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进博会上的矮杆玉米是否会引发第三次绿色革命|少数派的未来预测

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-11-07  来源:智种网NOVOSEED  作者:CrazyMaize  浏览次数:1082
 

      在今年的第五届进博会上,新增加了种业展区,四大粮商、3大种业巨头全部悉数到场,其中拜耳的矮杆玉米最为抢眼。

      今天小编,带您看看什么是矮杆玉米,以及将来的发展趋势。

      回顾种业百年发展史,发现种业巨人的诞生和发展均得益于技术创新。

 △植物育种重要历程 图片来自plantbreeding.eu

      什么是创新?创新是多方面、多角度和多层次的,创新无孔不入、无处不在。新的科研方法的探索和应用是创新,新品种的培育和改良是创新,种子的生产和加工流程和工艺的进步是创新,种业的营销和服务提升也是创新;培育出“郑单958”、“先玉335”是创新,在种业推广价值营销理念和方式是创新,在中国推广单粒播种方式和机械化籽粒收获更是创新。

      催生种业变革的下一代科学技术是什么?是转基因技术的深化或拓展,还是日新月异的基因编辑技术,或者其它别的?

      在种业这个圈子里,虽然孟山都(现为拜耳)被称为有钱且任性的野蛮人,但就是这个“外来户”近半个世纪以来屡出奇兵,从凭着对生物技术发展的远见,通过眼花缭乱的跨界并购,在江湖上数度掀起血雨腥风,指点江山,呼风唤雨,到全新的数字农业,无不体现着这个外来户的大胆、远见、执着和创新。刘石老师曾发出这样的疑问?随着拜耳公司的收购正式完成,它所秉承和传导出来的这种无处不在的创新意识和执着精神还会有人理解吗?还会继续存在下去吗?

      答案似乎是肯定的。

      2019 年 8 月初,在拜耳位于美国伊利诺伊州泽西维尔的试验展示田(Bayer's Jerseyville, IL demonstration plot),拜耳作物科学的研发总监Bob Reiter说,在我被任命为拜耳作物科学研发负责人的那一年,经常有记者和同事问:“你最为兴奋的研发项目是什么?” 出于某种原因,我认为所有的项目似乎都不是令人满意。

△拜耳位于美国伊利诺伊州泽西维尔的试验展示田

      如果你看看我们的作物科学研发管道(pipeline),正在开发的种子,性状,作物保护和数字农业等领域有超过75个项目,且不包括每年发布的数百个新杂交种和品种。 最令我兴奋的是我们如何能够结合使用这些新产品和工具来创建量身定制的解决方案,这些解决方案的设计独特,可持续地解决每个农民的特定挑战。

△Bayer_AG_Crop_Science_Summer_Technology_Showcase_2019-08-01 Bayer.com

      其中一个特定的研发项目将会改变农业的游戏规则,那就是矮杆玉米(Short stature corn)。 矮杆玉米(short stature corn)和传统玉米相比,不易受茎腐,倒伏和茎折的影响,从而提高产量。矮杆玉米也更耐密植,并允许农民在整个生长季进入田地,扩大施肥或防治病虫害的时间窗口。

△Bayer_AG_Crop_Science_Summer_Technology_Showcase_2019-08-01 Bayer.com

       “矮杆为玉米高效生产提供了新的解决方案,”瑞特说。 “这有点像小麦水稻的绿色革命。 它彻底改变了这些作物的生产方式。“ 拜耳的矮杆玉米项目完全是受诺曼博洛格的绿色革命启发。

      什么是绿色革命?

