矮敗基因源在選育小麥品種中的應(yīng)用研究

劉愈之，丁志遠(yuǎn)，劉 眾，趙少敏

（平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所，甘肅平?jīng)?44000）

作物遺傳育種研究的核心是種質(zhì)資源創(chuàng)新和育種方法的改進(jìn)[1]。近年來(lái)，普通小麥存在種質(zhì)資源貧乏和育種手段落后的問(wèn)題，選育品種的難度愈來(lái)越大，可用于種質(zhì)材料不能滿足當(dāng)前育種工作需要。矮敗小麥?zhǔn)侵袊?guó)農(nóng)科院劉秉華研究員創(chuàng)制的特有遺傳資源，為改良小麥品種選育提供了新的創(chuàng)新途徑[2]。

平?jīng)鍪修r(nóng)科院從1995年引入矮敗小麥以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的利用研究，創(chuàng)新一批種質(zhì)資源，形成一套適合平?jīng)龅貐^(qū)行之有效地輪回選擇技術(shù)體系，創(chuàng)建了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、抗旱等4個(gè)矮敗小麥輪回選擇群體[3]。

1 主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線和選擇方法

1.1 基礎(chǔ)材料的征集、鑒定、創(chuàng)新和利用研究

廣泛征集國(guó)內(nèi)外各類小麥種質(zhì)資源，設(shè)立不同生態(tài)類型小麥種質(zhì)資源觀察圃，對(duì)其目標(biāo)性狀進(jìn)行鑒定，建立種質(zhì)資源庫(kù)，以確定其利用價(jià)值。從中國(guó)農(nóng)科院引進(jìn)“矮敗”等顯性雄性核不育材料進(jìn)行本土化改良，利用其改良的“矮敗”顯性核不育材料，繼續(xù)定向轉(zhuǎn)育核不育中心親本，拓寬基因資源庫(kù)。將轉(zhuǎn)育成的骨干冬小麥顯性核不育材料，逐步通過(guò)各種育種途徑應(yīng)用小麥品種改良。

1.2 矮敗小麥輪回選擇群體的構(gòu)建

1.2.1 輪回選擇群體的組配 以創(chuàng)新種質(zhì)為目標(biāo)的輪回選擇所用的親本資源較多，在選配親本時(shí)就必須考慮主攻目標(biāo)和形狀互補(bǔ)原則，包括配合力的高低，產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀、抗病、生態(tài)適應(yīng)性，主要目標(biāo)形狀的基因組成和遺傳比例，在此基礎(chǔ)上選定好親本類型、數(shù)量和搭配比例。根據(jù)實(shí)際親本類型應(yīng)在當(dāng)?shù)鼐哂芯C合性狀好，廣適性品種為骨干基礎(chǔ)親本與小麥近緣種屬雜交，近緣屬種蘊(yùn)藏著豐富的高產(chǎn)、抗病抗逆和優(yōu)質(zhì)基因。

1.2.2 矮敗小麥創(chuàng)新種質(zhì)輪回選擇群體的構(gòu)建 要根據(jù)群體改良的中長(zhǎng)期目標(biāo)選擇親本，首先對(duì)引進(jìn)的矮敗小麥進(jìn)行本土化轉(zhuǎn)育改良，以適應(yīng)隴東寒、旱生態(tài)條件，具體方法選用隴東地區(qū)大面積種植的符合高產(chǎn)育種目標(biāo)作為骨干輪回親本，對(duì)其進(jìn)行核不育基因回交轉(zhuǎn)育，根據(jù)不同生態(tài)區(qū)域條件選擇15～20個(gè)不同品種（系）與矮敗不育株雜交，回交一次，使輪回父本遺傳組成占到75%的比例，并對(duì)矮敗株上收獲的回交的種子按一定比例混合成輪回選擇的基礎(chǔ)群體。

1.3 主要技術(shù)路線

課題組采用了多材料、多途徑、多方法聯(lián)合攻關(guān)，主要應(yīng)用矮敗小麥的轉(zhuǎn)育技術(shù)，同時(shí)結(jié)合常規(guī)育種方法。采用的主要技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 利用矮敗小麥建立高效育種技術(shù)體系

1.4 新雜交種子獲得及后代選擇方法

矮敗小麥的問(wèn)世解決了這一技術(shù)難題，更新育種觀念，并提出無(wú)限雜交這個(gè)概念。矮敗小麥?zhǔn)且粋€(gè)理想的核不育材料，無(wú)限雜交法可以看作是品種改良的流水線，為小麥育種提供了一個(gè)有價(jià)值的遺傳改良工具。它集顯性矮稈標(biāo)記基因（R ht10）和顯性雄性核不育基因（M s2）緊密鏈接，具有雄性敗育徹底，異交結(jié)實(shí)率高，降稈作用強(qiáng)，易識(shí)別的特點(diǎn)。也為各類型基因的聚合提供了材料上的極大方便，減少選擇的工作量，提高選擇效率。

