基于原始種質(zhì)的小麥育種技術(shù)體系

李生科，郝 明*，張連全，黃 林，甯順腙，袁中偉，姜 博，陳 雪，陳雪姣，顏澤洪，伍碧華，鄭有良，劉登才*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，成都 611130；2.西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130）

隨著人口持續(xù)增長和生活水平提高，全世界對作物產(chǎn)品的需求持續(xù)增加，但目前一些作物的產(chǎn)量增加緩慢。根據(jù)近期的一個(gè)預(yù)測，在未來30～40年內(nèi)，如果保持目前作物的生產(chǎn)力不變，全球作物產(chǎn)品的缺口將高達(dá)70%[1]。作物產(chǎn)品需求的持續(xù)增長，與全球氣候變化、作物生產(chǎn)資源約束漸趨增強(qiáng)等不利因素疊加，加劇了對未來糧食供給安全的普遍擔(dān)心。作物育種不但要瞄準(zhǔn)增加產(chǎn)量潛力，而且要注重品種對氣候變化的耐受性以及環(huán)境的可持續(xù)問題，這對作物育種提出了重大挑戰(zhàn)。面對挑戰(zhàn)，需要充分挖掘利用種質(zhì)資源庫中的各種遺傳變異，不斷優(yōu)化作物品種的基因型，持續(xù)推動作物品種創(chuàng)新。

根據(jù)目前育種的利用情況，作物種質(zhì)資源大體可以分為兩大類群。一是育種優(yōu)良親本類群，主要由經(jīng)過現(xiàn)代育種累積了眾多有利變異的現(xiàn)代品種（系）及綜合性狀好的育種材料構(gòu)成。目前大多數(shù)育種家的品種培育主要依靠該類群，但存在遺傳多樣性基礎(chǔ)狹窄的問題。二是育種原始種質(zhì)類群，主要由野生近緣物種、地方品種以及利用它們創(chuàng)制的綜合農(nóng)藝性狀差的基礎(chǔ)研究材料構(gòu)成。野生近緣物種和地方品種的類型多樣，它們在漫長進(jìn)化過程中形成了適應(yīng)不同環(huán)境的遺傳變異，為培育忍耐氣候變化、有效利用光、熱、土壤等環(huán)境資源的優(yōu)良品種提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。

育種原始種質(zhì)普遍具有明顯缺陷，直接作為雜交親本在育種中不好用，因此育種家不愿意用。針對該問題，在種質(zhì)資源學(xué)研究中，提出了種質(zhì)創(chuàng)新策略，其主要目的是利用育種原始種質(zhì)的遺傳變異，創(chuàng)制出綜合性狀好的育種親本[3]。種質(zhì)創(chuàng)新是育種之前的研究環(huán)節(jié)，因此也常常被稱為預(yù)育種或前育種（pre-breeding）[4-5]。種質(zhì)創(chuàng)新大大推動了原始種質(zhì)有利遺傳變異的育種應(yīng)用。但是，目前僅有少量原始種質(zhì)的遺傳變異在育種上得到應(yīng)用。如果沒有大量的育種家參與，僅僅依靠種質(zhì)資源學(xué)或遺傳學(xué)專家的努力，很難實(shí)現(xiàn)原始種質(zhì)的大規(guī)模育種利用。為了吸引更多的育種家積極參與原始種質(zhì)的育種利用，需要?jiǎng)?chuàng)新育種方法，建立育種家樂于采用的技術(shù)體系。

普通小麥為異源六倍體。它源于四倍體小麥（TriticumturgidumL.,AABB）與節(jié)節(jié)麥（Aegilops tauschiiCoss.,DD）雜種的六倍化，該過程存在遺傳瓶頸。模擬小麥六倍化過程創(chuàng)制的人工合成六倍體小麥（synthetic hexaploid wheat,SHW），可以作為育種“橋梁”材料，將四倍體和節(jié)節(jié)麥攜帶的未被育種利用的遺傳變異重新引入到現(xiàn)代小麥，在育種中的應(yīng)用潛力大[6-8]。SHW具有染色體不穩(wěn)定、種子難脫粒、成熟期晚、植株偏高等諸多不良特性[9-10]。盡管育種利用難度大，采用“大群體有限回交法”等技術(shù)，利用SHW 選育出生產(chǎn)性能突出的小麥新品種[11-12]。另一方面，根據(jù)H.Aberkane等[13]統(tǒng)計(jì)，過去16年間，以SHW為親本僅僅選育出76個(gè)商業(yè)品種、分布在21 個(gè)國家，表明SHW 的育種利用效率還不高。前期利用SHW 探索了“雙頂交-兩段選擇”育種技術(shù)[14]。本研究利用更多SHW材料，并延伸到以地方品種為遺傳背景的染色體工程材料的育種實(shí)踐，優(yōu)化形成了“育種原始種質(zhì)-頂交-兩段選擇”技術(shù)體系。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.2 材料種植

