記者從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所了解到，2023年6月8日23:00，《自然·遺傳學(xué)（Nature Genetics）》發(fā)表了我國科學(xué)家的一項新成果，該成果通過對谷子種質(zhì)資源的基因組變異和群體結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建了谷子第一個高質(zhì)量圖基因組圖譜，系統(tǒng)闡明了谷子起源及馴化改良的過程?？茖W(xué)家們還創(chuàng)制了谷子圖基因組精準(zhǔn)高效育種方法，為培育突破性品種提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑。
在旱澇頻仍、極端氣候?qū)覍矣绊戅r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的今天，如何更好保障糧食安全？傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)和作物，或許可以為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供不同的經(jīng)驗和借鑒。聯(lián)合國糧農(nóng)組織將2023年定為“國際小米年”，認(rèn)為以小米為代表的小顆粒谷物，在利用貧瘠土地、應(yīng)對氣候變化等諸多方面有不可或缺的優(yōu)勢，將在保障全球糧食安全中發(fā)揮更大的作用。
小米是谷子脫殼后的食品，這種發(fā)源于中國的作物，在漫長的歷史中，一直承擔(dān)著主糧的功能，并且傳播到全球。但在今天，它正在變得邊緣化，如何更好發(fā)揮它保障糧食安全的作用，可能就需要從傳統(tǒng)作物轉(zhuǎn)型到現(xiàn)代作物。為此，我國乃至全球農(nóng)業(yè)科學(xué)家們，數(shù)十年中做出了許多杰出的貢獻。
隨著育種技術(shù)的進步，現(xiàn)在的谷子和以前不同了，可以兼具高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、風(fēng)味濃郁等多種優(yōu)良特性。新京報記者 周懷宗 攝
古老的谷子，曾經(jīng)推動中國人口爆炸
谷子是人類馴化最早的作物之一，這種起源于中國的小顆粒谷物，最早的考古證據(jù)，可以追溯到1萬多年前。在漫長的歷史中，一直都是中國的主要糧食作物，是北方黍粟文化的代表性作物。
中國農(nóng)科院作科所特色農(nóng)作物優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團隊負(fù)責(zé)人、國家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家刁現(xiàn)民介紹，中國馴化和栽培谷子的歷史非常悠久，考古學(xué)家們在北京門頭溝東胡林人遺址中，發(fā)現(xiàn)了11000多年的碳化谷子。大約6000年前到5000年前，谷子的栽培日漸繁榮，仰韶文化、紅山文化等遺址中，都發(fā)現(xiàn)了大量的谷子蹤跡，許多歷史學(xué)家認(rèn)為，這一時期，中原人口出現(xiàn)了第一次爆發(fā)性增長，其中谷子栽培是重要的基礎(chǔ)之一。
2023年3月19日，刁現(xiàn)民在南繁基地查看基地中培育的谷子。新京報記者 周懷宗 攝
科學(xué)家們曾對谷子的起源有多種猜測，包括歐洲起源、中亞起源等說法，但隨著科技的進步，越來越多的發(fā)現(xiàn)證明，中國是谷子唯一的起源地。2002年，在青海喇家遺址出土了迄今最早的面條，經(jīng)科學(xué)分析，該面條是谷子的顆粒也就是小米制做的。
“在魏晉時代，谷子的栽培達(dá)到了高峰，隋唐以后，北方麥作文化興起，逐漸形成了南稻北麥的格局，但谷子一直都是中國北方主要的作物之一，甚至到新中國成立以后，這一狀態(tài)也沒有明顯的變化”，刁現(xiàn)民介紹，“谷子真正從大宗作物逐漸變成小作物，其實是近40年的事情。數(shù)據(jù)顯示，1978年，當(dāng)時全國最大的谷子主產(chǎn)地黑龍江省，還有2000萬畝以上的谷子，而現(xiàn)在，全國谷子播種面積只有2500萬畝-3000萬畝?！?/p>
谷子現(xiàn)代化，從搜集資源開始
數(shù)千年的主糧，為何在短短幾十年的時間中，變成了邊緣化的小作物？口感、產(chǎn)量，乃至技術(shù)的變化，或許都是原因之一。