根據(jù)不同的育種條件和創(chuàng)新目標(biāo)，以矮敗小麥為親本供體，選用國(guó)內(nèi)外引進(jìn)的適宜本地區(qū)種植的具有目標(biāo)優(yōu)良性狀和自選的高代品系作為輪回親本，F(xiàn)1分離出一半矮稈不育株和一半非矮稈可育株。矮稈不育株再選擇品種授粉，利用矮敗不育株可省略去雄工作，且遺傳基礎(chǔ)豐富，通過(guò)雜交、回交、聚合等方式累加優(yōu)良性狀，結(jié)合常規(guī)育種方法選育新品種[4]。

以矮敗不育株為母本，可育的為父本進(jìn)行雜交，再混合成輪回選擇的原始群體。經(jīng)過(guò)若干次的互交、選擇，群體中優(yōu)良基因出現(xiàn)的頻率大大提高，從而使群體得到改良，選擇優(yōu)良可育株，按常規(guī)育種方法選育成優(yōu)良可育株，也可根據(jù)育種指標(biāo)的要求作為新種質(zhì)，繼續(xù)進(jìn)行輪回選擇。所以，輪回選擇是進(jìn)行品種改良的長(zhǎng)遠(yuǎn)之策。

2 主要育種研究成果

平?jīng)鍪修r(nóng)科院利用矮敗基因源選育冬小麥育種研究工作開(kāi)展以來(lái)，征集并創(chuàng)制了一批具有一定利用價(jià)值的種質(zhì)資源材料，建立了小麥種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)多年對(duì)矮敗小麥進(jìn)行本土化改良，轉(zhuǎn)育出了一批適宜隴東寒、旱生態(tài)型的冬小麥顯性核不育材料，拓寬了冬小麥品種抗病基因資源庫(kù)；利用矮敗小麥現(xiàn)已在“隴麥”系列小麥育種中建立了一套小麥種質(zhì)創(chuàng)新輪回選擇體系，并構(gòu)建了隴東地區(qū)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、早熟、抗病4個(gè)矮敗小麥輪回選擇基礎(chǔ)群體；建立了簡(jiǎn)便有效多聚合雜交育種技術(shù)體系。

2.1 小麥種質(zhì)資源的征集、鑒定、篩選利用及資源庫(kù)的創(chuàng)建

育種資源創(chuàng)新和利用是小麥育種取得突破性進(jìn)展的基礎(chǔ)。種質(zhì)資源的征集、創(chuàng)新、挖掘、遺傳模型及配合力測(cè)定、特異種質(zhì)利用等研究，一直是平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥育種研究的重點(diǎn)工作，總結(jié)出矮敗基因源轉(zhuǎn)育與常規(guī)育種技術(shù)結(jié)合的綜合高效育種技術(shù)體系。

