玉米的杂种优势与种质扩增

1、玉米的杂种优势与种质扩增、改良和创新张世煌 彭泽斌 李新海(中国农业科学院作物育种栽培研究所 农业部作物遗传育种重点实验室 AMBIONET中国实 验室北京 100081摘要 遗传基础狭窄是当前玉米育种的首要限制因素。根据杂种优势群和杂种优势模式的原 理扩增和改良玉米种质, 将为育种技术创新和产品创新奠定基础。 我国研究杂种优势群的技 术路线可概括为系谱分析结合双列分析、 NC-II 设计和 DNA 分子标记技术的组合。当前,我 国玉米育种主要使用 3个杂种优势群或 5个亚群, 2个主要杂种优势模式或 4个子模式。根 据我国玉米生产和种质结构特点,制定了玉米种质扩增、种质改良和种质创新的技术路

2、线, 主要包括外来群体接力改良、 创造半外来种质和分析杂种优势群与构建杂种优势模式。 杂交 种选育技术的提高和杂种优势模式的构建促进群体改良技术从群体内选择转变为群体间相 互轮回选择。相应的技术路线也要予以调整。关键词:玉米 种质扩增 杂种优势模式 群体改良中图分类号:-文献标识码: A-文献编号:1 我国玉米育种和生产的种质基础种质基础狭窄已经成为我国玉米育种研究可持续发展的首要限制因素。 40多年前,我国农 民在 1100万公顷玉米面积上至少种植 12000个遗传基础较丰富的地方品种;今天,玉米面 积增加了一倍多, 可是我们只有不到 200个遗传基础狭窄的杂交种。 据一项调查显示, 199

3、5年, 全国 53%的玉米面积种植掖单 13, 丹玉 13, 中单 2号, 掖单 2号和掖单 12这五个品种; 更为严重的是全国 61%的玉米生产面积严重依赖 Mo17、黄早四、丹 340、掖 478和 E28这五 个自交系(Peng ZB & SH Zhang,1995 。现代技术在提高生产力的同时,也将农业生产置于 脆弱地位, 使数千万公顷作物生产依赖狭窄的遗传基础对付遗传基础广泛的多种病虫害。 病 原菌和害虫生理小种一旦发生变异, 经过累积必然导致病虫害爆发流行, 七十年代初玉米小 斑病席卷美国就是典型的例子。 狭窄的种质基础也使农业生产系统降低了抵御旱涝和异常温 度等自然灾害的

4、能力, 降低了进一步提高杂种优势潜力和增强抗逆能力的可能性; 育种方案 中缺少新的杂种优势群和模式就很难进一步提高产量水平。玉米商业育种技术和杂交种普及率较高的国家越来越重视种质扩增和改良研究。 我国玉米杂 种优势利用技术比较成熟, 但有效利用的种质资源贫乏已经在阻碍商业育种的发展。 长期忽 视种质扩增、 改良和创新研究, 在种子产业链中形成了致命的薄弱环节, 削弱了科技创新和 种子公司的产品创新能力, 其后果是参与市场竞争的能力受到更加严重的制约。 其可能的严 重后果还没有引起国内有关人士的重视, 但我们应尽早建立技术储备, 一旦外国公司进入我 国种子市场,我们将有能力应对技术挑战。新的杂种

5、优势群和杂种优势模式主要来自玉米的多样性中心, 还有一部分可能蕴藏在被我们 忽视了的地方种质中。从 CIMMYT 引进改良了的热带和亚热带种质是种质扩增的重要途径。 但种质扩增、种质改良和种质创新必须遵循杂种优势模式的原理,才容易取得明显进展。2 玉米的杂种优势群与杂种优势模式玉米育种研究的首选技术路线是利用杂种优势。 这决定了玉米育种技术的理论基础和材料利 用的基本特征。 从材料利用的角度研究杂种优势, 就要把杂交组合的表现分解为自交系的一 般配合力(GCA 和亲本自交系之间的特殊配合力(SCA 。这种研究方法使玉米育种的材料利用水平提高了一大步。根据配合力的概念对杂种优势现象进行深入研究,

