大豆雜種優(yōu)勢利用研究進展＊

孫妍妍，趙麗梅，張 偉，張春寶

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所，長春 130033）

大豆[Glycine max（L.）Merr.]起源于中國，已有五千多年的種植歷史，是食用植物性優(yōu)質(zhì)蛋白和植物油的重要來源。近年來，我國大豆需求量增長迅猛，但自產(chǎn)供應(yīng)量卻呈負(fù)增長趨勢。據(jù)海關(guān)總署公布的大豆進口數(shù)據(jù)顯示，2020年我國進口大豆量再創(chuàng)新高，突破10 032.7萬t，同比2019年增加1 181.4萬t，增長率為13.3%。究其原因主要是大豆單產(chǎn)較低，種植效益差，農(nóng)民種植大豆的積極性不高，國內(nèi)大豆產(chǎn)量難以滿足需求。因此，快速大幅度地提高大豆產(chǎn)量，穩(wěn)定大豆生產(chǎn)，是提高我國大豆自給率的最有效途徑之一，也是積極應(yīng)對復(fù)雜國際貿(mào)易環(huán)境，打好種業(yè)翻身仗推進大豆振興的重要條件。

雜種優(yōu)勢利用是提高作物單產(chǎn)的有效途徑之一，已在水稻、玉米、油菜等作物中得到推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。大豆雜種優(yōu)勢利用研究起步較晚，20世紀(jì)七、八十年代，美國連續(xù)授權(quán)了5項大豆雜種優(yōu)勢利用相關(guān)專利[1-5]，但此后再無相關(guān)研究進展。與此同時，我國科研人員對大豆雜種優(yōu)勢利用也展開了技術(shù)攻關(guān)，并取得了突破性進展。1993年，孫寰等[6]育成了世界上第一個實際可用的大豆細胞質(zhì)雄性不育系[7]，1995年實現(xiàn)“三系”配套，2002年育成世界上首個大豆雜交種“雜交豆1號”，較對照增產(chǎn)21.9%[8]。

經(jīng)過30余年的系統(tǒng)研發(fā)，幾代雜交大豆研究人員的不懈努力，國內(nèi)育成并通過審定雜交大豆品種近40個，大豆雜種優(yōu)勢利用新技術(shù)、新方法獲授權(quán)發(fā)明專利、制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)30余項。上述成果奠定了我國在大豆雜種優(yōu)勢利用領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。文中將從雜交大豆親本創(chuàng)制、雜交種選育、制種技術(shù)和基礎(chǔ)研究四個方面論述近年來大豆雜種優(yōu)勢利用研究進展，以期為今后開展強優(yōu)勢雜交種選育、規(guī)模化制種技術(shù)研發(fā)、雜種優(yōu)勢分子機理解析等方面研究提供參考。

1 親本創(chuàng)制

1.1 細胞質(zhì)雄性不育系的創(chuàng)制

大豆雜交種的選育，目前主要采用“三系”法，其中綜合性狀優(yōu)良、育性穩(wěn)定性高的不育系是創(chuàng)制強優(yōu)勢雜交種的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外已有RN 型[9-10]、ZD 型[11]、XXT 型[11]、M 型[12]、N8855[13]、N21566[14]、N23661[15]等多個大豆不育胞質(zhì)的報道。RN型胞質(zhì)主要用于北方春大豆區(qū)雜交種選育及組合配制，目前育成的RN型不育系及同核異質(zhì)保持系數(shù)量達500余對，其中高不育率、高配合力、高異交率的“三高”不育系40余個。這主要得益于吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在國內(nèi)率先建成的以不同規(guī)格的隔離網(wǎng)室為基礎(chǔ)，以人工馴化蜜蜂為傳粉媒介的雜交大豆高效育種平臺。通過該平臺，不育系轉(zhuǎn)育、提純擴繁完全擺脫了人工雜交，還實現(xiàn)了規(guī)模化恢、保鑒定及異交率鑒定，大幅提升了親本選育規(guī)模。黃淮夏大豆區(qū)ZD型胞質(zhì)應(yīng)用較多，也已育成了50余對不育系和配套保持系，但尚未有“三高”不育系育成。目前，國內(nèi)研究單位雖育成了大批細胞質(zhì)雄性不育系，但由于缺乏規(guī)范鑒定標(biāo)準(zhǔn)，不育系鑒定尚存在表型一致性、花粉敗育率、育性穩(wěn)定性等指標(biāo)不規(guī)范統(tǒng)一的問題。隨著國內(nèi)首個大豆細胞質(zhì)雄性不育系鑒定標(biāo)準(zhǔn)在2020年底發(fā)布實施[16]，這將為今后科學(xué)、規(guī)范地開展不育系選育和鑒定提供操作規(guī)程，也為品種審定部門開展大豆雜交種規(guī)范化審定及不育系植物新品種權(quán)保護提供技術(shù)支撐。