材料種植管理與當(dāng)?shù)仄渌挠N活動類似。材料于10月下旬至11月初播種，種植于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地，夏繁材料種植于四川馬爾康市。每行行寬2 m，行距30 cm。原始育種材料抽穗期晚，而新品種（系）則抽穗早，新品種（系）分期播種保證花期相遇。為了便于選擇，雜種F2及其之后的選擇世代，采用單粒播種，窩距10 cm，每行約種植20株。為了鑒定條銹病抗性，小麥Sy95-71 作為條銹病誘發(fā)材料，種植于各行兩側(cè)，每年在苗期（分蘗期）接種條銹菌混合小種。

1.3 雜交與選擇

由于育種原始種質(zhì)及其雜種的綜合農(nóng)藝性狀差，因此采用頂交（top-cross）。為了提升雜種后代的綜合農(nóng)藝性狀，由綜合性狀差的雜種與綜合性狀好的新品種（系）的雜交方式，稱為頂交。雜交分為3個(gè)步驟（圖1）。第一步，利用育種原始種質(zhì)（primitive germplasm）P 與新品種（系）A 雜交，獲得單交F1（single cross F1）。第二步，利用單交F1與新品種（系）B雜交，獲得單頂交F1（single top-cross F1，P/A//B）。第三步，單頂交F1植株的綜合性狀仍然較差，選取其中的2～4個(gè)麥穗與綜合性狀好的C親本再次雜交，獲得雙頂交F1（double top-cross F1，P/A//B/3/C）[14]，其余麥穗自交獲得單頂交F2群體，用于育種選擇。

圖1 雜交流程Figure 1 Crossing process

單頂交和雙頂交構(gòu)建的早世代育種群體（F2和F3）的綜合性狀仍然普遍較差，綜合性狀好的單株很少。因此，采用了兩段選擇。盡管年度之間的小麥生長發(fā)育進(jìn)程存在差異，但為了強(qiáng)化生育期性狀選擇，每年的收獲期固定在“五一”節(jié)期間。

第一段選擇在F2和F3世代，淘汰受主效基因控制、易于表型選擇的嚴(yán)重缺陷性狀。僅選擇易脫粒、植株較矮、熟期比較正常、抗條銹病的植株，而不考慮其他性狀，然后將中選的單株混合脫粒。與種子脫粒性和條銹病抗性相比，株高和生育期雖然也受主基因控制，但是遺傳比較復(fù)雜，因此是選擇的重點(diǎn)難點(diǎn)。尤其是從高的植株中選擇矮的植株是一個(gè)關(guān)鍵步驟。在F2代，絕大多數(shù)植株偏高，由于植株遮蔽，矮的植株通常長勢不好。在F3代，植株仍然普遍偏高，從高株中選擇矮株仍較關(guān)鍵。

第二段選擇在F4及以后的世代，聚焦受數(shù)量基因控制的產(chǎn)量相關(guān)性狀選擇。選擇株型較好、有效穗較多、結(jié)實(shí)較好、籽粒飽滿的植株，分單株脫粒，形成株系。農(nóng)藝性狀表現(xiàn)一致的優(yōu)良株系用于比較觀察，每年從中挑選好的株系（約10個(gè)）用于本單位統(tǒng)一組織的產(chǎn)量比較試驗(yàn)，然后選擇優(yōu)異品系提交區(qū)域試驗(yàn)。

兩個(gè)雜交組合采用了分子標(biāo)記輔助選擇。一是為了將節(jié)節(jié)麥4DS 染色體臂上的抗條銹病基因YrAS2388導(dǎo)入小麥品種[17]，分別在雜交組合Syn-SAU-S9/川07001//蜀麥969的F3群體以及F5株系進(jìn)行了分子標(biāo)記選擇[18]。二是為了將含抗白粉病基因Pm56的6RS.6AL易位染色體導(dǎo)入新品種，在雜交組合蜀麥969/HM812-41//蜀麥830/3/WJL3931 的F2群體進(jìn)行基因組原位雜交和分子標(biāo)記選擇[19]，含6RS染色體臂的矮稈、抗病、早熟植株混收，在F5株系再次進(jìn)行標(biāo)記選擇。

