玉米种质资源

玉米种质资源研究进展刘丹，东北农业大学，150030玉米的种质资源非常丰富，玉米无论在表型水平还是在分子水平上都是遗传差异较大的物种。即使在育种水平较高的美国，目前所利用的玉米种质还不到总资源量的5%[1]。在中国，优质、抗逆、高配合力和适应性广的种质资源的匮乏，始终是玉米育种快速发展的制约因素。近年来，国内有关玉米种质资源的评述，多局限于杂种优势群和杂种优势模式的框架之下，但不同类型种质资源的利用途径的讨论较少，因此实用性不大，同时，对国外的最新研究成果介绍的也不多。摘要玉米种质资源是选育优良品种的遗传物质基础。搜集原始素材，拓宽种质基础，开展种质鉴定、创新和利用，在玉米品种改良工作中始终占有重要地位。本文主要介绍了玉米种质资源的遗传背景、研究方法，以及玉米种质资源在遗传多样性、种质类群的划分、群体配合力、抗胁迫性、品质等方面的研究，探讨了玉米种质资源的研究方向。关键字：玉米种质资源背景研究方法研究现状1玉米种质资源的利用背景根据玉米种质资源遗传背景的差异，可以把它们划分成不同的杂种优势群。在不同环境下的自然和人工选择，造成不同亲本之间基因型的差异，从而形成了它们之间的杂种优势。杂种优势模式是杂种优势群之间的杂交后代的相对表现。在美国，北方硬粒与南方马齿亚种之间的形态差异非常大，如果它们是野生的禾本科植物，就会被划分为不同的种，甚至是不同的属。美国玉米带玉米的杂种优势似乎应归功于北方硬粒和南方马齿之间的巨大差异，最大的杂种优势也可望从分别来源于北方硬粒和南方马齿的自交系之间的杂交组合中获得。Reid×Lancaster是最主要的杂优模式。Reid更像北方硬粒亚种，而Lancaster更像南方马齿亚种。两个杂种优势群的标准测验种分别是B73和MO17，B73×MO17是美国玉米带很长一段时期内主推的杂交种之一。欧洲引进美国马齿种质，与当地的欧洲硬粒种质构成最常见的杂种优势模式，该模式将美国种质的丰产性与欧洲种质的早熟性和适应性相结合。欧洲使用的美国种质大部分属于Minnesota13优势群，该优势群在美国玉米种质中所占的比例仅次于Reid，是早熟种质的主要来源。在热带、亚热带地区，Tuxpeno和ETO构成两个基础的杂种优势群，Tuxpeno×ETO是当地最重要的杂种优势模式[2]。从20世纪80年代到90年代中期，中国玉米育种消化和利用78599及其同类杂交种，这是续MO17、B73之后中国玉米种质资源引进的第二次浪潮。21世纪初，美国先锋种子公司以‘先玉335’为代表的先玉系列品种，具有突出的丰产性、广适性和多抗性。全国多数育种单位都将此作为玉米种质扩增的首选材料，选育出一批优良的自交系，被称为X系种质[3]。这一方面反映出中国玉米育种领域对国外优秀种质资源的积极引进，另一方面也反映出中国玉米种质资源的缺乏和育种工作低水平重复的状况，可见，加强玉米种质资源创新的育种基础性工作已迫在眉睫。利用和改良玉米种质资源时，要灵活运用杂种优势群和杂种优势模式，既要参考一定的杂种优势群的划分，以便对种质资源的遗传背景有较清楚的认识，同时，又要突破固定的杂种优势模式，以便根据目标性状组建群体和配制组合。石雷[4]认为，中国的玉米育种，应把中国玉米种质与引进的国外种质相结合，把本土的杂种优势模式与国外的杂优模式相结合，同时与国际通用的Reid-Tuxpeno×nonReid-nonTuxpeno杂优模式接轨。高翔等[5]遵循种质扩增中优势互补，不断创新的原则，对美国Reid种质进行改良利用。一是沿用原有的典型杂优模式，即Reid×Lancaster，利用四平头和旅大红骨等种质对父母本双方进行种质扩增。