育种家需要了解玉米.doc

育种家需要了解玉米编者按：这些宝贵的知识是育种家在田间实际观察获得的经验累积，教课书里面没有。也没有实际操作规范，都是个人的观察体会。田间是重要学习场所，用心观察，用心思考，我们就可以获得很多宝贵的知识及经验。你可以在田里面走一遍，认出每一个自交系吗？这是一个好的育种家的基本功。举例来说，田间有一个美国杂交种，大概1/3植株是雄不育，2/3正常可育。这到底是什麽原因？用遗传方法，不能解释。实际上是雄不育及雄可育种子，依据一定比率掺合的结果。所以很多小问题，你必需用心思考，才能获得正确而合理的答案，你才会进步。文 |张铭堂（美国著名华人育种家）玉米性状表现：玉米植株整体遗传性状表现及关联可以分为两类，一类是偶发性的遗传性状表现，一类是必然性的遗传性状表现。偶发性的遗传性状表现不可预期，通常是发生在自然突变或打破紧密连锁关系的情况下。玉米基因自然突变率在万分之一以下。紧密连锁遗传基因之间的互换机率也可能在万分之一以下。因此只有在极少情况下，才可以观察到异常的性状表现。比如黄苗，褐色中肋，无叶舌，糯子粒，以及矮株长穗等。这些变化可能打破玉米组织整体发育性状的关联，以致不能有效预估性状的表现。育种家如果没有敏锐的眼光，优良的遗传素养，以及对玉米形态性状的深刻了解，将会错失选拔机会。必然性的遗传性状表现具有必然性，可以预期。比如光敏感的热带材料在温带环境，开花期延长。这是因为在长日照生育环境条件下，热带种质不会产生花芽激素而形成花芽的分化。温带材料在南繁短日照生育条件下，由于光差影响而导致开花期延长，返祖，雌雄不调，以及空杆等异常现象。这一类基因是受到环境调节影响的遗传基因。花芽分化及开花期性状表现是光敏感基因调控的必然结果。另外一类遗传基因性状具有一定的分化规律及相关，可以预期。比如植株及果穗一些性状的关联关系。包括植株如果高大，果穗就比较长等。这些相关性状表现比较固定而可以预期。因此从性状表现，可以预期生长发育结果。这一类基因通常比较不会受到环境调节影响。此外，好的后裔必然来自优良基因组合的父母亲本。以及原始材料如果没有优良的遗传基因存在，就选拔不出优良的后裔。因此使用没有抗病基因存在的群体选拔抗病，只是浪费时间。这就是玉米育种的必然结果。（picture from：Google photo）近代使用的功能基因组（Functional Genomics）以及代谢功能解析（Metanomics）等，都是希望探讨基因型对表现型变化的效应分析。事实上，一个优良的育种家，仅凭双眼及经验，就可以看出很多遗传基因对性状表现的效果。就是说性状表现传递很多有用的遗传及反应的资讯，我们要能看懂。比如小区测产试验，一个有经验的育种家，在田里走一遍，他可以告诉你每一个品种的高产及稳产的特性，以及那一个品种具有推广的潜能。那一个品种在推广时，可能会发生什麽样的问题。高产及稳产可能是两个相对立的观念。高产的特性是遗传基因可以对生育环境变化，产生相当程度反应。比如多施肥，多灌溉，高产品种的产量可以显著提高。稳产的特性是遗传基因对生育环境变化，没有明显反应。因此品种不论种在什麽环境，产量都不会改变多少。测产小区最外面，靠近走道的一株，比小区其他植株接受到的空间，日照，肥料及水分要多，因此生育良好，果穗会比较大。如果每行边上果穗跟里面果穗大致相同，没有优势。表示这个杂交品种没有高产潜能，可能稳产性比较好。如果边上果穗比里面果穗大很多，表示这个杂交品种具有高产潜能。我们再到小区里面看一下，看看是否穗位一致，是否每一株都有一穗，是否没有空杆，到底有几株倒伏，最大果穗及最小果穗的差距多大。如果一株都结实饱满，每一穗大小大致相同，表示这个品种稳产性好，但是不一定高产。如果最大穗与最小穗的差距太大，表示这个品种稳产性太差。稳产性差一点没有关系。如果最小穗大小只是最大穗的13以下，表示产量的稳定性差，则获选的机率不大。稳产性好的品种，可以推广的面积比较大。另外一个可能影响果穗差异增大的原因是父母亲本影响果穗性状遗传基因纯合的程度。如果父母亲本基因的纯合程度高，果穗性状表现均匀一致。我们可以假设遗传的变异很小，则植株之间差异的表现，应该主要来自环境变异的结果。则使用植株之间变异来估计杂交种的稳产特性，应该可以代表相当可信的必然性结果。