谷祺教授長期致力于企業(yè)財(cái)務(wù)學(xué)的教學(xué)和研究，教學(xué)成績卓著，學(xué)術(shù)造詣深厚，是我國財(cái)務(wù)學(xué)主流學(xué)派的杰出代表之一。除此之外，他還廣泛地涉獵管理會計(jì)、社會審計(jì)、國際會計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，并且都取得了豐碩的成果。他始終保持謙虛謹(jǐn)慎的優(yōu)秀品質(zhì)和對學(xué)問孜孜以求的執(zhí)著精神。由于對財(cái)會教育事業(yè)的突出貢獻(xiàn)，谷祺教授被有關(guān)方面譽(yù)為“當(dāng)代著名教育家”，并多次立功受獎(jiǎng)，曾被評為“大連市優(yōu)秀教師”“大連市勞動模范”“遼寧省勞動模范”，享受國務(wù)院政府特殊津貼，并被國家教委、人事部、中國教育工會聯(lián)合授予“全國優(yōu)秀教師”榮譽(yù)稱號。

1.4 人工合成小麥基因組的滲入片段分析

利用天根生物技術(shù)（北京）有限公司植物基因組DNA 試劑盒，從幼葉中提取基因組DNA。DNA送中玉金標(biāo)記(北京)生物技術(shù)股份有限公司（http://www.cgmb.com.cn/）進(jìn)行小麥55K SNP 芯片掃描。根據(jù)新品種及其親本的SNP 數(shù)據(jù)，以1 Mb 為步移，10 Mb 為滑窗，統(tǒng)計(jì)新品種與其親本在區(qū)段內(nèi)相同分型標(biāo)記的數(shù)量占比，如果新品種在一個(gè)區(qū)段內(nèi)標(biāo)記分型與某個(gè)親本相同的比例高于其他親本，則判斷該區(qū)段來源于此親本，否則判斷為無法識別[14]。圖形繪制和統(tǒng)計(jì)分析使用R 包ggplot2（v3.4.4）或在Microsoft Excel 2007完成。

2 結(jié)果與分析

本研究構(gòu)建的單頂交和雙頂交育種群體，均用于兩段選擇。利用4份人工合成六倍體小麥SHWL1、Syn-SAU-69、Syn-SAU-26、Syn-SAU-S9作為雜交親本，從7 個(gè)雜交組合中，選育了7 個(gè)蜀麥（Shumai）小麥品種（圖2）。其中，蜀麥1675和蜀麥1963來自單頂交群體（涉及3 個(gè)親本）、利用了節(jié)節(jié)麥念珠狀亞種（Ds），其余5個(gè)來自雙頂交群體（涉及4個(gè)親本）、利用了節(jié)節(jié)麥圓柱形亞種（Dt）。同時(shí)，利用小麥-黑麥6RS.6AL 易位系HM812-41 構(gòu)建的雙頂交群體（組合為蜀麥969/HM812-41//蜀麥830/3/WJL3931），選育出的新品系蜀麥2352，已參加四川省區(qū)域試驗(yàn)，而利用單頂交群體未獲得理想優(yōu)良新品系。總體上，雙頂交的育種效果更好。

圖2 利用人工合成六倍體小麥選育的新品種及其雜交組合Figure 2 New cultivars derived from synthetic hexaploid wheat and the corresponding hybrid combinations

2.1 新品種（系）的選擇過程

與當(dāng)?shù)赜N家通常采用的品種間雜交群體相比，本研究利用原始種質(zhì)配制的F1-F3群體的綜合農(nóng)藝性狀差。F1植株混合收獲，這與通常的品種間雜交群體的處理比較類似。但是，在F2和F3代，本研究不考慮綜合性狀選擇，而是聚焦于淘汰種子難脫粒（馴化性狀）、感條銹病、成熟期晚、植株偏高（“綠色革命”改良性狀）等嚴(yán)重缺陷。F4及其以后世代注重單株及其株系的綜合性狀選擇，這與通常的品種間雜交群體的處理比較類似。在新品種的選育過程中，本研究采用了較小的群體規(guī)模（表2）。

表2 新品種（系）選育過程中不同育種世代的群體大小Table 2 Population sizes in different breeding generations during the development of new varieties (lines)