      1944年,作为植物病理学和遗传学家,博洛格收到了洛克菲勒基金会提供给他的一份工作:去墨西哥参与一项新的农业振兴计划。

 △植物病理学和遗传学家 诺曼・博洛格

      这项计划主要目的是提高粮食的产量。

      博洛格把培育新的小麦品种作为这个计划的中心任务。他采取了当时看来非常大胆的一种做法,在墨西哥南北两个实验区域进行“穿梭育种”。当小麦从一个实验区域收获下来之后,他马上把种子带到另一个区域种下,这样,育种的时间就缩短了一半。由于两个实验区域的气候条件不同,博洛格可以借此选出对气候适应性好的品种。

      除了提高小麦的产量,博洛格还培育出了抗小麦锈病的品种。这种由真菌引起的植物疾病当时困扰着整个墨西哥的农业。此外,由于墨西哥当地的小麦都是高秆品种。过长的麦秆容易导致麦穗把整株小麦压倒,而多施肥会让麦秆的长度疯长。这是一种不利于农业的特征。上世纪50年代初,博洛格得到了一种矮秆日本小麦的种子,他决定把矮秆小麦和墨西哥当地的小麦进行杂交。几经失败,培育出了好几种抗小麦锈病、矮秆、高产的新型小麦品种。这些新品种的小麦让墨西哥的农业受益匪浅。到50年代末,墨西哥的小麦已经实现了自给自足。随后,墨西哥小麦产量持续增长,并成为了小麦出口国。

△绿色革命之父 诺曼・博洛格

      但这并非故事的结尾,上世纪60年代,博洛格决定把墨西哥的成功经验推广到亚洲。由于他的推动,巴基斯坦的小麦产量5年时间里增长了380万吨;在印度,小麦产量也几乎增长了一倍,让印度成为了粮食出口大国。这就是著名的“绿色革命”。

      小(微)型化是一种趋势。小房子,较小的小工具和简约风格。您可能没有考虑过的一个领域?玉米。它的株高和生产所需的面积都在缩小。

      仔细对比一下20世纪40年代和这些即将面世的玉米照片,1940年,杂草控制主要靠人工,种植不精确,导致植株高高低低和株距不一。现在,由于更多的杂草控制方案,改良的新品种和现代化的机器,使得生产更高效,产量更高,植株大小更均匀。

△拜耳位于美国伊利诺伊州泽西维尔的试验展示田

      然而,或许更值得注意的是这些玉米品种之间的株高差异。未来的玉米株高更矮- 这些品种比农民以前种植的任何玉米矮几英尺,而且更坚固。这些玉米的株高最高才2米,而不是通常看到的3米多高。

      Reiter说,矮杆玉米的特点是节间短,由于植株的重心向下移,降低了根倒和茎倒的风险。当植株变矮后,茎杆会变粗,也降低了茎折的风险。

      这种矮杆结构与具有更强风阻的常规玉米杂交种形成鲜明对比。

△拜耳位于美国伊利诺伊州泽西维尔的试验展示田

      “这可能有点像帆船,”雷特说。“当叶子散开时,它们会在田间捕获更多的风[在常规杂交种中]。”

      Reiter表示通过传统手段育成的矮杆玉米已在墨西哥种植,因复杂的育种程序和监管过程,转基因品种将在2025年左右进入美国市场。

      “你必须有适当的昆虫和杂草控制系统[在向美国种植者推销之前],因为种植者真的要求在他们的产品中有这些选择,”Reiter说。“引入这些性状和基因需要更长的时间。”

△拜耳作物科学研发总监Bob Reiter

      虽然改进需要时间,但Reiter说重要的是要认识到这个行业已经走了多远。

      在伊利诺伊州泽西维尔的试验站的另一块试验田里展示了未来玉米生产方式的变化---同样生产10蒲式耳的玉米,1940年、今天和未来所需的种植面积越来越少。这令人震惊。今天的玉米生产相同数量的蒲式耳所需土地减少了大约1/8,未来的玉米杂交种需要的土地会更少。

      在较少的土地上生产更多是可持续性农业重要部分。

      无独有偶,除了拜耳将矮杆玉米研究作为未来重要的研究课题外,在美国有一个“非著名”的传奇的小公司-斯泰种子(Stine seed)在高密植、矮杆玉米领域是行业的领导者。在斯泰看来,这将是对农业的一场革命。而目前大多数跨国种业公司还没有意识到高密植玉米的潜力。

      在讲斯泰的高密植High population(HP)之前,先说道一下更为传奇的创始人-哈里·斯泰(Harry Stine)。

 

