“當氣溫每上升1℃時，所選育的小麥品種環境適應能力將下降8.7%。”

近日，國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）河南中心與中國農業科學院通過分析CIMMYT全球近50年來育成的3652份小麥新品系與環境的關系，得到了上述結論。相關研究成果在線發表于《自然—氣候變化》（Nature Climate Change）。

論文第一作者兼通訊作者熊偉建議，未來必須對現有育種策略進行調整，增加抗逆高產品種的遺傳多樣性，以適應不斷增加的極端天氣事件。

優良基因積累導致品種環境適應性下降

“氣候變化嚴重威脅全球農作物生產，培育適應氣候變化的作物新品種是確保未來糧食安全的關鍵。目前育種周期一般在10年以上，因此迫切需要改進現有作物育種方法，提升品種的韌性，確保未來糧食安全。小麥是全球種植最為廣泛的主要糧食作物，其適應能力的提升至關重要。”作為河南農業大學的特聘教授，熊偉也是國際玉米小麥改良中心資深科學家，他負責國際玉米小麥改良中心—河南分中心的研究及日常工作。

論文作者、中國農業科學院作物科學研究所研究員何中虎說，發展中國家的育種一直以高產為主要目標，通常的作法是在高產親本的基礎上，不斷引入更多產量性狀優良基因，或其他需要關注的優良基因，如資源利用效率、抗病、優良品質等，從而使各種優良性狀基因在新育品種中不斷疊加。

然而，多種優良基因的積累會導致形成一定的基因隔離，增加品種對環境、栽培管理等條件的需求。在這種情況下，育成品種與自然進化條件下形成的品種基因差異會越來越大，使高產品種的抗逆能力和環境與管理韌性降低。

“隨著全球小麥種植地區變得更加溫暖，并且經歷更頻繁的熱浪，培育具有氣候韌性的品種將成為確保穩定產量的關鍵。”熊偉告訴《中國科學報》。氣候韌性的復雜性狀育種是在高產育種中更多地引入具有環境適應性的遠源基因，如野生種、不同地區和極端環境下進化的農家種等，針對這些品種對環境適應的表型特性或特定基因，進行雜交和選擇，或者基因導入和編輯，從而增加品種的適應性。但前提是要對這些環境適應性強的品種的表型性狀和基因特征以及適應性機制進行深入研究。

氣候變化限制了農民選擇品種的范圍

國際玉米小麥改良中心每年在全球90多個國家和地區的650個試驗點鑒定1000份以上小麥新品種新品系，其目的是篩選出具有不同生物和非生物抗性、產量潛力高、能顯著提升投入利用效率的品種，并作為品種或育種親本在全球范圍內推廣和應用，最終提升全球小麥的氣候變化適應能力。

研究團隊使用了來自全球品種區域試驗的3652份新品系，建立了一個定量遺傳模型，模擬了這些品系對過去（1981-2020年）和未來（到2100年）氣候情景的產量反應，并評價了每份品系在不同氣候條件下的反應。

研究表明不同小麥品系對溫度升高的產量反應存在很大差異。在2011-2020年試驗地點的溫度平均升高0.26°C的情況下，適應這種變化的品系不到1/3，而適應變化的表現僅在1/4的試驗環境下是穩定的。此外，當氣溫每上升1℃時，所培育的小麥品種的環境適應能力將下降8.7%。

“氣候變化可能會限制發展中國家農民選擇優良品種的范圍。”何中虎解釋說，氣候變化表現出來的主要特征是不同地區的環境差異變大，同一地區不同時期的環境差異也變大，比如以往風調雨順的地區發生高溫、干旱、澇災等多種災害風險明顯增大，同一季節會出現多種不同的自然災害一個地區不同地方出現不同的天氣狀況。

氣候變化加大了對品種廣適性的要求，不僅要求風調雨順時高產，也要求發生災害時有一定的抗逆能力，同時還要求能適應多地的環境。由于這樣的品種少之又少，農民可選擇的范圍非常有限。如果進一步考慮更多的氣候變化問題時，如減排、提升投入利用效率等，農民可選擇品種的范圍就更窄了。

熊偉認為，在這種情況下，育種工作需要考慮由氣候變化引起的更復雜的生態環境。如專門針對黃淮麥區的半干旱區進行高產優質多抗廣適性冬小麥育種，或專門針對西南潮濕地區的高產抗病育種工作。。當氣候發生變化后，環境一致性變得更加復雜，，增加了育種的工作量和難度。

應對氣候變化需要創新的育種策略

“小麥是全球種植最為廣泛的主要糧食作物，許多地方品種和野生種具有一定的耐熱能力等。”何中虎說。

然而這項研究結果明，目前很多地區的育種工作尚未把氣候變化或抗熱作為品種選育的重要目標。其主要原因是，育種家育成品種后，通常會在不同環境下進行試種，所以他們認為這種多點試驗已經可以反映出氣候變化的因素。

不過，育種家的多點試驗往往只在少數站點開展，且只進行一兩年，并不能全面反映出環境差異或可能的溫度上升范圍。

“為了應對氣候變化帶來的挑戰，育種策略必須系統地將與氣候韌性相關的性狀納入育種規劃。”熊偉說，適應氣候變化急需育種創新。

一些成功的國際公立育種機構，如國際玉米小麥改良中心、國際水稻研究所專門為發展中國家服務，他們都在進行生理育種。熊偉介紹，生理育種就是利用生理性狀選擇培育抗熱節水、廣泛環境適應性的新品系，。

生理育種不斷引入不同的適應能力強的重要基因，保證小麥新品系的遺傳多樣性和表型穩定性；而商業育種工作不斷優化選擇過程，使得基因多樣性不斷降低，逐步形成與其它地區或外源品種的基因隔離。

“由于種種原因，不同國家的品種資源交流受到很大制約，所以這種基因隔離現象在短期內很難改變。而國際公立育種機構的育種是打破這種隔離的一個主要途徑。”熊偉說，很多野生品種有很強的適應能力，生理育種可以不斷引入將廣適性基因導入現有推廣品種，，增強高產品種的環境適應能力。

熊偉強調，系統創新育種方法需要多學科合作，包括生理育種、全基因組選擇、基因發掘和基因編輯等，以及持續分析基因型、表現型和環境數據。工智能輔助的模型可以在計算機模擬中測試各種雜交組合和選擇策略，可以有效指導實際育種工作，并加速培育氣候韌性小麥品種。

目前，該研究團隊已為整理了3652份品系及其在不同環境條件下的表型數據，這些新品系是各種商業育種工作的親本材料和基礎；并對其環境表現進行了定量表述，可以為育種家的親本選擇提供指導信息。

國際玉米小麥改良中心首席科學家、華中農業大學教授Ravi Singh認為，該研究是一項開創性的工作，作者深入研究了基因型與環境的相互作用，通過大數據分析和深度學習，可以指導氣候韌性育種。由于進行分析需要全面規劃和數據管理，所以研究團隊從不角度進行了分析，以便從氣候變化、基因選擇和/或基因-環境相互作用的等方面面考慮氣候影響并提出調整育種策略的建議。