在品種間雜交F2代，一些育種家喜歡使用大群體。本研究的F2代選擇群體不大，種植了5～50 行（每行約20株，群體約100～1 000株），其中蜀麥580的F2僅種植了5行、蜀麥1675和蜀麥1868的F2僅種植了10 行。另一方面，與品種間雜交F2群體相比，本研究F2群體的綜合性狀差、存在明顯缺陷，因此僅選擇易脫粒、植株較矮、熟期較早、抗條銹病的植株，而不考慮其他性狀，然后混合脫粒。即使這樣，符合選擇標(biāo)準(zhǔn)的植株也很少。

在F3代，群體規(guī)模也普遍較小。這主要是因?yàn)樵贔2代中選的單株少，而且由于蔭蔽影響（F2代群體中多數(shù)單株的株高較高），矮的植株長勢差，收獲種子少。正常季節(jié)種植10～80行（約200～1 600株），夏繁僅2 行（夏繁未單粒播種，難以估計(jì)植株數(shù)）。在F3代，由于群體小，綜合性狀好的單株少，很多單株仍存在難脫粒、偏高、晚熟、感病等明顯缺陷，因此仍然聚焦于選擇易脫粒、植株較矮、熟期較早、抗條銹病的植株，然后混合脫粒。其中，蜀麥1675 的F3群體利用分子標(biāo)記輔助選擇，僅獲得1 株農(nóng)藝性狀符合選擇標(biāo)準(zhǔn)且含有抗條銹病基因YrAS2388的植株。

在F4代，除了蜀麥830 和蜀麥114 的種植規(guī)模較大，其他品種的F4未超過40 行，表明F3中選的單株少。從F4代開始，聚焦產(chǎn)量相關(guān)性狀選擇，選擇綜合性狀比較好的單株分別脫粒，形成株系。盡管F4群體的綜合性狀有明顯改進(jìn)，但與品種間雜交群體相比，整體水平仍有差距，中選的單株比例仍然不高，有的雜交組合僅選擇了少量單株。其中，從蜀麥969的F4群體40行材料中，僅選擇了3株，中選率約0.4%（3/800）；蜀麥1963 的F4中選率最高，從15 行材料中選擇了17 株，中選率為5.7%（17/300）。但是，從F5代開始，綜合農(nóng)藝性狀整體上明顯變好，通常會出現(xiàn)一些表現(xiàn)突出的單株，表明選擇的效果明顯。

2.2 新品種（系）的農(nóng)學(xué)特征

選育的新品種源于7 個(gè)雜交組合，它們具有不同的特征特性。根據(jù)種子管理部門提供的資料，蜀麥969在四川省生產(chǎn)試驗(yàn)中產(chǎn)量排第一位；蜀麥580在云南省區(qū)域試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)中的產(chǎn)量排第1 位；蜀麥830 屬重穗型、區(qū)域試驗(yàn)兩年各試點(diǎn)的平均千粒重50 克、穗粒數(shù)49 粒；蜀麥114 在國家和四川省區(qū)域試驗(yàn)中的品質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到弱筋小麥標(biāo)準(zhǔn)；蜀麥1963 早熟、生產(chǎn)試驗(yàn)產(chǎn)量排第2、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間12分鐘；蜀麥1868高抗條銹病、中抗白粉病、中抗-中感赤霉病。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果，蜀麥969 苗期抗旱性及耐濕性好，蜀麥114 抗穗發(fā)芽，蜀麥1868 含野生二粒小麥的抗條銹病基因Yr15，蜀麥1675和蜀麥1963導(dǎo)入了節(jié)節(jié)麥的抗條銹病基因YrAS2388[18]，蜀麥2352抗白粉病、含6RS.6AL易位染色體（圖3）。

圖3 新品種的農(nóng)學(xué)特征Figure 3 Agronomic characteristics of new varieties

2.3 滲入的人工合成小麥染色體區(qū)段

根據(jù)新品種及其親本的SNP數(shù)據(jù)，對新品種中滲入的人工合成六倍體小麥（SHW）染色體區(qū)段大小、比例及位置分布進(jìn)行估算。理論上，通過隨機(jī)選擇，SHW 血緣在單頂交組合選育的品種中占25%，在雙頂交組合中占12.5%。但是，通過單頂交選育的蜀麥1675 和蜀麥1963 中僅為13%左右，而源于雙頂交的其他5個(gè)品種平均約為10%（表3），推測對雙頂交群體的選擇強(qiáng)度更小。對源于雙頂交的5 個(gè)品種而言，品種間的SHW 滲入有差異，蜀麥1868 最低（5.3%），蜀麥580 最高（13.7%）；就3 個(gè)亞基因組而言，B基因組滲入最高，平均約占整個(gè)B基因組的15.1%。就單個(gè)染色體而言，A 基因組中的5A和6A滲入片段平均占整條染色體的12.0%，B基因組中的1B和7B分別滲入24.1%和27.5%，而D基因組中的1D（13.4%）、3D（16.3%）、5D（18.2%）滲入比例較高。這些結(jié)果表明，SHW 染色體區(qū)段的滲入，既與雜交組合有關(guān)，也與所在的亞基因組及染色體有關(guān)。