△斯泰种业创始人 哈里斯泰 Harry Stine

      他称自己是农民,实则是美国大型私人育种公司—斯泰种业公司的老板,他白手起家,凭借其培育和掌握的优良种子和专利,在几乎被少数几家跨国公司垄断的种子市场上,纵横捭阖。目前以33亿美元的净财富,在《福布斯》世界富豪榜上排名第534位。已过古稀之年的斯泰先生腰杆笔挺,虽然他早已是亿万富翁,但是他整天在玉米和大豆地里钻来钻去,酷爱育种。他每天开着一辆灰色皮卡车,暴走在乡间的公路上。

△老哈里的皮卡车

      当40多年前哈里先生开始从事大豆育种工作的时候,没有人能够理解他的古怪行为,因为美国的农民都是自己每年留种,很少从市场上购买新的种子。即便有少量的种子买卖,也都是由美国的大学的公益单位研究、生产和提供,价格很低。私人进行大豆育种和生产在当时被认为是一个没有“钱途”的事业。

      但是哈里先生认准了大豆育种的事业。他成年累月钻在大豆地里育种,凭借着惊人的执着和超强的计算能力,他的大豆品种开始在美国市场名声鹊起,并逐渐成为主流品种。直至1996年,当美国的第一个转基因大豆技术成功推向市场之后,孟山都公司面临品种资源匮乏的窘境,由此开始了它的大规模的种业并购。在没有并购的种子公司中,也开展了多方面的种质资源的合作,斯泰公司在大豆种质资源方面的优势自然成为其战略合作的对象。如今,美国三分之二的商业化大豆种植面积中都含有斯泰公司的大豆种质资源。

      除了大豆,在玉米育种方面斯泰公司也是异军突。斯泰是倡导改变玉米种植方式的先驱,并为此培育出了适宜新的种植方式的玉米品种——矮杆、高密植杂交玉米。

△斯泰的矮杆玉米

      斯泰介绍说,一般玉米的种植,是宽行距、小株距,种植行距通常为65公分左右,而他的“矮杆、高密植玉米品种”则能够在田间均匀种植,行距为30至35公分。“在田间,玉米作物需要更加均衡的空间。”斯泰说,目前,农民怀疑高密植方式,是因为他们没有好的种子,而他培育的品种,为改变提供了可能。

      斯泰老先生的高密植杂交玉米的选育过程

      许多改写人类历史的发明源于意外的发现。亚历山大·弗莱明留下的脏盘子催生了苏格兰生物学家偶然发现的青霉素。 约翰彭伯顿想要做的就是通过将古柯叶与可乐果混合来发明“可卡可拉”,治疗头痛,却因店员的一次意外,成就了可乐。 哈里斯泰也因一次意外选育了高密植玉米。

△斯泰在介绍他的耐密玉米品种

      哈里找不到人来公司的玉米试验田来间苗 - 这是20世纪70年代的常见做法。 四十年后,这个意外的步骤,就像其他人一样,将彻底改变一个行业。

△过去玉米的种植密度www.forbes.com

      位于爱荷华州阿德尔的Stine Seed公司玉米种植密度极高,为每英亩从45,000到60,000株- 大约比当前玉米的栽培密度高出25%到50%,并且以等距20英寸(株距和行距相同)的方式种植。

△现代玉米的种植密度www.forbes.com

      根据斯泰Stine内部测试,等间距种植,平均产量增加3%至9%。 不过,这只是一个开始。 将合适的高密植杂交种种在适宜的地块可以使产量再增加5%至12%。同时,合理的施肥,可以使产量再提高10% 至20%。

△未来玉米的种植密度www.forbes.com

      美国农业部爱荷华州艾姆斯农业与环境国家实验室主任杰里哈特菲尔德说:“这实际上是将玉米生产方式推向了一个新的高度。”

      玉米的产量随着玉米种植密度的增加而增加

      当斯泰在研究已故传奇的先锋国际(杜邦先锋的前身)科研副总裁唐·杜维克Don Duvick的试验数据时,发现与自己的策略不谋而合。 杜维克的数据显示,玉米的产量随着玉米种植密度的增加而增加,两者高度相关。

