多優(yōu)良基因玉米自交系的選育策略

劉文國， 李春雷， 路 明， 李 洋， 張洪艷， 楊偉光*

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院， 長春 吉林 130118； 2.吉林省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所/玉米國家工程實驗室， 公主嶺 吉林 136100； 3.吉林吉農(nóng)高新技術發(fā)展股份有限公司， 公主嶺 吉林 136100)

多優(yōu)良基因玉米自交系的選育策略

劉文國1，2， 李春雷3， 路 明2， 李 洋1， 張洪艷1， 楊偉光1*

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院， 長春 吉林 130118； 2.吉林省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所/玉米國家工程實驗室， 公主嶺 吉林 136100； 3.吉林吉農(nóng)高新技術發(fā)展股份有限公司， 公主嶺 吉林 136100)

多優(yōu)良基因玉米自交系是培育玉米雜交種的重點，闡述了優(yōu)良玉米自交系的重要意義，并從逆境選擇、輪回選擇、分子標記輔助選擇、商業(yè)化常規(guī)選擇等方面總結了選擇多優(yōu)良基因玉米自交系的方法，并對優(yōu)良玉米自交系的選育策略進行了綜合客觀的展望。

玉米； 自交系； 育種； 多優(yōu)良基因

我國的玉米育種工作起步較晚，從新中國成立至今，經(jīng)歷了農(nóng)家品種、品種間雜交種和雙交種歷史時期，現(xiàn)正在普及推廣單交種歷史進程中[1]。玉米遺傳育種策略的變化正是優(yōu)良玉米自交系選育的方向，吉林省玉米品種的更新和換代正是新的具有優(yōu)良基因的玉米種質(zhì)資源發(fā)掘和利用的結果。玉米大約有3.2萬個基因，上百萬個等位基因。一個優(yōu)良玉米自交系有很多優(yōu)良的可遺傳基因，玉米的常規(guī)選育是聚合多種優(yōu)良基因到自交系個體中，如同轉基因技術，將多種優(yōu)良基因整合到新個體中，呈顯性效應，明顯提高單株個體在其他群體中的競爭力，但通過常規(guī)選育出的玉米自交系，含有優(yōu)良基因的同時還含有較多的不良基因，因此選育多優(yōu)良玉米自交系是育種者的夢想。將擁有多個優(yōu)良基因的單株間進行雜交，不同性狀間呈現(xiàn)不同的遺傳互作效應，優(yōu)良的雜交組合是通過這種理念培育的。

現(xiàn)代玉米育種技術和種質(zhì)資源較優(yōu)良，20世紀培育的優(yōu)良自交系，如B73、Mo17、H99、M14、英64等早已退出培育玉米新品種的應用中，只用于一些基礎研究。隨著玉米育種技術和理念的創(chuàng)新以及新種質(zhì)的引進，一批具有更多優(yōu)良基因的玉米自交系被培育出來，玉米育種常用的玉米基礎材料，如PH6wc、PH4cv、吉853、合344、鄭58、昌7-2、四-287等。美國育種家通過早代選育結合測配合力的方式選育自交系，每代測交的同時，嚴格劃分成BSSS和NSS群體，中間類型的直接淘汰[2]。我國育種者測配合力的步驟多是在高世代進行，這樣血緣與配合力方面結合的較少。筆者討論了選育多基因優(yōu)良玉米自交系的方法，以期為玉米自交選育提供參考。

1 逆境選擇選育優(yōu)良玉米自交系

玉米的栽培歷史約有7500多年，在人類的干預下，玉米對各種復雜的自然條件逐步適應，從而逐漸演化成現(xiàn)代栽培品種[3]。至于具有優(yōu)良基因的玉米品系是在特定條件下遺傳變異產(chǎn)生，還是具有不良基因的玉米品系被大自然淘汰產(chǎn)生的無從考證。遺傳學界存在兩大對立流派，一個是拉馬克的獲得性遺傳的理論，體現(xiàn)了用進廢退的觀點；另一個是達爾文的自然選擇理論，體現(xiàn)了物競天擇，適者生存的理念。玉米經(jīng)過近萬年的自然和人工馴化選擇，具有優(yōu)良抗性基因的玉米材料被保留下來，不同地域、不同氣候形成了特定的玉米品系。如熱帶玉米種質(zhì)具有大穗、抗倒伏、晚成熟和抗玉米螟等優(yōu)良特性[4]。亞熱帶玉米種質(zhì)具有廣泛的適應性[5]。溫帶的玉米種質(zhì)資源具有較強的抗性，以及大量的種質(zhì)資源適合作引種材料[6]。因此，按照特定的玉米育種目標選育玉米自交系是最直接有效的方法。