1.2 恢復(fù)系的鑒定與評價

恢復(fù)系作為雜交種的父本，其所含恢復(fù)基因的恢復(fù)能力對雜種F1能否正常結(jié)實起決定作用。目前恢復(fù)系主要采用測交鑒定法，其步驟主要是通過對其與不育系測交所獲的F1代單株進行花粉育性鑒定，若敗育率在0～60%[17]，則認(rèn)為其含有恢復(fù)基因，可作為恢復(fù)系用于雜交組合配制。雖然花粉敗育率達到60%以下就可以鑒定為恢復(fù)系，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)測交F1的花粉敗育率越低，其恢復(fù)能力越強，配制雜交組合F1育性越穩(wěn)定，這可能是由于恢復(fù)系所含恢復(fù)基因恢復(fù)能力較強或含有多個恢復(fù)基因共同作用所致。2014年，張井勇等[18]研發(fā)了一套快速鑒定恢復(fù)系及其恢復(fù)能力的方法。該方法通過待測材料與不同被恢復(fù)能力不育系測交，下一生長周期對不同被恢復(fù)能力不育系所得F1單株進行花粉育性鑒定，依據(jù)花粉敗育率快速鑒定待測材料是否為恢復(fù)系及其恢復(fù)能力，大大加快了恢復(fù)系選育進程。

1.3 優(yōu)異親本材料的創(chuàng)新

“三系”法雖被廣泛的應(yīng)用于大豆雜交種選育，但由于受特異性基因源的限制，已有大豆材料的利用率僅在20%左右，極大限制了大豆雜種優(yōu)勢潛力的發(fā)揮。近年來，研究者針對現(xiàn)有雜交大豆“三系”親本個別性狀的特點，通過“恢×恢”“?！帘！薄盎帧列路N質(zhì)”“?！列路N質(zhì)”等方式，陸續(xù)創(chuàng)制出了一批優(yōu)異的親本材料，極大地拓寬了雜交大豆親本的選擇和利用范圍，為培育強優(yōu)勢大豆雜交種提供了材料補充。

2 雜交種選育

自2002年，世界上第一個大豆雜交種雜交豆1號通過審定以來，在眾多育種單位和育種工作者近20年的努力下，先后培育了雜交大豆品種39個，其中春播區(qū)審定29個，夏播區(qū)審定7個，春、夏播區(qū)同時審定3個，見附表。這其中十五至十二五期間共審定13個，十三五期間審定19個，十四五開局之年就已審定了7個。這體現(xiàn)了近年來國內(nèi)各育種單位在育種規(guī)模及雜種優(yōu)勢利用技術(shù)上的不斷提升。

