育期和株高几十年来，美国玉米品种的开花日期基本上没有变化。植株和穗位高度基本不变。中国品种延长了生育期。八十和九十年代以后，玉米的株高和穗位明显增加。在官僚主义品种审定指挥棒的指引下，延长生育期和增加株高成为中国玉米育种的前进方向和争取通过审定的窍门。而这个窍门越来越脱离市场需要。4.抗逆性美国品种抗逆相关性状的改良很明显。他们认为杂交种产量的增长取决于抗逆性的增长，特别是对杂交种种植环境的抗逆性。这是投入少而见效快的育种思路和技术路线。如果把抗逆性放置一旁，直接提高产量潜力，在目前阶段事倍功半。国内玉米育种忽视抗逆性改良，虽然骨干品种的抗逆性比较好或者突出，但育种效率低，原因就在于育种过程里忽视抗逆性概念，更缺乏技术手段。现在，国内育种家越来越重视抗逆性，也越来越重视测试系统建设。今后，需要在这个基础上建立育种信息管理平台。这不算是很困难的事。只要是商业育种就必然向这个方向发展。育种家需要转变观念，即弱化适应性概念，而采用抗逆性这个术语。前者只是概念，育种过程里没有可操作性，只能被动地等待育种结果，只可以用语言描述，不能用试验来证明，更没有数据和逻辑；后者既是逻辑概念，更可以分解成若干具体性状，因而可以通过实验数据来监测、度量和描述，最后还可以整合。这就是育种的可操作性。我们长期用不可操作的抽象概念指导育种过程，而西方现代哲学理念却把复杂现象分解成许多独立的抗逆性状，每一个都可以试验、度量和统计分析。适应性这个概念不具有系统可操作性，没有数据边界，凭着科技人员用语言去描述，而抗逆性都是边界明确的客观数字，都可以统计分析。今后，用适应性概念指导作物育种的道路，越来越走不通；转变了这个概念，抗逆育种就容易普及和推广了。5.概念的转换与延伸现代思维方式不但把复杂的适应性概念分解成具体的抗逆性状，还可以综合起来，即通过多地点田间试验，分析G×E互作效应，而且可以分析多个性状之间的关系。基于选择指数的计算机辅助育种则平衡了分析与综合两种对立的思维方式，而中国传统思维方式强调综合，缺少分析。这是作坊式经验育种的思想基础。而美国文化却发明流水线，现代生产力、现代文化和现代哲学统一了分析与综合的实践。在数学方法中还有选择指数的概念，它不是纯数学，而是建立在实验基础上。我们没有这方面的实验数据和知识积累，但可以一步一步朝这个方向走去。当我们比较中美之间玉米育种其他差异的时候，发现这些差异基本上聚焦在抗逆性这个概念上，或者延伸到G×E互作效应。当然，进一步延伸也涉及到基因型的生产能力。遗憾的是，Duvick没有深入研究后一个问题。我们理解，一个科学家一辈子研究抗逆育种，向全世界育种家讲明白一个道理，指明抗逆育种这个大方向，就足够伟大了。从优先序来说，抗逆育种是杂种优势以后第一位重要的目标与方向，而生产能力的重要性排在抗逆性的后面。五十年来，美国玉米种植密度增加一倍，叶面积系数和收获指数都没有提高，但产量水平提高了九倍。玉米科技人员要研究这个现象的内在原因或动力，并通过试验做出合乎逻辑的解释。在美国，单位土地面积上增加的叶面积并不是通过增加单株叶面积来实现，而是通过密植。中国走的也是这个路线，但经常摇摆。实际情况，单株叶面积不断下降，以致几十年来，叶面积系数和收获指数都没有变化。这不但引起育种家进一步探索继续增产的研究方向，也要引起栽培生理专家的反思。与此相关联，这么多年来美国玉米单株产量潜力一直没有增加，迄今为止，提高单位面积产量的唯一途径是增加种植密度，同时保持果穗大小（即单株子粒重）不变或不对称减少。尽管从理论上来说，有可能保持群体密度不变，即保持低密度种植，而通过增加单株产量来提高单位面积产量，但这种情况只发生在试验田，实际生产上做不到。