小麥是全球三大主糧作物之一，為人類貢獻了豐富多樣的食物。中國小麥產量全球第一，單產水平全球領先。這些巨大成就的取得，離不開中國著名小麥育種學家李振聲等眾多科學家所作出的重要科技貢獻。作為中國小麥遠緣雜交的奠基人，李振聲院士的一項成就是，利用從野草中找到的抗病基因，培育出一系列優質高產抗病的小麥新品種，推動中國小麥單產和總產量不斷提升。
小麥原本也是「野草」
我們所說的小麥學名一般叫做普通小麥，也叫麵包小麥，是目前全世界三大糧食作物之一。我們平時能吃到各種各樣面食糕點，主要還得感謝小麥這種神奇的作物。
小麥有什麽神奇的，不是很常見嗎？原來，100年前的科學家開始借助顯微鏡觀察小麥細胞的內部結構，發現小麥的細胞核竟然含有六套染色體。染色體是細胞核中攜帶生物遺傳物質（DNA）的主要載體，大多數動植物的細胞核只含有兩套染色體，一套來自父親，一套來自母親，這些生物統稱為二倍體。這些生物細胞核的染色體數量基本固定，一旦染色體多了或少了，都可能給這些生物造成麻煩，輕則導致這些染色體異常的生物無法生育後代，重則導致這些生物本身無法存活。
那麽，小麥的細胞核為什麽能擠進六套染色體呢？這些多染色體擠在一起為什麽沒有給小麥帶來麻煩，反而讓小麥從路邊的野草變成人類難以離開的食物呢？
這些問題自然也引起了科學家極大的興趣。透過考古學、遺傳學等多方面的研究和論證，科學家終於把小麥中六套染色體的來龍去脈弄明白了。原來，這六套染色體可以分成三組，分別來自於三個不同的祖先，每個祖先貢獻了兩套染色體。
普通小麥的最原始祖先是野生一粒小麥，因為它們麥穗上的每個小穗只結出一顆麥粒而得名。這種一粒小麥跟大多數動植物一樣，具有兩套染色體，屬於二倍體。如果野生一粒小麥繼續安分守己，它們可能仍然是一種不起眼的野草。
大約在80萬年前，一次非常偶然的機會，某顆一粒小麥沒有理會它的同類，卻跟生長在它附近的一種山羊草談起了跨物種「戀愛」，接受了這種雜草送過來的花粉。這種跨物種結合原本是不會產生可生育後代的，但是陰差陽錯，由於當時氣溫突然大幅降低，這種雜交小麥的染色體得以加倍，變成了可育的四倍體小麥。這種四倍體小麥的每個小穗一般能結出兩顆麥粒，因此被稱為二粒小麥。大約在9000年前，相同的雜交故事竟然神奇般地再次發生，野生二粒小麥與另外一種山羊草「節節麥」結合了，繁衍出耐寒性更好、環境適應力更強的野生六倍體小麥，也就是當今普通小麥的直接祖先。
有意思的是，這三種野生小麥都被人類的祖先吃過，並且相繼被馴化成栽培種。不過，由於與山羊草這類雜草發生了兩次遠緣雜交，普通小麥獲得了更強的抗病力，能耐受幹旱和貧瘠，而且更高產，因此逐漸取代了另外兩種小麥，成為全世界最主要的栽培小麥。
續寫小麥與野草奇緣
弄明白小麥與山羊草的兩次神奇經歷之後，國內外很多小麥育種學家受到啟發，開始人為地安排小麥與其他雜草進行遠緣雜交，希望培育出更高產、更健壯、更具生命力的小麥新品種。李振聲正是最早讓小麥與野草續寫奇緣的中國科學家之一。
著名小麥育種學家李振聲院士。視覺中國|圖
李振聲1931年出生於山東淄博農村，小時候家境貧寒，但是好學勤奮。從山東農學院（山東農業大學的前身）畢業之後，李振聲進入中國科學院從事牧草研究，在研究了八百多種牧草後，對草有了很深的認識：草往往比作物具有更旺盛的生命力，即使在貧瘠的土地上，在寒冷幹旱的環境裏，也能頑強地生長，也不怕病菌的侵襲，這是因為這些草往往含有一些特殊的基因。這段研究經歷為李振聲未來在小麥育種上取得成功奠定了重要基礎。
1956年，為了支援西北建設，李振聲報名前往位於陜西楊淩的中國科學院西北植物作物所工作。當時整個黃河流域的小麥正在遭遇嚴重的條銹病侵害。這是一種被稱為「小麥癌癥」的流行性病害，由條形柄銹菌引發，主要感染小麥的葉片，可以影響小麥的整個生長周期，使得小麥減產20%-30%，嚴重時可達50%，甚至完全絕收。由於農藥無法有效防治條銹病，而且長期噴灑農藥對人畜健康和環境不利，小麥條銹病防治也成為了世界性難題。
接觸小麥條銹病不久，李振聲突發奇想，既然小麥在前進演化過程中經過兩次與雜草的「聯姻」獲得了更強的生命力，如果讓小麥與一些具有抗條銹病的牧草進行遠緣雜交，是不是就能培育出抗條銹病的小麥新品種呢？