附表 2002—2021年國內(nèi)審定雜交大豆品種情況

2.1 春大豆雜交種的選育

在東北春播區(qū)，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過育種平臺的不斷完善，目前年均配制600個雜交組合，并進行小批量雜交種生產(chǎn)；結(jié)合多年、多點的育性、產(chǎn)量、生育期、農(nóng)藝性狀、抗病蟲及適應(yīng)性鑒定，育成雜交大豆品種28個，其中6個是與黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院綏化分院、佳木斯分院和吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)三家單位聯(lián)合育成。尤其是在十二五以來，24個春大豆雜交種通過了黑龍江和吉林省品種審定，其中吉育610較對照綏農(nóng)28增產(chǎn)18.7%，在東北中部地區(qū)具有良好的推廣前景；吉育635、吉育639、吉育641、吉育643、吉育653、吉育654、佳吉1號、吉農(nóng)H1、吉農(nóng)H2 9個雜交種脂肪含量超過21.5%高油大豆標(biāo)準(zhǔn)；適合東北中南部種植的吉育612是國內(nèi)首個高產(chǎn)雙高春大豆雜交種，區(qū)試較對照吉育72平均增產(chǎn)16.0%[19]。2021年審定的吉育645為首個高產(chǎn)高蛋白春大豆雜交種，其蛋白質(zhì)含量高達44.77%，蛋脂合計更達64.89%，區(qū)試較對照綏農(nóng)26平均增產(chǎn)15.4%。上述品種的育成，實現(xiàn)了東北春大豆雜交種產(chǎn)量和品質(zhì)的協(xié)同提升。2018年專家對吉林遼河源的雜交豆5號千畝示范田進行測產(chǎn)，平均產(chǎn)量達3 442.5 kg/hm2，較對照品種吉育47增產(chǎn)15.6%；對吉林范家屯的吉育611的百畝示范田進行測產(chǎn)，平均產(chǎn)量達3 664.5 kg/hm2，較對照品種吉育47增產(chǎn)18.7%。

2.2 夏大豆雜交種的選育

在黃淮夏播區(qū)，7個雜交種通過了安徽省品種審定，其中安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成4個，阜陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成3個。2004年審定的雜優(yōu)豆1號和2010年審定阜雜交豆1號，區(qū)試平均增產(chǎn)分別達15.4%和20.6%，但之后育成的5個品種區(qū)試增幅僅在5.3%～8.5%，增產(chǎn)幅度與常規(guī)品種沒有顯著差異。究其原因可能是黃淮地區(qū)育成親本數(shù)量偏少，親緣關(guān)系過近，沒有充分發(fā)揮雜種優(yōu)勢潛力所致。山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)）近年來雜交大豆品種選育進展較快，2014年審定了山西省第一個大豆雜交種晉豆48號，并在黃淮地區(qū)率先建立了比較完善的雜交大豆育種平臺，近年來恢復(fù)系鑒定和不育系轉(zhuǎn)育規(guī)模顯著提升，優(yōu)勢組合配制和鑒定數(shù)量大幅增加，相繼育成3個雜交大豆品種，其中優(yōu)勢豆-A-5和晉豆51號增產(chǎn)幅度分別達12.1%和12.5%。2020年，在山西運城晉豆52號示范田，專家實收500.25 m2測產(chǎn)，折合產(chǎn)量達4 237.5 kg/hm2?？梢娨罁?jù)地緣優(yōu)勢建立適度規(guī)模的育種平臺，提升親本創(chuàng)制及雜交組合配制能力，將有效提升黃淮地區(qū)雜交種的增產(chǎn)潛力。

