記者從中國農業科學院作物科學研究所了解到，2023年6月8日23:00，《自然·遺傳學（Nature Genetics）》發表了我國科學家的一項新成果，該成果通過對谷子種質資源的基因組變異和群體結構分析，構建了谷子第一個高質量圖基因組圖譜，系統闡明了谷子起源及馴化改良的過程。科學家們還創制了谷子圖基因組精準高效育種方法，為培育突破性品種提供了理論基礎和技術路徑。
在旱澇頻仍、極端氣候屢屢影響農業生產的今天，如何更好保障糧食安全？傳統的農業和作物，或許可以為現代農業提供不同的經驗和借鑒。聯合國糧農組織將2023年定為“國際小米年”，認為以小米為代表的小顆粒谷物，在利用貧瘠土地、應對氣候變化等諸多方面有不可或缺的優勢，將在保障全球糧食安全中發揮更大的作用。
小米是谷子脫殼后的食品，這種發源于中國的作物，在漫長的歷史中，一直承擔著主糧的功能，并且傳播到全球。但在今天，它正在變得邊緣化，如何更好發揮它保障糧食安全的作用，可能就需要從傳統作物轉型到現代作物。為此，我國乃至全球農業科學家們，數十年中做出了許多杰出的貢獻。
隨著育種技術的進步，現在的谷子和以前不同了，可以兼具高產、優質、風味濃郁等多種優良特性。新京報記者 周懷宗 攝
古老的谷子，曾經推動中國人口爆炸
谷子是人類馴化最早的作物之一，這種起源于中國的小顆粒谷物，最早的考古證據，可以追溯到1萬多年前。在漫長的歷史中，一直都是中國的主要糧食作物，是北方黍粟文化的代表性作物。
中國農科院作科所特色農作物優異種質資源發掘與創新利用團隊負責人、國家谷子高粱產業技術體系首席科學家刁現民介紹，中國馴化和栽培谷子的歷史非常悠久，考古學家們在北京門頭溝東胡林人遺址中，發現了11000多年的碳化谷子。大約6000年前到5000年前，谷子的栽培日漸繁榮，仰韶文化、紅山文化等遺址中，都發現了大量的谷子蹤跡，許多歷史學家認為，這一時期，中原人口出現了第一次爆發性增長，其中谷子栽培是重要的基礎之一。
2023年3月19日，刁現民在南繁基地查看基地中培育的谷子。新京報記者 周懷宗 攝
科學家們曾對谷子的起源有多種猜測，包括歐洲起源、中亞起源等說法，但隨著科技的進步，越來越多的發現證明，中國是谷子唯一的起源地。2002年，在青海喇家遺址出土了迄今最早的面條，經科學分析，該面條是谷子的顆粒也就是小米制做的。
“在魏晉時代，谷子的栽培達到了高峰，隋唐以后，北方麥作文化興起，逐漸形成了南稻北麥的格局，但谷子一直都是中國北方主要的作物之一，甚至到新中國成立以后，這一狀態也沒有明顯的變化”，刁現民介紹，“谷子真正從大宗作物逐漸變成小作物，其實是近40年的事情。數據顯示，1978年，當時全國最大的谷子主產地黑龍江省，還有2000萬畝以上的谷子，而現在，全國谷子播種面積只有2500萬畝-3000萬畝。”
谷子現代化，從搜集資源開始
數千年的主糧，為何在短短幾十年的時間中，變成了邊緣化的小作物？口感、產量，乃至技術的變化，或許都是原因之一。
一個眾所周知的變化，是上世紀六十年代，小麥、水稻等，開啟了一場以矮稈化為代表的綠色革命，短時間內，產量大幅度增加，這也使得小麥、水稻的推廣面積越來越廣，成為主要的口糧作物。
“種子是農業的基礎，”刁現民說，“而種質資源，則是種業的芯片。谷子適應性強，耐瘠薄，能夠在貧瘠的土地上獲得產量，是過去漫長歷史中中國北方最重要的作物之一。”
我國積累了世界上最豐富的谷子資源。中國農科院供圖
但要像水稻、小麥那樣，重新成為現代農業生產中的大作物，谷子也需要進行現代化的轉型。“傳統的谷子有1.8米到2米高，必然會出現易倒伏等問題，影響產量。而要改良品種，育成新的高產品種，需要從種質資源做起。”
在上世紀八十年代，刁現民就開始從事谷子種質資源的搜集、鑒定、研究和培育工作，“谷子是從狗尾草馴化而來的，我們一開始搜集谷子的野生材料也就是狗尾草，目前已經有20多個種1500多份各類各樣的狗尾草屬的材料。同時，我們也在搜集全國各地的農家種，中國的谷子農家品種和育成品種最豐富，農家品種大概有27000多份，有很豐富的種類。同時，我們育成了1200多個新品種，我們現在育成品種的水平在國際上都是領先的，領先于世界上其他谷子生產國。”
我國谷子育成品種在全球領先。中國農科院供圖
全基因圖譜，一份深入圍觀的地圖
如何利用豐富的資源，育成更高產更優質的品種？在過去，雜交是主要手段。但隨著現代科技的發展，科學家們有了更加豐富和高效的手段。
“首先我們必須對基因型和表型有精準的鑒定，有了這些基礎工作，才能夠知道這些材料的特性，更好地利用它們。”刁現民說。