不同新品種滲入的SHW 染色體區(qū)段的位置分布及大小存在很大差異（圖4）。例如，大片段的SHW 滲入?yún)^(qū)段分布在蜀麥114 的6A，蜀麥830 的3A、1B，蜀麥580 的1B、5B、7B、5D，蜀麥969 的7B、3D、5D，蜀麥1868 的4A、1D，蜀麥1675 的5A、2B、3B、1D、4D，以及蜀麥1963的1A、6B。分析的7個(gè)新品種源于不同的雜交組合，推測SHW區(qū)段的滲入模式與雜交組合有關(guān)。

圖4 新品種滲入的SHW染色體區(qū)段（黑色）和共同滲入情況（右下）Figure 4 The introgressed SHW-chromosome segments in new varieties (shown by black bars) and the shared introgression regions shared by three or more varieties (lower right)

對共同滲入的染色體區(qū)段進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在高頻率滲入?yún)^(qū)段，表明存在滲入熱區(qū)（圖4 右下）。在2A、3A、5A、6A、1B、2B、3B、5B、6B、7B、1D、2D、3D、4D 和5D 等15 條染色體上存在3 個(gè)小麥品種共享的108 個(gè)滲入片段，其中1B 和7B 最多。在5A、1B、2B、3B、7B、3D和5D等7條染色體上存在4個(gè)小麥品種共享的15個(gè)滲入片段，其中1B有4個(gè)、7B有3個(gè)、5A和5D各2個(gè)。在5D的54～55 Mb位置，蜀麥580、蜀麥830、蜀麥969、蜀麥1868 和蜀麥1675 等5個(gè)新品種存在共享的滲入片段。在5D 的237～238 Mb位置，蜀麥580、蜀麥830、蜀麥969、蜀麥1675和蜀麥1963 等5 個(gè)新品種存在共享的滲入片段。這些共同滲入的染色體區(qū)域，可能存在育種有利變異，值得下一步研究。

根據(jù)滲入?yún)^(qū)段的位置，分析了一些基因的滲入情況。一方面，源于人工合成六倍體小麥的生育期相關(guān)基因位點(diǎn)Ppd-A1、Vrn-B1和Vrn3滲入到單個(gè)品種中，控制籽粒大小的TaGW2、TaSus1和TaGASR7等基因位點(diǎn)滲入至2～3 個(gè)品種中（表4），表明來自人工合成小麥的等位位點(diǎn)或與之連鎖的染色體區(qū)段，可能在育種選擇中具有優(yōu)勢，在下一步的分子聚合育種中值得高度關(guān)注。高分子量谷蛋白位點(diǎn)Glu-1B存在于2 個(gè)品種中，但該基因不控制植株形態(tài)性狀，表明其連鎖的染色體區(qū)段可能也存在利于農(nóng)藝性狀選擇的基因。另一方面，來源于人工合成六倍體小麥的控制硬殼Tg（2D，Xfab400-Xmwg682）、抽穗期Ppd-D1、Vrn-A1、Vrn-D1、FT-D1（7D，68 415 945 bp）以及株高Rht-B1、Rht-D1等位點(diǎn)，在7 個(gè)新品種中均未滲入，表明這些基因的人工合成小麥等位類型可能在育種中具有缺陷，從而在選擇過程中被淘汰。

表4 新品種中滲入的人工合成六倍體小麥基因Table 4 The introgressed genes from synthetic hexaploid wheat into new cultivars

