玉米生物技术与育种高级研讨会.doc

目录开幕辞张世煌闭幕辞张世煌代闭幕辞加入WTO以后玉米育种研究所面临的挑战和政策性变化张世煌1. 玉米的种质扩增、改良与创新张世煌2. 玉米的轮回选择与群体改良法张世煌3. 利用外来种质的技术和方法张世煌4. 利用配合力和SSR标记对热带和温带玉米自交系进行杂种优势群划分番兴明 谭静5. 玉米杂交种和亲本SSR指纹图谱的构建吴渝生 郑用琏 杨文鹏6. 优质蛋白玉米（QPM）选育方法和发展策略李明顺，张世煌，李新海，田清震，白丽开 幕 辞张世煌（中国农科院作物育种栽培研究所 AMBIOENT-中国实验室 北京 100081）我代表中国农科院作物所诚挚地欢迎各位专家来到北京，参加由中国农科院作物所与CIMMYT联合举办、由AMBIONET中国实验室和四川实验室共同承办的玉米生物技术和育种技术高级研讨班。为什么要举办这次培训研讨班？有两条基本原因：一是中国农科院作物所自1998年4月以来承担亚洲开发银行资助的亚洲玉米生物技术协作网（AMBIONET）中国项目，建立了AMBIONET-中国实验室。2000年，四川农业大学也参加中国项目，建立了四川实验室。根据亚洲开发银行的要求，每个国家的课题组应举办一次技术培训班。原定在2001年11月举办，但由于国际局势的影响不得不改变计划，推迟到现在举办。根据修改后的计划，我们没有安排国外专家前来授课，而是针对各省的玉米育种专家或学科带头人进行培训，目的是在调整研究课题时，正确地把握方向和提高组织协调能力。换句话说，正确地把握改革方向。二是提高玉米育种界的理论水平。通过对国内外的大量调查研究和比较分析，我们注意到我国育种家培育了一大批优良杂交种。杂种优势的应用水平在世界上是比较先进的；但是这些品种的技术含量还比不过发达国家，比不过西方跨国公司的育种水平，尤其是通过自主力量应变环境逆境，大量培育突破性品种的能力还很低，种子产业的创新能力和市场竞争力还很微弱。在国内横向比较，玉米的基础或应用基础研究落后于水稻、小麦和大豆。在育种研究方面我们注意到一个有趣的现象，某个地区一直是我国玉米育种技术创新的策源地，而另一个地区是产品创新基地，商业育种的条件比较好，这两者至今尚未统一起来。这些需要通过提高科技人员的理论素养和技术水平来逐渐予以改变。在李竞雄院士的领导下，我国玉米遗传育种界的专家学者长期刻苦攀登和协作攻关，在利用杂种优势的育种实践和学术研究方面迅速赶超世界先进水平，成功地缩小了与发达国家的差距，在发展中国家处于领先地位。最近若干年来，西方发达国家在玉米科学的理论研究和实践方面继续向前推进，在杂种优势的遗传原理、基因作用、玉米生物技术、品质改良技术、抗逆性育种和种质资源的评价与改良技术方面取得了新进展，获得了不少新知识。但是我国玉米育种界的理论研究和指导思想却未能与时俱进，而越来越多的发展中国家正在推广和利用杂种优势技术，玉米生产发展得非常迅速。他们已经成功地缩短了与中国的技术差距。在玉米抗病育种、抗逆性育种、种质资源、品质改良和生物技术领域发展得很快，而我们却发生理论滑坡。这可能是在经济转型的初期阶段发生的必然现象，但作为科学家不应该熟视无睹，要从产业发展的角度及时推动public（政府行为的）研究方向和内容结构的调整，要继续追赶世界先进水平，带动种子产业发展，提高我国种子产业的国际竞争力。在2000年举行的全国玉米杂种优势利用与种质扩增、改良、创新技术研讨会期间，有专家提出，新时期我国玉米育种的技术思路是每年把先锋公司的杂交种拿过来，然后选二环系。作为商业育种的技术策略之一本无可厚非，但作为玉米第二大国的育种技术路线和创新方向，则是缺乏理智的。这反映出，我国玉米育种界确实发生了理论、技术和思维方式的严重滑坡现象。20世纪90年代以来，发达国家的作物育种研究方向可以概括为三句话，即：1） 种质资源的扩增、改良与创新。2）提高农产品的质量和品质，这是提高产品市场竞争力的核心技术。3）重点发展应用生物技术，这是调整种子产业结构和提升国际竞争力的技术诱导因素。种质资源的扩增是基础，改良是关键，创新应用是目标。这是一个脚踏实地的技术路线。材料创新是种质研究要达到的目标，不应该片面地渲染某一点，而忽视其他方面。农产品贸易和流通所面临的质量问题主要是商品质量、营养品质、加工品质和卫生品质（即食物安全性）。某些农产品还有耐贮藏、耐运输的特殊品质要求。生物技术的产业化开发与应用，再次诱导了种子产业的大规模结构调整。我国种子产业尚处于迅速发展阶段的初期，面对西方跨国公司的强大技术优势，我们的竞争实力还很弱。为了提高明天的技术竞争力，今天就必须开展相应的科学研究，为产业发展提供技术储备。在生物技术领域，我国做了大量前期研究工作，并制定了相应的发展策略。在不利的外部因素逐渐排除以后，现代生物技术必将迅速地大规模用于商业化生产。当今作物育种最活跃的研究领域是种质资源和抗逆性。特别是在发展中国家，农业生态条件普遍较差，土壤贫瘠，施肥量不足，缺少灌溉条件，经常遭遇干旱威胁，而且生产成本较高，产品缺少市场竞争力。