小麦是全球三大主粮作物之一，为人类贡献了丰富多样的食物。我国小麦产量全球第一，单产水平全球领先。这些巨大成就的取得，离不开我国著名小麦育种学家李振声等众多科学家所作出的重要科技贡献。作为我国小麦远缘杂交的奠基人，李振声院士的一项成就是，利用从野草中找到的抗病基因，培育出一系列优质高产抗病的小麦新品种，推动我国小麦单产和总产量不断提升。
小麦原本也是“野草”
我们所说的小麦学名一般叫做普通小麦，也叫面包小麦，是目前全世界三大粮食作物之一。我们平时能吃到各种各样面食糕点，主要还得感谢小麦这种神奇的作物。
小麦有什么神奇的，不是很常见吗？原来，100年前的科学家开始借助显微镜观察小麦细胞的内部结构，发现小麦的细胞核竟然含有六套染色体。染色体是细胞核中携带生物遗传物质（DNA）的主要载体，大多数动植物的细胞核只含有两套染色体，一套来自父亲，一套来自母亲，这些生物统称为二倍体。这些生物细胞核的染色体数量基本固定，一旦染色体多了或少了，都可能给这些生物造成麻烦，轻则导致这些染色体异常的生物无法生育后代，重则导致这些生物本身无法存活。
那么，小麦的细胞核为什么能挤进六套染色体呢？这些多染色体挤在一起为什么没有给小麦带来麻烦，反而让小麦从路边的野草变成人类难以离开的食物呢？
这些问题自然也引起了科学家极大的兴趣。通过考古学、遗传学等多方面的研究和论证，科学家终于把小麦中六套染色体的来龙去脉弄明白了。原来，这六套染色体可以分成三组，分别来自于三个不同的祖先，每个祖先贡献了两套染色体。
普通小麦的最原始祖先是野生一粒小麦，因为它们麦穗上的每个小穗只结出一颗麦粒而得名。这种一粒小麦跟大多数动植物一样，具有两套染色体，属于二倍体。如果野生一粒小麦继续安分守己，它们可能仍然是一种不起眼的野草。
大约在80万年前，一次非常偶然的机会，某颗一粒小麦没有理会它的同类，却跟生长在它附近的一种山羊草谈起了跨物种“恋爱”，接受了这种杂草送过来的花粉。这种跨物种结合原本是不会产生可生育后代的，但是阴差阳错，由于当时气温突然大幅降低，这种杂交小麦的染色体得以加倍，变成了可育的四倍体小麦。这种四倍体小麦的每个小穗一般能结出两颗麦粒，因此被称为二粒小麦。大约在9000年前，相同的杂交故事竟然神奇般地再次发生，野生二粒小麦与另外一种山羊草“节节麦”结合了，繁衍出耐寒性更好、环境适应性更强的野生六倍体小麦，也就是当今普通小麦的直接祖先。
有意思的是，这三种野生小麦都被人类的祖先吃过，并且相继被驯化成栽培种。不过，由于与山羊草这类杂草发生了两次远缘杂交，普通小麦获得了更强的抗病力，能耐受干旱和贫瘠，而且更高产，因此逐渐取代了另外两种小麦，成为全世界最主要的栽培小麦。
续写小麦与野草奇缘
弄明白小麦与山羊草的两次神奇经历之后，国内外很多小麦育种学家受到启发，开始人为地安排小麦与其他杂草进行远缘杂交，希望培育出更高产、更健壮、更具生命力的小麦新品种。李振声正是最早让小麦与野草续写奇缘的中国科学家之一。
著名小麦育种学家李振声院士。视觉中国|图
李振声1931年出生于山东淄博农村，小时候家境贫寒，但是好学勤奋。从山东农学院（山东农业大学的前身）毕业之后，李振声进入中国科学院从事牧草研究，在研究了八百多种牧草后，对草有了很深的认识：草往往比作物具有更旺盛的生命力，即使在贫瘠的土地上，在寒冷干旱的环境里，也能顽强地生长，也不怕病菌的侵袭，这是因为这些草往往含有一些特殊的基因。这段研究经历为李振声未来在小麦育种上取得成功奠定了重要基础。
1956年，为了支援西北建设，李振声报名前往位于陕西杨凌的中国科学院西北植物作物所工作。当时整个黄河流域的小麦正在遭遇严重的条锈病侵害。这是一种被称为“小麦癌症”的流行性病害，由条形柄锈菌引发，主要感染小麦的叶片，可以影响小麦的整个生长周期，使得小麦减产20%-30%，严重时可达50%，甚至完全绝收。由于农药无法有效防治条锈病，而且长期喷洒农药对人畜健康和环境不利，小麦条锈病防治也成为了世界性难题。
接触小麦条锈病不久，李振声突发奇想，既然小麦在进化过程中经过两次与杂草的“联姻”获得了更强的生命力，如果让小麦与一些具有抗条锈病的牧草进行远缘杂交，是不是就能培育出抗条锈病的小麦新品种呢？
