你在种小麦吗？不，我在进行一场修行

UFO爱好者

　　出品：科普中国
　　制作：杨翼骏(中国科学院遗传与发育生物学研究所)
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　2021年6月10日4点30分，太阳刚爬上地平线，一群研究生便早早地出现在田间地头，开始了他们紧张而又平凡的一天。
　　今天的工作主题是收获，任务量是在中午之前拔两万小麦单株。
　　





　　收麦的季节，朝阳是那么明媚（图片来源：作者）
　　什么？拔？？
　　相信你一定没错过这个字眼，相信你一定有些困惑。
　　2021年了，身为一名研究生，不在实验室里专心做研究，跑到农田拔麦子？是农业机械化覆盖面太小，还是生来一副铁掌非要试试麦芒？
　　其实，对于所有育种人来说，这样的一天，既是小麦成熟收获的季节，更是他们筛选、观察小麦的最佳黄金时间。
　　说育种，先从小麦的起源说起
　　





　　小麦的进化简史（图片来源：作者）
　　我们现在吃的普通小麦是六倍体（基因组可以用AABBDD来表示），而最初，小麦的祖先是单倍体。普通小麦的起源进化是巧合且复杂的过程，它经历了两次异源多倍化进程。
　　第一次发生在约30-50万年以前，乌拉尔图小麦（A基因组供体）和拟斯卑尔脱山羊草或其近缘种（B基因组供体）杂交，染色体天然加倍形成野生二粒小麦（四倍体，基因组可以用AABB来表示）。野生二粒小麦经过驯化，逐渐演变成栽培二粒小麦；第二次异源多倍化发生在约8000年前，栽培二粒小麦和粗山羊草（D基因组供体）杂交，染色体天然加倍，形成六倍体普通小麦。



　　


　　△不同进化时期的小麦形态：左上，斯卑尔脱小麦；右上，野生二粒小麦；左下，栽培二粒小麦；右下，普通栽培小麦（图片来源：作者实验室）
　　随着人口的日益增加，人们对小麦产量的需求也日益增多，因此，人类开始驯化小麦，也就是早期的“育种”。我们今天所种植的农作物，都不是“纯天然”的，全都是根据需要，经过筛选和培育才诞生的，这些工作也就是咱们常说的“育种”。
　　回到开头的一幕，大家可能会觉得，育种就育种，为什么非到农田里拔麦子？说到底，小麦育种对于所有科研人员、科研团队来说是个非常艰辛且漫长的过程，而拔麦子，只不过是育种人进行田间试验的一个环节。
　　小麦育种分几步？
　　如果要培育一个小麦新品种，首先就需要了解，什么叫单株？什么叫品种？
　　单株可理解为一粒种子经过生长发育至成熟的完整植株，下图为四个单株。（只有拔多了才看得出，它们四个相互都有差异）



　　


　　单株（图片来源：Luo et al., 2021）
　　一般来说，品种是指：在一定的生态和经济条件下，经过人工选育，通过品种审定的，具有优良性状且遗传性稳定的群体。
　　这里面有两个关键点，一是优良性状（比如高产、抗病，适应性好），二是性状能够稳定遗传。



　　


　　小麦系谱（类似于人的家族谱）（图片来源：胡铁柱）
　　通常，我们会先从“实验材料”中广泛寻找优良的性状（上图），比如抗病、早熟、大粒、抗寒、耐旱多粒等等，然后想办法将这些优良性状汇聚到一个“育种材料”身上，最终获得具有遗传性稳定且性状优良的品种。
　　例如：河南科技学院茹振钢教授和他带领的团队历经30年呕心沥血育成的高产多抗小麦品种“矮抗58”，具有高产稳产、矮秆抗倒、抗逆抗病适应性广、优质、稳定性好等品种优势。



　　


　　矮抗58（图片来源：胡铁柱）
　　不会种地的人 摸不着育种的门
　　那么，育种过程中的田间试验具体都要做什么呢？



　　


