首都科学讲堂第682期《打赢“种业翻身仗”,玉米种业的创新与发展》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2021-02-28

  2021年2月27日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了北京市农林科学院玉米研究中心主任、农业农村部玉米专家指导组组长赵久然,为大家带来题为《打赢“种业翻身仗”,玉米种业的创新与发展》的精彩讲座。

  打赢“种业翻身仗”,玉米种业的创新与发展

  农业现代化,种子是基础。2021年中央一号文件强调,加快推进农业现代化,打好种业翻身仗,要加快实施农业生物育种等重大科技项目。玉米是我国第一大作物,作为重要的粮食、饲料和工业原料,也是我国粮食安全和农产品有效供给的重要基础。玉米的营养价值如何?除了食用,还有哪些用途?玉米是怎样被人类“驯化”的?科学家们是如何通过科技手段,培育出产量高、抗性好、适应性强的玉米新品种的?

  第一讲 玉米之最

  说玉米普通,首先是因为它随处可见,属于大宗农产品的玉米身价不高,一斤玉米粒一块多钱,是很接地气的作物。但是玉米也有很多神奇之处。

  首先,玉米是种植范围最广的作物,目前除了南极洲,各大洲都有种植。赤道附近的热带、亚热带,纬度稍高的温带,乃至纬度50度以上的寒温带都能见到玉米的“身影”。以我国为例,南到海南岛三亚,北到黑龙江漠河北极镇,都可种植玉米。从平原到海拔4000多米的青藏高原都可种植玉米,所以说它的种植范围非常广。

  其次,全球每年有25亿亩以上的耕地种植玉米,仅比小麦的种植面积略小,但总产量全球最大。玉米是全球,同时也是我国总产量最大的作物。全球年产玉米子粒已连续多年保持在10亿吨以上。我国年产玉米在2.6亿吨以上,远高于水稻、小麦的年产量。

  第三,玉米是单产最高、增产潜力最大的作物。通常而言,主粮作物小麦亩产最高可达800多公斤,水稻稻谷亩产可达1000多公斤。但我国的玉米最高亩产已达1663公斤,世界最高的玉米亩产纪录为2576公斤。但是目前我国玉米的平均产量仅为420多公斤,主要受种子、地力、气候环境、生产条件、栽培措施等因素的影响。

  第四,玉米是类型最多、品种数量最多的作物之一。

  第五,玉米是用途最广、产品最多的作物。玉米最主要的用途是家禽饲料和工业加工原料。第二大用途是口粮。第三大用途是鲜食食品和青贮玉米等。

  第六,玉米是杂种优势利用最早、最普及、最成功的作物。截至目前,我国小麦基本是常规种。水稻约50%是杂交种,50%是常规种,而玉米杂交种早已普及。

  第七,玉米是种业市值最大的作物。小小的种子里边,包括很多科技,科技含金量是很高的。优良品种和优质种子在整个玉米增产中的作用已经超过40%,甚至更高。成为很多种子企业,特别是国际种业巨头竞争的主要业务领域和焦点。国际种业巨头都已进入中国市场,参与市场竞争了。

  我认为,属于C4作物的玉米是最有潜力的未来作物。小麦、水稻这些作物属于C3作物,玉米、高粱属于C4作物,C4作物的光合效率更高,所以它的生物产量更大。再有,玉米的变异非常丰富,变异丰富就可能给人类以更多选择的机会。

  第二讲 神奇玉米的进化、驯化和传播

  玉米起源于中南美洲墨西哥一带。玉米的祖先大刍草与玉米的关系不是栽培种和野生种的关系,玉米是大刍草发生基因突变、进化而来的。玉米是被美洲当地原住民选择、驯化而成的,这个驯化过程有近万年的历史。印第安人甚至崇拜玉米,将其尊称为神。

  什么叫进化?什么叫驯化?它们与育种有什么关系呢?

  达尔文的进化论,也被翻译成《天演论》,进化是在自然条件下没有人为干预,完全自然地向前发展。而驯化是在人为干预下采集、选种、留种。通过人类早期原住民的采食,种植、栽培耕作,选择优良的种子再进行种植、留种这一系列人为行为被称作驯化。比如,选取果穗更大的玉米,并保留种子,然后一代一代积累,才有了今天玉米的样子,这一过程就是驯化。

  玉米杂交育种只是100多年的事情。根据孟德尔遗传定律,通过杂交使玉米基因重新组合分配,产生变异之后将对人类有用的变异选择出来,并稳定遗传下去,这个过程叫杂交育种。

  现在还出现了生物技术育种技术,例如转基因、基因编辑等。未来更前沿的玉米育种技术很可能是智能育种技术,这种技术是把常规育种技术、生物技术和信息技术、人工智能结合起来的育种技术。

  玉米起源于美洲,那它是怎么传遍到世界各地的呢?

  哥伦布第一次到达美洲的时间是1492年,他发现了很多欧洲没有的作物,其中就包括玉米。玉米传到欧洲之后,经欧亚日益频繁的贸易,传到了亚洲和世界其他地方。

  文献记载,公元16世纪上半叶,也就是明朝时期,玉米已经传到中国。传入中国之后,玉米在我国又有了新的发展和变异,并产生了一种新的玉米类型——糯玉米。糯玉米是玉米传到中国后,在广泛种植的基础上,发生自然变异的结果。普通玉米包括支链淀粉和直链淀粉两种,而糯玉米里面的淀粉几乎全部为支链淀粉,并且玉米口感更加黏糯。

  第三讲 如何培育玉米新品种

  玉米品种的驯化、选育目的是要更符合人类的需求。

  育种是人类创制变异或发现变异,将有用的变异选择出来,并稳定遗传下去的过程。

  如何创造变异呢?

