育种工作的过去与现在

育种学是一门古老而又年轻的学科。说它古老,是因为现在种的庄稼是由野草培育出来的,现在养殖的家禽、家畜是由古代的野生动物驯化来的。说它年轻,是因为最近几十年由于科学技术的进步,育种工作打破了传统育种方法的限制,取得了令人瞩目的成就。下面我们分别叙述一下:

从两种常见的农作物谈起

粟古称禾、谷或谷子,将它的果实去壳以后,就得到了我们熟知的小米。它的野生近亲我们也非常熟悉,就是田间地头常见的莠子和狗尾草。莠子在幼苗期与粟非常接近,农民在拔草时常常将它误认为粟而留下来,等到吐穗结实的时候才能将二者区分开来。而这时,有些莠子的种子已经成熟播撒到田里。我国北方山西一带是粟的起源地。考古发现,黄河流域西起甘肃玉门,东至山东龙山的新石器时代遗址中,有炭化粟出土的遗址近20处。经过碳14( 14C)鉴定,我国栽培粟的历史已经有7000多年了。经过一代又一代的人工选育,古代先民使粟从野草变成现在的庄稼。到北魏时期,农学家贾思勰在《齐民要术》中介绍的粟品种多达86个,包括早熟、晚熟、耐旱、耐水、耐风、有毛、无毛、脱粒难易、米质优劣等不同性状,反映了当时选种技术的发展和农作物品种的多样化。

玉米,又称“玉蜀黍”“包谷”“包芦”“珍珠米”等,是一种原产于南美洲的农作物。 7000年前美洲的印第安人就已经开始种植玉米。哥伦布发现新大陆后,把玉米带到了西班牙。随着世界航海业的发展,玉米逐渐传到世界各地,约在16世纪中期传到我国,18世纪时又从我国传到印度。

现在,玉米在世界各地均有种植,其产量占世界粗粮的65%以上,占我国粗粮的90%。在谷类作物中,玉米的种植面积和总产量仅次于小麦、水稻而居第3位,平均单产则居首位。

目前玉米品种繁多,按籽粒形态与结构可分为硬粒型、马齿型、粉质型、甜质型、甜粉型、爆裂型、蜡质型、有稃型、半马齿型等。按生育期分为早熟品种、中熟品种和晚熟品种。按用途与籽粒组成成分分为特用玉米和普通玉米两大类。特用玉米一般指高赖氨酸玉米、糯玉米、甜玉米、爆裂玉米、高油玉米等。世界上特用玉米培育与开发以美国最为先进,年创产值数十亿美元,已形成重要产业并发展迅速。我国特用玉米研究开发起步较晚,除糯玉米原产于我国外,其他种类资源缺乏,加之财力不足,与美国相比还有不小的差距。近年来,我国玉米育种工作者进行了大量的研究试验,在高赖氨酸玉米、高油玉米等育种上取得了长足进步,为我国特用玉米的发展奠定了基础。

认识杂交育种

(1) 利用基因重组获得能稳定遗传的新品种。

早在新石器时代,我国先民就已经开始饲养猪、鸡、狗、马、牛、羊等六畜。在动物育种方面,在周代对马的外形鉴定已有丰富经验,春秋战国时期伯乐的《相马经》,甯戚的《齐侯大夫甯戚相牛经》可称得上是动物育种方面的专著。我国培育了许多家畜、家禽的优良品种。

现代动物育种历史可以从18世纪算起。当时英国有一位名叫贝克维尔的人,他喜欢进行动物杂交试验,首先从大群动物里选择优秀的个体,再用近亲繁殖的方法获得具有优良性状的纯合体。即使在今天看来,贝克维尔的方法也是非常好的人工选择方案。他用这种方法培育了很多马、牛、羊的新品种。

但贝克维尔的方法是有局限性的。从理论上来说,生物的新类型(新性状)如果是受一对基因控制的,就比较容易获得纯种。例如,豌豆的高茎(D)对矮茎(d)是显性。我们要得到高茎纯种,只需让得到的高茎个体自交,然后将下一代的高茎再自交……经过几代的人工选择以后,就可以得到纯度较高的高茎类型。如果我们要选择矮茎类型,就更简单了。因为矮茎是隐性类型,它一旦出现,就一定是纯种,可以直接推广。

如果新性状是受两对或更多对基因控制的,要得到这些基因都是有利组合的纯合体就非常困难。例如,小麦有高秆(易倒伏)的,也有矮秆(抗倒伏)的;有抗锈病的,也有易感染锈病的。怎样培育出矮秆抗锈病(抗倒伏且抗锈病)的新品种呢? 通过杂交试验发现,将纯种矮秆易感染锈病小麦与纯种高秆抗锈病小麦杂交,子一代( F1 )全是高秆易感染锈病的小麦。这种小麦既不抗倒伏又不抗锈病,是不是就没用了呢? 其实不然。如果我们要得到矮秆抗锈病的纯种小麦,应该进行下面的杂交试验:

小麦的高矮很容易分辨,抗不抗锈病则需用锈病致病菌检验一下。将F2中矮秆抗锈病( ddtt)的小麦挑选出来,由于矮秆和抗锈病两个性状都是隐性,所以只要表现出这种性状的小麦就一定是纯种,不需要进一步选育就可以直接推广了。但如果新性状是受两对或更多对显性基因控制的,要得到这些基因都是有利组合的纯合体就比较困难。需要经过多代自交,不断选育,直到不再发生性状分离为止。对农作物而言,一般要经过至少五代选育,才能获得有推广价值的新品种。

在生活中,我们经常看到某种农作物的甲品种有一种优点,同时它又有某些缺点;乙品种虽然没有甲品种的优点,但它的优点却正好可以弥补甲品种的缺点。在这种情况下,我们自然会想到: 如果让甲和乙两个品种杂交,再从杂交后代中选育出同时拥有甲、乙优点的新品种。这就属于利用基因重组获得优良品种的例子。

我们期望的是这样,可事实上农作物或家畜体内决定优良性状的基因可能是位于一对染色体上的一对基因,也可能是位于多对同源染色体上的多对基因;可能是可遗传的(基因决定的),也可能是不能遗传的(环境改变引起的)。所以,要得到人们期望的能稳定遗传的新品种非常困难。

这就是说,采用杂交的方法利用基因重组获得新品种有一个非常大的缺点,要获得能稳定遗传的纯种需要很长的时间。多长时间呢? 培育一种优良动物大约需要60年。因为每个动物长大成年需要1~3年,繁殖的子代长大成年又需要1~3年,而新品系必须经过几代甚至十几代的选择才能获得稳定遗传。 60年时间不太长,但一个育种专家需要经过一系列的教育和实践才能培养出来,到他们成为有一定经验的育种专家的时候差不多已经人到中年了,而在这之后开展育种工作,如果出现一两次偏差,可能就终生一事无成。这样看来,育种工作本身的特点决定了培育一个新的品种需要很长的时间,所以只有极个别运气比较好的育种工作者才能取得一定的成就。

尽管存在着许许多多的困难,人们对培育优良农作物和优秀家畜的热情还是丝毫没有减少。到19世纪,随着人们对遗传变异的机理逐渐了解,育种热情更是空前高涨。因此,在这段大约100年的时间里,世界范围有许多家畜新品种被培育出来。仅英国就培育出6 个马品种、10个牛品种、20个猪品种和30个羊品种。这一时期的育种工作可以说是一种建立在个人兴趣基础上的研究,还缺乏科学理论的指导与系统总结。

(2) 利用杂种优势培育新品种。

在我国古代的农学典籍《齐民要术》《农政全书》里,曾提到可以将同种农作物的不同品种间作,以此来提高农作物产量。比如用黄色玉米和白色玉米间作,比二者单独分片种植的产量要高。

早在2000年前,我国劳动人民就发现,马的力气大,但吃得多,耐力也不强,劳动寿命只有10年左右。驴的耐力较好,吃得少,但力气小,劳动寿命为15年左右。他们采用母马与公驴杂交,得到力气大、耐力强、节省饲料的“役骡”。这种杂交后代比马和驴都优秀得多: 吃得比马少,耐力更强,力气也大,而且劳动寿命大大提高,可以达到30多年。这可以认为是杂交育种的开始。农村里有种说法: 一个农民有了一匹役骡,可以终生无忧。就是因为役骡的使用寿命长,聪明又能干,是农民耕田种地的好帮手。可是,由于马的体细胞具有64条染色体,驴的体细胞具有62条染色体,所以骡的体细胞具有63条染色体。由于马和驴是两个不同的物种,它们的染色体是异源的,所以骡的体细胞中不存在同源染色体。骡的性原细胞在减数分裂时,无法完成同源染色体的正常联会,产生正常生殖细胞的概率极低,即使偶尔产生一枚正常的生殖细胞,也是要么与马的相同,要么与驴的相同。因而骡子通常是不能繁殖后代的,所以骡并不是一个新物种。即使极偶然的情况下产生了一个后代,也要么是马,要么是驴,要么是骡,不会像正常动物那样生出的后代一定与母亲是同一种动物。所以,当我们偶尔听说“骡子下了一个小马驹”时,大家都认为这是一件稀奇古怪的事情。

将杂种优势大规模运用到农作物上是近代的事。人们发现在农业生产上使用杂交种,比使用连年种植的优良品种有更明显的增产作用。作物表现为生长整齐、植株健壮、产量高、抗虫抗病能力强等特点。人们把这种现象称为“杂种优势”。

但并不是随便将两个品种杂交,其杂交后代就能表现出我们期望的杂种优势。具体说来,杂交种有以下特点:

杂种优势不是某一两个性状单独地表现出来,而是许多性状的综合表现。

杂种优势的强弱,大多数取决于双亲性状间的相对差异。一般是双亲间的亲缘关系越远,杂种优势越强。

杂种优势的强弱与双亲基因型的高度纯合具有密切的关系。只有在双亲基因型的纯合程度都很高时,F1群体基因型才能具有整齐一致的性状表现,不会出现性状分离现象,这样才能表现出明显的优势。