      在这里先请允许我介绍一下唐∙杜维克(D. N. Duvick),从1951到1990年,服务先锋种业40年,退休时是先锋科研副总裁。退休后被衣阿华州立大学聘为客座教授。2002年被选为美国国家科学院院士,2006年过世。Donald N. Duvick在先锋走过的路由如下的一系列职务名称可以反映:玉米育种师(Corn Breeder),玉米育种召集人(Coordinator of Corn Breeding), 玉米育种总监(Director of Corn Breeding), 植物育种总监(Director of Plant Breeding),  研发副总裁(Vice president/Research), 高级研发副总裁 (Senior Vice-president/Research)。

 

△先锋研发副总裁 唐・杜维克Don Duvick

      提到现代商业玉米育种策略,不能不提美国先锋公司的首席科学家杜维克院士的Decade Study或Era study(各个年代杂交种比较试验),研究不同年代玉米杂交种的产量回归。杜维克这项庞大的试验表明,1930-1990年期间,玉米杂交种在高密度(79500株/公顷)下的增益速度最快,在中密度(54000株/公顷)和较低密度(30000株/公顷)下的增益速度依次减少,而在稀植(10000株/公顷)条件下的增益速度最低,经过70多年遗传改良,玉米“固有”产量能力并没有改变,现代杂交种产量高,归功于其在一定区域内抗逆性的提高,即其对环境的适应性;现代育种提高了植株在逆境下(如密植、干旱等)的生产能力,在低密度下(10000株/公顷)和逆境较小情况下,单株生产潜力并没有明显提高,只有在高密度下,现代杂交种才能实现其增产潜力;现代遗传改良,使得杂交种形态发生改变,主要表现在叶片直立,雄穗变小,茎杆变硬,根系发达等方面,现代杂交种在低产环境下比老品种更稳产,在高产环境下更具增产潜力;未来产量的增加,需要育种向提高生物和非生物逆境抗性方向持续改良,尤其与耐密性相关的逆境。这就回答了什么是产量的问题。

      充分利用矮杆基因,是下一次玉米产量跃升的关键

      在接着讲斯泰的故事之前,我们再介绍一为印度的育种家Ken Mishra和杜维克的渊源,Ken是印度Profarm公司的创始人,他认为“不是生物技术,而是充分利用矮杆基因,是下一次玉米产量跃升的关键。”

△Profarm公司矮杆玉米杂交种PX 540与当地最畅销的先锋3522杂交种

       当1951年发现矮化基因时,就可以预见将来一定会有矮化玉米,只不过当时并没有像水稻和小麦那样大的作用。

      ProFarm通过群体改良开发了一系列品系和杂交种,不仅耐受生物(大小斑病,晚期枯萎等)和非生物胁迫(干旱等),而且灌浆期比现有杂交种长。现有的商业混合动力车在同一成熟度。 该群体于2006年组建,已经过9轮改良。ProFarm将这类种质命名为DON 类型(名字来源于 Don Duvick,就是先锋那个Duvick,改名字已获得其后人的授权)。

△Ken手拿DON(97I12)果穗与唐·杜维克的照片的合影

      我们接着继续讲斯泰的故事。

      先锋公司和堪萨斯州立大学在北美联合研究了30年(1987-2016)的玉米密度与产量关系的试验,共得到187,662个数据点,结果表明:产量增加来自现代玉米杂交种耐密性的提高。

△密度和产量的关系stineseed.com

      斯泰研究发现,从20世纪30年代到2016年,单穗重(为0.33磅)没有变化,。在这段时间内,产量翻了两番,密度也增加了四倍。发生变化的是现代玉米的耐密性得到了大大的提升。产量水平与密度完全相关。 因此,未来想获得更高的产量,就得提高栽培密度。

      所有这些都始于Stine 1970年的那次意外。

      “说起来,其实挺尴尬。 当时我们并不知道自己在做什么? 我们开始高密种植,不是因为我们懂得什么道理(科学原理),而是因为我们没有人力来种和间苗。“哈里回忆道。

△密度才是增产的关键 斯泰育种哲学stineseed.com

      为了确保商业杂交种示范田看起来漂亮美观,通常会种很多株数,然后间苗,留下最好的植株来展示。这在当时是标准做法,不过,这耗费了大量人力。 斯泰觉得与其把人力浪费在这上面,还不如把人力用来种植更多的杂交种。另外,这种高密种植也可将意不抗倒的杂交种自动筛选出来。那些幸存的杂交种成了公司特别设计的超耐密杂交种的基础。这些6至8英尺高的玉米看起来与今天典型的9至11英尺高的玉米杂交种完全不同,叶片更直立,雄穗更小使植株能够获取更多的光照。