6、 发现自交系在杂交组合中的表现有一定的 规律性,杂种优势与亲本自交系的来源有密切关系。美国玉米育种主要利用两个种族群,一个是北方硬粒型,另一个是南方马齿型。 1947年以 后,美国人根据自交系的来源把自交系划分为 Reid 和 Lancaster 两个杂种优势群,并且发 现两者之间有很强的杂种优势,在此基础上构建了第一个杂种优势模式。后来, BSSS 种质 也划入 Reid 群(Hallauer, 1999 ,而与之对应的另一群有很大变化,现在称作非 Reid 种 质。两个杂种优势群的标准测验种 (Common testers 分别是 B73和 Mo17。在 CIMMYT 则把各 类种质划分为

7、 A (相当于 Reid 和 B (相当于非 Reid 两个杂种优势群。欧洲和热带发展中 国家也构建了本地适用的杂种优势群和模式(Vasal , 1999;张世煌, 2000 。3 研究杂种优势群的方法和技术路线3.1 研究杂种优势群的方法研究玉米杂种优势群常用的方法有三种。3.1.1 系谱分析。 这种方法比较可靠, 但我国的许多自交系没有可靠的系谱记载, 因而不适 合分析我国目前的育种材料。3.1.2 数量遗传分析。 其原理是根据自交系之间的 SCA 做主成分分析或聚类分析。 从理论上 来说,双列杂交分析能够可靠地计算自交系之间的 SCA ,但双列分析的可靠性取决于参试 自交系的数量和遗传基

8、础的广泛性与代表性。 因而从大规模育种的角度来看, 双列分析缺少 可操作性。 而 NC-II 设计则可以分析较多的基因型材料, 但需要先筛选出一组标准测验种。 3.1.3 分子标记。 直接以 DNA 结构多态性为基础建立的遗传标记, 在植物的各个组织、 各个 发育阶段均可以检测,不受季节和环境限制。 DNA 分子标记的数量多,覆盖整个基因组,多 态性丰富。 RFLP 和 SSR 等标记表现共显性,容易区分纯合与杂合基因型,因而能够提供较 完整的遗传信息。 DNA 分子标记是研究生物遗传多样性的有效方法,但用来确切划分玉米种 质的杂种优势群及构建杂种优势模式, 目前还需要与数量遗传分析及育种家的

9、实践经验相结 合。3.2 技术路线AMBIONET 中国实验室综合以上三种方法,制定了研究玉米杂种优势群的技术路线。3.2.1 双列分析。 彭泽斌和刘新芝等 (1998 根据育种家的实践经验和典型自交系的系谱分 析, 精选出 15个骨干自交系做双列分析。 结果把 15个自交系分成 5个杂种优势群, 并鉴定 出 5个标准测验种。中国农科院作物所 AMBIONET 中国实验室根据 RAPD 、 RFLP 、 SSR 和 AFLP 分子标记对这 15个自交系做聚类分析,与双列分析结果吻合。由于分子标记的聚类分析与 田间试验结果高度相关, 从而验证了分子标记技术的可靠性(袁力行, 1999, 硕士研究

10、生论 文 。3.2.2 NC-II设计。 AMBIONET 中国实验室用 5个标准测验种, 29个自交系作 NC-II 分析。 然后用 RFLP 和 SSR 做主成分和聚类分析,仍然划分为 5个杂种优势群,即验证了 NC-II 结 果的可靠性,也验证了分子标记技术的可靠性(袁力行等, 2000 。3.2.3 分子标记方法。 在双列杂交和 NC-II 分析的基础上, 进一步扩大划分杂种优势群的种 质范围。 分子标记技术是简单有效和费用较低的方法。 它从根本上克服了形态标记和生化标 记的缺点, 从 DNA 水平为杂种优势群划分提供了无数的中性标记, 其高度的分辨率可以将关 系很近的种质区分开。 目