說幹就幹，李振聲憑借之前在牧草研究領域的經驗，開始大規模篩選具有抗病特性的草種，再與小麥進行遠緣雜交。不過，讓小麥和這些牧草「聯姻」可太不容易了，它們的雜交後代要麽無法成活，要麽無法繼續繁育後代，要麽後代的性狀分離非常嚴重。剛開始幾年，李振聲和同事在小麥遠緣雜交上並沒有取得什麽進展，有人甚至嘲笑李振聲鼓搗了這麽多年，只培育出一堆草。但是李振聲並沒有把這些嘲笑和質疑放在心裏，自己只是帶領團隊埋頭苦幹，這一幹就是20年。
經過反復試驗，李振聲最終選中了長穗偃麥草。這種牧草是小麥的「遠房親戚」，再生能力強，根系強大，具有抗寒、耐旱、耐鹽堿等特性，最重要的是長穗偃麥草與小麥還算「合得來」。
第一代小麥與偃麥草的雜交後代長得更像偃麥草，莖和葉長得倒是挺好，就是不怎麽結麥粒。怎麽辦？李振聲決定讓小麥與它們的雜交後代進行反復雜交，一代又一代地持續改進。歷經20年，李振聲團隊1979年才最終培育出抗病力強、適應力廣、產量穩定的小偃6號等小麥遠緣雜交新品種。由於引入了長穗偃麥草的抗病、抗旱、適應力廣等優良特性，依靠雜交優勢，小麥產量也得到大幅提升，小偃6號一經問世，迅速成為廣泛種植的小麥品種，長盛不衰達20年，年種植面積一度超過1000萬畝。小偃6號也成為中國小麥育種的主要骨幹親本之一，被李振聲和其他小麥育種家用來雜交選育出五十多個新品種，累計推廣3億畝，小麥增產累計達150億斤。
在李振聲小麥遠緣雜交育種工作的激勵下，中國科學家還相繼成功開展了小麥與山羊草屬、黑麥屬、偃麥草屬、簇毛麥屬、冰草屬、大麥屬、披堿草屬、賴草屬、新麥草屬、旱麥草屬等遠緣雜交，培育了一大批優良小麥新品種。李振聲也被譽為「中國小麥遠緣雜交之父」，與袁隆平齊名，有「南袁北李」之稱。李振聲1991年被評為中國科學院院士，2006年獲得國家最高科技獎，是繼袁隆平之後第二位獲得該項榮譽的農業科學家。
培育更多的優良品種
李振聲等老一代小麥育種家主要依靠一代一代持續雜交選育小麥新品種，育種周期長，成本高，育種效率偏低。隨著基因技術的進步，科學家找到了另一條利用小麥「遠房親戚」優良特性的捷徑，即從這些野草中挖掘出控制相關優良特性的基因，將不同優良基因像搭積木一樣，整合到同一個品種中，即可快速培育出一個將抗病、抗逆、高產、優質於一身的小麥新品種。山東農業大學孔令讓教授正是從長穗偃麥草挖掘到一個小麥赤黴病的抗病基因，為破解赤黴病防治的世界性難題找到了這樣的捷徑。
小麥赤黴病是小麥的另一種「癌癥」，由鐮刀菌侵染所引起，致使小麥的秧苗、莖稈、麥穗等部位腐爛，可導致大幅減產，而且這種病菌產生的嘔吐毒素嚴重危害人畜健康甚至致癌。全世界的小麥育種科學家都希望能找到赤黴病的抗病基因，從而可從源頭上控制這種小麥癌癥。
巧合的是，孔令讓與李振聲院士頗具淵源。兩人同為山東農業大學的校友，或許受到李振聲院士的影響，從研究生階段開始，孔令讓就從事長穗偃麥草、八倍體小偃麥與小麥的遠緣雜交研究，李振聲院士還曾擔任孔令讓博士論文的答辯委員。
面對赤黴病的威脅，孔令讓團隊透過20年潛心研究，最終發現了小麥「遠房親戚」長穗偃麥草的基因組中含有一個抗赤黴病的基因Fhb7，這個基因編碼一種特殊的酶，可以將鐮刀菌產生的嘔吐毒素分解。神奇的是，Fhb7基因並非偃麥草天生就有，而是從一種在溫帶草細胞間共生的真菌身上轉移過來的。也就是說，這種內共生真菌不知道什麽時候前進演化出了對抗鐮刀菌嘔吐毒素的基因，為了不讓所共生的草被鐮刀菌所侵害，內共生真菌將Fhb7基因「贈送」給了偃麥草的祖先，使得長穗偃麥草也擁有了抗赤黴病的能力。這一發現以封面故事的形式於2020年4月9日發表在國際著名學術雜誌【科學】上。
了解到Fhb7基因的功能之後，孔令讓團隊透過長穗偃麥草與小麥的遠緣雜交，將Fhb7基因轉移給小麥，培育出抗赤黴病的小麥種質材料，已向全國七十多家科研單位和育種企業提供該種質材料。與此同時，孔令讓團隊自己培育的抗赤黴病小麥新品種「山農48」已透過山東省品種審定，表現出穩定的赤黴病抗性。這是中國第一個攜帶抗赤黴病基因Fhb7的小麥審定品種，預計未來還會有更多攜帶抗赤黴病基因Fhb7的小麥新品種培育出來。
全世界的科學家也已從野草中尋找到上百個抗病基因，一些基因已經被用於培育抗條銹病、抗赤黴病、抗白粉病等重要小麥病害的小麥新品種，野草也為減少小麥產量損失、人類能吃上更多小麥發揮著重要作用。
南方周末特約撰稿 湯波
責編 朱力遠