課題實(shí)施期間，不斷地從各小麥育種單位征集到新種質(zhì)資源352份，極大地豐富了小麥遺傳的多樣性。3年來(lái)共征集種植原始親本材料1 161個(gè)（次），配制662個(gè)各類雜交組合，評(píng)選出544個(gè)優(yōu)異組合，占82.2%。在平?jīng)龊弟珔^(qū)和川水地建立了不同生態(tài)類型親本材料鑒定圃，便于適應(yīng)性觀察和異地鑒定。測(cè)定了抗凍抗旱、抗逆性、抗病性、芒色、殼色、粒型、落粒性等多個(gè)農(nóng)藝性狀，測(cè)定數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)建立《冬小麥種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)》，創(chuàng)建了隴東小麥種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，為親本選配提供了科學(xué)依據(jù)，提高了種質(zhì)資源的利用效率，為小麥育種提供了更多方便。一是抗病種質(zhì)材料篩選。2013年平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所對(duì)引進(jìn)的108份小麥材料進(jìn)行葉銹病的抗病性觀察，發(fā)現(xiàn)葉銹病免疫品種6個(gè)，分別為小偃693、小偃784、F126、中209-210、N9116M、藏冬6號(hào)，高抗品種13個(gè)，中抗品種22個(gè)，三者合計(jì)占觀察材料的38%；普遍率≤50%的材料共計(jì)41份，占觀察材料的38%；嚴(yán)重度≤50%的材料共計(jì)80份，占觀察材料的74.1%；今后要利用抗葉銹病好的材料開(kāi)展小麥抗葉銹病育種工作。初步篩選出的抗病材料有B P M14、D9050-6-1-1、天水244822、中梁X9616、H149、周優(yōu)102等22份材料[5]。二是抗寒抗旱性材料篩選。篩選出84份寒旱生態(tài)型種質(zhì)資源材料，如平?jīng)?0號(hào)、平?jīng)?1號(hào)、隴麥123、隴麥977、隴鑒127、99③-9、銅麥3號(hào)等。三是綜合性狀優(yōu)良的資源材料。綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源是育種的基礎(chǔ)，更是選配雜交親本的關(guān)鍵所在。共選擇出80份綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源材料，其植株高度在60～90 cm，抽穗期在5月上旬，穗粒數(shù)在35粒以上的有60份材料，占80份材料的75%。千粒重均在40 g以上，最大的為50 g。蘭天10號(hào)、晉麥47、99③-9、貴農(nóng)21、超級(jí)906和89R B（63）等。經(jīng)多年觀察試驗(yàn)研究，西農(nóng)928、普冰9946、普冰151、長(zhǎng)武134、平?jīng)?3號(hào)、長(zhǎng)34-3、長(zhǎng)航1號(hào)、西平1號(hào)、中麥175、平?jīng)?4、隴育4號(hào)、隴麥123、隴麥082等材料綜合性狀優(yōu)良，用作輪回親本尤為理想。四是特異種質(zhì)資源材料的征集和篩選。在課題實(shí)施過(guò)程中，已征集、鑒定和篩選出簇毛麥后代等55份野生遠(yuǎn)緣物種及特異種質(zhì)材料，為進(jìn)一步利用矮敗基因源轉(zhuǎn)育小偃麥、小冰麥、小黑麥育種奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 利用矮敗基因源創(chuàng)建隴東冬小麥改良群體

20世紀(jì)90年代，矮敗小麥的育成解決了資源貧乏和育種方法的問(wèn)題，平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院利用矮敗基因源組建輪回選擇群體，為開(kāi)展冬小麥新品種選育工作開(kāi)辟了廣闊的前景。

2.3 利用矮敗不育株創(chuàng)建隴東寒、旱生態(tài)型的冬小麥基礎(chǔ)群體

矮敗不育株是組建輪回選擇群體的基礎(chǔ)，將直接影響下一代輪回選擇群體的出現(xiàn)。在組建的群體中，對(duì)雜交穗也采用單穗單行種植，根據(jù)同一雜交穗后代矮稈不育株與非矮稈可育株遺傳基礎(chǔ)大致相似的理論依據(jù)，在選擇不育穗時(shí)重點(diǎn)考慮可育株表現(xiàn)優(yōu)良，進(jìn)行人工控制雜交授粉。為縮短育種進(jìn)程，可將輪回選擇與常規(guī)育種方法相結(jié)合。利用此方法經(jīng)過(guò)多代互交和選擇才能達(dá)到有利基因的累加，以優(yōu)良不育株為母本，以優(yōu)良可育株為父本進(jìn)行控制授粉，回交1～2次，對(duì)其雜種的可育株進(jìn)行選擇。利用優(yōu)良可育株與另一優(yōu)良可育株進(jìn)行人工去雄授粉，按常育種方法鑒定株系，可望獲得預(yù)期效果。

2016年在馬蓮試驗(yàn)站以矮敗小麥為母本，與自育的平?jīng)?3號(hào)、隴麥123等隴麥系列和引進(jìn)的V9643、西農(nóng)323、遠(yuǎn)豐175、長(zhǎng)武134、V98448、科農(nóng)199、中麥175、普冰151、勁松1號(hào)、西農(nóng)3249、M T9820C、農(nóng)大3432、普冰9946為父本共配置組合30個(gè)，田間收獲23份。2014年配置63份，同時(shí)利用上述材料與F1回交轉(zhuǎn)育組建高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、抗旱節(jié)水隴東生態(tài)型矮敗小麥輪回群體。2015年繼續(xù)選擇遺傳背景不同的矮敗不育株與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)中豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病性強(qiáng)、成熟早的主栽品種配置雜交組合24個(gè)，對(duì)2014年雜交的63份F1繼續(xù)回交轉(zhuǎn)育，為下年擴(kuò)大組建輪選的基礎(chǔ)群體奠定堅(jiān)實(shí)地基礎(chǔ)。2015年高平旱地選出矮敗不育群體10個(gè)，選擇優(yōu)良不育株配置雜交組合24個(gè)下年進(jìn)行定向回交，對(duì)選育出的111個(gè)優(yōu)良可育單株進(jìn)入選種圃下年按系譜法選擇。建立了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、節(jié)水抗旱4個(gè)矮敗輪回選擇群體（表1、表2）。

