首都科學講堂第682期《打贏“種業翻身仗”,玉米種業的創新與發展》

信息來源:北京科學中心      發布時間:2021-02-28

  2021年2月27日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了北京市農林科學院玉米研究中心主任、農業農村部玉米專家指導組組長趙久然,為大家帶來題為《打贏“種業翻身仗”,玉米種業的創新與發展》的精彩講座。

  打贏“種業翻身仗”,玉米種業的創新與發展

  農業現代化,種子是基礎。2021年中央一號文件強調,加快推進農業現代化,打好種業翻身仗,要加快實施農業生物育種等重大科技項目。玉米是我國第一大作物,作為重要的糧食、飼料和工業原料,也是我國糧食安全和農產品有效供給的重要基礎。玉米的營養價值如何?除了食用,還有哪些用途?玉米是怎樣被人類“馴化”的?科學家們是如何通過科技手段,培育出產量高、抗性好、適應性強的玉米新品種的?

  第一講 玉米之最

  說玉米普通,首先是因為它隨處可見,屬于大宗農產品的玉米身價不高,一斤玉米粒一塊多錢,是很接地氣的作物。但是玉米也有很多神奇之處。

  首先,玉米是種植范圍最廣的作物,目前除了南極洲,各大洲都有種植。赤道附近的熱帶、亞熱帶,緯度稍高的溫帶,乃至緯度50度以上的寒溫帶都能見到玉米的“身影”。以我國為例,南到海南島三亞,北到黑龍江漠河北極鎮,都可種植玉米。從平原到海拔4000多米的青藏高原都可種植玉米,所以說它的種植范圍非常廣。

  其次,全球每年有25億畝以上的耕地種植玉米,僅比小麥的種植面積略小,但總產量全球最大。玉米是全球,同時也是我國總產量最大的作物。全球年產玉米子粒已連續多年保持在10億噸以上。我國年產玉米在2.6億噸以上,遠高于水稻、小麥的年產量。

  第三,玉米是單產最高、增產潛力最大的作物。通常而言,主糧作物小麥畝產最高可達800多公斤,水稻稻谷畝產可達1000多公斤。但我國的玉米最高畝產已達1663公斤,世界最高的玉米畝產紀錄為2576公斤。但是目前我國玉米的平均產量僅為420多公斤,主要受種子、地力、氣候環境、生產條件、栽培措施等因素的影響。

  第四,玉米是類型最多、品種數量最多的作物之一。

  第五,玉米是用途最廣、產品最多的作物。玉米最主要的用途是家禽飼料和工業加工原料。第二大用途是口糧。第三大用途是鮮食食品和青貯玉米等。

  第六,玉米是雜種優勢利用最早、最普及、最成功的作物。截至目前,我國小麥基本是常規種。水稻約50%是雜交種,50%是常規種,而玉米雜交種早已普及。

  第七,玉米是種業市值最大的作物。小小的種子里邊,包括很多科技,科技含金量是很高的。優良品種和優質種子在整個玉米增產中的作用已經超過40%,甚至更高。成為很多種子企業,特別是國際種業巨頭競爭的主要業務領域和焦點。國際種業巨頭都已進入中國市場,參與市場競爭了。

  我認為,屬于C4作物的玉米是最有潛力的未來作物。小麥、水稻這些作物屬于C3作物,玉米、高粱屬于C4作物,C4作物的光合效率更高,所以它的生物產量更大。再有,玉米的變異非常豐富,變異豐富就可能給人類以更多選擇的機會。

  第二講 神奇玉米的進化、馴化和傳播

  玉米起源于中南美洲墨西哥一帶。玉米的祖先大芻草與玉米的關系不是栽培種和野生種的關系,玉米是大芻草發生基因突變、進化而來的。玉米是被美洲當地原住民選擇、馴化而成的,這個馴化過程有近萬年的歷史。印第安人甚至崇拜玉米,將其尊稱為神。

  什么叫進化?什么叫馴化?它們與育種有什么關系呢?

  達爾文的進化論,也被翻譯成《天演論》,進化是在自然條件下沒有人為干預,完全自然地向前發展。而馴化是在人為干預下采集、選種、留種。通過人類早期原住民的采食,種植、栽培耕作,選擇優良的種子再進行種植、留種這一系列人為行為被稱作馴化。比如,選取果穗更大的玉米,并保留種子,然后一代一代積累,才有了今天玉米的樣子,這一過程就是馴化。

  玉米雜交育種只是100多年的事情。根據孟德爾遺傳定律,通過雜交使玉米基因重新組合分配,產生變異之后將對人類有用的變異選擇出來,并穩定遺傳下去,這個過程叫雜交育種。

  現在還出現了生物技術育種技術,例如轉基因、基因編輯等。未來更前沿的玉米育種技術很可能是智能育種技術,這種技術是把常規育種技術、生物技術和信息技術、人工智能結合起來的育種技術。

  玉米起源于美洲,那它是怎么傳遍到世界各地的呢?

  哥倫布第一次到達美洲的時間是1492年,他發現了很多歐洲沒有的作物,其中就包括玉米。玉米傳到歐洲之后,經歐亞日益頻繁的貿易,傳到了亞洲和世界其他地方。

  文獻記載,公元16世紀上半葉,也就是明朝時期,玉米已經傳到中國。傳入中國之后,玉米在我國又有了新的發展和變異,并產生了一種新的玉米類型——糯玉米。糯玉米是玉米傳到中國后,在廣泛種植的基礎上,發生自然變異的結果。普通玉米包括支鏈淀粉和直鏈淀粉兩種,而糯玉米里面的淀粉幾乎全部為支鏈淀粉,并且玉米口感更加黏糯。

  第三講 如何培育玉米新品種

  玉米品種的馴化、選育目的是要更符合人類的需求。

  育種是人類創制變異或發現變異,將有用的變異選擇出來,并穩定遺傳下去的過程。

  如何創造變異呢?