抗性育種已成為玉米遺傳育種的重要研究方向[7]，抗旱、抗倒伏、耐鹽堿、耐低溫、抗病蟲害等優(yōu)良基因只有從外界和人工配合的條件下選擇出來。選擇具有廣泛抗性優(yōu)良基因的玉米自交系應該設計合理的選育方案，如人工噴施除草劑可以選育出抗除草劑的玉米自交系；人工接種病原菌可以培育出抗病的玉米自交系；人工干擾降水量可以選育出抗旱的玉米材料。但筆者認為，高密度種植是選育玉米自交系的最好方法，耐密玉米自交系的選育需要制定合理的選育方案。玉米選系材料的基礎好，群體大，逆境強度足夠，選拔嚴格，才可能培育出優(yōu)良的自交系[8]。我國已對2500多份玉米種質(zhì)材料進行抗性鑒定。高抗螟型自交系有獲白、齊319、門可、四平404、A662、蘭289等50余份，高抗玉米大斑病的玉米自交系有黃早四、Mo17、黃野四、掖107等，黃早四、B85、A432等10多個是兼抗玉米大、小斑病以及絲黑穗病的自交系[9]。

在田間設計密度脅迫，再進行常規(guī)選系，在特定的條件下，玉米的栽培密度增加，玉米的群體競爭加劇，分離世代中攜帶不同基因型玉米表現(xiàn)出差異，放大遺傳方差，利于選擇。進而選育出的玉米自交系具有廣泛的抗性，耐密型玉米自交系具有耐密性、抗病蟲害、光能利用率較高的特性[10]。通過抗性選擇出的雜交組合吉單517在松嫩平原鹽堿地地區(qū)表現(xiàn)優(yōu)秀，丹598具有多抗高病及較高配合力的優(yōu)點?？剐杂N主要是利用玉米分離世代產(chǎn)生的遺傳變異，在高密度的條件下，玉米群體處在一個高密度的環(huán)境中，玉米個體間競爭養(yǎng)分比較激烈，汲取養(yǎng)分、水分、光照的競爭加劇，田間病蟲害程度也明顯加重。玉米分離群體中攜帶不同基因型個體在個體競爭中增大表現(xiàn)型差異。因此，具有優(yōu)良抗性基因的玉米材料可以被選育出來。

2 輪回選擇選育優(yōu)良玉米自交系

玉米的輪回選擇工作是長期的鑒定和選擇的過程，玉米的育種工作往往取決于育種群體中遺傳變異的豐富程度和群體中的優(yōu)良基因頻率，因此要選擇含有多優(yōu)良的玉米群體作為基礎材料，而優(yōu)良基因往往分布在不同單株個體中，因此只有通過植株間的雜交才可能使更多的基因發(fā)生重組，由于優(yōu)良基因和不良基因可能有連鎖關系，要通過多代的異交才能打破基因的連鎖，通過反復的鑒定和選擇才能選育出多優(yōu)良玉米自交系[11]。每一輪的輪回選擇都經(jīng)歷了表現(xiàn)型輪回選擇，基因型輪回選擇，配合力輪回選擇。每次的輪回選擇都會得到一定的遺傳增益，主要看選擇的基礎群體的優(yōu)良基因頻率和選擇的世代，經(jīng)過多代的輪回選擇，目的是從群體中選出較好的雜交種[12]。

