美国玉米育种:孟山都内部观点

2016-11-28 11:59 | 作者: 新锐恒丰研究院 | 标签: 美国玉米 孟山都

新锐恒丰研究院编译(节选)

自动化 Automation

玉米育种计划从精确,快速,及可重复的机械化作业获益很多。现在大部分北美洲玉米育种计划,都使用精确的子粒-子粒间距及走道播种。差距低于厘米。有能力使用先进的整合技术,包括镜像,自动土壤抽样及产量分布图,以及精确的地理空间调查,来帮助选择最均匀的实验田。小区收获机可以在不到1分钟时间,同时收获多个小区,并及时提供高品质可靠的数据资料。自动化使我们可以提供更快的产出,增大测试规模,捕获新资料,更好的资料品质,降低成本,安全及更舒适的工作条件,以及更快的决定。

A.实验室中 In the Laboratory

高通量种子切片技术(seed chipping)是上一世纪对植物育种最显著的自动化贡献。种子在播种之前,就可以在实验室中选拔。田间植株组织的取样,不但成本高,同时受时间,土地,气候,环境及增加资料错误几率的限制。自动化种子切片避免人工田间取样,效率增加 10 倍以上,可以进行高通量自动化作业,每年可以处理及筛选数万粒种子。大多数自动化流程使用大样品材料,沒有品质及成分的变化。比如药厂生产药丸,食品加工生产糖果,农业生产水果等。然而自动化种子切片需要保留每一粒种子子身份及个別基因型分析结果,因此样品在处理过程中,必需个別处理并精确标示,以及避免种子切片时的可能污染。依据基因型结果来決定种子的取舍。种子切片是一种颠覆性技术,计划提供全新的整个细部结构体系,包括资讯系统,DNA提取,基因型鉴定,种植获选的种子流程都必须重新设计,以最有效使用这项技术。


▲ 来源:google image

育种计划需要处理大量小区种子。所有过程必需尽量使用自动化。包括脱粒,清洁,分级,颜色筛选,处理,计算数量及包装。所有这些步骤可以从设备供应商找到解决方法而成为种子处理流程自动化的一部分(参阅Almaco Seed Process Line种子处理流程)。自动化增加精确性,可以提供优良品质种子。比如自动称重及计数,在种子处理过程中,可以自动决定需要添加包衣剂的数量,同时也可以掌握附加的性状资料,比如子粒大小,颜色,形状及组成等。最近美国农业部设计了一套高速,镜像筛选技术,可以有效完成这些工作。

另外一项结合生物及工程的设计是单倍体子粒筛选技术。这些技术对玉米育种有显著影响。目前使用显性花青素紫色标记,利用人力筛选。单倍体子粒的油分含量,显然低于二倍体子粒,因此使用油分含量高低,可以使用自动化油分测定仪,大量,快速及便宜的鉴定单倍体。如果诱导系是高油系统,单倍体的鉴定就很精确。孟山都研发出一套使用核磁共振鉴定油分的仪器,每一秒钟鉴定 10 粒种子。这项仪器,配合高油诱导系,可以自动大量筛选,并改善筛选单倍体种子的精确度。

B.田间 In the Field

玉米种植到 1990 年代,已经完全自动化。改善播种器设计而完全取代人力。自动化田间人工接种有利于精确的田间病害筛选。模仿不同病害的自然侵入,需要接种各种病害,导致对不同病害,不同的接种设计。比如,可以使用自行设计的在拖拉机后面拖着的穗腐接种器接种。这个设计与模拟打雷所造成的损害相同。有效的玉米抗病育种,需要设计有效的玉米接种方法。自动化病害接种,可以对大量样品群体接种,使得接种样品数量不再是选拔的限制条件。现在可以使用风力机来自动评估玉米植株损害的实际反应。


▲ 来源:google image

现在许多其他性状也可以使用自动化程序收集资料,包括倒伏,干旱及营养缺乏环境带来的分析机会。大部分育种计划的资料收集仍然使用人力,不但效率低,同时容易发生错误。镜像分析的进步,与自动化或半自动化工具及环境参考结合,提供改良机会。比如,机械视觉系统,使用多个空间摄像头,在移动中撲捉影像,可以计算直立植株数量。比较镜像分析系统则撲捉玉米植株的轮生叶(whorl)来计算植株数量。这是高通量的大量计算。每一小时可以计算数百株到数千株。机械人现在也开始使用。

全年的育种苗圃 Year-Round Nurseries

玉米育种南繁的重要性是每年增加一代,可以有效缩短育种年限。如果在一年四季都很温暖的热带及亚热带繁殖,则一年可以种植 3 代到 4 代。可以使用多季计划结构来管理南繁及一年 4 季的繁育。这些适合多代繁育的地方包括夏威夷,佛罗里达的赫敏斯特(Homestead,Fl.),波多黎各,墨西哥,智利,哥斯达黎加,瓜地马拉,阿根廷及纽西兰。大型种业都有自己的南繁基地。公私营小型育种计划则依赖当地私有南繁育种公司代工经营管理。不同地区对转基因材料,种子表面处理,以及植物检疫的要求不同。


