出品：科普中國
製作：楊翼駿(中國科學院遺傳與發育生物學研究所)
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
2021年6月10日4點30分，太陽剛爬上地平線，一群研究生便早早地出現在田間地頭，開始了他們緊張而又平凡的一天。
今天的工作主題是收穫，任務量是在中午之前拔兩萬小麥單株。
什麼？拔？？
相信你一定沒錯過這個字眼，相信你一定有些困惑。
2021年了，身為一名研究生，不在實驗室裡專心做研究，跑到農田拔麥子？是農業機械化覆蓋面太小，還是生來一副鐵掌非要試試麥芒？
其實，對於所有育種人來說，這樣的一天，既是小麥成熟收穫的季節，更是他們篩選、觀察小麥的最佳黃金時間。
說育種，先從小麥的起源說起
小麥的進化簡史我們現在吃的普通小麥是六倍體（基因組可以用AABBDD來表示），而最初，小麥的祖先是單倍體。普通小麥的起源進化是巧合且複雜的過程，它經歷了兩次異源多倍化程序。
第一次發生在約30-50萬年以前，烏拉爾圖小麥（A基因組供體）和擬斯卑爾脫山羊草或其近緣種（B基因組供體）雜交，染色體天然加倍形成野生二粒小麥（四倍體，基因組可以用AABB來表示）。野生二粒小麥經過馴化，逐漸演變成栽培二粒小麥；第二次異源多倍化發生在約8000年前，栽培二粒小麥和粗山羊草（D基因組供體）雜交，染色體天然加倍，形成六倍體普通小麥。
不同進化時期的小麥形態：左上，斯卑爾脫小麥；右上，野生二粒小麥；左下，栽培二粒小麥；右下，普通栽培小麥（圖片來源：作者實驗室）
隨著人口的日益增加，人們對小麥產量的需求也日益增多，因此，人類開始馴化小麥，也就是早期的“育種”。我們今天所種植的農作物，都不是“純天然”的，全都是根據需要，經過篩選和培育才誕生的，這些工作也就是咱們常說的“育種”。
回到開頭的一幕，大家可能會覺得，育種就育種，為什麼非到農田裡拔麥子？說到底，小麥育種對於所有科研人員、科研團隊來說是個非常艱辛且漫長的過程，而拔麥子，只不過是育種人進行田間試驗的一個環節。
小麥育種分幾步？
如果要培育一個小麥新品種，首先就需要了解，什麼叫單株？什麼叫品種？
單株可理解為一粒種子經過生長髮育至成熟的完整植株，下圖為四個單株。（只有拔多了才看得出，它們四個相互都有差異）
單株（圖片來源：Luo et al., 2021）
一般來說，品種是指：在一定的生態和經濟條件下，經過人工選育，透過品種審定的，具有優良性狀且遺傳性穩定的群體。
這裡面有兩個關鍵點，一是優良性狀（比如高產、抗病，適應性好），二是性狀能夠穩定遺傳。
小麥系譜（類似於人的家族譜）（圖片來源：胡鐵柱）
通常，我們會先從“實驗材料”中廣泛尋找優良的性狀（上圖），比如抗病、早熟、大粒、抗寒、耐旱多粒等等，然後想辦法將這些優良性狀匯聚到一個“育種材料”身上，最終獲得具有遺傳性穩定且性狀優良的品種。
例如：河南科技學院茹振鋼教授和他帶領的團隊歷經30年嘔心瀝血育成的高產多抗小麥品種“矮抗58”，具有高產穩產、矮稈抗倒、抗逆抗病適應性廣、優質、穩定性好等品種優勢。不會種地的人 摸不著育種的門
那麼，育種過程中的田間試驗具體都要做什麼呢？
小麥育種田間試驗步驟首先，我們根據研究目的，結合小麥的生長髮育時期，開展每年的小麥田間試驗工作，到農田（我們一般稱為“大田”）中去幹“農活”。
只不過，為了研究，這些農活幹起來要精細得多。小麥的田間試驗不只有拔麥子，還有其他很多工作，從計劃、田間管理、播種、性狀調查到收穫、脫粒入庫儲存，是一個完整的育種流程。所以說，不去“種地”的話，根本摸不到育種的門。
接下來，我就結合這幾個階段的經歷，和大家分享我作為小麥育種人的“種地”心得。不妥之處，敬請指正為謝！