玉米育種家一般采用半同胞輪回選擇，利用半同胞輪回選擇最典型的例子是愛荷華堅稈綜合種(BSSS)，在當時的農(nóng)業(yè)基礎背景下，培育出一大批具有抗倒伏等優(yōu)良基因的自交系，B73、B37、B14、B78等，通過多年多代的改良工作，培育出優(yōu)良自交系，如丹9046、吉4112、吉477、吉81162、吉818、齊205、齊209、四144等。BSSS體系已經(jīng)為現(xiàn)代玉米育種體系打下堅實的基礎，現(xiàn)在BSSS體系成為中國玉米育種界最常用的種質(zhì)資源類群之一，BSSS×NSS已成為比較有影響力的雜種優(yōu)勢模式，為玉米育種界作出杰出的貢獻。

3 分子標記技術選育優(yōu)良玉米自交系

DNA分子標記輔助育種已成為玉米育種的有利方法。有些性狀從表現(xiàn)型上無法鑒定，但通過分子標記技術可以把常規(guī)育種中表現(xiàn)型選擇轉化為基因型選擇[13]。如何簡單快速判定單株是否含有優(yōu)良基因是關鍵，DNA分子標記不受環(huán)境和時間限制的特點，且適合任何性狀的育種選擇[14]。結合分子標記的方法是檢驗優(yōu)良基因是否存在的有效方法，對玉米產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病、抗逆基因定位和克隆的研究，收集、整理和篩選與目的基因緊密連鎖的分子標記，確定一致性位點區(qū)域的分子標記。

DNA分子標記主要是應用于玉米抗病性鑒定的篩選過程中，設計適當?shù)囊?，如檢測育種群體的抗莖腐病，抗大小斑病等的優(yōu)良基因。通過田間和實驗室相結合，可最大限度減少田間反復的表型鑒定過程。常用的分子標記如SSR、AFLP、RAPD、ISSR等，至于選擇哪種分子標記應當根據(jù)實際方案定。分子標記技術是選擇優(yōu)良玉米自交系的較好方法，如京24是通過SSR分子標記選育的具有抗黑穗病和莖腐病基因的自交系[15]。

4 商業(yè)育種的常規(guī)選育自交系

我國農(nóng)作物育種以傳統(tǒng)的經(jīng)驗育種為主，多以農(nóng)業(yè)科研的課題組育種方式，并形成以育種家為核心組成若干個獨立、不相關的單元為特征，方法相對落后，規(guī)模偏小。造成了低水平重復建設和社會資源的大量浪費[16]。新品種選育的育種周期長，優(yōu)良品種產(chǎn)出率低、可預測性差，資源分散及企業(yè)創(chuàng)新能力較弱等問題突顯，已經(jīng)難以適應我國對新品種的多樣化和持續(xù)產(chǎn)出的需求。

玉米育種者由于資源匱乏，常采用雜交種中選育二環(huán)系，這樣選育的自交系群體較大，加大了育種的工作量，導致不良隱性聚合概率加大，選育出優(yōu)良自交系的百分率降低，同時選育出的自交系配合力往往較低，可能是選育優(yōu)良株型的同時破壞了與其他自交系間的雜種優(yōu)勢，導致血緣混亂。商業(yè)化常規(guī)選系并不能提高優(yōu)良自交系的概率，但能提高優(yōu)良自交系的數(shù)量?，F(xiàn)代玉米育種產(chǎn)業(yè)正朝著規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展，小的育種企業(yè)逐漸消失，大的集團育種體系正逐漸建立。玉米親緣關系遠，但組合間的配合力不一定高，有些親緣關系較近的配合力反而較高，很多文獻表明，雜種優(yōu)勢與親緣關系相關性較低[17]。所以，育種者應該注重多優(yōu)良基因玉米自交系的選育。玉米雙親的親緣關系遠，各種性狀互補，理論上能配出極優(yōu)良的雜交種，但實際上，往往不能組配出優(yōu)良的雜交組合，培育出多優(yōu)良玉米自交系，通過A/B類群的雜交，培育出雜交種的概率增加。育種家通過團隊的優(yōu)勢，通過收集、整理與評價創(chuàng)新玉米資源，同一血緣雜交選育二環(huán)系，以A/A雜交B/B的模式配制組合，應用簡化的雜優(yōu)模式，通過增大概率提高育種效率。吉單50、吉單53、吉東16等多個優(yōu)良玉米品種就是通過商業(yè)化模式策略組配的。