　　小麦育种田间试验步骤（图片来源：作者）
　　首先，我们根据研究目的，结合小麦的生长发育时期，开展每年的小麦田间试验工作，到农田（我们一般称为“大田”）中去干“农活”。
　　只不过，为了研究，这些农活干起来要精细得多。小麦的田间试验不只有拔麦子，还有其他很多工作，从计划、田间管理、播种、性状调查到收获、脱粒入库保存，是一个完整的育种流程。所以说，不去“种地”的话，根本摸不到育种的门。
　　接下来，我就结合这几个阶段的经历，和大家分享我作为小麦育种人的“种地”心得。不妥之处，敬请指正为谢！
　　一、 种地之前，先做种植计划
　　我们平时在大田里的种植的植株可以分为两种，育种材料与实验材料。
　　计划什么呢？计划育种材料和实验材料的种植规模和种植方式，也就是“种什么”和“怎么种”。
　　首先我们先得区别一下两类种植材料。
　　1. 育种材料
　　（育种材料的梦想就是有朝一日成为一个好的品种!）
　　育种材料讲求整体性、综合性、稳定性。一般来源于已知的品种与品种间，品种与育种材料间，育种材料和育种材料间杂交后选育而来。
　　因此，在种植、选育育种材料时，要做到举重若轻，纵览全局，要求株系的株高、粒重、抗逆性、适应性等多维度性状的综合性好。
　　2. 实验材料
　　实验材料主要用于研究某一特定的性状。比如研究小麦抗病性时，若在大田里发现一株不同于旁边“生病”的材料，其株系叶片等表现为健康。它便可以成为我们的实验材料。因此调查性状时要做到精确到某一植株的个体变化情况，也就是举轻若重。但研究实验材料最终的目的也是服务于育种材料，使得优异的性状能聚合在育种材料中。
　　实验材料来源广泛，不论国家审定品种还是农家种或者野生种，只要在某一方面有特定的优良性状即可，讲求特异性、多样性、精确性。
　　二、 收获、播种双精细
　　试验设计完毕后，每年9月底到10月中旬，我们就开始田间播种工作。
　　整地开沟-划渠起垄-测距拉线-插牌发袋-播种覆土，整个播种过程一气呵成！



　　


　　田间播种（图片来源：作者）
　　在研究过程中，不同的袋子之间、同一个袋子里不同的种子之间都会有一定差异，为了精确地研究其遗传特性，在播种前要先插牌对每一沟做好编号，播种时需要做到每一个袋子对应每一沟，每一个袋子里的种子要尽量均匀或等距地播种在对应的沟渠里。
　　三、日常田间调查，以及采集小麦样品——精确调查，精确取样
　　播种完毕后，不同的时期还需要对小麦田间性状、抗病性情况做调查并采集叶片用于实验室研究。
　　比如说，我们要调查小麦病害的情况，常见的小麦病害有条锈病、叶锈病、秆锈病、赤霉病等。



　　


　　△条锈病是小麦生产上危害性最高的病害之一，由小麦条锈病菌引发。图左边为感条锈病小麦，右边为抗锈病小麦（图片来源：作者）
　　如上图所示，一般来说，右边的小麦之所以能抗条锈病，是因为它里面含有一个或多个有抗性的抗条锈病基因。我们的研究目的，就是将抗病基因从这些抗病材料中克隆出来，然后导入到育种材料或品种中，使其拥有抗病性，以满足增加粮食产量迫切的需求。
　　然而，病菌也很聪明，也在不断地进化变异，导致我们的抗病基因有时候少则几年就失去了抗性，这便为我们育种工作提出了更高的要求，要求我们要不断地寻找更多样、抗性好的抗病基因。
　　田间地头，当你看见一群研究生们这里瞅瞅、那里看看，甚至有的人扶着麦苗、端详麦穗，正是大家认真、细致找寻具有特别表征小麦麦苗的时候，比如说“抗病”的、“感病”的，“高”的、“矮”的……在它们的身上，可都携带着对应的生物密码（基因）。



　　


　　分子标记检测（图片来源：作者）
　　而当锁定了一些特别表征的小麦后，我们会采集对应的叶片，回到实验室，提取DNA，通过实验手段如分子标记检测等，定位并克隆这些表征所对应的基因。
　　总结一下，我们的田间工作目的就是寻找、并确定表型（如抗条锈病）→实验室里找到、克隆基因→将基因导入到育种材料或品种中。
　　那么问题来了，为什么不直接在实验室种植小麦、找到目标基因？
　　答案是：不可能。
　　就拿研究小麦条锈病来说，小麦条锈病菌是一种寄生真菌，必须依附在活体小麦之上才能存活。条锈菌的繁殖体夏孢子可随高空气流远距离传播，并反复感染小麦，在小麦上完成周年的侵染循环，其侵染循环可分为越夏，侵染秋苗，越冬及春季流行四个环节。小麦收获后，条锈菌会转主寄生在小檗上。在条锈菌没有传播的地区（比如实验室里），就观测不到小麦感条锈病，也就无法找到对应基因。
　　四、收获的季节，其实我们也有收割机
　　每年的小麦收获，正是一年当中最热闹的时间段。课题组的全体人员顶着酷日、集体下地，欢聚一堂，并对收获和农用车驾驶技术进行充分、全面的锻炼。
　　下图佐证：



