作物育種學課后習題

作物育種學課后習題一、緒論單元課后習題（一）名詞解釋1.作物育種學2.作物品種3.綠色革命4.人工進化（二）簡答題1.簡述作物育種學的性質和核心任務。2.簡述優良作物品種在農業生產中的不可替代作用。3.現代作物育種學科的交叉發展趨勢有哪些具體表現？（三）論述題1.結合我國18億畝耕地紅線約束與糧食消費需求升級的國情，論述作物育種學保障糧食安全與農產品有效供給的核心價值。參考答案（一）名詞解釋1.作物育種學是研究選育及繁殖作物優良品種的理論與方法的科學，是定向改造作物遺傳特性、實現作物人工進化的核心學科，以遺傳學為核心理論基礎，綜合融合植物生理生化、植物保護、農業生態、生物統計、分子生物學等多學科研究成果，通過人為干預作物的遺傳變異規律，培育符合不同階段農業生產需求的專用型作物品種。2.作物品種是人類在特定生態和經濟條件下，根據生產目標選育的作物特定群體，該群體具有相對穩定的遺傳組成，在產量、品質、抗逆性、適應性等性狀上表現出高度的一致性和穩定性，與同種作物的其他群體存在可明確區分的性狀差異，且在對應種植區域和配套栽培技術下，能夠穩定實現優于其他同類群體的生產收益，是核心的農業生產資料。3.綠色革命是20世紀60年代在全球范圍內開展的以主糧作物矮化育種為核心的作物改良運動，通過系統選育水稻、小麥等禾谷類作物的半矮稈、抗倒伏、高肥料利用效率品種，配套推廣高肥水栽培技術體系，大幅提升主糧作物單產水平。據聯合國糧農組織公開數據，1965年國際玉米小麥改良中心選育的半矮稈小麥品種在南亞地區推廣后，當地小麥單產10年內提升121%，全球范圍內累計減少了3.2億人口的糧食缺口，是作物育種學支撐全球糧食安全的標志性事件。4.人工進化是指人類根據自身生產需求，通過人工創造變異、定向選擇有利變異、整合優良性狀的干預手段，改變作物自然進化的方向和速度，使作物的遺傳特性向符合人類需求的方向演變的過程，和自然進化依賴自然變異、自然選擇的緩慢過程不同，人工進化可以在幾十年時間內完成自然條件下數萬年才能實現的性狀改良效果。（二）簡答題1.作物育種學的性質是一門直接服務于農業生產的應用型生命科學分支，兼具理論性和實踐性，理論層面以生物遺傳變異規律為核心基礎，實踐層面所有技術路徑的設計都必須適配大田生產的實際場景。其核心任務包括三個維度：一是發掘和利用已有作物種質資源的有利變異，快速聚合優良性狀；二是人工創造自然界原本不存在的遺傳變異類型，拓展作物的遺傳改良空間；三是通過系統的品種比較、區域試驗，篩選出適配不同生態區、不同生產目標的專用品種，并建立標準化的優良品種繁育體系，保障生產上應用的品種種性穩定、不發生混雜退化。2.優良品種在農業生產中的核心作用體現在五個方面：一是直接提升作物單位面積產量，據農業農村部2023年監測數據，我國近10年主糧作物單產提升的貢獻中，品種改良的占比達到45%，超過耕作技術改進、水肥效率提升的貢獻占比；二是顯著提升農產品品質，通過選育高賴氨酸玉米、低芥酸油菜、高筋小麥等專用品種，直接滿足食品加工、畜牧業發展的差異化需求；三是增強作物的抗逆性和適應性，選育的抗病蟲、抗旱耐鹽品種可以大幅減少農藥、化肥的使用量，降低農業面源污染風險，同時拓展作物的適種區域；四是提升農業生產效率，選育的抗倒伏、宜機收品種可以適配全程機械化生產場景，大幅降低勞動力投入成本；五是豐富作物生產類型，選育的菜用大豆、鮮食玉米、功能稻米等特色品種，支撐鄉村特色產業發展，提升農業生產的綜合收益。3.現代作物育種的交叉發展趨勢主要表現在三個方面：一是多學科深度融合，基因組學、基因編輯技術、合成生物學的最新研究成果快速融入傳統育種體系，大幅度縮短育種周期；二是育種目標多元化，從傳統的單一高產目標轉向高產、優質、多抗、綠色高效、適于輕簡化栽培的復合目標，部分特色品種還兼顧觀賞價值、保健功能等特殊屬性；三是全產業鏈協同育種，品種選育環節不再只關注大田種植性狀，同時同步對接下游加工企業的品質要求、終端消費市場的需求偏好，實現從實驗室到餐桌的全鏈條性狀優化。（三）論述題我國當前耕地總面積穩定在19.18億畝，但人均耕地面積僅1.36畝，不到世界平均水平的40%，同時每年糧食消費總量穩定在6.8億噸以上，其中大豆等油料作物的進口依賴度長期超過80%，在耕地資源約束剛性、極端天氣頻發、生產成本持續上漲的多重壓力下，作物育種是保障糧食安全的核心抓手。