记者从中国农业科学院作物科学研究所了解到，2023年6月8日23:00，《自然·遗传学（Nature Genetics）》发表了我国科学家的一项新成果，该成果通过对谷子种质资源的基因组变异和群体结构分析，构建了谷子第一个高质量图基因组图谱，系统阐明了谷子起源及驯化改良的过程。科学家们还创制了谷子图基因组精准高效育种方法，为培育突破性品种提供了理论基础和技术路径。
在旱涝频仍、极端气候屡屡影响农业生产的今天，如何更好保障粮食安全？传统的农业和作物，或许可以为现代农业提供不同的经验和借鉴。联合国粮农组织将2023年定为“国际小米年”，认为以小米为代表的小颗粒谷物，在利用贫瘠土地、应对气候变化等诸多方面有不可或缺的优势，将在保障全球粮食安全中发挥更大的作用。
小米是谷子脱壳后的食品，这种发源于中国的作物，在漫长的历史中，一直承担着主粮的功能，并且传播到全球。但在今天，它正在变得边缘化，如何更好发挥它保障粮食安全的作用，可能就需要从传统作物转型到现代作物。为此，我国乃至全球农业科学家们，数十年中做出了许多杰出的贡献。
随着育种技术的进步，现在的谷子和以前不同了，可以兼具高产、优质、风味浓郁等多种优良特性。新京报记者 周怀宗 摄
古老的谷子，曾经推动中国人口爆炸
谷子是人类驯化最早的作物之一，这种起源于中国的小颗粒谷物，最早的考古证据，可以追溯到1万多年前。在漫长的历史中，一直都是中国的主要粮食作物，是北方黍粟文化的代表性作物。
中国农科院作科所特色农作物优异种质资源发掘与创新利用团队负责人、国家谷子高粱产业技术体系首席科学家刁现民介绍，中国驯化和栽培谷子的历史非常悠久，考古学家们在北京门头沟东胡林人遗址中，发现了11000多年的碳化谷子。大约6000年前到5000年前，谷子的栽培日渐繁荣，仰韶文化、红山文化等遗址中，都发现了大量的谷子踪迹，许多历史学家认为，这一时期，中原人口出现了第一次爆发性增长，其中谷子栽培是重要的基础之一。
2023年3月19日，刁现民在南繁基地查看基地中培育的谷子。新京报记者 周怀宗 摄
科学家们曾对谷子的起源有多种猜测，包括欧洲起源、中亚起源等说法，但随着科技的进步，越来越多的发现证明，中国是谷子唯一的起源地。2002年，在青海喇家遗址出土了迄今最早的面条，经科学分析，该面条是谷子的颗粒也就是小米制做的。
“在魏晋时代，谷子的栽培达到了高峰，隋唐以后，北方麦作文化兴起，逐渐形成了南稻北麦的格局，但谷子一直都是中国北方主要的作物之一，甚至到新中国成立以后，这一状态也没有明显的变化”，刁现民介绍，“谷子真正从大宗作物逐渐变成小作物，其实是近40年的事情。数据显示，1978年，当时全国最大的谷子主产地黑龙江省，还有2000万亩以上的谷子，而现在，全国谷子播种面积只有2500万亩-3000万亩。”
谷子现代化，从搜集资源开始
数千年的主粮，为何在短短几十年的时间中，变成了边缘化的小作物？口感、产量，乃至技术的变化，或许都是原因之一。
一个众所周知的变化，是上世纪六十年代，小麦、水稻等，开启了一场以矮秆化为代表的绿色革命，短时间内，产量大幅度增加，这也使得小麦、水稻的推广面积越来越广，成为主要的口粮作物。
“种子是农业的基础，”刁现民说，“而种质资源，则是种业的芯片。谷子适应性强，耐瘠薄，能够在贫瘠的土地上获得产量，是过去漫长历史中中国北方最重要的作物之一。”
我国积累了世界上最丰富的谷子资源。中国农科院供图
但要像水稻、小麦那样，重新成为现代农业生产中的大作物，谷子也需要进行现代化的转型。“传统的谷子有1.8米到2米高，必然会出现易倒伏等问题，影响产量。而要改良品种，育成新的高产品种，需要从种质资源做起。”
在上世纪八十年代，刁现民就开始从事谷子种质资源的搜集、鉴定、研究和培育工作，“谷子是从狗尾草驯化而来的，我们一开始搜集谷子的野生材料也就是狗尾草，目前已经有20多个种1500多份各类各样的狗尾草属的材料。同时，我们也在搜集全国各地的农家种，中国的谷子农家品种和育成品种最丰富，农家品种大概有27000多份，有很丰富的种类。同时，我们育成了1200多个新品种，我们现在育成品种的水平在国际上都是领先的，领先于世界上其他谷子生产国。”
我国谷子育成品种在全球领先。中国农科院供图
全基因图谱，一份深入围观的地图
如何利用丰富的资源，育成更高产更优质的品种？在过去，杂交是主要手段。但随着现代科技的发展，科学家们有了更加丰富和高效的手段。
“首先我们必须对基因型和表型有精准的鉴定，有了这些基础工作，才能够知道这些材料的特性，更好地利用它们。”刁现民说。