3 討論

野生近緣物種、地方品種等育種原始種質(zhì)的利用效率不高，仍然是一個(gè)亟待解決的問題。本試驗(yàn)采用的人工合成六倍體小麥的AABB基因組由四倍體小麥地方品種或野生種提供、DD 基因組的供體節(jié)節(jié)麥?zhǔn)嵌扼w野生物種，而易位系的小麥遺傳背景來自四川普通小麥地方品種、6RS 染色體臂來自于我國秦嶺的黑麥地方品種（黑麥與小麥為不同的屬）。利用這些綜合農(nóng)藝性狀差的育種原始種質(zhì)與綜合性狀好的新品種（系）為雜交親本，選育了多個(gè)小麥新品種和表現(xiàn)突出的優(yōu)良新品系。由于本研究育種技術(shù)中的育種原始種質(zhì)、頂交、兩段選擇三大要素有機(jī)聯(lián)系，其中育種原始種質(zhì)是頂交和兩段選擇的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，因此本文稱之為“育種原始種質(zhì)-頂交-兩段選擇”育種技術(shù)體系。

3.1 育種原始種質(zhì)、頂交、兩段選擇對育種效率的影響

目前大多數(shù)育種家的新品種培育主要采用綜合性狀好的育種親本，它們經(jīng)過現(xiàn)代育種累積了眾多有利變異，但是存在遺傳多樣性基礎(chǔ)狹窄的問題。與之相比，育種原始種質(zhì)具有未被育種利用的新變異，但是在遺傳上沒有經(jīng)過現(xiàn)代育種累積、缺乏現(xiàn)代品種具有的一些優(yōu)良基因，在表型上具有一些明顯的缺陷性狀、綜合性狀差。在育種設(shè)計(jì)上，既要考慮引入遺傳新變異，又要盡快改良綜合性狀，因此采用了頂交和兩段選擇。

育種原始種質(zhì)對提高育種效率具有雙重作用。一是，原始種質(zhì)與現(xiàn)代品種的遺傳差異大，有利于導(dǎo)入新的遺傳變異，優(yōu)化品種的遺傳組成。人工合成六倍體小麥具有很多育種有利位點(diǎn)[12-14]。本研究選育的7 個(gè)小麥新品種，平均滲入了11%的人工合成六倍體小麥基因組。比較分析發(fā)現(xiàn)，一些品種存在共同滲入?yún)^(qū)段，推測這些區(qū)段在育種中受到正向選擇，可能存在育種有利的基因位點(diǎn)。從表型上，新品種遺傳了原始種質(zhì)的優(yōu)良特征。例如，蜀麥1963遺傳了人工合成小麥親本Syn-SAU-26抽穗后灌漿速率快的特征，而蜀麥830 遺傳了四倍體小麥地方品種AS2255 的大穗及粗壯的莖稈。二是，盡管利用原始種質(zhì)構(gòu)建的育種群體綜合性狀差，導(dǎo)致符合選擇標(biāo)準(zhǔn)的植株少，但結(jié)合頂交和兩段選擇可以降低工作量。例如，F(xiàn)2代種植了5～50 行（每行約20 株），其中蜀麥580 的F2僅種植了5 行、蜀麥1675和蜀麥1868的F2僅種植了10行；在F3代，正常季節(jié)種植10～80行，夏繁僅2行；在F4代，除了蜀麥830和蜀麥114的種植規(guī)模較大，其他品種的F4均在40行及以下，表明F3中選的單株少。因此，育種原始種質(zhì)的利用不但可以導(dǎo)入新變異，而且可以降低工作量。

頂交加速了有利基因位點(diǎn)的遺傳累積。回交是導(dǎo)入育種原始種質(zhì)有利基因、同時(shí)改良綜合農(nóng)藝性狀的常用方法，但回交方法只涉及2個(gè)親本，即育種原始種質(zhì)與輪回親本，因此遺傳重組僅限于兩個(gè)親本之間（圖5）。本研究涉及3個(gè)或4個(gè)親本，可產(chǎn)生兩種遺傳學(xué)后果。一是可導(dǎo)入育種原始材料的有利基因位點(diǎn)、同時(shí)改良綜合性狀，這與回交的作用類似。二是可重組累積不同新品種（系）親本中的有利位點(diǎn)，有利于趕上育種家的遺傳改良步伐，這與回交不同。新品種（系）是通過持續(xù)的遺傳累積而形成的，與育種原始材料及早期品種相比，它們累積了更多的有利基因，但不同的新品種（系）可能累積了不同的有利基因。因此，頂交不但可以導(dǎo)入原始育種材料的新變異（外源），而且有利于在短時(shí)間內(nèi)聚合優(yōu)良品種（系）中的有利基因（內(nèi)源），也有利于外源與內(nèi)源變異的協(xié)調(diào)匹配。