首先，通過品種改良持續提升主糧作物單產，可以在不新增耕地面積的前提下，直接擴大糧食總供給，我國2022年水稻平均單產達到477公斤/畝，是建國初期的3.7倍，其中90%以上的單產提升來自品種改良的貢獻，當前我國育成的超高產水稻品種已經實現百畝片平均單產1200公斤以上的產量潛力，進一步推廣后可以為水稻總產穩定提升提供核心支撐。其次，抗逆性品種的選育可以降低極端天氣、病蟲害帶來的產量損失，我國通過選育抗赤霉病小麥品種，已經實現黃淮麥區赤霉病發病年份產量損失降低60%以上，選育的抗旱小麥品種在西北雨養農業區可以在年降雨量不足300毫米的條件下實現300公斤/畝的穩定產量，大幅降低農業生產的災害風險。再次，高效固氮、低肥料需求的綠色品種選育可以在保障產量的前提下減少化肥農藥投入，我國選育的氮高效水稻品種可以在減少20%氮肥施用量的條件下實現產量不降低，直接降低農業生產成本，減少面源污染。最后，特色專用品種的選育可以填補部分農產品的國內供給缺口，當前我國選育的高油大豆品種含油量已經達到22%以上，接近進口轉基因大豆的含油量水平，結合配套的栽培技術，可逐步提升國內大豆供給能力，降低對外依存度。整體來看，作物育種學是我國農業生產領域核心的“卡脖子”技術方向，只有持續推進育種技術升級，才能在耕地資源有限、消費需求持續升級的條件下，牢牢守住糧食安全的底線。二、作物種質資源單元課后習題（一）名詞解釋1.初級基因庫2.次級基因庫3.核心種質4.種質資源的原位保存（二）簡答題1.簡述作物種質資源在育種工作中的核心地位。2.簡述作物種質資源收集與保存的主要方法。3.簡述作物種質資源評價的核心指標體系。（三）論述題1.結合我國作物種質資源保有現狀，論述種質資源創新利用對突破當前育種遺傳基礎狹窄瓶頸的作用。參考答案（一）名詞解釋1.初級基因庫是指能夠相互雜交、正常產生可育后代的作物種質群體，通常屬于同一個植物種，不同材料之間的基因交流不存在生殖障礙，是育種工作中最常利用的種質資源類型，比如普通小麥的所有地方品種、選育品種都屬于小麥的初級基因庫。2.次級基因庫是指和目標作物屬于近緣種，相互雜交僅存在輕度生殖障礙，通過人工輔助授粉、幼胚拯救等技術可以獲得雜種植株的種質資源，染色體組之間存在部分同源性，部分有利基因可以通過雜交整合到栽培種基因組中，比如野生二粒小麥屬于普通小麥的次級基因庫。3.核心種質是指從整個作物種質資源群體中，按照遺傳多樣性代表性原則篩選出的少量材料，能夠以最少的樣本數量覆蓋整個種質資源群90%以上的遺傳變異，極大提升種質資源的評價和利用效率。4.種質資源的原位保存是指在種質資源原始的生態環境中，通過建立自然保護區、保護小區的方式，就地保存野生植物資源和地方品種資源，維持種質資源的自然進化環境。（二）簡答題1.種質資源是作物育種工作的物質基礎，所有的育種技術路徑都必須依托現有種質資源的遺傳變異開展，育種工作的突破往往依賴于特殊種質資源的發掘和利用，比如我國雜交水稻的成功選育，核心前提就是在海南野生稻種質資源中發現了天然的雄性不育野生稻材料。如果種質資源保有量不足，育種工作就會成為無源之水，很難實現突破性的品種改良。2.作物種質資源的收集方法主要包括野外實地考察收集、國際間引種交換、國家資源庫統一整合征集三類。保存方法分為兩類，一類是異位保存，包括種質庫低溫干燥保存（長期庫溫度控制在-18℃，相對濕度控制在45%，資源保存壽命可達50年以上）、種質圃田間保存（針對多年生無性繁殖作物）、試管苗離體保存；另一類是原位保存，即通過建立自然保護區保存野生近緣植物資源。截至2023年底，我國國家作物種質資源庫長期保存的資源總量已經超過54萬份，位列全球第二位。3.作物種質資源的評價指標體系分為三個維度：一是農藝性狀評價，包括不同生態環境下的生育期、產量性狀、品質性狀、抗逆性狀的表現；二是遺傳多樣性評價，通過分子標記技術明確不同資源之間的遺傳距離、特異性基因的攜帶情況；三是利用價值評價，明確種質資源攜帶的有利基因類型，以及其作為雜交親本的適配場景，為后續育種利用提供明確依據。（三）論述題當前我國主糧作物品種的遺傳基礎普遍存在狹窄問題，據中國農業科學院作物科學研究所2022年調研數據，我國推廣的普通小麥品種中，90%以上的遺傳背景都來自不到10個骨干親本，水稻主栽品種的遺傳相似性系數普遍超過0.7，遺傳基礎狹窄直接導致品種的抗逆性趨同，一旦出現新的病害生理小種或者極端天氣，很容易出現大面積的產量風險。