一、 種地之前，先做種植計劃
我們平時在大田裡的種植的植株可以分為兩種，育種材料與實驗材料。
計劃什麼呢？計劃育種材料和實驗材料的種植規模和種植方式，也就是“種什麼”和“怎麼種”。
首先我們先得區別一下兩類種植材料。
1. 育種材料
（育種材料的夢想就是有朝一日成為一個好的品種!）
育種材料講求整體性、綜合性、穩定性。一般來源於已知的品種與品種間，品種與育種材料間，育種材料和育種材料間雜交後選育而來。
因此，在種植、選育育種材料時，要做到舉重若輕，縱覽全域性，要求株系的株高、粒重、抗逆性、適應性等多維度性狀的綜合性好。
2. 實驗材料
實驗材料主要用於研究某一特定的性狀。比如研究小麥抗病性時，若在大田裡發現一株不同於旁邊“生病”的材料，其株系葉片等表現為健康。它便可以成為我們的實驗材料。因此調查性狀時要做到精確到某一植株的個體變化情況，也就是舉輕若重。但研究實驗材料最終的目的也是服務於育種材料，使得優異的性狀能聚合在育種材料中。
實驗材料來源廣泛，不論國家審定品種還是農家種或者野生種，只要在某一方面有特定的優良性狀即可，講求特異性、多樣性、精確性。
二、 收穫、播種雙精細
試驗設計完畢後，每年9月底到10月中旬，我們就開始田間播種工作。
整地開溝-劃渠起壟-測距拉線-插牌發袋-播種覆土，整個播種過程一氣呵成！
田間播種（圖片來源：作者）
在研究過程中，不同的袋子之間、同一個袋子裡不同的種子之間都會有一定差異，為了精確地研究其遺傳特性，在播種前要先插牌對每一溝做好編號，播種時需要做到每一個袋子對應每一溝，每一個袋子裡的種子要儘量均勻或等距地播種在對應的溝渠裡。
三、日常田間調查，以及採集小麥樣品——精確調查，精確取樣
播種完畢後，不同的時期還需要對小麥田間性狀、抗病性情況做調查並採集葉片用於實驗室研究。
比如說，我們要調查小麥病害的情況，常見的小麥病害有條鏽病、葉鏽病、稈鏽病、赤黴病等。
條鏽病是小麥生產上危害性最高的病害之一，由小麥條鏽病菌引發。圖左邊為感條鏽病小麥，右邊為抗鏽病小麥（圖片來源：作者）
如上圖所示，一般來說，右邊的小麥之所以能抗條鏽病，是因為它裡面含有一個或多個有抗性的抗條鏽病基因。我們的研究目的，就是將抗病基因從這些抗病材料中克隆出來，然後匯入到育種材料或品種中，使其擁有抗病性，以滿足增加糧食產量迫切的需求。
然而，病菌也很聰明，也在不斷地進化變異，導致我們的抗病基因有時候少則幾年就失去了抗性，這便為我們育種工作提出了更高的要求，要求我們要不斷地尋找更多樣、抗性好的抗病基因。
田間地頭，當你看見一群研究生們這裡瞅瞅、那裡看看，甚至有的人扶著麥苗、端詳麥穗，正是大家認真、細緻找尋具有特別表徵小麥麥苗的時候，比如說“抗病”的、“感病”的，“高”的、“矮”的……在它們的身上，可都攜帶著對應的生物密碼（基因）。
分子標記檢測（圖片來源：作者）
而當鎖定了一些特別表徵的小麥後，我們會採集對應的葉片，回到實驗室，提取DNA，透過實驗手段如分子標記檢測等，定位並克隆這些表徵所對應的基因。
總結一下，我們的田間工作目的就是尋找、並確定表型（如抗條鏽病）→實驗室裡找到、克隆基因→將基因匯入到育種材料或品種中。
那麼問題來了，為什麼不直接在實驗室種植小麥、找到目標基因？
答案是：不可能。
就拿研究小麥條鏽病來說，小麥條鏽病菌是一種寄生真菌，必須依附在活體小麥之上才能存活。條鏽菌的繁殖體夏孢子可隨高空氣流遠距離傳播，並反覆感染小麥，在小麥上完成周年的侵染迴圈，其侵染迴圈可分為越夏，侵染秋苗，越冬及春季流行四個環節。小麥收穫後，條鏽菌會轉主寄生在小檗上。在條鏽菌沒有傳播的地區（比如實驗室裡），就觀測不到小麥感條鏽病，也就無法找到對應基因。