当前，作物育种的一个重要发展趋势，就是越来越重视耐旱性和耐低氮，提高资源的利用效率。这属于种质资源的扩增、改良与创新范畴，也包含技术创新和采用现代生物技术。玉米育种的商业化技术转移和种子产业的商业化运作是目前阶段种子产业制度创新的主要内容。种子产业结构调整的诱导因素就是技术进步和成熟技术的商业化转移。这种发展潮流是任何力量也阻挡不了的。种子产业制度创新需要三个不可或缺的基本条件，即：较活跃的技术市场、知识产权保护及完善的法律体系和大量非政府资金投入农业技术领域。在我国，这三个条件已经具备，因此产业制度创新就是必然要发生的事情。几年前，我们把上述三个技术创新方向与产业制度创新概括为3+1的发展战略。这次研讨班包括以下内容：先用两天的时间安排玉米生物技术讲座，再用一天时间安排玉米杂种优势与种质扩增、改良、创新技术讲座，最后用一天半时间举行生物技术研讨会，种质扩增、改良研讨会和优质蛋白玉米协作会议。内容涉及转基因操作技术原理和基础知识、分子生物学和分子育种技术原理、植物品种保护和种子质量检测技术、分子生物学实验室建设、抗逆性育种、面向商业化的自交系和杂交种选育技术、-Lattice试验设计（不完全区组设计）等。我们是第一次举办这样的培训研讨班，经验不足。请大家多提意见和建议，帮助我们总结经验、教训和改进工作，更好地为大家服务。通过这一系列研讨，创造一次交流机会，包括科技体制改革的新思路和新经验，玉米科学研究的最新进展、成绩、存在的障碍和解决问题的思路。石德权先生不久前在山西考察商业育种时讲了一段话，很有启发，即：育种研究首先要有好的思路，才有正确的设计，然后才有好的产品。通过好的产品来验证你原来的思路。思路是非常重要的。要提高玉米育种水平，就必须加强国际交流与合作。因此我建议，育种学科带头人和骨干专家有针对性地到国外去学习、考察。在适当的时候，组织学习考察团，赴美国和CIMMYT参观学习，开阔视野。通过考察、学习、比较，寻找差距，增强危机感，增强竞争意识，认清玉米科技进步与学科发展方向，提高科技意识，树立科技体制改革的信心。在这次培训研讨班结束之前，还将举行QPM协作会议，交流育种知识和发放育种新材料。育种工作者要尊重知识产权，合理使用这些育种材料。在过去4年里，中国农科院作物所玉米研究室发生了很大变化，在调整研究方向和改革内部机制等方面有明显的变化，在基础性研究和基础性工作方面取得了明显进展。归纳起来，我们的经验可概括为四条，一是来自农业部、农科院和作物所领导的强有力支持，使我们坚定了改革方向，二是搞好内部团结，三是理论先行，带动技术、材料和方法研究，四是加强与企业合作，建立符合产业发展规律的科学研究和技术研发体系。今后，我们一方面要加强与中央科研单位、大专院校、CIMMYT在知识创新、技术创新、种质创新领域的合作，另一方面要加强与公司企业在产品创新和产业化领域的合作。我们将一如既往地向全国玉米科技界提供理论、技术、种质资源、信息、国际合作和人员培训方面的服务与支援。在本次研讨班召开之际，国际玉米小麦改良中心应用生物技术中心主任Hoisington博士、AMBIOENT项目总协调人Luz博士、玉米项目主任Pandy博士，玉米首席科学家Vasal博士都以各种不同方式对研讨班给予热情支持，并提供了部分经费，在此对CIMMYT的支持表示忠心感谢。在过去几年里，全国各地的省农科院和农业大学的玉米遗传育种和相关学科的专家、教授及行政领导机关的同志们给中国农科院作物所提供了许多诚恳的帮助和支援，在此表示忠心的感谢。希望我们继续加强合作，为我国玉米科学的发展，为种子产业的兴旺发达贡献力量。2002年12月2日于北京中国农业科学院作物所闭 幕 辞张世煌（中国农科院作物育种栽培研究所 AMBIOENT-中国实验室 北京 100081）各位专家，2002年全国玉米生物技术和育种高级研讨班经过大家的共同努力，即将结束，总的来说进展很顺利，圆满地完成预定的任务。我们听取了生物技术专家、学者的报告，对植物生物技术的最新进展和前沿领域有了初步了解，又进一步研讨了玉米分子生物学技术、方法和研究思路，在参观实验室和操作流程的基础上，介绍了不同层次实验室建设的基本要求和人员培训计划。我们还讨论了玉米杂种优势和种质扩增、改良、创新的内在联系及其在育种方面的应用。玉米的品质改良和抗逆性育种是今后作物科学研究的重要方向。这牵涉到种质研究、生物技术和其他现代育种技术的紧密结合。希望这次研讨班将促进我国玉米生物技术研究、品质改良和抗逆性育种的研究和应用，有利于提升我国玉米产业的科技竞争力和商业育种的迅速发展。科学家要以天下为己任，有一点历史责任感和荣辱感，关心农民的疾苦，关心国民经济发展对科技的重大需求。提倡育种家要学习理论知识，指导育种实践和技术创新研究。我国的育种科学研究，不但要在实践方面继续保持较先进的水平，还要在基础性研究方面追赶世界先进。我们所开展的分子生物学研究不是纸上谈兵，而是努力做到理论联系实际，为推动玉米育种的技术进步和提高研究水平服务。