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多优良基因玉米自交系的选育策略

 

作者:刘文国,…    农业技术来源:《贵州农业科学》2016年第1期11-13页    点击数:229    更新时间:2017/8/20    

 

 

我国的玉米育种工作起步较晚,从新中国成立至今,经历了农家品种、品种间杂交种和双交种历史时期,现正在普及推广单交种历史进程中[1]。玉米遗传育种策略的变化正是优良玉米自交系选育的方向,吉林省玉米品种的更新和换代正是新的具有优良基因的玉米种质资源发掘和利用的结果。玉米大约有3.2万个基因,上百万个等位基因。一个优良玉米自交系有很多优良的可遗传基因,玉米的常规选育是聚合多种优良基因到自交系个体中,如同转基因技术,将多种优良基因整合到新个体中,呈显性效应,明显提高单株个体在其他群体中的竞争力,但通过常规选育出的玉米自交系,含有优良基因的同时还含有较多的不良基因,因此选育多优良玉米自交系是育种者的梦想。将拥有多个优良基因的单株间进行杂交,不同性状间呈现出不同的遗传互作效应,优良的杂交组合就是通过这种理念培育出来。

现代玉米育种技术和种质资源较优良,20世纪培育的优良自交系,如B73Mo17H99M14、英64等早已退出培育玉米新品种的应用中,只用于一些基础研究。随着玉米育种技术和理念的创新以及新种质的引进,一批具有更多优良基因的玉米自交系被培育出来,玉米育种常用的玉米基础材料,如PH6wcPH4cv、吉853、合344、郑58、昌7-2、四-287等。美国育种家通过早代选育结合测配合力的方式选育自交系,每代测交的同时,严格划分成BSSSNSS群体,中间类型的直接淘汰[2]。我国育种者测配合力的步骤多是在高世代进行,这样血缘与配合力方面结合的较少。笔者讨论了选育多基因优良玉米自交系的方法,以期为玉米自交选育提供参考。

1  逆境选择选育优良玉米自交系

玉米的栽培历史约有7500多年,在人类的干预下,玉米对各种复杂的自然条件逐步适应,从而逐渐演化成现代栽培品种[3]至于具有优良基因的玉米品系是在特定条件下遗传变异产生的,还是具有不良基因的玉米品系被大自然淘汰产生的无从考证。遗传学界存在两大对立流派,一个是拉马克的获得性遗传的理论,体现了用进废退的观点;另一个是达尔文的自然选择理论,体现了物竞天择,适者生存的理念。玉米经过近万年的自然和人工驯化选择,具有优良抗性基因的玉米材料被保留下来,不同地域、不同气候形成了特定的玉米品系。如热带玉米种质具有大穗、抗倒伏活干成熟和抗玉米螟等优良特性[4]亚热带玉米种质具有广泛的适应性[5]温带的玉米种质资源具有较强的抗性,以及大量的种质资源适合作引种材料[6]。因此,按照特定的玉米育种目标选育玉米自交系是最直接有效的方法。

抗性育种已成为玉米遗传育种的重要研究方向[7]抗旱、抗倒伏、耐盐碱、耐低温、抗病虫害等优良基因只有从外界和人工配合的条件下选择出来。选择具有广泛抗性优良基因的玉米自交系应该设计合理的选育方案,如人工喷施除草剂可以选育出抗除草剂的玉米自交系;人工接种病原菌可以培育出抗病的玉米自交系;人工干扰降水量可以选育出抗旱的玉米材料。但作者认为,高密度种植是选育玉米自交系的最好方法,耐密玉米自交系的选育需要制定合理的选育方案。玉米选系材料的基础要好,群体要大,逆境强度要足够,选拔要严格,才可能培育出优良的自交系[8]我国已对2500多份玉米种质材料进行抗性鉴定。高抗螟型自交系有获白、齐319、门可、四平404A662、兰28950余份,高抗玉米大斑病的玉米自交系有黄早四、Mo17、黄野四、掖107等,黄早四、B85A43210多个兼抗玉米大、小斑病以及丝黑穗自交系[9]

