分享一篇来自布宜诺斯艾利斯大学今年发表的综述文章《50 years of breeding to improve yield: how maize stands up to climate change》，该文回顾了过去50年玉米育种在提高产量方面的成就，分析了这些改良如何帮助玉米适应气候变化，并探讨了未来育种面临的挑战和目标。
研究背景与目的
- • 背景：玉米是全球最重要的粮食作物之一，但面临气候变化带来的高温、干旱、洪涝、病虫害等多重胁迫。
- • 目的：回顾过去50年全球四大主产区（北美、南美、欧洲、中国东北）玉米育种的遗传改良成果，评估其对气候变化的适应能力，并提出未来育种方向。
玉米产量形成的理论框架
- • 产量 = 光合有效辐射（PAR）× 光能截获效率（IE）× 光合转化效率（RUE）× 收获指数（HI）× 生育期长度
- • 育种目标：优化上述四个效率指标，延长生育期以积累更多干物质。
过去50年育种带来的关键性状变化
|
性状类别 |
变化趋势 |
机制与结果 |
|
生育期长度 |
延长（部分区域） |
延长灌浆期，提高粒重；高纬度地区提前播种实现更长生育期 |
|
光能截获（IE） |
提高 |
增加叶面积指数（LAI）、延迟叶片衰老、提高密植耐受性 |
|
光合效率（RUE） |
提高 |
株型更直立，改善冠层光分布；叶片变薄，呼吸损耗减少 |
|
收获指数（HI） |
显著提高（+17%） |
增加穗粒数与粒重，减少空秆率；缩短雌雄间隔（ASI）提高授粉成功率 |
|
抗倒伏性 |
增强 |
改良根系与茎秆结构，适应高密度种植 |
|
抗逆性（干旱、热） |
间接提高 |
高密度耐受性减少胁迫下空秆率，Bt技术减少虫害损失 |
现代杂交种对气候变化的适应能力
|
胁迫类型 |
现代杂交种表现 |
|
高温 |
热带种质更耐热；温带×热带杂交种在高温下保持更高RUE和HI |
|
干旱 |
通过提高HI、缩短生育期、延迟播种等方式规避干旱关键期；根系改良有限，但水分利用效率提高 |
|
多重胁迫 |
现代品种在非胁迫与胁迫环境下均表现更好，具备广适性 |
未来育种策略建议
|
方向 |
重点内容 |
|
生育期调整 |
开发短生育期品种以规避干旱；高纬度地区使用长生育期品种补偿升温带来的生育期缩短 |
|
抗逆性增强 |
减少高温干旱下的籽粒败育；增强对多重胁迫的耐受性 |
|
性状可塑性 |
恢复或增强分蘖能力（tillering）与多穗性（prolificacy），提高低密度下的产量弹性 |
|
生理机制优化 |
调控气孔导度、灌浆速率、碳氮转运效率等关键生理过程 |
|
技术工具 |
利用高通量表型、基因组选择、CRISPR等技术加速育种进程 |
结论
- • 过去50年的育种不仅提高了玉米产量潜力，也间接增强了其对气候变化的适应能力。
- • 当前品种具备良好基础，但未来需针对更频繁、更复杂的气候胁迫进行定向改良。
- • 强调广适性育种优于环境特异性育种，以应对气候不确定性。
- • 如需进一步细化某一技术路径（如CRISPR应用、热带种质利用、短生育期品种开发），可继续深入探讨。
全球主要玉米产区的主要城市地理位置图。图中显示了不同纬度下的潜在玉米生长季长度（无霜期）
1980-2021年全球主要玉米产区生长季平均气温的历史和预测变化。
过去50年育种和转基因计划在不同全球地区引入的周期长度、决定产量的效率、株型特征和耐逆性变化。
基于新杂交种的玉米作物因对增加的种植密度的更强耐受性和延迟衰老过程而实现更高的光能利用效率。
与旧杂交种相比，新杂交种的辐射利用效率提高。新杂交种的株型减少了同时出现强光饱和和强光限制的叶片层的可能性。