11、前, 我们正在用 SSR 标记分析 160个自交系的遗传多样性, 此项工 作尚在进行之中。 从已经完成的 51对引物来看, 中国玉米自交系仍划分为 5个较大的类群, 每个类群包含 1-3个亚群。4 我国玉米杂种优势群与杂种优势模式中国农科院作物所按上述三条技术路线分析我国玉米骨干自交系的杂种优势群, 证明我国目 前主要使用 3个杂种优势群(下图右栏和 5个亚群(左栏 ,并且验证了 5个亚群的标准 测验种,分别是黄早四、丹 340、 Mo17、 B73和掖 478(放在括弧中 。在下图中,国内的四 平头和旅大红骨两个亚群的遗传关系较近,暂时定名为 Dom 。来源于 PN 材料的部分自交系 与来源

12、于 BSSS 的 Reid 种质自交系的遗传关系很近, 定名为 PA 种质, 属于 Reid 杂种优势群。亚 群 -杂种优势群四平头 -(黄早四 -Dom旅大红骨 (丹 340 -BSSS -(B73 -ReidPA 种质 (掖 478Lancaster (Mo17 -Lan研究结果还概括了我国玉米育种最常用的两个杂种优势模式。第一个是 DomLan,它有两 个表现形式。 在东北和华北春播玉米区主要表现为旅大红骨Lan, 其典型组合是 E28Mo17和 Mo17自 330。另一个近似的表现形式为四平头Lan,在黄淮海夏播区有一定影响。黄 淮海夏播玉米区的主要杂种优势模式为 DomReid,它有

13、两个表现形式,其中一个是四平 头PA,典型组合是 U8112黄早四;另一个近似的杂种优势模式为旅大红骨PA,典型组 合是丹 340掖 478。在此基础上衍生了大量的自交系和杂交组合。进一步概括北方春播和 夏播两个主产区的杂种优势模式,都属于国内国外种质。我国南方利用杂种优势起步较晚, 进展缓慢, 当地可利用的育种材料及来源非常复杂, 难免 有些混乱, 但目前正在形成当地的杂种优势群和杂种优势模式。 最有可能的杂种优势模式包 含本地种质和外来种质(含北方种质 。总的来说,南方的杂种优势模式明显受北方种质和 北方杂种优势模式的影响。上述三个玉米产区的杂种优势模式, 都是一方为当地种质, 另一方为国

14、外种质, 而且一方为 偏马齿型, 另一方偏硬粒型。 所以我国的玉米杂种优势模式具有当地外来种质的特点, 而 且基本符合马齿型硬粒型的规律。5 杂种优势模式的育种意义种质扩增、种质改良和种质创新是 21世纪初期玉米育种研究的技术创新方向之一,是玉米 育种和生产可持续发展的基础。 从育种角度来说, 种质扩增是前提,种质改良是核心, 种质 创新是目的。 它的研究内容包括:外来群体和基因库的接力改良与利用, 外来自交系与 国内自交系杂交, 形成半外来群体再分离二环系, 外来群体与国内群体杂交, 建立复合群 体 (Composite 。 玉米的种质扩增和改良利用要遵循杂种优势群和杂种优势模式的原理, 并

15、 根据杂种优势模式设计技术路线。 即使是用国内适应种质选育二环系或合成群体, 也要遵循 杂种优势模式的原理, 在选育杂交种的过程中, 避免用遗传关系较近的自交系试配组合, 可 以明显提高育种效率。6 我国玉米种质扩增、改良和创新利用的技术路线由于我国玉米种质资源的遗传基础比较狭窄, 而且玉米主产区的生态环境相当复杂, 所以我 们设计的技术路线与美国的种质扩增计划即有相似之处, 又有所区别。 我国的技术路线由三个环节组成。6.1-接力式改良计划从 CIMMYT 引进的群体和基因库放在广西或海南繁殖种子,随后把热带群体交给四川农大、 四川农科院、贵州农科院和华中农大进行第一和第二轮改良。 然后移到