在田间设计密度胁迫,再进行常规选系,在特定的条件下,玉米的栽培密度增加,玉米的群体竞争加剧,分离世代中携带不同基因型玉米表现出差异,放大遗传方差,利于选择。进而选育出的玉米自交系具有广泛的抗性,耐密型玉米自交系具有耐密性、抗病虫害、光能利用率较高的特性[10]通过抗性选择出的杂交组合吉单517在松嫩平原盐碱地地区表现优秀,丹598具有多抗高病及较高配合力的优点。抗性育种主要是利用玉米分离世代产生的遗传变异,在高密度的条件下,玉米群体处在一个高密度的环境中,玉米个体间竞争养分比较激烈,汲取养分、水分、光照、的竞争加剧,田间病虫害程度也明显加重。玉米分离群体中携带不同基因型个体在个体竞争中增大表现行差异。因此,具有优良抗性基因的玉米材料可以被选育出来。

2  轮回选择选育优良玉米自交系

玉米的轮回选择工作是个长期的鉴定和选择的过程,玉米的育种工作往往取决于育种群体中遗传变异的丰富程度和群体中的优良基因频率,因此要选择含有多优良的玉米群体作为基础材料,而优良基因往往分布在不同单株个体中,因此只有通过植株间的杂交才可能使更多的基因发生重组,由于优良基因和不良基因可能有连锁关系,要通过多代的异交才能打破基因的连锁,通过反复的鉴定和选择才选育出多优良玉米自交系[11]每一轮的轮回选择都经历了表型轮回选择,基因型轮回选择,配合力轮回选择。每次的轮回选择都会得到一定的遗传增益,主要看选择的基础群体的优良基因频率和选择的世代,经过多代的轮回选择,目的是从群体中选出较好的杂交种[12]

玉米育种家一般采用半同胞轮回选择,利用半同胞轮回选择最典型的例子是爱荷华坚秆综合种(BSSS),在当时的农业基础背景下,培育出一大批具有抗倒伏等优良基因的自交系,B73B37B14B78等,通过多年多代的改良工作,培育出一大批优良自交系,如丹9046、吉4112477、吉81162、吉818、齐205、齐209、四144等。BSSS体系已经为现代玉米育种体系打下坚实的基础,现在BSSS体系成为中国玉米育种界最常用的种质资源类群之一,BSSS×NSS已成为比较有影响力的杂种优势模式,为玉米育种界作出杰出的贡献。

3  分子标记技术选育优良玉米自交系

DNA分子标记辅助育种已成为玉米育种的有利方法。有些性状从表型上无法鉴定,但通过分子标记技术可以把常规育种中表现型选择转化为基因型选择[13]如何简单快速判定单株是否含有优良基因是关键,DNA分子标记不受环境和时间限制的特点,且适合任何性状的育种选择[14]。结合分子标记的方法是检验优良基因是否存在的有效方法,对玉米产量、品质、抗病、抗逆基因定位和克隆的研究,收集、整理和筛选与目的基因紧密连锁的分子标记,确定一致性位点区域的分子标记。

DNA分子标记主要是应用于玉米抗病性鉴定的筛选过程中,设计适当的引物,如检测育种群体的抗茎腐病,抗大小斑病等的优良基因。通过田间和实验室相结合,可最大限度减少田间反复的表型鉴定过程。常用的分子标记如SSRAFLPRAPDISSR等,至于选择哪种分子标记应当根据实方案定。分子标记技术是选择优良玉米自交系的较好方法,如京24是通过SSR分子标记选育的具有抗黑穗病和茎腐病基因的自交系[15]