一個眾所周知的變化，是上世紀(jì)六十年代，小麥、水稻等，開啟了一場以矮稈化為代表的綠色革命，短時間內(nèi)，產(chǎn)量大幅度增加，這也使得小麥、水稻的推廣面積越來越廣，成為主要的口糧作物。
“種子是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，”刁現(xiàn)民說，“而種質(zhì)資源，則是種業(yè)的芯片。谷子適應(yīng)性強，耐瘠薄，能夠在貧瘠的土地上獲得產(chǎn)量，是過去漫長歷史中中國北方最重要的作物之一。”
我國積累了世界上最豐富的谷子資源。中國農(nóng)科院供圖
但要像水稻、小麥那樣，重新成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大作物，谷子也需要進行現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)型?！皞鹘y(tǒng)的谷子有1.8米到2米高，必然會出現(xiàn)易倒伏等問題，影響產(chǎn)量。而要改良品種，育成新的高產(chǎn)品種，需要從種質(zhì)資源做起。”
在上世紀(jì)八十年代，刁現(xiàn)民就開始從事谷子種質(zhì)資源的搜集、鑒定、研究和培育工作，“谷子是從狗尾草馴化而來的，我們一開始搜集谷子的野生材料也就是狗尾草，目前已經(jīng)有20多個種1500多份各類各樣的狗尾草屬的材料。同時，我們也在搜集全國各地的農(nóng)家種，中國的谷子農(nóng)家品種和育成品種最豐富，農(nóng)家品種大概有27000多份，有很豐富的種類。同時，我們育成了1200多個新品種，我們現(xiàn)在育成品種的水平在國際上都是領(lǐng)先的，領(lǐng)先于世界上其他谷子生產(chǎn)國?！?/p>
我國谷子育成品種在全球領(lǐng)先。中國農(nóng)科院供圖
全基因圖譜，一份深入圍觀的地圖
如何利用豐富的資源，育成更高產(chǎn)更優(yōu)質(zhì)的品種？在過去，雜交是主要手段。但隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，科學(xué)家們有了更加豐富和高效的手段。
“首先我們必須對基因型和表型有精準(zhǔn)的鑒定，有了這些基礎(chǔ)工作，才能夠知道這些材料的特性，更好地利用它們?！钡蟋F(xiàn)民說。
利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，刁現(xiàn)民和他的團隊，對1844份核心種質(zhì)資源群體結(jié)構(gòu)進行了解析，這些種質(zhì)資源既有野生種，也有傳統(tǒng)的農(nóng)家種和現(xiàn)代育成品種。在此基礎(chǔ)上，他們又從頭組裝了110個谷子和狗尾草高質(zhì)量基因組，繪制了首個狗尾草屬基因組變異圖譜，構(gòu)建了高質(zhì)量的圖基因組，這幫助他們認(rèn)識了谷子資源變異的基本情況，系統(tǒng)解析了谷子馴化和改良過程中基因組變異。
同時進行的，還有針對全國各地的田間調(diào)查。據(jù)介紹，團隊歷時10年，在13個地理環(huán)境下，對680份資源進行了68個性狀的表型調(diào)查，形成了226組群體表型數(shù)據(jù)和表型組數(shù)據(jù)庫。將基因組變異和表型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，發(fā)掘出1084個與表型顯著關(guān)聯(lián)的重要性狀相關(guān)位點。此外，研究還建立了基于谷子圖基因組的最優(yōu)預(yù)測模型和全基因組選擇育種方法，該方法可加速作物遺傳研究并使谷子表型預(yù)測精度最高提升12.6%。
“谷子基因組就好像一本復(fù)雜的‘天書’，而如今我們破解了這本‘天書’，可以看懂它，并根據(jù)它的指引，去培育更好的品種，”中國科學(xué)院院士、中國農(nóng)科院作科所研究員錢前表示，“谷子是中國人馴化的，是中國人在歷史上對人類文明最大的貢獻之一，而現(xiàn)代，我們又做出了新的成果，未來或?qū)⒏淖児茸釉耘嗟臍v史，在國際小米年做出了我們中國人的貢獻?！?/p>
聯(lián)合國糧農(nóng)組織將2023年定為“國際小米年”，認(rèn)為谷子等小顆粒谷物，對未來全球食品安全保障意義重大。中國農(nóng)科院供圖
谷子的誤會，它其實是高產(chǎn)作物
