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[国家奖]解决密植难题,培育耐密高产广适玉米新品种

记国家科技进步奖二等奖“耐密高产广适玉米新品种中单808和中单909培育与应用”

  玉米是我国种植面积最大、总产最高的农作物,对我国粮食安全有重要影响。改革开放以来,畜牧业快速发展,玉米需求急剧增长,提高玉米产量是我国玉米生产长期以来首要任务。选育与应用耐密高产广适品种是玉米增产的关键,但我国玉米品种存在单产水平低、耐密抗逆性差、适应性窄等瓶颈问题。在科技部、农业农村部、北京市科委、国家自然基金委和中国农科院等上级有关部门的大力支持下,黄长玲研究团队针对上述问题,从1993年开始,历经漫长的23年持续不断的努力,终于获得“耐密高产广适玉米新品种中单808和中单909培育与应用”国家科技进步二等奖,为我国玉米种业水平的提高,国家粮食安全做出重要贡献。

确立“三高三抗”耐密高产广适育种新思路

  “三高三抗”(高密度、高穗粒重、高结实率、抗倒伏、抗病、抗旱)的耐密育种新思路,选用耐密抗逆性优良的亚热带种质作为基础材料,基于Dhn1Rsp41 、Gln1-3 、Dwarf8 基因的功能位点和玉米抗丝黑穗病主效QTL,开发紧密连锁的标记,实现对耐旱、耐低氮、高收获指数和抗玉米丝黑穗病育种材料分子标记辅助选择。在早代(S1代)高密度种植(每亩6000-8000株)育种材料,筛选丰产性好,抗倒伏能力强的后代;结合穿梭育种对耐旱性、耐瘠薄和抗病性进行表型选择;对高代材料(S6代)进行杂种优势群划分和增密(比常规密度高15%)配合力测定,结合高密度表型选择与分子标记基因型鉴定技术,建立高效玉米育种技术体系。创制的优良自交系15个已被多个单位利用。

解决“密植”与“大穗”矛盾

  我国西南地区是我国重要玉米产区,该区气候复杂,生态多样,缺少耐密高产玉米品种,品种种植密度长期维持在每亩2000-3000株的水平。黄长玲研究员利用团队建立的高效玉米育种技术体系,以国内外优良玉米为基础材料,在北京、海南、云南进行穿梭育种,以“三高三抗”为核心指标,结合分子标记辅助选择,选育出株型紧凑、长穗粗穗、耐瘠薄玉米自交系NG5和根系发达、耐旱(抗旱指数综合评价值0.899)、抗病性好(抗茎腐病、大小斑病、纹枯病和丝黑穗病)自交系CL11,组配育成耐密高产广适全国农业主导品种中单808,引领了大穗密植育种的方向。

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  该品种突出的特性有:高产耐密,在国家西南区试亩产632.8公斤比对照增产19.7%,位于参试品种第1位,是至今为止西南国家区试品种比对照增产幅度最高的玉米新品种;2007年在贵州省创该省亩产934.9公斤的最高纪录。2009年在云南省创亩产1083。6公斤的高产典型。在遵义市比常规种植密度提高30%(增加1000株)的情况下,亩产647.1公斤,增产幅度达39.3%。在遵义、铜仁和凯里3点在亩4400株高密度下,结实性好,单株产量最高(193.7克),比西南主栽品种临奥1号与先玉508分别高18。3%和13。3%;抗病性好,抗茎腐病,中抗大小斑病、纹枯病;抗旱性强,耐旱指数为0.67,比国家区试对照品种农大108(0.43)提高了35.8%;适宜区域广,通过国家和5个省市审(认)定,适宜10个省市推广种植。中单808克服了大穗品种不耐密的矛盾,实现单株产量与耐密抗逆性的协同改良,引领大穗密植育种方向。

  团队还对中单808小穗和小花分化期的雌穗开展了分子机制研究,结果表明,NG5和CL11等位基因的加性表达将基因表达调节到了最优范围,是中单808杂种优势产生的重要原因;父本NG5优异等位基因主要参与了穗发育中的氮代谢过程,对杂种优势做出了重要贡献,初步揭示了该品种高产的分子机理,为今后的育种工作提供了理论指导。