16、河南、山东、陕西进 行第三轮改良。 亚热带群体改良的第一轮便放在河南、 山东、 陕西进行, 第二轮推移到北京、 山西、 河北、辽宁。使用的方法都是控制双亲的混合选择。 接力式改良可以保持外来群体的 丰富遗传变异性,符合种质扩增、改良计划的长远目标。6.2 合成半外来群体(Semi-exotics 用热带、 亚热带自交系与温带自交系杂交, 经过一次自交和两次混合授粉, 育成半外来群体; 或经过一次回交形成部分外来群体再混合授粉, 既可以利用外来种质的遗传变异, 又能利用 温带种质的高配合力和良好适应性, 是改良和利用外来种质的快捷途径。 这一技术路线也适 用于外来群体和国内群体相互杂交,构建半外

17、来复合群体。6.3-国内外种质的杂种优势群分析(Heterotic grouping玉米育种的首选技术路线是利用杂种优势。这是玉米育种和种质创新的技术特点与理论基 础。利用外来种质,不论是选育杂交种,半外来群体,或者是改良群体、合成综合种、复合 群体, 都必须依照杂种优势群的原理分别进行。这是利用外来种质的关键技术。为此, 要对 国内和外来自交系进行遗传多样性分析, 对我国主要自交系与热带、 亚热带自交系进行大范 围的杂种优势群分析, 目的是把国内外自交系分类构建半外来群体, 在此基础上合成符合育 种需要的新群体。 这项研究不但推动玉米育种材料的扩增、 改良与创新研究跃上一个新台阶, 而且在育

18、种技术的理论基础上向前推进一大步。 今后, 要把这项研究扩展到国内外玉米群体 的杂种优势群分析,从而在基础材料层次上提高育种技术和理论水平。7 杂种优势模式与群体改良和自交系选育技术杂种优势模式的原理对于选育二环系或选配新杂交组合, 对于种质扩增和群体改良研究都有 指导意义。 种质扩增和改良是为选育杂交种创造新材料, 所以在合成新群体或综合种时, 要 选择同一个杂种优势群或相近杂种优势亚群的材料进行重组, 不可以把杂种优势模式的两个 构成群体相互杂交,形成一个混合群体。引进外来种质, 特别是引入热带种质, 需要用标准测验种检验杂种优势反应, 然后决定如何 与温带种质杂交,构建基础群体。有关热带

19、和温带种质间的杂种优势反应尚缺少系统研究, 这在很大程度上限制了我国玉米种质扩增研究和对外来种质的有效利用。 我国玉米杂种优势 群较复杂, 使用的标准测验种也比较多, 这使利用外来种质和测定杂种优势的难度加大。 今 后对杂种优势群和杂种优势模式的研究, 不应继续使其复杂化, 尤其是在大量引进和利用热 带、亚热带种质以后,更要防止复杂化的倾向,要努力使杂种优势群简单化。同样,杂种优 势模式也不宜过多,要力求简单明了。在杂种优势群之间构建杂种优势模式会影响玉米种质改良研究所采用的主流技术。 群体间的 相互轮回选择技术不可避免地要取代传统的群体内轮回选择方法, 例如改良穗行法, 半同胞 选择,全同胞

20、选择, S1或 S2选择法。在种质扩增和群体改良初期,这些群体内选择技术对 于改良群体自身的表现发挥了积极作用, 但对于已经改良了的群体来说, 这些方法已经完成 使命。 为了使种质改良与杂交育种研究紧密衔接, 今后应越来越多地在相对立的杂种优势群 之间施行相互轮回选择,目的是从两组群体中选育出特殊配合力很高的自交系。近几年, CIMMYT 已经全面地转向相互轮回选择, 而沿用了几十年的全同胞、 半同胞、 S1和 S2及改良 穗行法等已经很少使用。美国、印度、津巴布韦、巴西等国也逐渐转向相互轮回选择技术。 我国玉米杂交种已经相当普及, 但对玉米的种质改良及方法研究却重视不够。 “六五”以来, 我