表1 2017年馬蓮試驗(yàn)站矮敗植株考種表

表2 2017年馬蓮試驗(yàn)站回交一代矮敗材料收獲表

2.4 開(kāi)展多途徑冬小麥雜交育種，選育出一大批育種中間材料

平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院從中國(guó)農(nóng)科院作物所引進(jìn)“矮敗”小麥后，根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠N目標(biāo)采用復(fù)合雜交、多親本輪回選擇等途徑，對(duì)特異種質(zhì)資源進(jìn)行組配，采用矮敗基因源（M S2—R ht10）連續(xù)定向回交轉(zhuǎn)育，創(chuàng)出一批具有高產(chǎn)潛力的優(yōu)質(zhì)多抗的中間材料，即核心種質(zhì)，為育種工作提供寶貴資源，提高了轉(zhuǎn)育的準(zhǔn)確率，拓寬了小麥育種利用范圍，為冬小麥雜交育種和輪回選擇改良群體提供基礎(chǔ)材料。

在矮敗基因源轉(zhuǎn)育的過(guò)程中，采取邊定向回交轉(zhuǎn)育邊穩(wěn)定利用，從雜種和衍生后代中選擇符合育種目標(biāo)的可育株，進(jìn)入選種圃。在轉(zhuǎn)育過(guò)程中從各個(gè)株雜交組合，始終保持著1 000多份遺傳基礎(chǔ)豐富、類型多樣含矮敗基因源的冬小麥雜種后代，在水旱2個(gè)生態(tài)區(qū)大群體選育。通過(guò)不同的育種途徑和方法篩選出30個(gè)的高代品系參加各類產(chǎn)量試驗(yàn)（表3）。

表3 各年配制的雜交組合及后代材料選擇情況 單位：份

2.5 顯性核不育冬小麥利用研究與染色體工程技術(shù)相結(jié)合

世代分離出的可育株中選育出優(yōu)良的可育單株161個(gè)，使不育基因的轉(zhuǎn)育和可育單株的選擇密切結(jié)合起來(lái)，每年配置200多個(gè)各類雜交組合，60個(gè)不育

在染色體工程技術(shù)與顯性核不育冬小麥利用研究相結(jié)合上，不斷地將輪選群體中和轉(zhuǎn)育后代入選的優(yōu)良可育株，進(jìn)入常規(guī)選種圃。通過(guò)與T al不育基因廣泛雜交重組，獲得T al//〔（7AN×多年生1號(hào)）／7AN〕F1、M s·Y90444//〔（7D N／P37）//7D N〕F5和T al//／〔（缺048／中5）//4D N〕F5等一批優(yōu)異組合，選擇出86WB E（05）等一批抗病性強(qiáng)、抗凍耐旱、早熟優(yōu)質(zhì)、農(nóng)藝性狀優(yōu)良的可育株系（新品系）[6]。

平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院利用矮敗基因源選育的平?jīng)?2號(hào)作為中心親本繼續(xù)與遠(yuǎn)5987-88、（9944×臨汾138）、臨汾145、B9405、中969、V98448（簇毛麥）、冀豐8901、隴麥908、T W06、臨旱51329雜交改良培育綜合性狀優(yōu)良新品系。同時(shí)，利用輪選材料T al慶豐1號(hào)×長(zhǎng)6154、、輪選987做父本與99S X－1、長(zhǎng)武134雜交、回交、定向培育含有矮敗基因源的中間材料。把染色體工程技術(shù)和常規(guī)育種與顯性核不育冬小麥結(jié)合起來(lái)，將會(huì)縮短育種進(jìn)程，提高育種效能，推動(dòng)小麥育種持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

3 取得了明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益

課題實(shí)施期間，在馬蓮、高平試驗(yàn)站組建水旱2大輪綜群體10個(gè)亞組群，建成了旱塬冬小麥原良種繁育基地；建立“三圃田”1.2 hm2，原原種擴(kuò)繁3.33 hm2，原種擴(kuò)繁田21.3 hm2，一級(jí)良種生產(chǎn)示范1 333.5 hm2。

總之，利用矮敗基因源創(chuàng)新種質(zhì)資源和改良新品種是一項(xiàng)“多、快、好、省”育種新技術(shù)，要轉(zhuǎn)變育種思路，拓寬研究領(lǐng)域，建議有關(guān)部門今后應(yīng)把輪回選擇育種技術(shù)與常規(guī)育種方法結(jié)合起來(lái)，推動(dòng)甘肅小麥育種可持續(xù)發(fā)展，對(duì)穩(wěn)定解決甘肅省糧食安全提供技術(shù)支撐。