实现群体产量和耐密抗逆性的协同改良

  我国黄淮海地区是我国第二大玉米产区,该区一年两季,气候多变,高温、耐阴雨寡照、茎腐病和穗腐病重,倒伏频发,上世纪末本世纪初种植密度长期维持在每亩3000-4000株的水平,缺乏耐密高产广适玉米品种。黄长玲研究员在中单808选育获显著进展后,又针对黄淮海玉米品种耐密性与抗倒性及结实性矛盾等瓶颈问题,提出了以优良外引种质为材料进行改良创新的想法。他带领团队在每亩8000株高密度条件下,以“三高三抗”为核心指标,结合分子标记辅助选择,选育出耐密抗倒结实性好玉米自交系HD568,并选育出全国农业主导品种中单909,实现群体产量和耐密抗逆性的协同改良。

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  该品种的主要特性有:高产,国家黄淮海区试平均亩产630.5公斤,比对照郑单958增产5.1%;2014年在新疆创亩产1376公斤高产典型;在2010-2015年在53个点次中有38个亩产超过1000公斤。2012-2016年在黄淮海和北方玉米主产区130个点次的联合试验中,中单909收获指数高于郑单958,每亩5000株的高密度种植条件下比对照分别增产5.6%和7.5%。耐密抗倒,2010年国家生产试验中,该品种倒伏倒折率之和为1.5%,小于郑单958(3.9%)。2012年在黄淮海区多点密度梯度鉴定试验中,中单909在每亩6250株的高密度条件下倒伏倒折率分别为0。24%和1。31%,低于郑单958(1。04%和2。55%),表现出优异的耐密性和抗倒性。广适抗逆,该品种通过国家黄淮海和北方3省(区)审(认)定,适宜在11个省(区)推广种植,接种鉴定抗大斑病,中抗弯孢菌叶斑病,中抗瘤黑粉病。中单909克服了密植和抗倒伏的矛盾,实现群体产量和耐密抗逆性的协同改良。

  团队对中单909耐密增产的优良特性进行分析认为,该品种叶面积指数大小适宜,最大值出现早,高值持续时间长。每亩3000、6000和9000株种植密度下花后光合势比例高,为63.1%、60。0%和59.7%,分别比郑单958高10.5%、6.0%和6.2%,总干物质及生殖器官干物质快速积累持续时间长,为高产提供充足的“源”;在高密度下粒叶比较高,源库协调性好是中单909实现密植增产的物质基础。蛋白组学研究表明,双亲的优异等位基因主要参与了碳水化合物合成和氮代谢过程,活跃的碳氮代谢是中单909实现高产的主要原因,利用中单909RIL群体对穗位叶、穗部及籽粒等相关性状的QTL定位结果表明,高密度特异表达的QTL(qLAc7-1、qLWc9-1、qLLc8-1等)对耐密增产做出了重要贡献,揭示了该品种耐密高产的分子机理。

创建高效种子生产和精准栽培推广技术体系

  黄长玲团队针对我国传统流程生产的种子纯度低、退化严重等问题,创建了“99”种子精益生产体系。利用“四九”纯(99.99%)种子繁育和检测技术、种子低损伤加工技术、种子常温干冰储藏技术,确保基础亲本种子纯度>99。99%,比国家标准提高1个数量级;制种用亲本种子纯度>99.9%,比国家标准提高1个数量级;商品种子纯度>99%,比国家标准提高3个百分点且高于欧美等发达国家水平,研制以增密种植为核心的技术体系,使制种产量平均提高5%以上,平均种子生产成本降低5%以上,种子质量达到行业领先水平。

  研究团队针对我国玉米新品种“盲目”推广、事故频发、效率低的现实,基于环境评价、品种认知、精细区划,创建农作物新品种精准推广体系。在品种推广中,利用玉米抗倒性检测环境选取方法、多环境测试数据空间插值分析、多环境测试作图分析方法、玉米品种多环境测试数据最优相对转化方法,研制新品种精准推广信息系统和决策支持系统。使新品种推广风险降低2-5倍,生命期延长1-2倍。

  该成果创新高效玉米育种技术,创制优良新自交系,育成耐密高产广适新品种中单808和中单909,创建生产技术体系。两品种累计推广超过1亿亩,增收粮食53。1亿公斤;5家种子企业开发品种销售额23。6亿元,实现了大面积推广,取得显著的社会经济效益。



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