杂种优势的强弱与环境条件的作用有密切的关系。性状的表现是基因型与环境共同作用的结果。不同的环境条件对于杂种优势表现的强度有很大的影响。一般来说,在相同的不良环境条件下,杂种比其双亲具有更强的适应能力。

杂种优势在农业生产上最早的大规模应用是种植杂交玉米。玉米是雌雄同体单性花植物,而且雌花在玉米植株中部,雄花在植株顶部,非常容易区分。

在杂交育种时,首先选一块适于玉米生长且周围1000米以内没有种植其他品种玉米的区域(防止自然杂交)。选一个优势品种作母本,另一个优势品种作父本。两个品种间的遗传差异越大,杂种优势越强。在种植的时候,一般每种植4行母本,种植1行父本,这样反复下去。在快要吐穗时,将母本的雄花抽去(去雄)。去雄这个工作需要很多劳力连续10多天的工作。然后等父本吐穗后借助风力传粉。如果遇到阴雨天影响授粉,还要进行人工授粉。根据农民摸索出的经验,在雨后采用一手抓住雄花,另一手抓住雌花,对在一起蹭几下就可以完成人工授粉。这样可以最大限度地减少因为阴雨影响授粉而造成的损失。秋天,将母本上结的种子收获下来,第二年就可以作为杂交种进行推广。

现代育种学的发展

现代育种是以遗传学的基本规律为基础的。孟德尔首先提出,在生物的体细胞中有成对的遗传因子(如DD、Dd、dd) ,在生物的配子中有且必有每对遗传因子中的一个(如D或d) 。遗传因子(现在称为基因)是控制生物性状的内在因素,生物性状是遗传因子的外在表现。自1900年孟德尔遗传定律被重新发现以后,遗传学的发展日新月异。这门科学对动物和植物的改良起到巨大的指导意义,使育种由缺乏理论指导的个人爱好转变成严谨的科学研究。

在种植玉米杂交种获得增产后,人们又把目光投向了其他农作物。人们发现,对小麦、水稻等雌、雄花在一起,花又很小的农作物来说,杂交育种是很难实现的。最困难的是如何去雄。因为这类作物一个穗子就有几十到上百朵花,一朵一朵地操作,对于一名专业技术人员来说是个不小的难题,大面积种植让广大农民去操作就更不现实了。在这个巨大的难题面前,无数科学家退缩了。我国的科学家袁隆平通过艰辛的努力解决了这个世界性难题。

杂交育种作为传统的育种方法,为粮食增产做出了巨大贡献,但它需要年年制种,工作烦琐且工作量巨大。杂种自交后代会出现性状分离,原来的优势会逐渐淡化。随着科学技术的发展,尤其是细胞工程、基因工程的兴起,给育种工作带来了新的革命。通过细胞工程,人们让两种亲缘关系较远的植物细胞杂交成一个杂种细胞,这个杂种细胞拥有两个物种的全部基因,可以自行繁殖而不退化,具有独特的优越性。比如现在人们培育成功的“白菜甘蓝”。它的叶子很像白菜,但又像甘蓝一样抱得很紧,有利于储存和运输。人们还设想培育出下面长萝卜上面结甘蓝的“萝卜甘蓝”,目前还没有成功。

基因工程也为育种工作开创了一条新途径。通过基因工程,人们可以按照自己的“意愿”来改造生物。比如人们发现,苏云金芽孢杆菌能产生一种Bt毒蛋白,这种毒蛋白对人畜无害,却能导致棉铃虫等鳞翅目昆虫的消化道溃烂,最终致其死亡。科学家就想,能不能将苏云金芽孢杆菌体内控制毒蛋白的基因提取出来,转移到棉花体内,让棉花也能产生Bt毒蛋白,从而抵抗棉铃虫的破坏呢? 经过科研人员的努力,美国和我国都培育出了拥有抗虫基因的“抗虫棉”。这种抗虫棉不但能抵抗棉铃虫的破坏,还能节省农药,减轻环境污染,有重要的经济意义和环保意义。

目前,随着人们生活水平的不断提高,对肉、蛋、奶的需求越来越大,对粮食的需求量自然急剧增加。很多西方国家担心我国的发展会引发粮食危机。其实随着科学技术的不断发展,育种方法会越来越先进,增产效果也会越来越好。目前,超级杂交水稻(双季稻)已实现亩产1500千克的产量突破。袁隆平根据多年的育种经验认为,水稻还蕴藏着巨大的增产潜力,可以通过先进的生物技术来深挖。例如,玉米的C4 基因现已被成功克隆,并正在导入超级杂交稻亲本。理论上C4 植物的光合效率比C3植物的水稻高30%。我们相信我国这样一个人口大国能够通过提高粮食产量来解决自己日益增长的粮食需求。