同样，举办培训班或任何会议，是要讨论实际问题，为了更好地开展工作，不讲究排场，不搞空洞无物的大场面，更不搞两手空空，欺世盗名。要提倡优良风气，反对不正之风；尊重知识产权和别人的劳动成果，坚决抵制盗窃、抄袭和剽窃行为；要加强合作与沟通，反对恶性竞争。要让各种不正之风和腐败现象如过街老鼠，在科学家的队伍里无处藏身。这次培训研讨班比以往的会议发生了可喜的进步，所有的参加人员不受拘束地自由讨论和争鸣，表现出积极向上的科学进取精神。这次培训研讨班是一次很有意义的探索，积累了经验。同时也是一次重要的项目甄别。我们将依照国家产业政策和未来玉米科技发展趋势与规律，谨慎地甄别和筛选科技项目和合作伙伴，重建一支有国际竞争力的玉米科技创新队伍。2004年，我国将承办第九届亚洲玉米研讨会。希望全国各地的玉米科技工作者加强团结与合作，推动科研取得重大进展和新成就，以强大的整体实力展现在世人面前。青年科技工作者要有信心，经过一、二十年的艰苦努力，恢复和建立较完善的玉米科学研究体系，使我国成为继美国和CIMMYT之后的三大玉米科学研究中心之一。在研讨班结束之际，我还想就加入WTO以后玉米育种研究所面临的挑战和政策性变化及我们应采取的应对措施与大家交换意见，希望引起讨论。加入WTO以后，提高农业和农产品的国际市场竞争力关系到相关产业的发展，以及参与国际竞争的能力和提高农民的收入水平，是当前我国政府非常关心的一件大事。科技人员要通过自己的努力，为提高玉米产品和玉米产业的竞争力做出贡献。在一定程度上，我国玉米界存在着不正之风。不正之风保护了少数不良分子，却损害了玉米产业的健康发展，也损害了一大批科技人员的正当利益。玉米育种技术的商业化转移是大势所趋，是科学技术发展到成熟阶段的必然结果，因此对育种家做出的个人选择不应该横加指责。相反，越来越多的育种家投身商业化育种是符合技术进步和产业发展潮流的正常现象，有时还需要一定的勇气才能做出大胆决断。育种技术的商业化转移满足了种子产业迅速发展阶段对科学技术的重大需求，对名正言顺地投入商业化育种的科技人员不应该歧视，应该持肯定、支持和鼓励的态度。只有商业化育种发展壮大、走上正轨，国家科研单位和大学里的科技体制改革才能走上正轨，科技人员的思想才能被吸引到创新研究项目上，专心致志地承担政府行为的研究项目，包括知识创新、技术创新和材料创新研究。换言之，没有商业化育种的发展壮大，就没有我们的体制改革，就不可能建立国家的创新体系。这是我为什么在过去几年里积极鼓吹3+1的发展模式，宣传玉米产业的制度创新，特别是宣传和鼓吹商业化育种的根本原因。张世煌2002年12月5日（代闭幕辞）加入WTO以后玉米育种研究所面临的挑战和政策性变化张世煌（中国农科院作物育种栽培研究所 AMBIOENT-中国实验室 北京 100081）WTO与政府补贴的红灯、黄灯和绿灯政策加入WTO，在国际贸易自由化的前提下，我国可以更便利地分享世界范围内的科技进步成果，加速农业产业结构调整，提高我国农业的国际竞争力。另一方面，必须调整国内的科技政策和产业发展战略，以适应一揽子多边协议的条款内容。根据补贴与反补贴措施协议，政府实施的补贴划分为被禁止的补贴（红灯）、可起诉的补贴（黄灯）和不可起诉的补贴（绿灯）三种情况。政府公共机构（public sector）对不同类型研发活动进行补贴的规定是：基础研究：与产业或商业目标无关、以增加一般科学知识和技术知识为目标的研究活动，政府补贴不在限制之列。商业性研发活动：有3种情况，一是对产业基础研究，政府补贴不得超过合法成本的75%；二是对前竞争开发活动，即利用产业基础研究成果转化为新产品、新技术或改良产品，以及初步的展示和试验，政府补贴不得超过合法成本的50%；三是介于两者之间的研发活动，补贴不得超过合法成本的62.5%。超出前竞争开发活动、近市场研发以及向后延伸的技术创新活动，政府补贴就超出了绿灯保护的范围；如果补贴开发产品不涉及出口和进口替代，则属于黄灯条款下可起诉的补贴，反之将面临红灯条款的约束。我国农业产业技术特征、发展瓶颈、技术战略与应对模式产业的技术特征包括4种类型，即：基于科学型（农业、医药）、基于技术型（软件业）、产品-工艺主导型（汽车、纺织）和工艺主导型（钢铁、化工）。产业技术特征不同，决定了技术发展的瓶颈和技术发展战略都会有很大不同，按照这个思路，可以找到产业技术发展的应对模式。农业技术发展与基础科学研究直接相关。基础研究与产业之间的距离缩短，是当今科技与经济发展的新特点。从国家的角度来说，产业技术发展的应对模式属于向后扩展型，其突破口是基础研究和应用研究。向后扩展型的特点是要加大基础研究和应用研究的投入强度，以基础研究和应用研究的成果为基础，推进产品研发，形成产业化生产，占领市场。从企业自身的角度来说，应采取向前扩展型的技术发展策略。拥有自主知识产权的新产品在产业竞争中至关重要。我国拥有全球最大的技术市场，企业通过各种途径获取知识产权，是比较主动的战略。该策略从市场末端开始。在获得市场之后，从市场到生产、到新产品研发、再到应用研究，直到基础研究。这是一个从后向前的扩展过程。