二是采用单交、复合杂交、回交、自交、辐射诱变、化学诱变、生物技术等方法，对含美国Reid种质的选系进行种质扩增，目的是创建新的杂优模式。刘纪麟[6]指出，把玉米育种的基础材料，按杂种优势模式，划分成若干对杂种优势群，可以减少盲目性，提高育种效率。同一个杂优模式下的杂种优势群间选出的优系，遗传背景不同，应具有较大的杂种优势，相互之间的特殊配合力较高，这些自交系也便于按各自的优势群归类。不同杂优模式的优势群选出的优系，因含的有利基因较多，一般配合力较好，也可能组配出农艺性状较优的强优势组合。番兴明等[7]也报道，CIMMYT利用优良自交系，组建了选育新自交系的基础群体。尽管这些群体不是按杂优模式组成的，但每一个群体内通过轮回选择已有大量的基因重组，它们的遗传构成和籽粒品质（马齿或硬质）表明，它们可以作为对应的杂种优势群利用。2玉米种质资源的研究方法2.1系谱分析法系谱分析法是在对种质基础分析的基础上，根据育种材料的血缘关系研究群体的方法。我国所用的主要种质从来源上可以分为改良Reid、Lancaster、四平头和旅大红骨四个杂种优势群，相对应地构成了国内主要杂优模式。因此，可以根据这些类群的遗传特点进行种质的改良和创新研究，但要注意在改良某一类群时，不要把同一杂种优势类群的对应类群进行杂交，以避免相互间杂种优势的丧失。2.2数量遗传学方法2.2.1NC—II设计NC—II设计是一种较优的特殊不完全双列杂交设计，可以用于研究具有不同特性的亲本材料，如人工合成群体、雄性不育材料和新选自交系等。首先，以一组能够代表各个杂种优势群的自交系作为标准测验种，然后与待测群体或自交系进行杂交；然后，测定配合力的值后就可以依据待测材料SCA表现对其进行种质类群划分和杂种优势模式的初步判断。2.2.2双列杂交双列杂交包括完全双列杂交和不完全双列杂交。完全双列杂交是指一组亲本间进行所有可能的杂交，依据不同的组合类型，共分为4种：(1)包括亲本自交系及正反交组合，共P2个实验材料；(2)包括亲本自交系及正交组合，共I／2P(P+1)个实验材料；(3)不包含亲本自交系，仅包含正反交组合共P(P一1)个实验材料；(4)仅包含正交组合，共1／2P(P—1)个实验材料。其中每一种方法，都有相应的配合力计算公式，可以为各种作物进行配合力研究提供较详尽的信息。但其缺点是随着被测系的增加，杂交组合数会急剧增加，导致工作量剧增和试验误差难于控制，从而影响试验的准确性和精确性。后来出现了把供试亲本分为两组，只进行组间杂交，不进行组内杂交的不完全双列杂交方法，优点可以大大减少育种方案中的杂交组合数，且有利于研究群体或具备特殊优良性状的一组自交系的配合力和遗传力等参数。所谓不完全双列杂交是指把供试纯育亲本按试验要求分为两组，只进行组间杂交，不进行组内杂交。2.2.3三重测交法三重测交法(TIC)是以NCUl设计原理和方法为基础，检验上位性较为灵敏，而且在无上位性时，也能准确地检验和估算加性遗传分量(D)和显性遗传分量(H)。后来，以品种群体代替原设计中的心，使其应用更加普遍化。在玉米育种中，本法较适用于群体改良中基础群体的遗传分析和群体重要性评价。可以把该设计所获得各种有关遗传参数进行综合分析，使群体改良、自交系和杂交种选育有机的结合起来，从而提高育种的准确性和预见性。如潘光堂等运用该设计，以综合种群体代替原设计中的F2代，对群体21个数量性状的遗传分量进行的研究，以及金益等运用该设计对东农2号玉米改良群体的12个品质性状进行遗传相关及选择预期遗传进度的分析都显示了其设计优良的特点。2.3分子标记法分子标记是直接以DNA多态性为基础的遗传标记。它在植物的各个组织，各个发育时期均可以检测，不受季节和环境的限制。