而拓展種質資源的利用范圍，從野生近緣種、古老地方品種中發掘常規栽培品種不具備的有利基因，是突破該瓶頸的核心路徑。比如我國科研人員從長穗偃麥草（小麥的三級基因庫）中成功轉移了抗條銹病的Yr基因，培育出的抗病小麥品種已經在生產上推廣超過1億畝，解決了我國小麥條銹病抗性資源匱乏的問題。再比如從野生稻資源中發掘的抗稻飛虱、耐淹澇基因，已經通過分子標記輔助育種導入到栽培稻品種中，育成的耐淹水稻品種可以在水稻受淹7天的條件下存活，大幅提升了沿江澇區的水稻生產穩定性。當前我國已經建成了覆蓋54萬份種質資源的表型和基因型數據庫，未來通過批量篩選優異種質、發掘有利新基因，能夠逐步打破當前育種遺傳基礎狹窄的限制，培育出性狀更加多元化、適應性更加廣譜的突破性作物品種。三、雜交育種單元課后習題（一）名詞解釋1.配合力2.系譜法3.混合選擇法4.派生系統法（二）簡答題1.簡述作物雜交育種的親本選配核心原則。2.簡述系譜法和混合法在自花授粉作物雜種后代選擇中的優缺點差異。3.簡述常規雜交育種中雜種早代選擇的注意事項。（三）論述題1.針對黃淮麥區高產、抗赤霉病、高筋小麥品種的選育目標，設計一套完整的雜交育種技術流程。參考答案（一）名詞解釋1.配合力是指雜交親本的性狀通過雜種后代表現出來的組合能力，分為一般配合力和特殊配合力，一般配合力由基因的加性效應決定，能夠穩定遺傳，是雜交育種中親本選配的核心參考指標。2.系譜法是自花授粉作物雜種后代選擇的經典方法，從雜種分離的第一代開始，對單株進行連續的個體選擇，并且對每個當選單株的后代家系進行編號記錄親緣關系，后續逐代根據家系的表現進一步選擇優系，直到家系性狀完全穩定不再分離。3.混合選擇法是指在雜種分離的早代，不對單株進行個體選擇，而是按照組合混收種子，每代在大群體中淘汰明顯的劣株，直到雜種后代的性狀純合率達到80%以上（自花授粉作物自交5代之后純合率超過96%）再進行單株選擇。4.派生系統法是系譜法和混合法結合的雜種后代選擇方法，在雜種F2代進行第一次單株選擇，之后將每個當選單株的后代混合種植2-3代，在混合種植階段不進行單株選擇，只淘汰劣株，等到性狀部分純合之后再進行第二次單株選擇，兼顧兩種選擇方法的優勢。（二）簡答題1.雜交育種的親本選配核心原則包括四點：一是雙親要具備育種目標要求的核心優良性狀，且雙親的優良性狀之間能夠形成互補，比如選配一個高產品種和一個抗病品種作為親本，有望在后代中聚合高產和抗病兩類性狀；二是一般配合力高，優先選擇經過育種實踐驗證的骨干親本作為雜交親本，提升優良性狀在后代中表達的概率；三是雙親的生態類型存在一定差異，遺傳背景差異較大，能夠擴大雜種后代的遺傳變異范圍；四是優先選擇當地推廣的優良品種作為核心親本，保證選育出的后代材料適配當地的生態生產條件。2.系譜法的優點是對雜種早代的單株進行針對性選擇，可以較早掌握優系的親緣關系，后續性狀穩定的速度快，育種周期短，缺點是早代選擇的準確率低，F2代單株選擇的優良單株實際能夠選出穩定優系的概率僅為20%-30%，容易丟失大量的有利基因。混合法的優點是早代保留的變異類型豐富，可以避免人為選擇丟失大量微效基因聚合的優良材料，更利于產量這類多基因控制的數量性狀改良，缺點是育種周期長，高代群體規模大，后期單株選擇的工作量大，性狀純化的速度慢。3.雜種早代選擇的注意事項包括：一是針對質量性狀（比如抗病性、株高）可以在早代嚴格選擇，針對產量這類多基因控制的數量性狀，早代選擇強度不能過大，避免誤選；二是雜種早代的群體規模要足夠大，每個雜交組合的F2代群體規模不能少于2000株，保證足夠的變異類型覆蓋；三是要設置重復的鑒定條件，比如抗病性鑒定要在病害充分發病的環境下篩選，避免誤選感病的單株；四是針對遺傳力低的性狀，要參考家系的整體表現進行選擇，不要僅依據單株的田間表現就淘汰整個家系。（三）論述題針對黃淮麥區高產、抗赤霉病、高筋小麥品種的選育目標，完整的雜交育種技術流程如下：第一步是親本選配，選擇當前黃淮麥區大面積推廣的高產穩產品種“濟麥22”作為母本，該品種產量潛力高、適應性廣，但赤霉病抗性差、品質中筋，選擇江蘇地區選育的抗赤霉病品種“蘇麥3號”和高筋小麥品種“師欒02-1”作為父本，采用三交的雜交方式，配制“濟麥22/蘇麥3號//師欒02-1”雜交組合，聚合高產、抗赤霉病、高筋