3 制種技術(shù)研究

3.1 傳粉媒介的研究與利用

自實現(xiàn)“三系”配套起，學(xué)者們就不斷探索雜交大豆異交傳粉的最佳方式[20-24]。大豆因其葉腋開花結(jié)莢的特點，且花粉粘重由龍骨瓣包裹，無法像玉米那樣通過風(fēng)媒或像水稻那樣通過趕粉完成雜交授粉。大豆花具備蟲媒花特征，具有蜜腺可分泌少量花蜜[25]，這決定了蟲媒傳粉為其雜交制種的有效方式。20世紀(jì)90年代初，由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院從法國和加拿大引進的苜蓿切葉蜂最早被用于雜交大豆傳粉，其傳粉效果顯著，網(wǎng)室內(nèi)高異交率不育系利用苜蓿切葉蜂傳粉，結(jié)實率可達93.5%～100%。然而，國內(nèi)人工繁殖切葉蜂技術(shù)存在瓶頸，1999年起，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和吉林省養(yǎng)蜂科學(xué)研究所合作，開展了利用蜜蜂為雜交大豆傳粉的研究。此后，通過對蜜蜂的定向選育、引誘劑研發(fā)[26]、蜂群規(guī)模結(jié)構(gòu)[27]、飼喂方法、管理方式等方面的不斷改進，實現(xiàn)了人工馴化蜜蜂高效為大豆授粉。同時，研究人員也一直探索在大田開放環(huán)境下，依靠野生昆蟲進行雜交大豆制種傳粉的研究。通過在吉林西部開展野外調(diào)查及架設(shè)電子監(jiān)控設(shè)備觀察訪花昆蟲種類，明確了切葉蜂、西蜂、隧蜂等為雜交大豆主要傳粉昆蟲[28]。近年來，為了適應(yīng)規(guī)?；品N需求，王鵬年等[29]通過在制種基地周邊穿插種植苜蓿、草木樨等蜜源植物，顯著提高了野生傳粉昆蟲的種類和群體數(shù)量，建立了傳粉昆蟲保護、繁殖和利用技術(shù)。

3.2 制種環(huán)境的選擇

制種區(qū)域的選擇對不育系能否正常完成異交授粉起關(guān)鍵作用。通過多年試驗，研究人員明確了干旱，少雨，7月份降雨量≤100 mm且可灌溉，植被和環(huán)境有利于野生傳粉昆蟲生存、繁殖是雜交大豆制種的最佳區(qū)域。通過大量試驗，確定了東北西部、內(nèi)蒙古，西北的山西、陜西、寧夏、甘肅、新疆等地區(qū)均適合規(guī)?；品N。

3.3 制種技術(shù)體系的建立

除了傳粉昆蟲和制種環(huán)境外，親本異交率的高低、花期是否一致、種植比例及密度均對制種產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響。經(jīng)過多年研究，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院建立了一套完善的“昆蟲—環(huán)境—植物”三位一體，綜合調(diào)控的制種技術(shù)體系[22,30-31]，趙麗梅等[31]研究表明，該制種體系的應(yīng)用可使高異交率不育系的結(jié)莢率達到90%以上。2019—2020年，在吉林西部的松原、黑水等地連續(xù)開展了百畝連片雜交大豆制種試驗，通過父母本1∶2行比種植，錯期播種確保花期相遇，優(yōu)化栽培模式及病蟲草害防治等技術(shù)措施，專家大面積實收測產(chǎn)，在父本行額外收獲70～80 kg基礎(chǔ)上，雜交種吉育608制種產(chǎn)量達1 653.94 kg/hm2，吉育611制種產(chǎn)量達1 708.05 kg/hm2，兩個品種繁殖系數(shù)均達到1∶30以上，接近了常規(guī)大豆的水平。

近年來，隨著國內(nèi)優(yōu)勢雜交種的不斷育成，為適應(yīng)大豆產(chǎn)業(yè)化要求，各育種單位均以本地區(qū)的大豆種植模式為依據(jù)，加強制種技術(shù)研究。山西因其獨特地理條件非常適合野生傳粉昆蟲繁殖，也因此成為較為適宜的制種地區(qū)。2018年，在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東磨支基地雜交組合（SXCMS15A×TH40）制種田，天然昆蟲傳粉，父母本1∶2種植，專家實收715.95 m2，制種產(chǎn)量達到了1 173.6 kg/hm2。由于該單位育成不育系異交率有待進一步提高，制種潛力仍有較大的提升空間。安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在黃淮南部地區(qū)也開展了小規(guī)模的雜交大豆制種工作，但近年來該地區(qū)“癥青”癥嚴(yán)重，制種田花期噴施農(nóng)藥會影響昆蟲傳粉，不噴施農(nóng)藥點蜂緣蝽等刺吸類害蟲的大量繁殖造成“癥青”危害，嚴(yán)重影響制種產(chǎn)量。因此，下一步拓展制種區(qū)域，依托地理優(yōu)勢向西北適宜制種地區(qū)拓展，將是黃淮地區(qū)雜交大豆制種規(guī)避“癥青”風(fēng)險的有效措施。