政府资助农业产业共性技术的重点领域根据WTO的协议，政府对基础研究和应用研究的资助不受任何限制，政府通过各种科技计划对产业研发的资助，只能限定在产业基础研究和前竞争开发领域内，而且不能超过规定的比例。在产业基础研究、应用研究和部分产品研发领域，都不属于起诉的补贴范围。在这些活动领域，政府可以根据产业研发的性质给予50%-75%的补贴。在允许资助的研发领域，大量研究属于产业共性技术的范畴。共性技术研发将推动我国企业从生产能力型走向创新能力型。政府以资助共性技术的方式参与产业研发，符合WTO的相关规定。这不但顺应科技发展的趋势，而且能够解决产业共性技术的研发，帮助企业逐步建立自主创新能力，促进中小企业经济结构转型，从而大幅度提高我国农业的国际竞争力。产业现状和存在的问题加入WTO以后，政府取消了对出口产品的直接补贴，主要农产品在国内、外市场上的竞争力明显削弱。大体上存在两方面的问题，一是资源密集型农产品的生产成本和市场价格比国外同类产品高10%至23.5%，不但难以进入国际市场，而且还可能会丧失部分国内市场。另一个制约因素是主要农产品的质量较差且不稳定，缺少专用品种，满足不了国内外市场的需求。农业科研系统自身的可持续发展能力较弱，创新能力不强，长期忽视农作物的种质扩增、改良、创新和现代育种技术研究，不重视抗逆性和降低生产成本的研究；而农业产业的技术结构有缺陷，企业忽视科技投入与结构调整，更缺乏产品创新和技术创新能力。我国玉米单产水平比美国低40%。从商品质量上看，玉米主产区存在品种越区种植现象，成熟度欠佳，生产了大量的等外玉米，收获期子粒含水量达30%以上甚至超过40%，烘干后皱缩灰暗，千粒重低、内含物少，子粒容重多在630g/L以下，属于等外标准。加之流通过程中多种类型的子粒混杂，大小不匀，质地不一，营养成分不稳，降低了商品质量，导致加工效益低。我国主产区的玉米生产成本较高，每公斤0.88元，其中劳动力0.40元，机械0.10元，化肥0.18元，农药0.02元，间接成本0.18元。而美国不含补贴的生产成本为0.66元，其中劳动力0.14元，机械0.2元，化肥0.10元，农药0.06元，利息保险等0.16元。与美国相比，我国每公斤玉米的生产成本比美国高0.22元，其中农户经营规模较小是重要原因，如吉林平均每户农民仅有1.5公顷土地，而美国农户平均200公顷土地。我国单位产品的劳动力投入是美国的2.85倍，化肥投入是美国的1.8倍。玉米产业发展的核心技术是利用杂种优势。我国政府在不同的发展阶段实行了一整套行之有效的种子产业政策，积极推广杂交种，极大地提高了玉米生产水平，为农业生产的长期稳定发展提供了强有力的技术支撑。但育成的品种品质不优、类型不专，产量型技术居多，缺乏质量型、效益型技术，整体技术水平落后于美国。从国际市场对产品的技术要求看，我国向韩国出口的玉米大部分用作酒精和淀粉加工原料，要求玉米原料的粗淀粉含量在70%以上，这样才能保证企业的经济效益。玉米是畜禽饲料的主要能量来源，同样要求淀粉含量在70%以上。我国许多玉米品种能够达到该项要求，但在生产上品种管理不当，越区种植，造成商品质量低而不稳。加入WTO以后，我国玉米种业的生产能力和技术力量将会过剩，同时暴露出种子产业内部长期存在的体制冲突和利益分配上的弊端，普遍缺少国际竞争力。虽然我国已经具备了种子产业商业化运作的基本条件，但是，实力雄厚的跨国公司取得国民待遇后，以其强大的资金、技术、资源、管理和人才优势，对我国民族种业的发展形成了巨大的竞争压力。应对策略本着政府逐渐退出竞争性领域，重点支持公益性领域的原则，调整方向，重点支持具有基础性、公益性和外溢性特点的研究活动；由直接支持企业开发活动改为间接支持，积极为企业发展营造宽松的环境；要鼓励企业加大对技术研发活动的投入，逐渐成为技术创新的主体，政府以引导性投入为主。调整政府资助产业技术开发的方向和方式，加大对企业不愿意投资的、高风险而回收期长、经济效益低而社会效益大、外部特征明显的产业基础研究和前竞争开发活动的支持。增加基础研究经费投入，确保基础研究为产业研发以及产业发展提供技术储备。制定我国农业技术发展战略，重点支持共性技术发展，特别是加大对关系全球竞争制高点的核心技术和重大关键技术研发活动的支持力度。调整科技计划。对与WTO协议不发生冲突、具有基础性和公益性特点的研发活动，继续加大政府投入的支持力度；对于受到协议严格限制的有关计划应在过渡期内进行调整或转移；对于有冲突的计划，进行必要的结构调整或内容修改，逐步降低政府投入或取消对企业的直接项目支持等。建设中介服务机构和体系。根据WTO的有关协议，将不限制政府对研发中介机构的间接支持，充分发挥科技园区或专业孵化器等中介机构在促进高技术发展、扶持中小企业、降低开发成本、加快成果转化等方面的优势。建立与WTO协议规则接轨的贸易技术壁垒和知识产权等法律、法规。调整农业科技主攻方向，改变项目的资助方式，加强基础研究和应用研究，促进产品创新和技术创新。