玉米育種者將在一個類群的玉米自交系間選育二環(huán)系，減少了選出自交系的血緣混亂，又增加了優(yōu)良基因的累積。優(yōu)良的雜交組合雙親間具有較高的特殊配合力，也可以說，雙親間優(yōu)良基因聚合到一起，使有利的性狀呈顯性表達，具有一定的抗性。因我國玉米產(chǎn)業(yè)體系遠落后國外，為了適應我國國情的玉米商業(yè)化育種體系，只有通過玉米育種產(chǎn)業(yè)不斷的整合，結束小規(guī)模育種的時代，才能提升創(chuàng)新和競爭的能力[18-19]。

5 結語

玉米育種的理論基礎是利用雜種優(yōu)勢，闡述雜種優(yōu)勢的理論有三大假說，即加性效應、顯性效應、超顯性效應，三大假說最終都體現(xiàn)在含有優(yōu)良基因的組合上，因此培育優(yōu)良基因玉米自交系是利用雜種優(yōu)勢的前提。尤其現(xiàn)在是玉米商業(yè)化育種時代，選擇出的優(yōu)良基因玉米自交系，往往不是進行有目的組配組合，而是與多個優(yōu)良玉米自交系進行廣泛的組配。但培育出多優(yōu)良玉米自交系是困難漫長的過程。優(yōu)良玉米自交系具有很多優(yōu)良基因，但往往還連鎖一些較差的基因，育種家會通過改良玉米自交系的方法，每個世代為自己的遺傳群體增加一定的遺傳增益，至于如何選育優(yōu)良玉米自交系，需要育種家的田間育種經(jīng)驗和廣泛的理論基礎。

輪回選擇是培育玉米自交系的最好方法，每個世代會產(chǎn)生一定的遺傳增益，但培育周期較長，工作量較大。逆境選擇是利用玉米的抗性響應機制，選擇高抗性的玉米自交系有利于增加玉米廣泛的適應性，雖然選育的周期較短，但有可能淘汰某些優(yōu)良基因，高密選擇是現(xiàn)代選育玉米自交系的重點[20]。分子標記輔助選擇育種是選擇優(yōu)良基因的較好方法，但不能完全代表田間的選擇意愿，必須伴隨人工的輔助選擇，人力物力消耗較大[21]。商業(yè)化選系雖然能短時間培育大量的優(yōu)良玉米自交系，田間工作量較大，具有盲目性等缺點。因此結合分子標記、輪回選擇、逆境選擇、商業(yè)化選擇相結合是選育具有優(yōu)良基因玉米自交系的理想方法。

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(責任編輯： 劉忠麗)

Discussion on Breeding Techniques Strategy for More Superior Gene Inbred of Maize

LIU Wenguo1,2, LI Chunlei3, LU Ming2, LI Yang1, ZHANG Hongyan1, YANG Weiguang1*

(1.AgronomyCollegeofJilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118; 2.MaizeResearchInstitute,JilinAcademyofAgriculturalSciences/NationalEngineeringLaboratoryforMaize,Gongzhuling,Jilin136100; 3.JilinJinongHi-techDevelopmentLtd.,Gongzhuling,Jilin136100,China)

The emphasis of breeding is to select more superior gene inbred of maize. The authors discussed the meaning of superior inbred of maize, and summarized ways of selecting more superior gene inbred of maize from aspects of adverse situation selection, recurrent selection, molecular marker selection, commercialized routine selection. Then a comprehensive objective expectation was proposed to select superior gene in breeding strategy of maize.

maize; inbred line; breeding; more superior gene

2015-07-15； 2015-12-04修回

國家科技支撐計劃項目“春玉米區(qū)商業(yè)化育種技術研究與示范”(2014BAD01B01)；吉林省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程“玉米商業(yè)化育種流程構建與應用”(C52111501)

劉文國(1971-)，男，研究員，從事玉米育種研究。E-mail:liuwenguo168@163.com

*通訊作者：楊偉光(1960-)，男，教授，博士生導師，從事玉米遺傳育種研究。E-mail:ywg789@126.com

1001-3601(2016)01-0004-0011-03

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