密植高產(chǎn)
——我國玉米育種的最核心目標

嚴建兵 趙久然

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室，武漢 430070；2. 北京市農(nóng)林科學院玉米研究所 玉米DNA指紋及分子育種北京市重點實驗室，北京 100097）

我國是人口大國，糧食安全是事關(guān)國家長治久安的重大戰(zhàn)略問題。習近平總書記指出，中國人的飯碗任何時候都要牢牢端在自己手上。至2050年，全球人口將突破90億，預計全球作物產(chǎn)量需要再提高一倍才能滿足需求。在耕地資源日趨緊張、極端氣候和病蟲害頻發(fā)的形勢下，繼續(xù)提升糧食產(chǎn)量的關(guān)鍵在于提升單產(chǎn)水平。玉米是全球重要的糧食、飼料和能源作物，對保障世界糧食安全意義重大。玉米的播種面積、總產(chǎn)均居我國糧食作物首位，也是單產(chǎn)提升潛力最大的作物。2023年中央一號文件明確指出要全力抓好糧食生產(chǎn)，開展噸糧田建設(shè)，實施玉米單產(chǎn)提升工程。

品種是玉米高產(chǎn)的基礎(chǔ)，進一步提高品種耐密性和種植密度是提高玉米單產(chǎn)的關(guān)鍵。在近80年中，美國玉米單產(chǎn)提升了近8倍，這個過程中種植密度從平均每畝2000多株增加到近6000株，種植密度貢獻顯著。我國高產(chǎn)玉米新品種更新迭代過程中，玉米株型也逐漸從平展型演變成緊湊型，品種的耐密性明顯提高，但和美國的種植密度相比，潛力仍然很大。密植增產(chǎn)得益于通過改良葉夾角、雄穗大小等性狀，改善玉米群體冠層結(jié)構(gòu)，增強群體的通風透光性、有效葉面積指數(shù)，從而獲得較高的群體光合和合理的冠層光輻射分布，顯著提高玉米群體光合效率和干物質(zhì)積累效率。玉米密植后，群體內(nèi)通風、透光降低，抗病抗逆能力降低，更易發(fā)生倒伏，個體生理和形態(tài)也會發(fā)生變化，對有限光溫、水肥的競爭加劇。培育株型緊湊、水肥和光利用效率高的品種，對玉米密植增產(chǎn)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

在近代作物育種中，突破性品種的培育均與重要基因的挖掘和應用緊密相關(guān)。比如水稻，得益于矮桿基因和雄性不育基因的發(fā)現(xiàn)和利用，實現(xiàn)水稻矮化育種和雜種優(yōu)勢利用的兩次重要技術(shù)革命，極大提高了水稻的產(chǎn)量。2009年玉米B73參考基因組公布后，玉米功能基因組研究進入快車道。針對耐密高產(chǎn)相關(guān)性狀，如葉夾角、穗位高、雄穗大小、穗長、行數(shù)和籽粒大小等，國內(nèi)外科學家通過正向和反向遺傳學克隆了數(shù)百個基因，涉及不同的細胞學、生理生化過程和代謝途徑。隨著基因組學、數(shù)量遺傳學、分子生物學和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的迅猛發(fā)展，在科技部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和國家自然科學基金委的持續(xù)支持下，我國科學家在玉米高產(chǎn)、抗逆等功能基因克隆和調(diào)控網(wǎng)絡解析等方面取到了突破性進展，體現(xiàn)出我國玉米功能基因組研究的實力和地位。但與玉米復雜的基因組相比，認識還遠遠不夠，解析的基因和網(wǎng)絡的數(shù)量還非常有限。

近10年來，我國在玉米基因組和功能基因組研究上，取得了長足進步，在耐密高產(chǎn)玉米新品種選育方面也取得顯著的成績，但與美國等發(fā)達國家和國際種業(yè)巨頭相比，仍有差距。目前，我國玉米平均單產(chǎn)只有美國的60%左右，而且單產(chǎn)還在以每年約4 kg/畝的差距擴大，如何加快縮小與發(fā)達國家的差距，是我國玉米科技工作者亟需解決的重大產(chǎn)業(yè)課題。耐密高產(chǎn)玉米育種破題，趕超美國，是新形勢下保障國家糧食安全的重大戰(zhàn)略需求。我國不是玉米的起源地，種植玉米的歷史相對較短，在玉米種質(zhì)資源的收集、評估、利用和創(chuàng)新上存在明顯的短板，同時育種技術(shù)更新?lián)Q代快，目前國際前沿已開始進入到利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動的智能育種技術(shù)階段，而我國仍然主要處于以雜交育種為基礎(chǔ)加上少量分子標記輔助育種的2.5代育種階段，未來我們要在種質(zhì)資源和育種技術(shù)創(chuàng)新這兩個關(guān)鍵點發(fā)力。在繼續(xù)解析耐密高產(chǎn)性狀遺傳機制的基礎(chǔ)上，著重挖掘有育種價值的優(yōu)良基因和等位變異，結(jié)合DNA芯片和高通量測序技術(shù)，建立多基因高效聚合技術(shù)和基因組選擇技術(shù)，發(fā)展高通量的田間表型鑒定技術(shù)。立足長遠，創(chuàng)制遺傳基礎(chǔ)寬廣、聚集更多優(yōu)良基因的基礎(chǔ)改良群體，充分利用快速發(fā)展的基因組育種技術(shù)和工具，扎實做好種質(zhì)資源原始創(chuàng)新等基礎(chǔ)性工作。將功能基因資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為重大種質(zhì)創(chuàng)新的優(yōu)勢，把基因組研究的優(yōu)勢，轉(zhuǎn)化為基因組育種的技術(shù)優(yōu)勢。上中下貫通，產(chǎn)學研融合，實現(xiàn)我國玉米密植高產(chǎn)品種培育的突破。

本期“玉米高產(chǎn)專題”邀請了國內(nèi)長期從事玉米耐密高產(chǎn)研究和育種團隊，對該領(lǐng)域的國內(nèi)外進展進行全面探討，包括玉米理想株型改良［1]、矮桿育種［2]、密植和抗倒育種［3-4]、產(chǎn)量的遺傳和表觀遺傳機制［5]、超高產(chǎn)育種和生產(chǎn)［6-7]等方向，對我們下一步玉米高產(chǎn)育種有良好的借鑒價值。值此專刊出版之際，謹向所有提供稿件的同行及專家致謝，向《生物技術(shù)通報》編輯部致謝，感謝他們?yōu)槲覈衩赘弋a(chǎn)研究的成果交流做出的貢獻。