以加强主要农作物的种质扩增与改良，提高种质创新能力为基础；以提高产品质量和品质、保障食物安全性、提高资源利用效率、降低生产成本为技术创新的主攻方向；实现农业科技从追求数量型向重视质量效益型转变、从单纯生产型向环境效益与可持续综合发展转变，从传统技术为主向高新技术与常规技术相结合发展。玉米要以提高质量、降低成本、增强产品的竞争力为核心，以增加农民收入和提高玉米产业总体效益为目的，以优化品种结构、控制越区种植、提高品种创新能力和推广配套栽培技术为重点。在继续提高抗病性、抗逆性和产量潜力的基础上，重点培育和研制资源高效型的饲料专用、工业加工专用玉米新品种和配套栽培技术。集中发展东北和黄淮海玉米优势产区，逐步做到品种布局区域化、生产规模化、栽培规范化、产品标准化、经营产业化和管理信息化。在保持现有玉米出口市场的基础上，逐步发展技术出口或转化产品出口。要提高农业科技本身的可持续发展能力，为长期提高玉米产业的国际竞争力提供技术储备。需要研究的核心技术以品种创新和配套栽培技术研究为核心，通过自主研究和开发，提高玉米的质量和品质，降低生产成本，增强玉米产业的可持续竞争力。（1）玉米种质的引进、改良和创新是提高玉米产业技术竞争力的首要技术措施。资源的争夺和占有是技术竞争的基础，资源不足是限制技术竞争力的首要因素。我国玉米种质基础狭窄，遗传资源匮乏已经影响了玉米品种的创新和技术发展，需要长期努力予以克服。（2）选育和推广优质专用玉米新品种。通过调整育种目标，选育和推广优质、抗逆、早熟、高产专用型玉米新品种，持续提高丰产潜力。选育资源高效利用型新品种，如早熟、耐旱、耐低氮、耐高温和耐低温等。降低生产成本，提高生产潜力和市场竞争力。（3）改进生产栽培技术，合理推广免耕技术，降低生产成本。在风沙、干旱地区推广保护性栽培技术，既提高产量，又保护生态环境。（4）开展玉米产品安全性研究。鉴定我国玉米种质资源对黄曲霉的抗性，研究抗性遗传规律和育种技术。建立食品安全检测体系，确保玉米产品的食物安全性。要有计划地选育一批优质专用玉米自交系和杂交种，形成优质、专用系列。饲料玉米基本达到国标二级（容重685g/L，粗蛋白质9% ）以上标准；淀粉发酵工业用玉米达到国标二级（淀粉72%）以上标准；玉米产品安全性符合绿色食品标准。东北春玉米区收获期含水量降至28%以下；推广机械化作业和规范化栽培技术，降低玉米的生产成本。政策建议1深化科技体制改革。按照国家的产业政策和发展目标，进一步完善农业科技能力建设。积极稳妥地推动农业科技体制改革。调整主攻方向，改变项目的资助方式，加强基础研究和应用研究，促进产品创新和技术创新。2增加对农业科技和基础设施投入。重点加强对政府部门和公益机构的支持强度，同时引导和鼓励企业增加对科技创新的投入，建立自主的科研与开发体系，提高产业的技术创新能力，扶持企业逐渐成为技术创新的主体。3保护知识产权。保护农业新品种和其它知识产权，激励农业技术持续创新、实现农业科技资源有效配置、促进农业科技成果产业化。4加强农业转基因安全管理。农业转基因安全已成为农产品国际贸易的重要技术壁垒。我国转基因产品相对较少，在短期内，非转基因是我国农产品的比较优势。使我国遭受较大冲击的进口玉米、大豆、油菜等基本都是转基因产品。因此有必要进一步加大农业转基因生物安全管理条例、农业转基因生物安全评价管理办法、农业转基因生物进口安全管理办法和农业转基因生物标识管理办法实施力度，保护好本国市场。同时，加强农业转基因技术研究，做好技术储备，使我国逐渐具备足够的竞争能力。玉米的种质扩增、改良与创新张世煌 石德权 白 丽（中国农科院作物育种栽培研究所 农业部作物遗传育种重点实验室 AMBIOENT-中国实验室 北京 100081）我国玉米杂交育种研究的进展与引进和改良利用外来种质及发掘利用现有农家品种密不可分。我国并非玉米多样性中心，种质资源贫乏是进一步提高杂交种产量和综合抗逆性的限制因素1。因而，系统地引进和利用外来种质刻不容缓；无论从长远利益还是近期目标考虑，都应把从玉米多样性中心和次生中心系统地引进、改良和利用新种质作为一项战略措施予以足够重视。1. 我国玉米育种的种质基础我国玉米育种的首要限制因素是缺乏足够的优良种质，造成商业杂交种的遗传基础趋于狭窄。我国科学家尽了很大努力，培育出许多优良自交系和杂交种，使玉米产量迅速提高。然而，我们必须注意到随着现代杂交种的普及，玉米生产的种质基础已趋于狭窄。40年前，我国农民在1100万公顷玉米面积上至少种植12,000个开放授粉的农家品种。现在，玉米面积增加到2400万公顷，但我们每年种植面积在1万公顷以上的品种只有160215个。尽管90年代以来后备品种的数量有所增加，但1995年仅五个骨干杂交种便覆盖了全国53%的玉米面积；更严重的是全国61%的玉米面积依赖5个骨干自交系。据Peng Zebin（彭泽斌）等（1993）报道，大多数自交系来自4个种质；我国34%的玉米面积含有Lancaster种质，旅大红骨占19%，瑞得和唐四平头各占14%15。总的来看，我国玉米育种和生产的遗传背景相当狭窄，这就使玉米生产陷入遗传脆弱性的危险。从全球范围来说，大约有300个玉米地方种族，但广泛开发利用的只有56个5。