圖5 回交（上）與雙頂交（下）的遺傳效應(yīng)比較模式圖Figure 5 Comparison of backcross (upper) and double-top cross (lower) on the genetic effects

兩段選擇降低了選擇難度、提高了選擇效率。本研究的選擇分為兩段進(jìn)行，第一段在早世代F2和F3聚焦于淘汰缺陷性狀，第二段在F4及以后的世代聚焦于改良綜合性狀。與通常的品種間雜交群體的選擇相比，本研究的主要不同在于早世代。對通常的品種間雜交而言，早世代育種群體的綜合性狀好，但產(chǎn)量等復(fù)雜性狀的早世代選擇效果不好，對于缺乏育種經(jīng)驗(yàn)的育種者來講，選擇哪些植株或者淘汰哪些植株是比較困難的工作。但是，利用原始種質(zhì)與現(xiàn)代品種構(gòu)建的早世代群體的綜合性狀差，在早世代聚焦于淘汰遺傳上相對簡單的缺陷性狀，而不考慮產(chǎn)量性狀，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)易于被缺乏經(jīng)驗(yàn)的育種人員掌握（如高年級研究生），而且符合中選標(biāo)準(zhǔn)的植株少，從而選擇難度小、效率高。

3.2 “育種原始種質(zhì)-頂交-兩段選擇”育種技術(shù)體系的進(jìn)一步優(yōu)化

本研究的主要目的是建立比較簡便的育種技術(shù)，從而有助于更多的育種家利用原始種質(zhì)育種。研究重點(diǎn)在于利用小群體，驗(yàn)證“育種原始種質(zhì)-頂交-兩段選擇”育種技術(shù)的可靠性。但是，從品種創(chuàng)新效果的角度，還需要對該技術(shù)體系進(jìn)一步優(yōu)化。一是關(guān)于育種原始種質(zhì)的選擇。選擇遺傳背景清晰、目標(biāo)性狀突出、目標(biāo)基因明確的育種原始種質(zhì)，有利于提高雜交組合配制及其育種選擇的針對性。二是關(guān)于雜交。根據(jù)育種原始種質(zhì)的基因型和表型特征，選擇品種親本以及雜交的先后次序，最后一次雜交的親本在后代中的血緣理論占比為50%，因此最后一次雜交的親本選擇比較關(guān)鍵。三是關(guān)于選擇及群體大小。本研究從單頂交F2群體開始選擇，其缺陷是中選的F2植株太少，導(dǎo)致之后的育種群體小，不利于充分的遺傳重組。為了解決這一問題，需要擴(kuò)大雜交規(guī)模，從雙頂交時(shí)開始進(jìn)行選擇。單頂交時(shí)應(yīng)得到盡量多的F1種子（P/A//B，圖1），在雙頂交之前，對單基因控制的性狀（如脫粒性、抗病性）進(jìn)行選擇，挑選目標(biāo)單株進(jìn)行頂交，并獲得大量雙頂交種子。雙頂交F1繼續(xù)進(jìn)行單基因控制性狀的選擇，獲得F2群體。對于目標(biāo)基因明確且有可靠標(biāo)記的，在F2群體進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇，有利于提高選擇效率。

盡管本研究選育的品種存在共同滲入的染色體區(qū)段，但是不同品種滲入的染色體區(qū)段的位置分布及大小存在很大差異（圖4），推測滲入與雜交組合或使用的小麥品種親本有關(guān)。為了充分利用育種原始種質(zhì)及其不同新品種的遺傳變異，產(chǎn)生更多的遺傳上協(xié)調(diào)匹配的優(yōu)異遺傳組成類型，可以采用更為復(fù)雜的雜交組合。例如，涉及原始種質(zhì)及6 個(gè)新品種的聚合雜交（圖6），在雜交分離群體（P//A/B，P//A/B/3/C/D）及其以后的分離群體，結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇，可能有利于加速有利基因的累積效率，從而獲得更好的品種。

圖6 原始種質(zhì)（P）與6個(gè)新品種（A-F）的聚合雜交模式圖Figure 6 The model of gathering hybridization using primitive germplasm (P) and 6 new varieties (A-F)