现用于群体遗传多样性和杂种优势群研究的较成熟的分子标记有两大类：一类是基于DNA分子杂交技术的分子标记，如RFLP；另一类是基于PCR技术的分子标记，如RAPD、SSR和AFLP等。日趋成熟的分子标记技术为玉米群体遗传多样性和杂种优势类群划分提供了新的手段和方法。然而，杂种优势群划分面对的是复杂的产量性状，完全依靠分子标记技术而抛弃对育种材料的田间组配与评价显然不够恰当，因此用DNA分子标记确切划分玉米种质的杂种优势群以及构建杂种优势模式，目前还需要与数量遗传分析相结合。所以在现所以在现阶段的遗传育种研究中，最好还是采用多种研究手段相结合的方式以避免不必要的失误[8]。3玉米种质资源研究现状3.1遗传多样性研究多年来，育种家通过形态观察、常规手段整理种质资源，选择亲本，育成了许多高产组合玉米。由于表型性状是遗传背景与环境综合作用的结果，因此要获得优良单株，在很大程度上取决于育种家的实践经验。随着生物技术的发展，检测DNA的各种技术相继建立和完善。一些研究者用限制性内切酶片段长度多态性(RFLP)研究了不同玉米群体的遗传变异和自交系间的亲缘关系，开拓了分子标记在种质研究方面的新途径。充分发掘地方种质，掺和外引种质，并采用轮回选择体系不断积累有利基因，为中长期分离优良玉米自交系提供基因库已成为当今种质研究的热点。近年来植物基因组学的迅速发展使人们对作物种质的分析进入分子水平。美国于1996年开始实施的玉米基因组计划，加快了这个领域的研究进程。10多年来，分子标记的出现，为玉米的遗传多样性分析提供了更深层次的技术。目前分子标记正逐渐成为分析生物遗传多样性的有力工具，在农作物遗传分析中应用最广的主要有RFLP、随机扩增的多态性DNA(RAPD)、SSR、扩增片段长度多态性(AFLP)等。3.2杂种优势群研究杂种优势群及杂种优势模式的构建是近年来国内外玉米育种家们研究的热点。这一研究有利于拓宽种质资源和克服种质资源的脆弱性，尤其是对克服杂交组合组配的盲目性和提高育种效率至关重要。划分玉米育种材料的杂种优势群和构建杂种优势模式将使自交系选育(尤其是二环系选育)技术、群体合成与改良技术、杂交种选配技术及育种研究管理技术等在一定程度上逐步向理论思维方式靠近。把优良玉米自交系划分到不同杂种优势群以及把新自交系划分到已建立的杂种优势群的方法有:亲缘关系、表型聚类、配合力分析和杂种优势分析，生理生化指标(同功酶)、分子标记。结合相关研究对各种方法的评价，认为配合力分析、杂种优势分析和分子标记方法有助于育种实践。目前用于划分玉米杂种优势群和建立优势模式的方法主要有系谱分析法、数量遗传学方法和分子标记法。特别是近10年来，分子标记技术的飞速发展，为在分子水平上研究玉米的杂种优势群及其模式提供了新的手段[9]。3.3基础群体研究3.3.1群体改良研究理论和实践证明，根据育种目标，选择自交系，组配综合种，而后采取轮回选择加以改良，是创造优良育种群体，进而育成优良自交系和杂交种的一条有效途径。热带、亚热带群体和杂交组合的产量及配合力高，利用潜力大，可加入到玉米育种方案中以拓宽我国育种材料的遗传基础。温热杂交组合的抽雄、吐丝、ASI值、果穗性状基本达到温带生产可利用的标准，温带种质中控制这些性状的基因对外来光敏感基因表现显性，但植株和穗位特别高，应将其作为改良的重点。3.3.2引进种质的研究外来种质可分3类：一是从国外引入经过现代育种技术选育的温带杂交种、自交系或群体材料；二是从热带、亚热带低纬度地区引入并不完全适应温带种植的杂交种、自交系和群体材料；三是从玉米遗传多样性中心及世界各地引入的野生近缘种。按照温热杂交组合的产量、一般配合力和特殊配合力高的原则，筛选出了每个温带杂优群与热带、亚热带种质的最佳杂优组合模式，并提出了改良利用的途径。