玉米自交系選育的PEPPER方法

張 旭，鐘國祥，李立公，王占森，魏 春，何光榮，郝學景

（中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術(shù)學院，北京 100193）

20世紀六七十年代，美國玉米的生產(chǎn)狀況和栽培條件發(fā)生了較大的改變。種植密度在10年內(nèi)增加了1萬株/hm2，行距縮短了25%。高密度下要求雜交種不空稈，不根倒，不莖折，穗子不下垂，同時要對高密度下的水分短缺和光照不足有很強的耐性。氮肥投入10年中增加了一倍多，聯(lián)合收割機的使用和對籽粒品質(zhì)的關(guān)注使人們更傾向于種植早熟品種。行距縮短和密度增加也對株型小和生育期短有了較高的要求[1]。這些問題需要育種家在自交系選育過程中去面對解決。Troyer教授針對發(fā)生的變化，晝思夜想，認識到追求雜種優(yōu)勢的“高稈大穗晚熟”的育種思路已經(jīng)過時，對復雜多樣的生長環(huán)境和不斷變化的栽培措施具有廣泛的適應性比雜種優(yōu)勢更加重要[2]。通過大膽創(chuàng)新，逐漸形成了一套針對適應性的自交系表型選擇方法，即PEPPER方法[3]。

1 PEPPER的含義和特點

PEPPER（Pollinating End Plants Planted at Extreme Rates）意思是自交材料在極端高密度種植的情況下，每行只在靠近走道處套袋、授粉，一般可套袋4株，授粉3株。由于授粉植株靠近走道，所以在高溫、高濕或干旱等不利的氣候條件下都會改善授粉和結(jié)實狀況。授粉者只需在走道上行走，而不需要走到行間去，因此授粉時減少了行走的距離。如果以行距76 cm、行長530 cm計算，行走的距離減少了86%。走道上比行間操作起來較為方便。兩行之間首尾相接，走道很窄使得高密度的效果非常一致。走道兩側(cè)相對的兩行都在靠近走道處套袋又減少了操作者一半的行走距離，這樣可以大大緩解套袋授粉期間人力的緊張狀況。

PEPPER方法減少了套袋和自交的數(shù)量，這對于高密度下的選擇是可行的。Troyer認為在S2及其以上選擇穗行優(yōu)于在行內(nèi)選擇單株，所以每行授粉三四株就足夠了。它能在種植很密的情況下提供較多的小區(qū)和多次觀察的機會，通過選擇較大的穗子從而選擇耐密性較好的穗行。

PEPPER方法具有以下特點：

（1）基于穗行的選擇。穗行比單個穗子或植株具有較高的遺傳力，育種者較容易在下代中獲得期望結(jié)果。由于目標較少，容易判斷，因此選擇大大簡化。

（2）在多環(huán)境下種植穗行選擇的材料。首先，在當?shù)?0%的玉米播種之前種植一個早播，再在土壤溫度超過10℃后種植一個晚播。據(jù)我們在美國中西部的經(jīng)驗，播種時土溫高，晚播的植株正處在生長發(fā)育的早期，10年中有6年使根倒的機會明顯增加。另外，在50公里以外，再種植一個早播。

（3）在高密度下種植選擇材料，一般是當?shù)厣a(chǎn)密度的兩倍。在Illinois州北部，接近16萬株/hm2的密度在大多數(shù)年份都能產(chǎn)生高密度的壓力。最有效的選擇性狀是對高密度的耐性，它可以幫助淘汰生長勢差、植株弱小，以及因抽絲延遲而不能受粉的植株，使受粉的效果得到改善。高密度還能使收獲期間的一些淘汰性狀充分表現(xiàn)，如空稈、癟粒等。在高密度下空稈、癟粒導致低產(chǎn)的遺傳力大于正常密度下籽粒產(chǎn)量的遺傳力。

（4）對有價值、可遺傳的表型選擇性狀進行嚴格選擇。這些性狀包括：在冷、熱土壤中都能很好地發(fā)芽，苗勢強，植株健壯，花期合適，株高，穗位高，收獲時的籽粒含水量，雌雄協(xié)調(diào)。其它性狀還包括：植株生長整齊一致，對葉片病害、高溫、干旱、莖腐的抗性，保綠性，籽粒質(zhì)地（馬齒的等級或硬質(zhì)淀粉的數(shù)量），以及影響收獲和脫粒的因素，如苞葉松、容易剝落等。這些性狀大部分都可以直觀地選擇。