　　


　　笔者所在的课题组拍摄于石家庄高邑县
　　相信现在大家也开始明白我们在收获材料时，为什么要“下地拔麦子”了。
　　这是因为，我们学习小麦育种的方法后，还要通过精细地研究小麦农艺性状、抗病性的遗传规律，以期将优异的遗传性状应用到实际生产中。
　　为此，我还总结了近一、两年收获实验材料——拔麦子的四种常见方法，希望对大家特别是对拔麦的初学者有所帮助。
　　姿势一：弯腰式——田间最常见的拔麦方式，缺点是不适合身高太高的人，费腰。



　　


　　姿势二：曲膝式——精髓在于曲膝、提臀、用背部发力。优点是能锻炼背部力量，适合健身爱好者。



　　


　　姿势三：蹲式——优点在于省力且速度快，缺点在于长时间蹲着腿容易麻，猛地站起容易跌倒，建议与弯腰式轮换。



　　


　　姿势四：站立式——站立比较轻松，但对小麦高度有要求，拔的时候需要气沉丹田，集中发力，不然容易断根，伤害材料完整性。



　　


　　轮到育种材料小区收获时，情况就不同了。
　　那是一个风和日丽的下午，具体时间为2021年6月19日14点10分，任务是收获育种小区。与往常不同，今日的三大防晒法宝：帽子、云、口罩里，没有云。



　　


　　太阳是那么灿烂，也是那么毒辣（截图自当日天气）
　　因为实验材料是按行种植，而大部分育种材料是按小区种植，因此育种材料与实验材料的收获要求和方式有所不同，开心地开上了百万级机械收割机。（实际是跟在收割机后面将种子袋装车)



　　


　　机械收获育种材料（图片来源：作者）
　　我们按照不同的种植小区（图中一块一块间隔的区域就是小区）收割，收割后脱粒的种子会被分装入编有不同标签的袋子。
　　五、材料的脱粒、装袋与入库
　　那些收获（拔）时是按行种植的实验材料和育种材料的单株，都需要单株脱粒，脱粒后按编号装进对应袋，入库以备使用。
　　或许还有人疑惑，既然实验材料要一一对应，那为什么在收材料的时候，有时拔的单株小麦并没有挂牌？



　　


　　（图片来源：作者提供）
　　其实，有没有标志牌要看情况，有时候为了提高收获效率，在农忙时为抢收种植材料，一些材料（如遗传和突变体等群体）会全部收获后分单株脱粒，在脱粒时，对装入的袋子进行标号即可。
　　田间试验，是一场属于育种人的修行
　　在田间试验阶段，还有很多好玩的事，比如杂交、诱变、人工接菌等，这里就不再一一和大家分享啦，有兴趣的朋友可以联系我们，共同交流。
　　可是难免还是会有人疑惑，这些田间试验，为什么一定要学生来干？为什么连博士都需要下地？
　　首先，实验材料不是从天上掉下来的，常常是一种传承。一个研究群体的配置常常需要数年，我的实验材料就来自师兄师姐们的辛勤培育。而且，有的性状在实验室观测不到，即使在实验室能调查，也应该以大田为主，因为在育种实验室中一切科学手段的检测和分析，最终也要通过在大田里的表型来验证。
　　另外，小麦表型的鉴定和育种并不是件容易的事，需要多年的经验积累，而且每个人的研究目的不同，对材料了解程度不同。自己的课题自己鉴定，本就是理所应当的，就连那些年近70高龄的育种家们仍热衷活跃于田间地头，乐在其中。
　　可以说，田间试验，是一场属于育种人的修行。只有经过酷暑严寒、倾其所能的钻研，本科生才能认识到自己是否适合读硕士，硕士生才能感受到自己是否适合读博，博士生才能清楚自己是否适合搞科研和育种。
　　不经过繁重实验的考验，不经过酷暑中开展田间试验的磨炼，只是站在门槛外空想，恐怕不少人都会以为自己是拯救科研界和育种界的天选之子。
　　在育种这件事上，选择是相互且残酷的，你在选育材料，材料也在选择你。
               
               

                           

                        
                        
                                
                                    你在种小麦吗？不，我在进行一场修行
                                    
                                    
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                                        2021-07-06