      写到这里,我想到了2008年时任孟山都CEO 休·格兰特(Hugh Grant)给公司设立了一个伟大的目标,在2030年使玉米的产量翻番。我对此的感慨只有一句话:敢于作出这样承诺的,只有孟山都;能够实现这样承诺的,也只有孟山都。面临全球粮食危机,无论Public机构还是Private公司,对这方面发表言论都非常谨慎,而只有孟山都却敢于作出这般神圣的许诺,我认为没有底气是不会这样的;当时的底气可能相当一部分是来自生物技术,但现在来看是矮杆玉米(未来会加上转基因),不过让休·格兰特没有想到的是,这个目标不可能由孟山都来实现了,拜耳能不能实现,让我们拭目以待。

△孟山都前CEO 休·格兰特(Hugh Grant)

      斯泰和孟山都的故事一直在演绎,从大豆的互相成就,到对未来玉米相同的远见。让我不得不折服于老哈里的精明,智慧,远见与执着。他的创新能力得到了包括孟山都在内的各大公司认可,更值得中国农业行政管理部门、大学、科研机构、种业公司学习。

      我们从这些种业公司身上学到什么?

      最后,看看我们能从这个规模只能算是中型公司,大约有500员工,其中美国本土400余人,南美洲约100人。按照经营收入,在美国是排行第5或第6位的“非著名”的小种业公司身上学到什么:

      1)该公司具有长远战略眼光,在玉米种业迅速发展和灸手可热的七十年代,Stine却看准了少有人问津的大豆种业,孜孜不倦地长期开展大豆育种,以至于现在各大公司不得不支付巨额专利费以使用其常规大豆种质进行转基因;现在,美国60%的大豆面积都使用Stine种质。Stine的常规种质支撑了大豆转基因产业化,而转基因也成就了Stine。反观我国,大豆产业垮掉了,至今还不知道是怎么垮的,也不知道该如何崛起,实在悲哀!

      2)老哈里虽然小的时候觉得自己“有点迟钝”(他当时并不知道- 而且几十年后也不会知道- 但他患有阅读障碍症以及轻度,高功能的自闭症。 那些诊断的知识在当时几乎不存在。)但他却天生好奇,集中注意力,对数字,信息和事实敏感,不善于与人打交道,这也许是他成为伟大育种家和企业家的原因。他明白在玉米的产量构成要素中,密度是决定性因素,故把耐密性作为育种研发的重心。这代表了未来玉米育种的创新方向,沿着这个方向系统投入,将容易获得较高的回报。

      3)虽然Stine只是一家中型公司,但公司果断地在南美洲设立试验站,南繁北育,周年种植4季玉米和大豆育种圃,提高了育种效率,还可以充分利用玉米起源中心的丰富种质资源,扩增有益的变异,使其选育的品种不仅在美国有较好的适应性,在南美及中国也有较好的丰产性。我国种业公司能有几家有这样的大手笔和谋划长远发展的竞争意识。

      4)转基因技术在国内被认为是很神秘的高新技术,该公司居然发明转基因的气溶胶束技术,这项技术本身并不重要,值得我们深思的倒是中美企业之间创新动力的差距到底是怎么形成的?

△老斯泰坐在他的铁塔上

      让我们想象这样一个场景,当斯泰登上他那个有着30多年历史的塔楼(1987年建造),看着2万英亩的玉米帝国,不断向远方延伸……

      是否想到了休·格兰特的承诺。

      是否看见了Bob Reiter的short stature corn。

      是否知道在印度也有一个人抱着和他一样的梦想。

      以矮杆玉米为中心的第三次绿色革命就要开始了。

      如需要更多关于矮杆玉米的信息请加 leafsword 获取。

      参考资料:

 
 
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