▲ 来源:seedworld,AgReliant Genetics’ corn research. Chile

大部分美国使用的南繁基地,主要作为冬天南繁之用。少数南繁基地则一年四季使用,以加速育种过程及材料转换。比如回交育种及单粒子实后裔繁殖等。一年四季使用的土地可能增加病虫害发生的几率。需要警觉控制病害。夏威夷使用一年 3 季播种 110 天玉米。这样玉米生长是 330 天,可以休耕1 个月或 30 天,使用翻土,处理等方法来杀死病虫害。

南繁基地可以做很多重复性的工作,比如人工授粉,隔离杂交苗圃来生产杂交种子,单倍体诱导,以及染色体加倍等工作。短日照南繁环境有利温带及热带种质的杂交。由于南繁基地环境与美国玉米带的环境不同,限制育种家对某些性状的直观选拔。

气候也是重要考虑的因素。南繁基地虽然温度良好,适合玉米生长。但是雨季的连续大雨,可能增加病虫害发生,穗腐严重,以致影响种子的品质。需要好的虫害管理计划,以降低昆虫在连续玉米种植及适当温度的良好环境下,多带繁殖的危害。此外,还需考虑热带暴风,台风,飓风及气旋对玉米造成的危害。因此种业通常会在不同地区,种植相同的材料,以确保材料不会因为恶劣气候完全损失。干旱地区必需灌溉,但是很多热带地区,水资源的管制严格,水的价格很贵。此外,还需考虑交通便利,地区内在结构良好,安全,土地问题,人力供应以及当地民众对种业友善程度,都是附加的考虑条件。比如,虽然夏威夷地价很贵,同时少数居民对种业不很友善,但是交通便利,种子进出容易,同时没有飓风,因此,夏威夷成为美国主要玉米种业的主要生产基地。

美国玉米带育种家非常依赖南繁基地作为系统加代,升级,DH 扩增,及组建杂交种。南繁基地对每一项作业,都有固定的标准作业流程,以确保每一指令精确完成。行的长度及授粉指令有各种变异。育种家必需依据指令来准备种子。此外,南繁基地对于农艺操作,时间表,生长,收获,加工,及送回育种家手中,以及收费数额等,错误发生的几率要在 5% 以下。某些南繁基地负责转基因材料,对安全及材料管理更严格。

产量测试及田间作业 Yield Trial and FieldOperations

A.建立产量测试系统 Establishment of aYield Trial Network

建立一个有效的种质表现型系统来辨认最佳自交系及杂交种是任何育种计划成功的关键。每一年育种计划要评估数百个不同地点的数百万个种质小区。如果要测试系统有效,必需具备一些基本条件,包括选择位置,精准播种,良好作物管理,足夠的人力收集所有生育期中必要的及突发的資料,准时收获,及資料品质控制。过去育种家对测试系统的作业责任,明显超过管理責任。育种站的大量整合,全球标准化的要求,以及测试小区工作量的明显增加,导致必需由专业人员来分工负责。实验地点选择很重要,决定终止表现型准确程度。测试系统需要执行下列工作:


▲ 来源:google image

对目标销售环境杂交种取样的适当性及适当比率。必须考虑大量生育适应性参数,包括生育期长短,土壤类型,及管理作业,包括翻耕,轮作及灌溉。

1)对已经升至育种管道较高阶段的杂交种,测试点要足够,以保障试验的准确性。

2)选取几个特殊环境,让杂交种接受异常考验,包括干旱,倒伏,高温,病害,碱性土壤及冷发芽能力。

3)测试可分布在较广地区,降低区域及地方恶劣环境对测试的危害,如冰雹,冻害,干旱,淹水及大风。

4)基于安全及设备的机动性考虑,育种站与试验田距离不要太远。

满足上述条件,可以节省育种开支。

与勤奋的农民建立长期使用关系,可以了解那个测试点的优劣条件,增加测试的适用性。

B.选拔地点的原则及实例 Principles and Example of Site Selection


选择均匀的测试地点对于测试系统效应的成败,至关重要,许多分析仪器可以帮助选择。均匀的测试地点代表测试地点土壤结构的变异性小,土壤肥力差异不大,土地平整,没有高低凹陷,土壤空间结构变异,可以使用对测试地点的了解,使用完全及不完全试区资讯,或使用行及列设计来改善。使用卫星图像,及资料监测的以往产量资料,以及廉价的土壤分析仪器,可以帮助我们选择最佳产量结果的测试地点。对于测试抗旱性,这一步非常重要。在不良环境条件下,增大小区空间资料变异。下面是新技术如何增大田间测试的效率范例。