利用現代分子生物學技術，刁現民和他的團隊，對1844份核心種質資源群體結構進行了解析，這些種質資源既有野生種，也有傳統的農家種和現代育成品種。在此基礎上，他們又從頭組裝了110個谷子和狗尾草高質量基因組，繪制了首個狗尾草屬基因組變異圖譜，構建了高質量的圖基因組，這幫助他們認識了谷子資源變異的基本情況，系統解析了谷子馴化和改良過程中基因組變異。
同時進行的，還有針對全國各地的田間調查。據介紹，團隊歷時10年，在13個地理環境下，對680份資源進行了68個性狀的表型調查，形成了226組群體表型數據和表型組數據庫。將基因組變異和表型數據關聯，發掘出1084個與表型顯著關聯的重要性狀相關位點。此外，研究還建立了基于谷子圖基因組的最優預測模型和全基因組選擇育種方法，該方法可加速作物遺傳研究并使谷子表型預測精度最高提升12.6%。
“谷子基因組就好像一本復雜的‘天書’，而如今我們破解了這本‘天書’，可以看懂它，并根據它的指引，去培育更好的品種，”中國科學院院士、中國農科院作科所研究員錢前表示，“谷子是中國人馴化的，是中國人在歷史上對人類文明最大的貢獻之一，而現代，我們又做出了新的成果，未來或將改變谷子栽培的歷史，在國際小米年做出了我們中國人的貢獻。”
聯合國糧農組織將2023年定為“國際小米年”，認為谷子等小顆粒谷物，對未來全球食品安全保障意義重大。中國農科院供圖
谷子的誤會，它其實是高產作物
在作物中，小麥、水稻等都是碳3作物，而谷子是碳4作物，其典型的特征是，在光合作用中，它擁有更高的轉化率，因此是天然的高產作物，和谷子類似的還有玉米、高粱等，同樣都是高產作物。
刁現民介紹，在科技攻關方面，我國已經取得了眾多成就，如構建了谷子完全雄性不育SPT技術體系，為提升雜交種制種效率提供了支撐，制定了谷子適合機械化收獲、加工品質評價與優質評價的團體標準，優質谷子新品種金苗K1繼續擴大種植面積，成為全國推廣面積最大的優質品種，正在快速替代傳統品種。
“許多人對谷子有一種誤會，覺得它產量低，”刁現民說，“造成這種誤解的原因，可能和谷子大多種在旱地、貧瘠土地上的現狀有關。事實上，在水澆地中，合理的施肥、澆水、田間管理條件下，谷子可以達到600-700公斤的畝產，在科學家的試驗田中，最高紀錄目前是860公斤。但在旱地，普遍只有250-300公斤的畝產。”
中國農科院作科所特色農作物優異種質資源發掘與創新利用團隊育成的優質、高產、廣適、抗除草劑谷子新品種“中谷989”，2021年在河南省伊川縣實測畝產達到622.39公斤。中國農科院供圖
谷子是高產作物，既有高產的潛力，也有高產的紀錄，實現這一切的，是科技的力量。刁現民說，目前谷子育種中，已經實現“綠色革命”，原本1.7-1.8米的株高，已經降低到1.2米左右，實現了普遍的矮稈化，當前推廣的主要品種，都是矮稈化的，這極大地提升了谷子的產量。
于此同時，谷子的品質也在不斷提升，刁現民告訴記者，“以前熬小米粥，需要很長時間才能煮爛，但現在好的品種，只要20分鐘左右就可以了，而且顏色、香氣、口感、營養都非常好。”
健康的食品，大食物觀下的谷子
在當前，谷子普遍被認為是雜糧作物，這個曾經擔當了千萬年主糧角色的傳統谷物，在未來是否還有回到主糧序列的可能？
一把谷子，一捧小米，在歷史上養育了中華民族，在革命年代造就了一個個傳奇，在今天，人們對健康飲食的追求越來越高，這種營養均衡且豐富的作物，亦有廣闊的前景。尤其在當下，全球極端氣候頻發，谷子這種適應性更強的耐旱作物，對保障糧食安全格外重要。錢前表示，“去年南方旱情中，我就意識到，我們的谷子一定要往南方走，而且也有這樣的條件。”
作為傳統北方作物的谷子，是否可以推廣到南方？刁現民介紹，在技術層面，目前并不存在困難，“谷子是耐旱作物，但并不意味著它只能在旱地種植，事實上，在水澆地上，產量更好。在過去，南方旱地上也有很多谷子，我們的國家種質庫中，來自各個地方的谷子都有。因此在南方發展谷子是完全可能的，比如在江西，8月份仍可以播種，把當地的晚秋季、早春季的作物利用起來。”
現代農業中，機械化、規模化生產是普遍趨勢，谷子的顆粒很小，而且多種植在山地等邊緣土地上，是否具有機械化的條件，可能是谷子能否推廣的重要因素之一。
對此，刁現民介紹，谷子的矮稈化一方面降低了倒伏的可能性，提高了產量，同時也是適應機械化的需求，事實上，當前在東北、華北等地區，谷子都實現了全程機械化，在全國，谷子全程機械化率達到了60%。在西北山地，由于地形環境等因素，還沒有實現全程機械化，但也在不斷推進機械化水平的提升。也就是說，谷子的種植，并不是仍舊依靠人力，也可以像其他糧食作物一樣，實現機械化、規模化的種植。