  首先是自然變異,玉米種子受各種環境的影響,會發生變異。

  第二種變異就是雜交,通過不同的兩個品種的雜交發生基因的重新組合和分離而發生變異。

  第三種變異是通過誘變手段,比如,將種子搭載到火箭、飛船上,種子受到宇宙射線輻射或微重力的影響也能產生變異。除此之外還可以通過核輻射、化學處理、物理處理產生誘變。

  第四種變異是使用生物技術,精準地、定點地改變某個基因產生的變異。產生的變異有好有壞,特別是自然變異,大部分是有害的變異。但是在人工選擇的情況下,就要把各種有利的變異選擇保留下來。比如選擇高產的、品質好的、抗性好的、適應性廣的、易制種的變異為人類所用。

  歷時十余年,我和研究團隊使用多項常規育種技術、創新培育出既糯又甜的農科糯336玉米品種,已經通過國家審定,并且被大面積推廣種植。使用常規育種技術的農科糯336玉米糯中有甜,并且富含葉酸,一經上市就受到廣大消費者的喜歡和市場追捧。

  我認同種子是農業的芯片這個說法。首先種子是農業生產最基礎的生產資料,很多科技包含在小小的種子里。作物的表現既有內因,又有外因,它的內因就是由種子所攜帶的基因決定的,它的外因是由栽培措施和環境條件決定的。種子的基因可通過育種、聚合得到更多的優良基因,優良性狀聚合到一個品種中,就可以實現高產、穩產、抗病抗蟲、更耐瘠薄、更耐旱等。優良品種和優質種子,在整個作物增產中的作用至少在40%以上,一些作物可以達到60%以上,而且更好的品質、口感主要都是由種子的基因決定的。

  我國是全球第二大玉米生產國和消費國,玉米種植面積每年都保持在6億畝以上,產量在2.6億噸以上,是一個名副其實的玉米生產大國和消費大國。通過科研人員的努力,我國在玉米品種培育、配套栽培技術研發等多方面已經達到國際先進水平,個別方面還有領先的地方。但總體來講與最先進水平還有一定的差距。

  要想成為玉米種業強國,首先要在玉米資源鑒定、挖掘、利用上下功夫,把更好、更優性狀聚合到現有品種上,培育出更多更好的優良品種。第二,相關的配套栽培技術要跟上,包括機械化、信息化、土壤改良、地力提升、病蟲害的綜合防治等等,才能夠使我國生產水平全面提升。

  第四講 玉米中的營養物質更均衡全面

  在生物學上將玉米分為九類,第一種是硬粒型,胚乳幾乎全部為角質,有光澤、外形圓潤。第二種玉米是馬齒型,它的子粒頂部有一個凹陷,像馬的牙齒一樣,胚乳角質占比較少。第三是半馬齒型,介于硬粒型和馬齒型之間,現在大部分雜交種的子粒屬于這種類型。第四類是糯質型,就是大家常說的糯玉米,俗稱粘玉米。第五類是甜質型,就是我們常說的甜玉米,但是甜玉米又有好多種。第六種是爆裂型,這種玉米是專門制作爆米花的品種。其他三種并不常見,在此就不作贅述了。

  按照收獲物和用途分類,又可分為三類,第一類是子粒用玉米,就是咱們平時說的老玉米粒,可作口糧,也可作豬、雞等家禽的精飼料,還可作工業加工原料。第二類就是鮮食玉米,甜玉米、糯玉米,甜加糯玉米等這些鮮食玉米。第三大類是青貯玉米,將青綠的秸稈、葉片、果穗等一塊收割,一塊切碎,經壓實、密封后,儲存數月發酵產生乳酸,帶有酒糟味的秸稈、葉片、果穗是牛羊這類反芻動物特別愛吃的飼料。

  玉米中主要包含六大類營養物質,第一類是淀粉。消費者常吃的米、面中絕大部分營養物質是淀粉。淀粉也叫多糖,它實際上是由幾百個乃至數千個葡萄糖分子連接到一塊形成的長鏈分子。如果是單個的就是葡萄糖。我們常吃的米、面、玉米中最主要的營養物質就是淀粉,淀粉中的化學能在人體內釋放出來,滿足人體對能量的需求。

  第二類是蛋白質。雖然玉米中的蛋白質含量并不太高,一般只含有10%左右,但是在各種谷物中,玉米面中的蛋白質含量相對來講還是比較高的。

  第三類是脂類,玉米中的脂肪大部分在胚里,占整個營養物質的4%左右。玉米中的不飽和脂肪酸含量比較高。

  第四類是礦物質,例如鐵、鋅等礦物元素,在玉米中也是比較豐富的。

  第五類是維生素,玉米中含有微量維生素A、維生素E、B族維生素、葉酸等。

  第六類就是膳食纖維。玉米中的膳食纖維含量較高,約占總營養物質的10%左右。

  綜合來講,玉米中的營養成分比較全面和均衡,特別是富含膳食纖維,這是玉米作為食品最主要的特色。

  目前,有很多國家對我國首創的甜加糯玉米非常喜歡。我所在的研發團隊所研發的鮮食玉米產品已經銷售到歐美、韓國、越南等幾十個國家。毫不夸張地說:中國鮮食玉米產品已經走向國際。

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