  首先是自然变异,玉米种子受各种环境的影响,会发生变异。

  第二种变异就是杂交,通过不同的两个品种的杂交发生基因的重新组合和分离而发生变异。

  第三种变异是通过诱变手段,比如,将种子搭载到火箭、飞船上,种子受到宇宙射线辐射或微重力的影响也能产生变异。除此之外还可以通过核辐射、化学处理、物理处理产生诱变。

  第四种变异是使用生物技术,精准地、定点地改变某个基因产生的变异。产生的变异有好有坏,特别是自然变异,大部分是有害的变异。但是在人工选择的情况下,就要把各种有利的变异选择保留下来。比如选择高产的、品质好的、抗性好的、适应性广的、易制种的变异为人类所用。

  历时十余年,我和研究团队使用多项常规育种技术、创新培育出既糯又甜的农科糯336玉米品种,已经通过国家审定,并且被大面积推广种植。使用常规育种技术的农科糯336玉米糯中有甜,并且富含叶酸,一经上市就受到广大消费者的喜欢和市场追捧。

  我认同种子是农业的芯片这个说法。首先种子是农业生产最基础的生产资料,很多科技包含在小小的种子里。作物的表现既有内因,又有外因,它的内因就是由种子所携带的基因决定的,它的外因是由栽培措施和环境条件决定的。种子的基因可通过育种、聚合得到更多的优良基因,优良性状聚合到一个品种中,就可以实现高产、稳产、抗病抗虫、更耐瘠薄、更耐旱等。优良品种和优质种子,在整个作物增产中的作用至少在40%以上,一些作物可以达到60%以上,而且更好的品质、口感主要都是由种子的基因决定的。

  我国是全球第二大玉米生产国和消费国,玉米种植面积每年都保持在6亿亩以上,产量在2.6亿吨以上,是一个名副其实的玉米生产大国和消费大国。通过科研人员的努力,我国在玉米品种培育、配套栽培技术研发等多方面已经达到国际先进水平,个别方面还有领先的地方。但总体来讲与最先进水平还有一定的差距。

  要想成为玉米种业强国,首先要在玉米资源鉴定、挖掘、利用上下功夫,把更好、更优性状聚合到现有品种上,培育出更多更好的优良品种。第二,相关的配套栽培技术要跟上,包括机械化、信息化、土壤改良、地力提升、病虫害的综合防治等等,才能够使我国生产水平全面提升。

  第四讲 玉米中的营养物质更均衡全面

  在生物学上将玉米分为九类,第一种是硬粒型,胚乳几乎全部为角质,有光泽、外形圆润。第二种玉米是马齿型,它的子粒顶部有一个凹陷,像马的牙齿一样,胚乳角质占比较少。第三是半马齿型,介于硬粒型和马齿型之间,现在大部分杂交种的子粒属于这种类型。第四类是糯质型,就是大家常说的糯玉米,俗称粘玉米。第五类是甜质型,就是我们常说的甜玉米,但是甜玉米又有好多种。第六种是爆裂型,这种玉米是专门制作爆米花的品种。其他三种并不常见,在此就不作赘述了。

  按照收获物和用途分类,又可分为三类,第一类是子粒用玉米,就是咱们平时说的老玉米粒,可作口粮,也可作猪、鸡等家禽的精饲料,还可作工业加工原料。第二类就是鲜食玉米,甜玉米、糯玉米,甜加糯玉米等这些鲜食玉米。第三大类是青贮玉米,将青绿的秸秆、叶片、果穗等一块收割,一块切碎,经压实、密封后,储存数月发酵产生乳酸,带有酒糟味的秸秆、叶片、果穗是牛羊这类反刍动物特别爱吃的饲料。

  玉米中主要包含六大类营养物质,第一类是淀粉。消费者常吃的米、面中绝大部分营养物质是淀粉。淀粉也叫多糖,它实际上是由几百个乃至数千个葡萄糖分子连接到一块形成的长链分子。如果是单个的就是葡萄糖。我们常吃的米、面、玉米中最主要的营养物质就是淀粉,淀粉中的化学能在人体内释放出来,满足人体对能量的需求。

  第二类是蛋白质。虽然玉米中的蛋白质含量并不太高,一般只含有10%左右,但是在各种谷物中,玉米面中的蛋白质含量相对来讲还是比较高的。

  第三类是脂类,玉米中的脂肪大部分在胚里,占整个营养物质的4%左右。玉米中的不饱和脂肪酸含量比较高。

  第四类是矿物质,例如铁、锌等矿物元素,在玉米中也是比较丰富的。

  第五类是维生素,玉米中含有微量维生素A、维生素E、B族维生素、叶酸等。

  第六类就是膳食纤维。玉米中的膳食纤维含量较高,约占总营养物质的10%左右。

  综合来讲,玉米中的营养成分比较全面和均衡,特别是富含膳食纤维,这是玉米作为食品最主要的特色。

  目前,有很多国家对我国首创的甜加糯玉米非常喜欢。我所在的研发团队所研发的鲜食玉米产品已经销售到欧美、韩国、越南等几十个国家。毫不夸张地说:中国鲜食玉米产品已经走向国际。

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