4 分子基礎(chǔ)研究

我國在大豆雜種優(yōu)勢利用上雖處于國際領(lǐng)先水平，但機理研究方面與玉米、水稻等作物仍有不小差距。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展及高通量測序技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基礎(chǔ)研究方面也取得了顯著進展，主要集中在細胞質(zhì)雄性不育機理、育性恢復(fù)基因及核不育基因定位克隆等方面。

4.1 細胞質(zhì)雄性不育分子機理研究

在不育機理研究方面，Jiang等[32]和劉海軍等[33]分別發(fā)現(xiàn)線粒體基因atp9和atp6在不育系和保持系間存在RNA編輯。He等[34]、林春晶等[35]和Lin等[36]分別對不育系和保持系的線粒體和葉綠體基因組進行測序和組裝，通過二者間的序列差異，預(yù)測了多個可能影響細胞質(zhì)雄性不育的基因。Ding等[37-39]和Zhang等[40]分別對不育系和保持系進行了miRNA測序分析，發(fā)現(xiàn)miR156b、miR2119b、miR169可能參與調(diào)控大豆細胞質(zhì)雄性不育。Li等[41]、Han等[42]和Lin等[43]分別開展了不育系和保持系DNA甲基化差異分析方面的研究。此外，研究人員還開展了不育系和保持系的轉(zhuǎn)錄組[44]、環(huán)狀RNAs[45]、泛靶向代謝組[46]等各類組學(xué)分析，獲得了一大批差異基因并預(yù)測了多個可能與不育有關(guān)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。雖然上述研究在不育機理方面取得一些進展，但至今仍未有大豆細胞質(zhì)雄性不育基因克隆的報道。目前在水稻、油菜、玉米中均有細胞質(zhì)雄性不育基因被克隆鑒定，研究人員今后可借鑒成功經(jīng)驗，早日鑒定大豆細胞質(zhì)雄性不育基因，以期為今后新型不育系的創(chuàng)制提供理論基礎(chǔ)。

4.2 育性恢復(fù)基因的定位與克隆

育性恢復(fù)基因的研究開展較早，多家單位的科研人員對大豆恢復(fù)基因（Rf）進行了定位研究。大多數(shù)定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)Rf基因在大豆16號染色體上，如趙麗梅等[47]、Wang等[48]和郭鳳蘭等[49]利用RN型不育系和恢復(fù)系構(gòu)建的F2分離群體為材料進行Rf基因定位，最終將Rf基因定位于16號染色體224.1 kb區(qū)間。焦東燕[50]和Dong等[51]分別利用ZD型不育系與恢復(fù)系構(gòu)建的F2分離群體將Rf基因定位在16號染色體標(biāo)記BARCSOYSSR_16_1064和BARCSOYSSR_16_1082之間。Wang等[52]用M型不育系和恢復(fù)系構(gòu)建的F2群體將Rf基因定位于16號染色體162.4 kb區(qū)間內(nèi)，隨后又對Rf候選基因進行了qRT-PCR分析，推斷Glyma.16G161900可能為Rf基因。最近，Wang等[53]利用NJCMS1A和NJCMS1C雜交獲得的F2群體，通過分子標(biāo)記定位及候選基因敲除驗證，最終NJCMSIC所含Rf基因為16號染色體上一個編碼576個氨基酸的PPR蛋白。在大豆其他染色體上，研究人員也通過分子標(biāo)記定位，獲得了新的Rf基因位點[54-57]。今后若能鑒定更多的恢復(fù)基因，實現(xiàn)多恢復(fù)基因的聚合育種，創(chuàng)制恢復(fù)力強、恢復(fù)譜廣的新型恢復(fù)系，這將為強優(yōu)勢雜交種的創(chuàng)制提供重要的材料支撐。