利用现代分子生物学技术，刁现民和他的团队，对1844份核心种质资源群体结构进行了解析，这些种质资源既有野生种，也有传统的农家种和现代育成品种。在此基础上，他们又从头组装了110个谷子和狗尾草高质量基因组，绘制了首个狗尾草属基因组变异图谱，构建了高质量的图基因组，这帮助他们认识了谷子资源变异的基本情况，系统解析了谷子驯化和改良过程中基因组变异。
同时进行的，还有针对全国各地的田间调查。据介绍，团队历时10年，在13个地理环境下，对680份资源进行了68个性状的表型调查，形成了226组群体表型数据和表型组数据库。将基因组变异和表型数据关联，发掘出1084个与表型显著关联的重要性状相关位点。此外，研究还建立了基于谷子图基因组的最优预测模型和全基因组选择育种方法，该方法可加速作物遗传研究并使谷子表型预测精度最高提升12.6%。
“谷子基因组就好像一本复杂的‘天书’，而如今我们破解了这本‘天书’，可以看懂它，并根据它的指引，去培育更好的品种，”中国科学院院士、中国农科院作科所研究员钱前表示，“谷子是中国人驯化的，是中国人在历史上对人类文明最大的贡献之一，而现代，我们又做出了新的成果，未来或将改变谷子栽培的历史，在国际小米年做出了我们中国人的贡献。”
联合国粮农组织将2023年定为“国际小米年”，认为谷子等小颗粒谷物，对未来全球食品安全保障意义重大。中国农科院供图
谷子的误会，它其实是高产作物
在作物中，小麦、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，它拥有更高的转化率，因此是天然的高产作物，和谷子类似的还有玉米、高粱等，同样都是高产作物。
刁现民介绍，在科技攻关方面，我国已经取得了众多成就，如构建了谷子完全雄性不育SPT技术体系，为提升杂交种制种效率提供了支撑，制定了谷子适合机械化收获、加工品质评价与优质评价的团体标准，优质谷子新品种金苗K1继续扩大种植面积，成为全国推广面积最大的优质品种，正在快速替代传统品种。
“许多人对谷子有一种误会，觉得它产量低，”刁现民说，“造成这种误解的原因，可能和谷子大多种在旱地、贫瘠土地上的现状有关。事实上，在水浇地中，合理的施肥、浇水、田间管理条件下，谷子可以达到600-700公斤的亩产，在科学家的试验田中，最高纪录目前是860公斤。但在旱地，普遍只有250-300公斤的亩产。”
中国农科院作科所特色农作物优异种质资源发掘与创新利用团队育成的优质、高产、广适、抗除草剂谷子新品种“中谷989”，2021年在河南省伊川县实测亩产达到622.39公斤。中国农科院供图
谷子是高产作物，既有高产的潜力，也有高产的纪录，实现这一切的，是科技的力量。刁现民说，目前谷子育种中，已经实现“绿色革命”，原本1.7-1.8米的株高，已经降低到1.2米左右，实现了普遍的矮秆化，当前推广的主要品种，都是矮秆化的，这极大地提升了谷子的产量。
于此同时，谷子的品质也在不断提升，刁现民告诉记者，“以前熬小米粥，需要很长时间才能煮烂，但现在好的品种，只要20分钟左右就可以了，而且颜色、香气、口感、营养都非常好。”
健康的食品，大食物观下的谷子
在当前，谷子普遍被认为是杂粮作物，这个曾经担当了千万年主粮角色的传统谷物，在未来是否还有回到主粮序列的可能？
一把谷子，一捧小米，在历史上养育了中华民族，在革命年代造就了一个个传奇，在今天，人们对健康饮食的追求越来越高，这种营养均衡且丰富的作物，亦有广阔的前景。尤其在当下，全球极端气候频发，谷子这种适应性更强的耐旱作物，对保障粮食安全格外重要。钱前表示，“去年南方旱情中，我就意识到，我们的谷子一定要往南方走，而且也有这样的条件。”
作为传统北方作物的谷子，是否可以推广到南方？刁现民介绍，在技术层面，目前并不存在困难，“谷子是耐旱作物，但并不意味着它只能在旱地种植，事实上，在水浇地上，产量更好。在过去，南方旱地上也有很多谷子，我们的国家种质库中，来自各个地方的谷子都有。因此在南方发展谷子是完全可能的，比如在江西，8月份仍可以播种，把当地的晚秋季、早春季的作物利用起来。”
现代农业中，机械化、规模化生产是普遍趋势，谷子的颗粒很小，而且多种植在山地等边缘土地上，是否具有机械化的条件，可能是谷子能否推广的重要因素之一。
对此，刁现民介绍，谷子的矮秆化一方面降低了倒伏的可能性，提高了产量，同时也是适应机械化的需求，事实上，当前在东北、华北等地区，谷子都实现了全程机械化，在全国，谷子全程机械化率达到了60%。在西北山地，由于地形环境等因素，还没有实现全程机械化，但也在不断推进机械化水平的提升。也就是说，谷子的种植，并不是仍旧依靠人力，也可以像其他粮食作物一样，实现机械化、规模化的种植。
新京报记者 周怀宗
编辑 唐峥 校对 杨许丽