在作物中，小麥、水稻等都是碳3作物，而谷子是碳4作物，其典型的特征是，在光合作用中，它擁有更高的轉(zhuǎn)化率，因此是天然的高產(chǎn)作物，和谷子類似的還有玉米、高粱等，同樣都是高產(chǎn)作物。
刁現(xiàn)民介紹，在科技攻關(guān)方面，我國已經(jīng)取得了眾多成就，如構(gòu)建了谷子完全雄性不育SPT技術(shù)體系，為提升雜交種制種效率提供了支撐，制定了谷子適合機械化收獲、加工品質(zhì)評價與優(yōu)質(zhì)評價的團體標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)質(zhì)谷子新品種金苗K1繼續(xù)擴大種植面積，成為全國推廣面積最大的優(yōu)質(zhì)品種，正在快速替代傳統(tǒng)品種。
“許多人對谷子有一種誤會，覺得它產(chǎn)量低，”刁現(xiàn)民說，“造成這種誤解的原因，可能和谷子大多種在旱地、貧瘠土地上的現(xiàn)狀有關(guān)。事實上，在水澆地中，合理的施肥、澆水、田間管理條件下，谷子可以達(dá)到600-700公斤的畝產(chǎn)，在科學(xué)家的試驗田中，最高紀(jì)錄目前是860公斤。但在旱地，普遍只有250-300公斤的畝產(chǎn)?！?/p>
中國農(nóng)科院作科所特色農(nóng)作物優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團隊育成的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、廣適、抗除草劑谷子新品種“中谷989”，2021年在河南省伊川縣實測畝產(chǎn)達(dá)到622.39公斤。中國農(nóng)科院供圖
谷子是高產(chǎn)作物，既有高產(chǎn)的潛力，也有高產(chǎn)的紀(jì)錄，實現(xiàn)這一切的，是科技的力量。刁現(xiàn)民說，目前谷子育種中，已經(jīng)實現(xiàn)“綠色革命”，原本1.7-1.8米的株高，已經(jīng)降低到1.2米左右，實現(xiàn)了普遍的矮稈化，當(dāng)前推廣的主要品種，都是矮稈化的，這極大地提升了谷子的產(chǎn)量。
于此同時，谷子的品質(zhì)也在不斷提升，刁現(xiàn)民告訴記者，“以前熬小米粥，需要很長時間才能煮爛，但現(xiàn)在好的品種，只要20分鐘左右就可以了，而且顏色、香氣、口感、營養(yǎng)都非常好?！?/p>
健康的食品，大食物觀下的谷子
在當(dāng)前，谷子普遍被認(rèn)為是雜糧作物，這個曾經(jīng)擔(dān)當(dāng)了千萬年主糧角色的傳統(tǒng)谷物，在未來是否還有回到主糧序列的可能？
一把谷子，一捧小米，在歷史上養(yǎng)育了中華民族，在革命年代造就了一個個傳奇，在今天，人們對健康飲食的追求越來越高，這種營養(yǎng)均衡且豐富的作物，亦有廣闊的前景。尤其在當(dāng)下，全球極端氣候頻發(fā)，谷子這種適應(yīng)性更強的耐旱作物，對保障糧食安全格外重要。錢前表示，“去年南方旱情中，我就意識到，我們的谷子一定要往南方走，而且也有這樣的條件。”
作為傳統(tǒng)北方作物的谷子，是否可以推廣到南方？刁現(xiàn)民介紹，在技術(shù)層面，目前并不存在困難，“谷子是耐旱作物，但并不意味著它只能在旱地種植，事實上，在水澆地上，產(chǎn)量更好。在過去，南方旱地上也有很多谷子，我們的國家種質(zhì)庫中，來自各個地方的谷子都有。因此在南方發(fā)展谷子是完全可能的，比如在江西，8月份仍可以播種，把當(dāng)?shù)氐耐砬锛?、早春季的作物利用起來?！?/p>
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，機械化、規(guī)?；a(chǎn)是普遍趨勢，谷子的顆粒很小，而且多種植在山地等邊緣土地上，是否具有機械化的條件，可能是谷子能否推廣的重要因素之一。
對此，刁現(xiàn)民介紹，谷子的矮稈化一方面降低了倒伏的可能性，提高了產(chǎn)量，同時也是適應(yīng)機械化的需求，事實上，當(dāng)前在東北、華北等地區(qū)，谷子都實現(xiàn)了全程機械化，在全國，谷子全程機械化率達(dá)到了60%。在西北山地，由于地形環(huán)境等因素，還沒有實現(xiàn)全程機械化，但也在不斷推進機械化水平的提升。也就是說，谷子的種植，并不是仍舊依靠人力，也可以像其他糧食作物一樣，實現(xiàn)機械化、規(guī)?；姆N植。