四、收穫的季節，其實我們也有收割機
每年的小麥收穫，正是一年當中最熱鬧的時間段。課題組的全體人員頂著酷日、集體下地，歡聚一堂，並對收穫和農用車駕駛技術進行充分、全面的鍛鍊。
下圖佐證：
筆者所在的課題組拍攝於石家莊高邑縣
相信現在大家也開始明白我們在收穫材料時，為什麼要“下地拔麥子”了。
這是因為，我們學習小麥育種的方法後，還要透過精細地研究小麥農藝性狀、抗病性的遺傳規律，以期將優異的遺傳性狀應用到實際生產中。
為此，我還總結了近一、兩年收穫實驗材料——拔麥子的四種常見方法，希望對大家特別是對拔麥的初學者有所幫助。
姿勢一：彎腰式——田間最常見的拔麥方式，缺點是不適合身高太高的人，費腰。
姿勢二：曲膝式——精髓在於曲膝、提臀、用背部發力。優點是能鍛鍊背部力量，適合健身愛好者。
姿勢三：蹲式——優點在於省力且速度快，缺點在於長時間蹲著腿容易麻，猛地站起容易跌倒，建議與彎腰式輪換。
姿勢四：站立式——站立比較輕鬆，但對小麥高度有要求，拔的時候需要氣沉丹田，集中發力，不然容易斷根，傷害材料完整性。
輪到育種材料小區收穫時，情況就不同了。
那是一個風和日麗的下午，具體時間為2021年6月19日14點10分，任務是收穫育種小區。與往常不同，今日的三大防曬法寶：帽子、雲、口罩裡，沒有云。
太陽是那麼燦爛，也是那麼毒辣（截圖自當日天氣）
因為實驗材料是按行種植，而大部分育種材料是按小區種植，因此育種材料與實驗材料的收穫要求和方式有所不同，開心地開上了百萬級機械收割機。（實際是跟在收割機後面將種子袋裝車)
機械收穫育種材料（圖片來源：作者）
我們按照不同的種植小區（圖中一塊一塊間隔的區域就是小區）收割，收割後脫粒的種子會被分裝入編有不同標籤的袋子。
五、材料的脫粒、裝袋與入庫
那些收穫（拔）時是按行種植的實驗材料和育種材料的單株，都需要單株脫粒，脫粒後按編號裝進對應袋，入庫以備使用。
或許還有人疑惑，既然實驗材料要一一對應，那為什麼在收材料的時候，有時拔的單株小麥並沒有掛牌？其實，有沒有標誌牌要看情況，有時候為了提高收穫效率，在農忙時為搶收種植材料，一些材料（如遺傳和突變體等群體）會全部收穫後分單株脫粒，在脫粒時，對裝入的袋子進行標號即可。
田間試驗，是一場屬於育種人的修行
在田間試驗階段，還有很多好玩的事，比如雜交、誘變、人工接菌等，這裡就不再一一和大家分享啦，有興趣的朋友可以聯絡我們，共同交流。
可是難免還是會有人疑惑，這些田間試驗，為什麼一定要學生來幹？為什麼連博士都需要下地？
首先，實驗材料不是從天上掉下來的，常常是一種傳承。一個研究群體的配置常常需要數年，我的實驗材料就來自師兄師姐們的辛勤培育。而且，有的性狀在實驗室觀測不到，即使在實驗室能調查，也應該以大田為主，因為在育種實驗室中一切科學手段的檢測和分析，最終也要透過在大田裡的表型來驗證。
另外，小麥表型的鑑定和育種並不是件容易的事，需要多年的經驗積累，而且每個人的研究目的不同，對材料瞭解程度不同。自己的課題自己鑑定，本就是理所應當的，就連那些年近70高齡的育種家們仍熱衷活躍于田間地頭，樂在其中。
可以說，田間試驗，是一場屬於育種人的修行。只有經過酷暑嚴寒、傾其所能的鑽研，本科生才能認識到自己是否適合讀碩士，碩士生才能感受到自己是否適合讀博，博士生才能清楚自己是否適合搞科研和育種。
不經過繁重實驗的考驗，不經過酷暑中開展田間試驗的磨鍊，只是站在門檻外空想，恐怕不少人都會以為自己是拯救科研界和育種界的天選之子。
在育種這件事上，選擇是相互且殘酷的，你在選育材料，材料也在選擇你。
來源： 科普中國