4.3 核不育基因的定位與克隆

隨著基于核不育基因的第三代雜交育種系統(tǒng)在玉米、水稻中的研發(fā)和應(yīng)用，大豆核不育基因的研究也日益受到關(guān)注。在大豆已知的27種核不育突變體中，有15個基因控制位點實現(xiàn)分子標(biāo)記定位，包括ms0、ms1-ms9、ms12、msp、msMOS、mst-M和msN[58-79]。MS4是大豆中第一個被克隆的核不育基因[80]，其編碼一個PHD蛋白，移碼突變導(dǎo)致不育。2021年，編碼驅(qū)動蛋白的MS1基因被國內(nèi)多個團隊克隆。其中Jiang等[81]和Nadeem等[82]相繼報道了MS1的一種大片段缺失突變類型，F(xiàn)ang等[83]則報道了MS1的另外兩種單堿基缺失和氨基酸突變類型。隨后，Yu等[84]也完成了MS6基因克隆，其為一個R2R3類MYB轉(zhuǎn)錄因子。上述核不育基因的陸續(xù)克隆，為大豆第三代智能雜交育種系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用提供重要的基因資源。

此外，研究人員還在其他基礎(chǔ)研究方面取得了一些進展，如Zhang等[25]研究發(fā)現(xiàn)不育系異交率與其花蜜分泌量相關(guān)。Yan等[85]發(fā)現(xiàn)農(nóng)藝性狀與異交率的關(guān)聯(lián)分析可有效指導(dǎo)高異交率親本篩選。李蓉等[86]發(fā)現(xiàn)FLS基因可能與異交率有關(guān)。Zhang等[87-88]則從轉(zhuǎn)錄調(diào)控和表觀遺傳層面探索了大豆雜種優(yōu)勢機理。

5 結(jié)語

雜種優(yōu)勢在植物中普遍存在，通過雜種優(yōu)勢的利用已顯著提高了水稻、玉米、油菜等作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性。多年研究表明，大豆同樣存在較強的雜種優(yōu)勢。育成的大豆雜交種中雜交豆2號增產(chǎn)幅度最高，兩年區(qū)域試驗比對照平均增產(chǎn)達22.7%。2006年在吉林省農(nóng)安縣專家測產(chǎn)達到了5 332 kg/hm2，創(chuàng)造了吉林省當(dāng)時的高產(chǎn)記錄。雖然雜交豆2號產(chǎn)量優(yōu)勢顯著，親本配合力較好，但由于其母本JLCMS47A異交率低，導(dǎo)致制種成本過高，很難大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，創(chuàng)制高異交率、高配合力的不育系是今后進行雜交種選育的先決條件之一。

近年來吉育609、吉育611、吉育645等一批中早熟春大豆雜交種通過審定，為吉林中東部、黑龍江南部地區(qū)提供了品種支撐，但隨著東北春大豆種植面積日益北移，適宜東北北部種植的雜交種應(yīng)用前景將更為廣闊。由于目前東北春大豆區(qū)育種單位尚缺乏MG000-MG0生育期組的親本材料，今后側(cè)重點應(yīng)更多的偏向于極早熟親本材料的創(chuàng)制和雜交組合的配制，適宜該區(qū)域大豆雜交種的育成尚需時日。

大豆雜種優(yōu)勢利用研究初期，由于親本遺傳資源少、遺傳差異小，缺少高效的雜種優(yōu)勢預(yù)測方法作指導(dǎo)等問題，雜交大豆品種選育和親本創(chuàng)制存在盲目性。近年來，隨著研究人員對大豆雜種優(yōu)勢群理論認(rèn)識的深入，利用分子標(biāo)記和高通量測序劃分了大豆雜種優(yōu)勢群并初步建立了全基因組預(yù)測模型，這為雜交組合的合理配制提供了理論支撐，大幅提高了優(yōu)勢組合的選育效率，我國大豆雜種優(yōu)勢利用也會進入嶄新階段。