说干就干，李振声凭借之前在牧草研究领域的经验，开始大规模筛选具有抗病特性的草种，再与小麦进行远缘杂交。不过，让小麦和这些牧草“联姻”可太不容易了，它们的杂交后代要么无法成活，要么无法继续繁育后代，要么后代的性状分离非常严重。刚开始几年，李振声和同事在小麦远缘杂交上并没有取得什么进展，有人甚至嘲笑李振声鼓捣了这么多年，只培育出一堆草。但是李振声并没有把这些嘲笑和质疑放在心里，自己只是带领团队埋头苦干，这一干就是20年。
经过反复试验，李振声最终选中了长穗偃麦草。这种牧草是小麦的“远房亲戚”，再生能力强，根系强大，具有抗寒、耐旱、耐盐碱等特性，最重要的是长穗偃麦草与小麦还算“合得来”。
第一代小麦与偃麦草的杂交后代长得更像偃麦草，茎和叶长得倒是挺好，就是不怎么结麦粒。怎么办？李振声决定让小麦与它们的杂交后代进行反复杂交，一代又一代地持续改进。历经20年，李振声团队1979年才最终培育出抗病力强、适应性广、产量稳定的小偃6号等小麦远缘杂交新品种。由于引入了长穗偃麦草的抗病、抗旱、适应性广等优良特性，依靠杂交优势，小麦产量也得到大幅提升，小偃6号一经问世，迅速成为广泛种植的小麦品种，长盛不衰达20年，年种植面积一度超过1000万亩。小偃6号也成为我国小麦育种的主要骨干亲本之一，被李振声和其他小麦育种家用来杂交选育出五十多个新品种，累计推广3亿亩，小麦增产累计达150亿斤。
在李振声小麦远缘杂交育种工作的激励下，中国科学家还相继成功开展了小麦与山羊草属、黑麦属、偃麦草属、簇毛麦属、冰草属、大麦属、披碱草属、赖草属、新麦草属、旱麦草属等远缘杂交，培育了一大批优良小麦新品种。李振声也被誉为“中国小麦远缘杂交之父”，与袁隆平齐名，有“南袁北李”之称。李振声1991年被评为中国科学院院士，2006年获得国家最高科技奖，是继袁隆平之后第二位获得该项荣誉的农业科学家。
培育更多的优良品种
李振声等老一代小麦育种家主要依靠一代一代持续杂交选育小麦新品种，育种周期长，成本高，育种效率偏低。随着基因技术的进步，科学家找到了另一条利用小麦“远房亲戚”优良特性的捷径，即从这些野草中挖掘出控制相关优良特性的基因，将不同优良基因像搭积木一样，整合到同一个品种中，即可快速培育出一个将抗病、抗逆、高产、优质于一身的小麦新品种。山东农业大学孔令让教授正是从长穗偃麦草挖掘到一个小麦赤霉病的抗病基因，为破解赤霉病防治的世界性难题找到了这样的捷径。
小麦赤霉病是小麦的另一种“癌症”，由镰刀菌侵染所引起，致使小麦的秧苗、茎秆、麦穗等部位腐烂，可导致大幅减产，而且这种病菌产生的呕吐毒素严重危害人畜健康甚至致癌。全世界的小麦育种科学家都希望能找到赤霉病的抗病基因，从而可从源头上控制这种小麦癌症。
巧合的是，孔令让与李振声院士颇具渊源。两人同为山东农业大学的校友，或许受到李振声院士的影响，从研究生阶段开始，孔令让就从事长穗偃麦草、八倍体小偃麦与小麦的远缘杂交研究，李振声院士还曾担任孔令让博士论文的答辩委员。
面对赤霉病的威胁，孔令让团队通过20年潜心研究，最终发现了小麦“远房亲戚”长穗偃麦草的基因组中含有一个抗赤霉病的基因Fhb7，这个基因编码一种特殊的酶，可以将镰刀菌产生的呕吐毒素分解。神奇的是，Fhb7基因并非偃麦草天生就有，而是从一种在温带草细胞间共生的真菌身上转移过来的。也就是说，这种内共生真菌不知道什么时候进化出了对抗镰刀菌呕吐毒素的基因，为了不让所共生的草被镰刀菌所侵害，内共生真菌将Fhb7基因“赠送”给了偃麦草的祖先，使得长穗偃麦草也拥有了抗赤霉病的能力。这一发现以封面故事的形式于2020年4月9日发表在国际著名学术杂志《科学》上。
了解到Fhb7基因的功能之后，孔令让团队通过长穗偃麦草与小麦的远缘杂交，将Fhb7基因转移给小麦，培育出抗赤霉病的小麦种质材料，已向全国七十多家科研单位和育种企业提供该种质材料。与此同时，孔令让团队自己培育的抗赤霉病小麦新品种“山农48”已通过山东省品种审定，表现出稳定的赤霉病抗性。这是我国第一个携带抗赤霉病基因Fhb7的小麦审定品种，预计未来还会有更多携带抗赤霉病基因Fhb7的小麦新品种培育出来。
全世界的科学家也已从野草中寻找到上百个抗病基因，一些基因已经被用于培育抗条锈病、抗赤霉病、抗白粉病等重要小麦病害的小麦新品种，野草也为减少小麦产量损失、人类能吃上更多小麦发挥着重要作用。
南方周末特约撰稿 汤波
责编 朱力远