2 自交各世代的選擇

2.1 BC1和S1世代（50%的同質(zhì)性）

通常BC1群體種4050 m2，共64000株，采用當?shù)爻Ｒ?guī)密度的兩倍。一般有20～30個族群，每個族群種2000～3000株供選擇。每個族群中開花早的植株具有較強的生長勢。玉米具有特定的生長模式：植株生長快慢和形態(tài)上的差異到開花期時結(jié)束了。早開花的植株一般生長快，生長勢強，而相似背景的晚開花的植株肯定生長慢，生長勢弱。自然選擇導致了這種聯(lián)系，因為晚玉米比早玉米遭受較少的春寒的影響。

通常每個BC1和S1群體中只對10%的早開花的植株進行授粉。每個群體的親本都是開花期相似、親緣關(guān)系較近的優(yōu)秀自交系。要數(shù)出每個系雌穗套袋植株的準確數(shù)目，并把它們用鋁線標注出來。要在早期雨后用當?shù)夭∪~碎末對所有植株或開花后用莖腐病殘體對授粉植株進行人工接種。64000株中的10%，也就是6400株需要授粉。

這些植株要盡可能晚收獲，選擇那些保綠性好的完整植株。整個秋天要每隔5～7天用不同的顏料對活著的植株在授粉袋上標記，以確定哪些植株成活時間最長。成活的植株對莖腐的抗性較好，選擇那些植株完整、成活時間長、莖稈好的植株。穗位以上折斷、頂部脫落的植株要淘汰，它們通常是莖腐病或第二代歐洲玉米螟危害的信號。通過踢、推、拉、搖來檢測莖稈的質(zhì)量。在美國玉米帶選擇14行以上的穗子，北歐則選擇12行以上的穗子。通常選擇半馬齒質(zhì)地的籽粒，一般收獲1500～1800個穗子。

2.2 S2世代（75%的同質(zhì)性）

在S2及其以上，以單個穗行為基礎(chǔ)進行選擇。在南繁地以常規(guī)兩倍的密度種植1500～1800個S2穗子。如果空間與財力允許，利用南繁進行一次穗行觀察是很有用的。根據(jù)室內(nèi)低溫發(fā)芽率、出苗率、發(fā)芽勢、苗勢和冬季觀察的整齊度淘汰30%的穗行。淘汰的穗行在末端的植株做上標記。每行一般套袋4株，授粉3株（PEPPER），對于較好的行可授粉4株，最好的行可套袋和授粉更多株。接近收獲時，根據(jù)保綠性、植株完整性和空稈率選擇50%的穗行。選擇1500～1800個S3大穗，這和種植的S2穗子數(shù)量是一樣的。僅從有2個或2個以上大穗的行中選穗。在最好的行中要保留2個以上的穗子，而在一般的行中僅保留2個大穗中的一個。

2.3 S3世代（87.5%的同質(zhì)性）

夏季在三種環(huán)境下種植S3，當?shù)氐脑绮ズ屯聿?，加上一個異地的早播。種植1500～1800個S3穗行。對室內(nèi)低溫發(fā)芽率以及每個播期的出苗率、出苗勢、苗期長勢和行內(nèi)整齊度等的每個指標進行二三次打分，根據(jù)三個播期的6～9次打分在授粉之前淘汰30%的穗行，選擇發(fā)芽快、長勢強、生長整齊的穗行。在當?shù)氐脑绮ブ羞M行授粉，遇到意外情況時也可在另外兩個播期授粉。根據(jù)全部三個播期的農(nóng)藝表現(xiàn)，收獲時僅選擇50%穗行，直到冬季播種前才收獲。晚收可以檢測好的莖稈和穗柄，剝皮后觀察穗子的外觀。完全干燥的穗子能更好地看出它們的缺陷。

2.4 S4（92.5%的同質(zhì)性）及更高世代

在正常密度下種植S4、S5及更高世代的穗行，這時更注重種子量的增加和正常密度下的籽粒產(chǎn)量，而不再是高密度下的附加選擇。在S5及以后世代，看起來差別不明顯的姊妹穗行的種子可以混合起來，大多數(shù)S6的種子可以混合。一個S3穗行的家系提供的新自交系不多于一個。

3 測交世代的確定

在S0～S2的測驗為早代測驗。早代測驗是額外的測驗，因為一個新自交系純合后還要進行重新測驗。育種者的選擇是晚代測驗或者是早代加晚代測驗。早代測驗可以幫助育種者了解一些性狀的遺傳特點，以便及時淘汰不好的穗行。如果你在早代測驗中淘汰了一半，那么晚代測驗時用同樣的代價可以測兩倍的自交系。如果淘汰了75%，則可測四倍的自交系。但早代測驗常常出現(xiàn)偏差，因為它們的親本還有25%或更多的遺傳差異。當自交系更加純合時，它們的表現(xiàn)必然要改變。