美国和中国都没有做到。国内品种管理部门和育种者都不约而同地偏好试验田里的高产，而忽视农民田间的实际产量和生产需求。这不是听他们怎么说，而是看其品种试验设计和数据处理，及品种审定程序和标准所定格的思维方式。今后要破解思维方式的死结，使种子公司轻装走上创新之路。过去70年，美国育种家通过选择新基因型以适应不断增加密度而带来的逆境压力和其他类型的生物和非生物逆境，提高了杂交种的产量潜力。这是玉米育种的动力学过程。现代玉米育种面临的逆境主要是病虫害、干旱、低温、高温和阴雨寡照等。今后要主动在试验圃里提高逆境水平，首要途径是高密度育种，以便培育更高产和稳产的新品种。密植通常比其他逆境更重要，未来的新杂交种通过两条途径应对高密度所造成的逆境：增加耐逆性和提高子粒生产效率。6.一个新问题，依然是抗逆性的延伸今后几十年，发达国家和一些发展中工国家的农民将减少化肥和农药的施用量，以改善环境和人类健康。这样的变化将会减低玉米产量。产量的遗传增益仍将持续，但产量将停滞或下降。关键性状的遗传改良可能只是维持产量或尽可能把减产程度降低到最小。这实际上强调了抗病虫育种、耐土壤贫瘠和耐其他非生物逆境育种。抗生物和非生物逆境的育种研究已经成为过去70多年里增加玉米产量的基础。可以预料，育种家能够提高抗逆育种的能力，特别是针对那些因减少投入品而放大了的特殊逆境的抗性育种。几十年来，杂交种在土壤氮利用效率方面得到显著的遗传改良，但这种改良只是间接的选择效应。如果在育种过程中减少氮肥施用量，育种家就会直接选择基因型对土壤氮的利用效率，能够获得比以往更快的改良进展。尽管减少了化肥施用量，但这样的进展能够使我们继续提高农民的玉米产量。今后，要把对抗逆性的间接选择变为直接和主动选择。现在作物育种主要还是艺术（即经验育种）行为，正处于技术和数据的积累过程。生物技术并不是培育新品种的主要工具。尽管已经通过转基因途径加入了有用的新性状，但实际使用的仍然非常少，而且局限于防御性状，如抗虫，耐除草剂等。育种家必须继续采用以试验观察为主的常规育种方法作为主流pipeline，对基础种质进行广泛的改良，然后用改良的种质去做有用的转基因育种研究。今后，不能减少常规育种研究，不能减少培育和放慢推广高产新品种的进展速度，不能忽视品种在多性状全方位综合作用下而形成较高产量。7.抗逆性的再延伸就是生产能力以往经验表明，过分强调某一个性状会导致其他性状发生相关变化，有时候会产生不希望的结果。紧凑型育种、“超级”育种和“强优势”育种都犯了同一类错误。导致过去二十年里审定的高杆大穗、晚熟稀植和高风险型玉米品种占了绝大多数，其中90%垃圾，9%次品和1%的成品。这1%的成品中，只有一部分是有竞争力的优良品种。当然，这是官僚主义管理体制造成的，但也反映了育种方向和技术路线的失误。育种家要设法在现行品种审定制度和不良风气的双重压抑下走出创新之路。首先要改变自己的文化观念和哲学理念，然后才是技术路线。改变错误的方向并不是很难的事情，但一切改革与创新要落实到种质基础！这才是困难的，需要过程和时间的积累。（2014年8月14日投稿种子科技）后记：传统中医是糊糊涂涂给人治病，经常把病给治好了，而现代医学则明明白白地治死了许多人，现在流行的过度治疗甚至使某些原本死不了的病人加速死亡。两种医学各有长短，但在科学面前，后者讲了真话。传统的作坊式经验育种就属于不明不白地育出品种，但这其中隐含的规律都可以在数量遗传学中找到答案。在我看来，数量遗传学就是讲真话的育种方法学的理论基础。比较中美育种经验，差