没有植物生长的裸露土壤,反射的太阳光谱能量直接与表土结构,以及保水性能,土壤有机质含量,以及土壤湿度有关。因此裸露土壤的大气及卫星图像,可以提供许多评估田间土壤变异的有用信息。土壤电导性(EC或Electric Conductivity)可以帮助了解土壤结构,土壤湿度,土壤保水能力,以及农田表土土层深度。土壤电导性调查已经广泛使用于精准农业分析田间变异,以及描绘管理带。美国农业部天然资源保护服务(NRCS或Natural Resources Conservation Service)提供大众查看世界最大,包括美国95%郡县的土壤资料库 STATSGO2,以及次级土层资料库SSURGO。美国国家农业统计服务(USDA National AgriculturalStatistics Service)同样对主要作物提供州郡详细的信息,比如玉米产量。请参考 www.nass.usda.gov/.玉米在成长过程中,有三个时期发育会受到缺水影响,就是营养生长晚期,开花期及子粒填充期。在选择测试地点时,这些时期的降雨及温度变化模式应该列入考虑。

美国 SSURGO 土壤数据库的裸露土壤镜像及土壤分布图,包括土壤物理及化学特性,土壤剖面叙述,以及一般产量水平等,作为 2007 年在堪萨斯的芬妮郡选拔控制干旱测试地点的依据。同时从 SSURGO 获得第二层土壤图及资料(http://datagateway.nrcs.usda.gov/)。确定 4 块土地符合标准。4 块地点都只有一种类型土壤,但是只有一块土地可以灌溉。因此那块土地获选。

依据美国农业部土壤资料,获选土地正好位于两种类型土壤交替的位置,两种土壤分布面积都相当大。土质深厚,排水良好,适合玉米生长。第一种土壤底土比较浅( 0.3 米,硒质粘土)。第二种土壤没有底土,但是具有较深的深层土(大于 0.3 米,有色土)。玉米带西部的底土的粘土含量比深土层要高。因此,前者土壤浅电导值比后者要高。

农业部土壤图是 1 比 2 万 4 千分之 1,至少代表 2.3 公顷面积。地图太粗放,不适合小区分析。因此需要将地图放大,观察细部结构。依据细部分析,定义成3种类型土壤。高电导,混合型,及低电导。舍弃混合型土壤,在高电导及低电导土壤(土壤均匀,变异小),各设一个抗旱测试点。使用灌溉降低土壤差异。结果证明高清晰的土壤图,可以改善测试小区的差异。第二块测试区比第一块开花早,以及散粉吐丝区间要短。结果证明第二种土壤比较耐旱。(注:不耐旱表现是开花延迟,散粉吐丝区间扩大。)

C. 测试管理最佳作业 Trial Management BestPractices


一旦选择好测试地点之后,必需妥善管理任何可能影响测试的因素。从冬天开始,需要测量田间大小,确定试区四周边缘,准备好田地(包括翻耕,施肥,及杀草剂处理等)。如果测试包括转基因材料,必需符合一切程序及规定。制作田间试验分布图,正确排列种子袋,准备播种。必需特别小心,避免种子放错或种错位置。错误会降低测试品质,特别是移位,将会使所有小区资料错误。

小区播种使用特殊设计的播种机。某些公司可以依据你的需要而设计机械。比如Almaco Kincaid, Seed Research Equipment, 及 Wintersteiger等。现代播种可以借助卫星资讯的全球定位系统来精确的播种每一小区。现在种子播种深度,间距,以及空间配置都非常精确,保证植株之间具有等量的竞争及压力,降低结果的误差。精确调整及测试设备,高品质种子,以及良好播种日期及土壤条件,保障种植的成功。

播种之后,注意力转移到作物管理操作。栽培条件一致性是精确测定表现型的关键。所以准确,一致,和及时施肥,喷药,栽培及任何翻耕需要,都必须正确完成。田间虫害在整个生育期,永远不会均匀发生。要随时注意观察,控制虫害发生,以避免因不均匀虫害发生而导入的变异。定期田间观察及小区评估,准确记录田间情况,以及依据实际情况,随时淘汰不良小区,以保持资料的可靠性。

整个生育期及生育以后时期要收集已经计划及临时产生的许多性状资料。需要工作组的灵活性,责任心,高标准,及适当的工具来及时完成大量资料的收集工作。使用移动性电子设备来扑捉资料的能力,可以增加资料的正确性,提高收集速度及效率。大部分玉米测产是机械收获。经常一次可以同时收获好几个小区(注:通常收获 4 行,两个 2 行小区,或 8 行,四个 2 行小区。因为每一小区必须要有收获子粒不同的一套进口,脱粒,清洁,称重,测含水量设备。超过四小区,已经没有实际效益。)。称重及测水分设备在使用前要精确调试。使用全球卫星定位系统及云端计算来追踪及扑捉资料。整个过程的品质管制是保障表现型资料正确的必要条件。 

来源:David V. Butruille等18人,密苏里,圣路易市,孟山都公司,全球玉米育种 PlantBreeding Review, Vol. 39,1st edition

相关文章