这显然是现代育种研究的薄弱点，我们有必要从玉米的多样性中心和次生中心引进和开发利用新的种质资源，以扩增现代育种的种质基础。2. 玉米多样性中心的种质资源在我国北方玉米主产区利用引自多样性中心的热带、亚热带玉米种质资源会遇到一系列困难，使得利用外来种质的研究进展缓慢。这些困难主要是：强烈的光周期反应掩盖了热带种质的大多数遗传变异，因而在长日照条件下很难准确地鉴定基因型；用外来种质与适应群体杂交，会发生连锁不平衡，不容易很快打破有利基因与不利基因的连锁；玉米多样性中心基本上位于发展中国家，那里对玉米地方种族(Races)的研究，远不如发达国家对当前使用的育种材料研究得充分；缺少有效的方法鉴定和筛选最适宜的外来种质用作未来育种的基础材料。五十年代以来，美国加强了对热带和亚热带玉米种族的研究与利用16。七十年代以后，CIMMYT对玉米多样性中心的种质资源进行了系统的搜集、整理、改良和利用研究622，并根据不同层次的需求，把这些种质推向全世界。美国与拉丁美洲国家共同对多样性中心的玉米种族进行了系统搜集和整理，这就是LAMP计划20。在此基础上，美国的种子公司和政府机构于1995年启动了玉米种质扩增（GEM）计划。研究证明，在短日照条件下热带和亚热带玉米种族的产量变异呈正态分布，但在长日照条件下则偏离正态，晚熟材料的产量分布甚至趋向于零10。这就从理论上说明了只能在短日照条件下鉴定和整理多样性中心的玉米种质资源。从这一点来说，CIMMYT所做的研究工作，包括他们改良的基因库、群体、自由授粉品种和自交系及所提供的数据库，对我们了解多样性中心的玉米种质资源是不可替代的宝贵资料。拉丁美洲地区大约有27,000份玉米原始资源，CIMMYT编目25,908份，种质库收藏了22,772份，包括260多个种族2223。在此基础上合成的群体和基因库代表了全世界的玉米种质。并筛选出7762份核心种质（core subsets）。这些是玉米育种赖以长期发展的基础，有很高的应用价值。3.光周期敏感性来自多样性中心的玉米种质对光周期变化很敏感，在温带地区表现不适应，大多不能直接作为选系的原始材料13713。玉米种质的适应性与对光周期的敏感性有密切关系。光周期的直接效应是影响从出苗至开花的天数和积温，进而影响主茎叶片数。虽然温度可以影响开花前天数，但远不如光周期的作用明显，而且主茎叶片数不受温度影响。光周期变化对玉米抽雄、散粉、抽丝日期和主茎叶片数的影响最显著，而且有规律。开花前天数随光周期延长而增加，但不同器官对光周期变化的敏感性有差别。从雄穗开始分化到抽雄阶段受长日照处理，延迟抽丝比延迟散粉的时间更长，因此加剧了雌雄不协调性；同时缩短了散粉时间21。这是热带玉米在温带长日照条件下结实少和产量下降的重要原因。此外，营养生长和生殖生长失调也是重要原因之一。玉米对光周期敏感性的遗传尚未被很好地研究，有限的资料表明所涉及的遗传系统比较复杂，属于多基因遗传。世代平均值分析表明，玉米的光周期敏感性遗传以加性基因作用为主1819。在光周期对叶片数的影响中，一般配合力效应远远超过特殊配合力效应。这些资料暗示，用简单的轮回选择方法就可以有效地改良外来群体对光周期的适应性。4.利用外来种质的方法利用外来种质可以有两种途径：把外来种质导入温带的适应种质，构成半外来种质群体，然后再改良利用；直接对外来种质进行群体改良，然后选择优良自交系。以往在改良和利用外来种质方面虽然做了许多工作，但成功较少，主要原因是忽视了光周期反应和染色体连锁不平衡的强烈作用。为此应注意如下几个问题：从玉米多样性中心引进外来种质以后，应在短日照条件下进行鉴定和筛选，确定使用哪些材料。如果选中的材料较多，可以适当方式组成群体或复合品种(Composite)，再进行下一步改良和利用。合成群体或复合品种，应遵循杂种优势群和杂种优势模式的关系。要了解外来种质的背景资料和它们的组成情况，这样就可以有目的地合成群体或复合品种，避免在利用杂种优势时发生混乱。建立半外来或部分外来种质时，更应避免扰乱杂种优势群和破坏杂种优势模式。种质导入法成功率不高可能有两方面原因。一是扰乱了杂种优势群和杂种优势模式；另一个重要原因就是染色体连锁不平衡。因此，在导入外来种质或者合成群体以后，至少需要随机交配5代，经过适度选择才有可能得到有价值的重组体。若实行高强度选择，由于染色体连锁不平衡的影响，在耗尽遗传变异之前，只能得到有限的新类型。实行低强度选择，每一轮只有少量基因发生重组，可以逐步积累遗传变异。改良过程中要保持群体内的遗传多样性，每一代必须有较大的群体含量。改良的目标是增加群体对光周期的适应性，尽量不对其他性状施加选择压力。在同一个群体内，可以保持不同的粒型、粒色和株型，但应避免特别高大的植株，因为高大植株常常晚熟，而且收获指数较低。5.控制双亲的混合选择法为了使外来或半外来种质适应温带生态条件，需进行适应性选择。若不加选择地把外来种质引入育种方案，可能会降低现有群体的育种价值。经过适应性改良，才能减少外来种质的不利效应。