21、国曾组配并改良了不少群体, 但大多数遗传背景混乱, 至今没有形成杂种优势模式。 所以我国还不能立即全面转向相互轮回选择技术路线。 今后群体改良研究的技术路线应做如下考 虑:1. -用标准测验种对现有群体做一次统一的配合力分析,并对以往的群体改良研究做一全 面总结,鉴别群体的利用价值和潜力。2. -针对群体的抗病性、耐自交能力和抗逆性等,采用群体内选择法对一些有苗头的优良 群体进行若干轮改良,提高群体的综合性状表现。3. -开展相互轮回选择(RRS 技术研究,使 RRS 技术更简单,容易被育种家接受,为全面 转向 RRS 创造条件。4. -将同一个杂种优势群或相近亚群的自交系或群体经过杂交形成复

22、合群体,与相对应的 群体开展相互轮回选择研究。8 国内玉米种质的鉴定与改良中国农科院作物所将逐渐向全国发放 19个改良的外来群体和 344个以自交系为基础的半外 来种质群体。同时根据 NC-II 设计,用黄早四、丹 340、 Mo17和掖 478为标准测验种,对 14个热带、 亚热带群体和 13个国内群体进行配合力分析。 然后采用不完全区组设计 (Lattice design 设 2年 8点评价试验。分析对象包括不同种族类型的热带、亚热带群体:Pob 21, 32, Stay Green, 43, 49, 28, 45, 46, 501, 502, 69QPM , 70QPM , Pool 1

23、9和 Suwan 1; 国内适应种质包括:吉综 A (英粒子,吉林 ,辽旅综(旅大红骨 ,黄综(四平头, CAAS , 中综 3号, 中综 4号, 豫综 5号, 金皇后 (山西 , 陕综 1号, 陕综 3号, 东农群体 C5, WBM-C4 (华中农大 ,中群 13 QPM 和中群 14 QPM 等。该试验的目的是在 27个群体中划分少数杂种 优势群, 为进一步利用国内外的种质资源搭建技术平台。 在此基础上构建并改良以群体为基 础的半外来或部分外来复合群体。 这也是鉴定并改良国内优良玉米种质的基础性工作。 有些 地方种质经过改良仍可能在育种方案中发挥作用, 也可以作为构建杂种优势群和复合群体的

24、 基础材料。参考文献Peng Z. B. and S. H. Zhang, Development of maize hybrids in China. TAMNET 1994, Vol.1(2.彭泽斌 刘新芝等, 1998, 玉米自交系杂种优势类群与杂优模式的初步研究, 作物学报, 24: 711-717。袁力行等,利用 RFLP 、 SSR 、 AFLP 和 RAPD 标记分析玉米自交系遗传多样性的比较研究,遗 传学报, 27(8 :725-733, 2000。袁力行等, 利用 RFLP 和 SSR 标记划分玉米自交系杂种优势群的研究,作物学报, 2001, (2 (待发表张世煌,彭泽斌,

25、袁力行,李新海,玉米杂种优势与我国的玉米种质扩增, 21世纪玉米遗 传育种展望,玉米遗传育种国际学术讨论会文集,中国农业出版社, 37-41, 2000。Vasal, S. K., H. Cordova, S. Pandey, and G. Srinivasan, 1999, Tropical maize and heterosis, in: The Genetics and Exploitation of Heterosis in Crops. American Society of Agronomy, Inc. And Crop Science Society of America, In

26、c., Madison, Wisconsin, USA, p.363-373.Heterosis and Maize Germplasm Enhancement, Improvement and DevelopmentZhang Shihuang, Peng Zebin and Li Xinhai Institute of Crop Breeding and Cultivation CAAS Key Lab of Crop Genetics and Breeding, MOA, PR China AMBIONET China Lab, Beijing 100081, China Germpla

27、sm background is the first limiting factor influencing the maize breeding activities in China. Germplasm enhancement, improvement and development based upon the heterotic groups and patterns will be the essential approach to promote the technology innovation of hybridization in China. The strategy of heterotic grouping is based on pedigree analysis, diallel, design II and DNA molecular markers. Three dominant groups of germplasm, which consist of