遍布于美国各地的各种野生向日葵属植物在一般人看来也许只是一些普普通通的野生植物,但在美国农业科学院的学者眼中,可是货真价实的宝贝。
这些野生向日葵的体内含有大量可以有效改善栽培向日葵品种品质的有用基因,如多种具有抗病虫害功能的基因等。目前,广泛用于向日葵育种,具有细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility )特性的品种就是在野生向日葵的参与下培育出来的。据估测,利用这些野生向日葵所培育出的各种优良向日葵栽培品种,每年创造的经济价值达2.67亿至3.84亿美元。
美国农业科学研究院的学者们是从1976年开始搜集各种野生向日葵的。据位于北达科他州法戈的美国农业科学研究院向日葵研究所(A RS Sunflower Research Unit)的学者汤姆-嘎亚(Tom Gulya)和杰拉尔德-塞勒(Gerald Seiler)介绍,他们已经搜集到了美国已知50个向日葵物种具有代表性种群的种子等繁殖材料,并将这些材料保存在了位于爱荷华州埃姆斯(Ames)的美国农业科学研究院国家植物种质资源库(National Plant Germplasm System,简称NPGS)中。在种质资源库,这些繁殖材料一方面可以得到妥善保存,另一方面也向全世界的向日葵研究人员提供。
位于法戈的研究所则起到了一个中转站的作用,新近搜集到的向日葵繁殖材料在这里经过分类登记,再被转送到种质资源库。向日葵种子在登记前一般要先检测其重量、油脂含量以及脂肪酸的组成成分。对于刚刚获得的最新种子,还要测试其是否具有对主要病虫害的抗性。
向日葵(Helianthus annuus)是种质资源库收集的主要物种,目前已经收集的繁殖材料有2163份。这个种喜欢生长在路旁坡地以及建筑用地周围,表明其对人为干扰的环境不是很敏感。另一些物种的表现则恰恰相反,比如一种被称为H.paradoxus的向日葵属植物就曾因为公路的建设而在得克萨斯州失踪。还好,人们又在新墨西哥州发现了这个物种。现在,这个物种的种质资源已经被妥善保存,该物种抗盐和抗干旱的遗传特性也就得到了良好保存。
塞勒和嘎亚目前每两年进行一次野外搜集活动,一般每次的行程都要2500至3000英里。在工作中,他们一旦得到相关线索后,就要将今后可能要进行搜集的地点在地图上进行标注,并简要描述一下,以便在下一次的搜集活动中将其列入。塞勒和嘎亚估计,今后10年,他们每年至少要进行一次搜集活动,才有可能将美国剩下的野生向日葵物种搜集全。
在搜集向日葵种质资源的同时,农业科学研究院的学者们也不忘对其进行充分利用。在该院同样设在法戈的红河谷农业研究中心(ARS Red River Valley Agricultural Research Center)专攻遗传学的杰瑞-米勒(Jerry Miller)就培育出了对除草剂具有抗性的向日葵新品种。
1998年,米勒从堪萨斯州立大学的一位杂草植物生理学者那里了解到,某些野生的向日葵对一种名叫金豆(imazamox)的苗后除草剂具有一定的抗性。
这启发了米勒培育抗除草剂向日葵品种的灵感。米勒表示,当时的设想是,在杂草孳生环境中,如果种植这样的品种,农民喷洒的除草剂就是具有选择性的除草剂,不会对向日葵造成伤害,大大方便了农民进行除草作业,也降低了除草的成本。
米勒用从堪萨斯州立大学获得野生向日葵种子培育出了300株向日葵幼苗,通过向这些幼苗喷洒金豆除草剂筛选出对除草剂最具抗性的植株。在选出的28株苗子中,米勒又选择了6株使之与向日葵栽培品种杂交。由于使用了胚拯救技术,跨越了种子漫长的休眠期,米勒在一年中就获得了5个世代的杂交后代。此后,他又用回交的手段去除了杂交后代中不理想的性状。
2002年,米勒和他同事们的辛勤劳动获得了成果。他们正式发布了两个具有抗除草剂特性的新品种。2003年,这个商品名为‘净土(C learfield)’向日葵新品种开始在市场上销售。