改良外来或半外来玉米种质，应尽可能少地损失群体内的遗传变异，防止近交衰退，因而需保持较大的有效群体容量和较低的选择强度。外来种质与适应群体杂交，常常表现连锁不平衡，可通过适度的同胞交配来建立平衡群体。在各种群体改良方案中，只有混合选择法既符合这些要求，又操作简便，容易实施。美国育种家Genter (1976), Lonnquist (1974), Holley & Goodman (1988), Troyer et al. (1972)和Hallauer & Sears (1972)等人用混合选择法改良许多热带和亚热带玉米群体，均获得显著进展9, 12, 24, 25, 26, 27, 28。中国农科院作物所采用控制双亲的混合选择法改良CIMMYT的两个亚热带优质蛋白玉米基因库（G 33和G 34 QPM）在北方长日照条件下的适应性34。目标性状是早抽花丝。经过4轮选择，两个基因库在北京三年(1989-1991)试验的平均抽丝日期分别从85.1和86.9天缩短为67.5和68.8天（表1），平均每轮提早4.4和4.5天（b=-4.1和-4.5）。相对增益为-4.81%和-5.18%（表1，图1）。散粉日期的变化幅度较小，平均每轮提早2.3（-3.1%）和2.2（-2.9%）天。由于这两个性状的选择响应有差异，使散粉至抽丝的间隔天数（PSSI）分别从11.2和12.2天缩短为2.4和2.5天，平均每轮缩短2.2和2.4天，大大改善了雌雄协调性（图2）。在北京春播、三亚秋播和济南、武功、成都夏播所做的多点联合评价试验表现相同的趋势，这说明北京长日照条件下积累的改良效果，在短日照和夏播条件下仍然表现极显著的选择响应。这表明，混合选择法是改良热带、亚热带种质在温带长日照条件下的适应性，提早开花和改善雌雄协调性的有效途径3。改良后的基因库已分别命名为中群13和中群14，进展在C6轮，并发放给科研单位使用。在这两个QPM群体对早开花性状进行的4轮混合选择过程中，籽粒产量和植株形态特征发生了显著的相关响应。在北京作的3年评价试验中，中群13和中群14平均每轮每公顷籽粒产量分别增加627 (25%)和625kg（28.5%），与线性回归响应（b=561和608kg）相吻合（表2，图4）。籽粒产量增加的主要原因是改良后的群体钝化了光周期敏感性，使空株率减少，增加了单株有效穗数（表2）。在我们的试验中，产量与单株穗数呈高度正相关（r=0.96）。经过3轮选择，单株结穗数分别从0.55增加到0.98和0.99（表2）。籽粒产量增加的第二个原因是提高了收获指数，经过3轮选择，分别从0.29和0.28提高到0.44和0.42（表2）。同时，穗粒重也有所提高。在多点试验中，改良群体的植株和穗位高度呈下降趋势（表1）。值得注意的是单株叶片数显著减少，平均每轮减少0.58和0.57片（回归值，表1）。多点联合方差分析表明，籽粒产量和叶片数表现出显著的基因型环境互作效应，这说明各轮群体对光周期变化的敏感性有本质上的差异。笔者推测，籽粒产量增加的主要原因是改良了群体的生态适应性，钝化了光周期敏感性。1991年在北京作的评价试验中，平均产量每轮增加约26.7%。但是在三亚短日照条件下所作的试验中，改良群体的抽丝日期提早，引起籽粒产量呈下降趋势（图4）。这说明在长日照条件下籽粒产量对4轮混合选择的相关响应中包含了对光周期适应性的遗传改良。即原始群体对光周期的敏感性掩盖了潜在的遗传变异，而改良群体由于对光周期变化较钝感，才使其遗传变异得到表现。因而，在温带长日照条件下对热带或亚热带玉米种质进行早开花选择能够有效地改良外来群体的生态适应性，进而提高籽粒产量。6.混合选择对光周期敏感性的改良效果在文献中，光周期敏感性指标用光周期每延长1小时所推迟的生长天数来衡量17。考虑到基因型的差异，我们采用长（L）、短（S）日照条件下主茎叶片数的相对差值（RD）来表示：RD(%)=(L-S)/S100 (1)该指标也可以用来衡量抽雄、散粉和抽丝日期在长、短日照条件下的相对差值；但主茎叶片数对温度和湿度变化不敏感，比开花期更稳定，所以用叶片数来衡量更可靠一些。敏感型指标定为RD30，钝感型为RD20，当30RD20时定为中间型。两个原始基因库的RD值分别是30.4和31.0，均属敏感型；经过3至4轮选择以后都达到钝感型。RD值平均每轮降低（b值）2.1和3.2（表4，图5）。在1991年进行的一项试验中，我们曾经用抽丝前天数计算RD值，4轮混合选择对光周期敏感性的改良分别为b=-4.8和-6.8；用散粉前天数计算RD值，b=-2.1和-3.8（表4）。这两种方法计算的光周期敏感性指标数值与用主茎叶片数计算的RD值不同，但变化趋势完全一致（图5）。7.籽粒产量的相关响应用轮回选择方法改良群体的籽粒产量，通常每轮增益3%-5%。CIMMYT在亚热带条件下对Tuxpeno Crema I 进行15轮降低株高的选择，引起籽粒产量平均每轮增益3.5%。Genter（1976）把25个墨西哥玉米种族合成一个群体，在温带条件下经过10轮早熟性混合选择，抽丝日期提早11天，籽粒产量平均每轮增加17.1%9。