本研究選育的小麥新品種中，存在大量的節(jié)節(jié)麥染色體區(qū)段滲入，豐富了小麥D基因組的遺傳基礎(chǔ)。通常認(rèn)為，在小麥六倍化過程中，僅有非常少量的四倍體小麥與節(jié)節(jié)麥個(gè)體參與，之后僅有少數(shù)的原始六倍體個(gè)體參與馴化，導(dǎo)致四倍體小麥和節(jié)節(jié)麥的大量遺傳多樣性沒有引入到普通小麥。但是，在進(jìn)化過程中，自然雜交將四倍體小麥的多數(shù)變異滲入到普通小麥，而節(jié)節(jié)麥與普通小麥間缺乏自然雜交，導(dǎo)致D 基因組遺傳多樣性水平只有A 和B 基因組的10%左右，因此豐富D 基因組的遺傳多樣性變得十分重要[20]。遺傳上節(jié)節(jié)麥劃分為L1、L2、L3 三個(gè)遺傳類群[21-22]，染色體水平上存在Ds和Dt兩種染色體組核型[23-24]。其中，念珠型亞種（A.tauschiissp.strangulata，對應(yīng)L2 和L3 遺傳類群，Ds染色體組）是小麥D 基因組的供體物種。但是，圓柱形亞種（A.tauschiissp.tauschii，對應(yīng)L1 遺傳類群，Dt染色體組）沒有參與普通小麥的起源過程。因此，從豐富小麥D 基因組遺傳變異的角度，應(yīng)優(yōu)先選擇利用圓柱形節(jié)節(jié)麥亞種。本研究利用來自圓柱形亞種的節(jié)節(jié)麥材料AS60創(chuàng)制的人工合成六倍體小麥選育了5 個(gè)小麥品種，表明該亞種在育種中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)代育種所利用的遺傳變異逐漸集中到少數(shù)育種親本或來源相近的育種親本上，導(dǎo)致現(xiàn)代品種遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄。野生近緣物種和地方品種是增加現(xiàn)代品種遺傳變異的重要源泉。本研究利用“育種原始種質(zhì)-頂交-兩段選擇”技術(shù)，以人工合成六倍體小麥為橋梁，將普通小麥近緣物種（四倍體小麥和節(jié)節(jié)麥）的大量遺傳變異導(dǎo)入，拓展了小麥品種的遺傳基礎(chǔ)。以四川小麥地方品種中國春和開縣羅漢麥為遺傳背景，創(chuàng)制的含黑麥抗白粉病基因Pm56的小麥-黑麥6RS.6AL易位系為材料，選育的優(yōu)良新品系蜀麥2352已參加四川省區(qū)域試驗(yàn)，表明該技術(shù)在地方品種及其創(chuàng)制的染色體工程基礎(chǔ)材料的育種利用中也有應(yīng)用潛力。地方品種的育種“從頭利用”值得高度重視，這是因?yàn)橛捎诠歉傻胤狡贩N親本的集中使用及外來親本的大量利用，僅有少數(shù)地方品種的遺傳變異被保留到現(xiàn)代品種中。例如，1970s繁六之后的品種，四川小麥地方品種的90%血緣被外來的現(xiàn)代品種替換[25]。與現(xiàn)代品種相比，四川地方品種具有耐濕、耐瘠薄、多花多實(shí)、熟相好等優(yōu)良性狀。另一方面，四川地方品種“中國春”作為遠(yuǎn)緣雜交轉(zhuǎn)移外源基因的工具材料被全世界廣泛使用，目前已將小麥的許多野生近緣物種的有利基因轉(zhuǎn)移到了中國春遺傳背景，創(chuàng)制了一大批外源附加系、外源代換系、外源易位系等育種原始材料。期望借助“育種原始種質(zhì)-頂交-兩段選擇”技術(shù)，能夠盡快將“中國春”衍生材料中的外源有利基因轉(zhuǎn)移至小麥品種。

4 結(jié)論

“育種原始種質(zhì)-頂交-兩段選擇”育種技術(shù)體系中的育種原始種質(zhì)、頂交、兩段選擇三大要素有機(jī)聯(lián)系。原始種質(zhì)的遺傳特性是頂交和兩段選擇的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。原始種質(zhì)具有未被育種利用的遺傳變異，但是沒有經(jīng)過現(xiàn)代育種的遺傳累積過程、缺乏現(xiàn)代品種具有的一些優(yōu)良基因，在表型上具有明顯缺陷性狀、綜合性狀差。采用頂交和兩段選擇，其目的是“趨利避害”，在引入原始種質(zhì)遺傳變異的同時(shí)，盡快淘汰缺陷性狀、改良綜合性狀。育種實(shí)踐表明，基于原始種質(zhì)設(shè)計(jì)的小麥育種技術(shù)體系提高了育種效率，育種原始種質(zhì)可以作為簡化育種選擇的“工具”。