4  商业育种的常规选育自交系

我国农作物育种以传统的经验育种为主,多以农业科研的课题组育种方式,并形成以育种家为核心组成若干个独立、不相关的单元为特征,方法相对落后,规模偏小。造成了低水平重复建设和社会资源的大量浪费[16]。新品种选育的育种周期长,优良品种产出率低、可预测性差,资源分散及企业创新能力较弱等问题突显,已经难以适应我国对新品种的多样化和持续产出的需求。

玉米育种者由于资源匮乏,常采用杂交种中选育二环系,这样选育的自交系群体较大,这样无形中加大了育种的工作量,导致不良隐性聚合概率加大,选育出优良自交系的百分率降低,同时选育出的自交系配合力往往较低,可能是选育优良株型的同时破坏了与其他自交系间的杂种优势,导致血缘混乱。商业化常规选系并不能提高优良自交系的概率,但能提高优良自交系的数量。现代玉米育种产业正朝着规模化、商业化发展,小的育种企业逐渐消失,大的集团育种体系正逐渐建立。玉米亲缘关系远,但组合间的配合力不一定高,有些亲缘关系较近的配合力反而较高,很多文献表明,杂种优势与亲缘关系相关性较低[17]。所以育种者应该注重多优良基因玉米自交系的选育。玉米双亲的亲缘关系远,各种性状互补,理论上能配出极优秀的杂交种,但实际上,往往不能组配出优良的杂交组合,培育出多优良玉米自交系,通过A/B类群的杂交,培育出的杂交种的概率大大增加。育种家通过团队的优势,通过收集、整理与评价创新玉米资源,同一血缘杂交选育二环系,以A/A杂交B/B的模式配制组合,应用简化的杂优模式,通过增大概率提高育种效率。吉单50、吉单53、吉东16等多个优良玉米品种通过商业化模式策略组配的。

玉米育种者将在一个类群的玉米自交系间选育二环系,减少了选出自交系的血缘混乱,又增加了优良基因的累积。优良的杂交组合双亲间具有较高的特殊配合力,也可以说,双亲间优良基因聚合到一起,使有利的性状呈显性表达,具有一定的抗性。因我国玉米产业体系远落后国外,为了适应我国国情的玉米商业化育种体系,只有通过玉米育种产业不断的整合,结束小规模育种的时代,才能提升创新和竞争能力[18-19]

5  结语

玉米育种的理论基础是利用杂种优势,阐述杂种优势的理论有三大假说,即加性效应、显性效应、超显性效应,三大假说最终都体现在含有优良基因的组合上,因此培育优良基因玉米自交系是利用杂种优势的前提。尤其现在是玉米商业化育种时代,选择出的优良基因玉米自交系,往往不是进行有目的组配组合,而是与多个优良玉米自交系进行广泛的组配。但培育出多优良玉米自交系是很困难很漫长的过程。优良玉米自交系具有很多优良基因,但往往还连锁一些较差的基因,育种家会通过改良玉米自交系的方法,每个世代为自己的遗传群体增加一定的遗传增益,至于如何选育优良玉米自交系,需要育种家的田间育种经验和广泛的理论基础。

轮回选择是培育玉米自交系的最好方法,每个世代会产生一定的遗传增益,但培育周期较长,工作量较大。逆境选择是利用玉米的抗性响应机制,选择高抗性的玉米自交系有利于增加玉米的广泛的适应性,虽然选育的周期较短,但有可能淘汰掉某些优良基因,高密选择是现代选育玉米自交系的重点[20]。分子标记辅助选择育种是选择优良基因的较好方法,但不能完全代表田间的选择意愿,必须伴随人工的辅助选择,人力物力消耗较大[21]。商业化选系虽然能短时间培育大量的优良玉米自交系,田间工作量较大,具有盲目性等缺点。因此结合分子标记、轮回选择、逆境选择、商业化选择相结合是选育具有优良基因玉米自交系的理想方法。

 

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责任编辑:刘忠丽

 

 

 

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