最佳的測驗世代是S4種子，代表著在三種不同環(huán)境下選出的最好的S3穗行，這時它的遺傳力很高。一般在冬季測交，在次年夏季種植單交種進行快速反饋。如果改在S2測交，穗行在低溫發(fā)芽率、早期出苗率、發(fā)芽勢、苗期長勢和行內(nèi)整齊度等方面改進就會很少。僅根據(jù)S1單株的表現(xiàn)進行S2測驗似乎效率不高。

如果能在冬季隔離區(qū)測交，每個S3家系可以與2個測驗種雜交。通常一些測交到次年夏季在隔離區(qū)或父母本隔行種植的形式進行。因為冬季選擇又有了新的數(shù)據(jù)，可以淘汰更多的選系。在20～30個選系中，每個系大約有30～45個S3家系進行測交，共有900～1000個測交的家系。大約2000個測交種用完全隨機區(qū)組的辦法，種在生育期適合的四五個試驗點，每個點種一個重復，用四五個合適的商品雜交種作對照。隨著自交代數(shù)的增加，入選家系的數(shù)量會逐漸減少。很少S3家系或其后代會在測交中擴大規(guī)模，以免增加產(chǎn)量測驗的費用。期望的是更多的行間差異而不是行內(nèi)差異。再強調(diào)一下，一個S3穗行一般只產(chǎn)生一個成品自交系，這樣花同樣的代價可以測驗最多的不同S3家系。

4 生產(chǎn)雜交種子的親本選擇

繁殖在制種地里表現(xiàn)好的自交系能保證向農(nóng)戶提供可靠的F1種子供應。自交系的整齊度和純凈度檢驗是必要的。用做母本的自交系應有中等以上的產(chǎn)量水平和較小的標準差，中等的耐病性，可銷售種子占90%（由于種子大小和發(fā)芽率不合格而被淘汰的種子不超過10%）。種子的溫床發(fā)芽率要在95%以上，低溫發(fā)芽率80%以上，掛藏壽命2年以上。母本自交系不能有分蘗，要容易剝皮，容易收獲，田間落粒少，果實干凈。雄穗柄要中等偏長，以便機械去雄。制種時父母本最好能同時播種，母本自交系晚播常常降低種子的產(chǎn)量和品質(zhì)。母本開花比父本早3天可以同時播種，因為父本會有一些分離。父本遲播日期最多是母本播后20天。延遲時間太長，播種時就有可能要重新整地。如果母本容易延遲抽絲，就要求父本分兩期播種 （間隔2天）。

5 小結(jié)

穗行選擇、高密度和多項細致觀察是PEPPER方法必不可少的。通過嚴格的表型選擇、大量淘汰和減少套袋授粉穗數(shù)，可以增加試驗行數(shù)，節(jié)省開支。多點種植、冬季加代和適當?shù)臏y交世代可以使育種的效率提高，進程加快。Troyer使用這些方法，選出了一批優(yōu)秀的玉米自交系，它們分別是在美國推廣面積很大的P3780，P3732，P3713 等雜交種的親本[4]。 事實證明，這一方法是行之有效的。

我國目前的生產(chǎn)條件和栽培狀況與當時的美國很相似。種植密度不斷增加，氮肥投入日益過剩[5]。國內(nèi)的育種者也從美國玉米育種的歷史經(jīng)驗中得到啟發(fā)，這就是密度增加對產(chǎn)量的提高至關(guān)重要，較好的耐密性和在高密度下持續(xù)增產(chǎn)是當代玉米育種的策略和方向[6]。當然，Troyer的方法能否適合我國玉米育種的實際，尚需在進一步的研究工作中運用和檢驗。

[1]Troyer A F.Breeding widely，popularmaize hybrid[J].Euphytica，1996，92：163 ～ 174.

[2]Troyer A F.Adaptedness and heterosis in corn and mule hy brids[J].Crop Sci.，2006，46（2）：528 ～ 541.

[3]Troyer A F.Phenotypic selection and evaluation of maize inbreds for adaptedness[J].Plant Breeding Rev，2007，28：101 ～ 123.

[4]Troyer A F.A retrospective view of corn genetic resources[J].J.Hered.，1990，81：17 ～ 24.

[5]趙久然，王榮煥，史潔慧，等.國內(nèi)外玉米動態(tài)及展望[J].作物雜志，2008，5：7 ～ 9.

[6]Duvick D N.What is yield ？ [M].In：G O Edmeades.Developing drought and low N-tolerant maize.Proceedings of a symposium，March 25 ～ 29，CIMMYT，1996.