弄清楚代表中国玉米主要优势群与热带、亚热带优势群之间的关系，鉴定或创建温热杂优组合模式，对于正确地选择外来种质和制订一个合理的中、长期外来种质改良、利用的育种策略和方法具有十分重要的意义。3.4耐生物、非生物胁迫性研究3.4.1耐非生物胁迫研究干旱是我国玉米生产的主要限制因素之一。在西南山地丘陵玉米生态区，绝大多数玉米都种植在旱土坡地，土壤瘠薄，无灌溉条件，播种出苗和籽粒灌浆期经常发生的季节性干旱，对玉米生产危害极大。然而，在非干旱季节或地点，耐旱性鉴定又非常困难。许多学者曾尝试测定干旱条件下的胚芽鞘长度、叶片保水力、相对电导率、水势、脯氨酸含量等生理生化指标或者将这些指标与非干旱条件下的测定值相比转换为耐旱系数，鉴定玉米耐旱性。但是不同的品种可能具有不同的耐旱机制，所以这些指标与耐旱性的相关程度有限。3.4.2耐生物胁迫研究(1)抗病性研究。尽管我国在抗源鉴定、抗病遗传以及抗病育种的理论和实践上取得了令人瞩目的成就，但是取材、育种方法、种质资源以及基础理论研究等方面的问题仍然十分突出。把长期的种质资源拓宽与近期的抗病育种工作结合起来，才能有效地防止玉米病害的发生和流行。世界发生的玉米病害不下百种，在我国发生的就有30多种，其中发生普遍、危害严重的玉米真菌、细菌和病毒病害有玉米大斑病、玉米小斑病、玉米丝黑穗病、玉米青枯病和玉米矮花叶病。常年由于玉米病害造成的产量损失约占产量的10%。玉米弯孢菌叶斑病是近几年我国北方玉米主栽区发生的一种新的叶斑病，它主要危害玉米叶片，有时也危害玉米的叶鞘和苞叶。(2)抗虫性研究。何康来等报道了玉米螟在玉米植株上取食危害的基本规律及其造成的为害症状、玉米抗螟性田间及室内鉴定技术和操作规程、玉米抗螟性的评价标准。这些方法和标准对进行抗螟玉米种质资源的筛选鉴定、利用已知抗性种质进行品种抗性改良、新品种的抗性评价以及转基因玉米抗螟性的评价与风险预测具有重要的意义[10]。3.5品质育种研究3.5.1蛋白质品质育种我国自1972年开始了优质蛋白玉米的转育工作，经历了3个阶段:“六五”期间育成的高赖氨酸玉米杂交种籽粒产量相当于普通玉米对照种的92%～95%，籽粒赖氨酸含量高于0.4%，胚乳为软质型。在该阶段，中国农业科学院作物研究所首先育成了我国第一个通过全国审定的优质蛋白玉米品种中单206。“七五”期间育成的高赖氨酸玉米杂交种产量达到了普通玉米主栽品种的产量水平，胚乳为半硬质或软质，赖氨酸含量在0.35%以上。在该阶段，山东省农业科学院玉米研究所成功地选育了我国第一个通过审定的半硬质胚乳优质蛋白玉米品种鲁玉13。“八五”期间，国家玉米攻关专家组调整了育种目标，在要求产量超过普通品种的同时，加大硬质、半硬质胚乳QPM(优质蛋白玉米)育种力度，育出了中单9409、中单3850、新玉6号、新玉7号、成单201、长单58等一批QPM杂交种，解决了优质和高产之间的矛盾，这一成就使我国在这一领域的研究居国际领先水平。3.5.2碳水化合物品质育种研究(1)甜玉米育种。甜玉米在我国台湾省每年约有2万hm2的种植面积，在中国大陆的科研和开发利用则相对滞后，1968年北京农业大学育成我国第一个甜玉米品种“北京白砂糖”。20世纪70年代，中国农业科学院作物研究所、上海市农业科学院作物研究所等单位先后开展甜玉米育种工作。到20世纪80年代，甜玉米研究工作进展很快，许多科研单位在挖掘当地资源潜力的同时，开始从国外引进品种资源开展引种育种，1984年育成普甜玉米综合种—农梅一号(上海市农业科学院)和我国第一个超甜玉米综合种—甜玉2号(中国农业科学院)。并利用甜质基因为主要种质资源，采用一环系法、二环系法和杂交选育、回交转育等方法，陆续选育出一批优良自交系，配制出农大甜单1号、沈农甜单1号、密玉4号等甜玉米杂交种。