在我们的试验中，两个群体在长日照条件下的平均实测响应（北京）为26.7%；而短日照条件下为负值。这说明在北京的产量增益中包含了对光周期适应性的遗传改良。换言之，在温带长日照条件下对热带或亚热带种质进行早开花选择能够有效地改良群体的生态适应性，进而提高籽粒产量。引起相关响应的遗传原因通常包括：基因多效性，连锁效应。但在我们的试验中，不同群体对光周期反应的差异可能是影响相关响应的重要原因。相关响应是目标性状与相关性状间遗传相关的函数：CRy=ihxhyrAPy。外来种质在温带条件下所表现的性状间相关，不能简单地用基因多效性和连锁效应来解释，还应考虑到材料对光周期的敏感性常常掩盖了其他遗传变异的正常表现。这种现象在原始群体和早代群体中表现尤为强烈。多点联合方差分析表明，许多性状都有很强的基因型环境(GL)互作效应。长日照条件下，改良群体与原始群体的产量差异达111%和116%，而在5点联合试验中则只有21.7%和20.6%；在三亚短日照条件下改良群体的产量则呈下降趋势。其他性状也存在类似现象，至少在短日照条件下，改良群体与原始群体之间差异较小或没有明显差别。这说明，在长日照条件下，经过若干轮选择逐渐钝化了玉米群体对光周期的敏感性以后，其他性状的遗传潜势就能逐渐表现出来。预计在进一步的选择过程中，玉米群体对光周期的变化越来越趋于钝感，目标性状和相关性状的响应都会逐渐降低。籽粒产量增长的重要原因是解决了营养生长和生殖生长失调问题，降低空株率，增加了单株有效穗数（表2），表现出很高的遗传增益。穗数的增加与改善雌雄协调性有一定关系。缩短PSSI（散粉至抽丝间隔天数）（图2）有利于增加结实穗数。同时，每一轮选择均自然淘汰对光周期特别敏感的基因型和不孕株，提高了群体中有利等位基因的频率。籽粒产量增长的第二个原因是提高了穗粒重（表2）。经过4轮混合选择，群体的平均穗长、果穗直径、穗行数和每行粒数均呈增加趋势，虽然未达到显著，但这几个性状对增加穗粒重有直接关系。单株穗数和穗粒重的增加，使群体收获指数明显提高，这是提高籽粒产量的第三个原因。中国农科院作物所在过去十几年间所开展的研究表明，在温带玉米育种方案中利用热带和亚热带的种质资源不但必要，而且理论和技术上都是可行的。虽然方法并不复杂，无论群体改良或种质导入，采用控制双亲的混合选择就非常有效，但在设计方案和实际操作过程当中仍需注意两个问题，即：光周期敏感性和染色体连锁不平衡。为了拓宽我国玉米育种的遗传基础，开发新的杂种优势群和杂种优势模式、提高杂种优势利用水平，引进多种抗病虫、抗逆性和优良品质基因，预防和减少遗传脆弱性危险，进一步增强杂交种的生态适应性，我们应尽早从玉米的多样性中心和次生中心系统地引进和利用种质资源以增强育种研究的资源储备。为此，应根据杂种优势群和杂种优势模式的原理，采用接力式改良和半外来种质技术扩增我国的玉米种质基础。这是一项当前十分紧迫的任务，同时又具有长远战略意义。经过几十年的努力，我国的农业应用技术已经达到较高水平，但我国确实需要引进多样性中心的遗传资源，为我国玉米育种事业的长远发展打下雄厚的种质基础。参考文献1) 曹镇北，1984，积极引进低纬度玉米种质，作物品种资源（杂志），1984(2)29-30。2) 李竞雄，1990，玉米杂种优势研究回顾与展望，植物遗传理论与应用研讨会论文集（编辑：刘大钧，盖均镒），1990,3,5-8，南京，中国遗传学会，1-7页。3) 张世煌等，1995a，对两个亚热带优质蛋白玉米群体的适应性混合选择研究，I. 开花期性状的直接选择响应，作物学报，21:271-280。4) 张世煌等，1995b，对两个亚热带优质蛋白玉米群体的适应性混合选择研究，II. 相关响应，作物学报，21:513-519。5) Hallauer, A.R. 1989. 玉米轮回选择的理论与实践，农业出版社，171页。6) Cantrell, R.P. 1986. The past experience and future course of the CIMMYT maize program. Proc. Annu. Corn Sorghum Res. Conf., 41:134-154.7) Castillo-Gonzales, F. and M.M. Goodman, 1989. Agronomy evaluation of Latin American maize accessions. Crop Sci., 29:853-861.8) Coors, J.G. and M.C. Mardones, 1989. Twelve cycles of mass selection for prolifically in maize I. Direct and correlated responses. Crop Sci., 29:252-266.9) Genter, C.F. 1976. Mass selection in a compo