目前，我国甜玉米年种植面积近3万hm2，甜玉米育种虽已达到一定水平，但与美国相比，还有很大差距。(2)糯玉米育种。我国糯玉米新品种选育工作起步较晚，采用回交选育法、杂交选育法和轮回选育法已成功培育出一批优良糯玉米杂交种。如糯玉1号、烟单5号、白糯玉1号、苏玉1号和鲁糯玉1号等。3.5.3高油玉米育种我国自20世纪70年代末开始高油玉米自交系选育工作，至1989年，第一个高油玉米杂交种“农大高油一号”通过品种审定，并在1991年纳入国家科委重点推广项目计划。中国农业科学院、长春市农业科学院等单位也陆续育成一批高油玉米新组合，投入生产或进入品种区域试验。其中“高油115”代表了我国高油玉米的育种水平，在产量、适应性、抗性等方面与普通玉米水平相当。在生产上对普通玉米有较强的竞争力。此外，中国农业科学院作物研究所从引进的国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)高油群体中筛选出一批自交系，目前已转育成若干双高系，这些双高系籽粒赖氨酸含量平均为0.57%，含油量为10.05%。4玉米种质资源研究展望4.1引育并举，以育为主Mo17在我国组配玉米杂交种中发挥了重大作用，它是1971年一位加拿大爱国华侨首先赠送中国农林科学院的，其后李竞雄、吴绍魁教授访美再次引入。20世纪80年代初我国引入SC704(同样含有该系亲本的单交种)，却付出了一定的代价。目前我国已经开展了广泛引种工作，这是一项长期任务。但期望引入像Mo17那样的优良系，马上应用的可能性较小，除非付出较大代价直接购入专利。近几年通过各种途径从国外引入的老系、群体或中间材料较多(也有不同单位重复引进)，不仅需要鉴定评价，而且只能选择具有一定利用价值的进行加工创造。目前，我国已库存玉米种质资源材料15900余份(其中国外材料近2000份)。经过“七五”攻关以来的搜集、保存和鉴定，不仅对农艺性状进行了评价，而且对5000多份材料同步进行了主要病害、抗性鉴定和主要营养成分分析，对几百份材料进行了抗逆性鉴定和配合力的测定研究。为了充分发挥我国玉米种质资源在玉米杂交种选育中的作用，21世纪初叶应加强优良种质的筛选、鉴定，应用新技术进行研究和有针对性的种质综合构建，再筛选出2-3个类似唐四平头、旅大红骨的品种或群体;构建含有热带、亚热带种质，适于我国大部分玉米生产区，对光温钝化的优良群体或自交系，创造出具有中国特点的玉米新杂交模式。4.2综合抗治病虫，提高抗逆性玉米的病虫害较多，完全靠育种来解决确实有困难。在生产上可以综合利用现代科学技术达到高产的目的。如玉米生长期内多次侵染性的病害和多代发生的虫害，要以抗性育种解决为主;苗期地下害虫和种子、土壤带菌一次性侵染的病害，除抗病育种外，可以通过轮作和种子包衣等药剂防治措施来解决。由于自然条件的变化，干旱高温气候出现较为频繁，在玉米种质改良中，要把抗旱、抗热以及收获前的抗阴雨、冷害等逆境条件的特异材料加以有效的组装利用，以便提高优良杂交种生产区域的广谱适应性。在抗病虫、抗逆境的玉米种质创新方面，具有很大的潜力，应予以深入发掘[11]。参考文献:[1]TroyerAF.Adaptednessandheterosisincornandmulehybrids[J].CropSci.，2006，46(2):528-541.[2]张世煌，田清震，李新海.玉米种质改良与相关理论研究进展[J].玉米科学，2006，14(1):1-6.[3]叶雨盛，孙甲，郝楠，等.我国玉米种质资源创新的现状[J].种子，2008，27(10):76-78.[4]石雷.引入美国种质对我国玉米育种的影响[J].玉米科