（picture from：Google photo）因此育种家在选育品种时，必需找到高产及稳产的平衡点，希望获得中性的遗传性状基因，以期获得最大优势的产量潜能及良好的稳产特性。美国对一些玉米基本农艺特性的选拔条件是中间以上就好。比如抗病性，抗旱，以及杆倒伏等，中抗就可以。因为遇到极端恶劣的高病害，干旱，大雨，大风等环境条件的机率很低。为了充分保持高产潜能，可以冒险。高密度的筛选是选拔的一种手段。种植密度增加到每亩1万株时，99的玉米品种的植株，几乎完全都是空杆。只有少数品种会长出小穗，没有空杆。这个结果只能说明品种的稳产性良好，可以在非常恶劣的生育环境条件下，仍然结实。并不表示这个品种具有高产的特性。事实上是稳产性太好时，高产特性就不好。因为这些对环境钝感的遗传基因，对变化的反应迟钝。因此在良好生育环境条件下，不能充分发挥基因功能而丧失高产的优势。这就是为什么美国的非常抗病，耐旱以及铁杆不倒玉米品种，没有产量优势的主要原因。使用高密度极限以上来测试植株的反应，只是满足个人好奇心，以及浪费时间及金钱，没有太多实际的育种意义。每一个育种家的心里，都应该要有一套决定取舍的尺度。一般来说，太过或不及都不好。选择中间是比较保守，但是不太会出严重问题的结果。如果依照这个理论，则选拔在极高密度种植下不会空杆的品种，将是错误的选拔。品种的产量上不去，没有产量优势。因此1万株高密度的产量测试，没有太大的实际应用价值。美国有些育种家现在鼓吹高密度种植是未来玉米增产的主要手段，但是高密度的栽培方法，必需定义出最大密度上限。如果超过上限，将丧失成本效益的优势。适度增加密度的产量测试及筛选，可以接受。（picture from：Google photo）遗传组成，性状表现及育种选拔：玉米育种组建的原始材料，主要来自不同设计的杂交组合。遗传变异很大，性状表现不固定。理论上说，这些F1代组合个体的遗传基因定义为100杂结合。然而实际上杂交F1代平均杂结合的程度大约是50，不是100理论值。就是取任何两个自交系杂交，F1代平均50遗传基因是纯结合，50遗传基因是杂结合。等于自交一代F2或S1代的理论值。每自交一代，50杂结合基因会变为纯结合。随自交代数增加，基因组基因纯合的程度愈来愈高。遗传控制的性状表现愈来愈清楚固定。所以玉米纯结合程度，实际上可以说F1代是50，F2代是75，F3代是87.5，F4代是93.75，F5代是96.875，F6代是98.4375，F7代是99.21875等。依此类推。玉米性状表现的稳定性与基因组纯合程度大小呈正相关。如果再加上生育环境条件差异对性状的影响，增加分析结果的不确定性。因此早代测试结果的意义不大。因为由于遗传基因分离重组变化太大，亲本及后裔，以及姐妹植株之间，遗传基因组合各不相同，植株之间性状的表现型差异很大，不可预期。以及环境影响，产量测试结果不能重复等困难。随自交代数增加，个体基因组基因纯合程度增加，分离基因数量减少，姐妹植株性状差异的程度逐渐减少，愈来愈不明显。这个时候进行测试，可以测出环境对性状表现的适应性及稳产性的影响。（picture from：Google photo）F1植株是来自两个纯合亲本杂交结果。因此F1种子的基因型完全相同。植株在田间的性状表现一致。将F1植株自交之后的F2种子，每一粒的基因型或基因组结构都不相同。这些F2种子播种后，每一株幼苗及以后生长发育的性状表现都不相同。如果是简单遗传的质量性状，我们可以马上鑑别。比如播种200粒F2种子。这200株幼苗中，如果50株是黄绿苗，150株是绿苗。我们马上知道F2群体分离一个控制黄绿苗的隐性遗传基因。同理，200株植株可能有50株是绿色花丝或是绿色的花药，150株是红色花丝或是红色的花药，或是收获的200穗F2果穗，分离50穗白轴及150穗红轴。这些是存在于群体的单一隐性基因控制的质量性状，可以很快鑑别。并且可以很快使用穗行方法在下一代选拔并清除不需要的基因。控制数量性状变异的基因清除比较困难。性状变异的幅度愈大，清除的时间愈长。比如200株F2植株的株高，构成一个常态分布曲线。最高植株6尺，最矮植株3尺。最高与最矮植株在F2代差距是3尺，F3代差距缩小为1.5尺，F4代差距缩小为0.75尺，F5代差距缩小为0.375尺，F6代差距缩小为0.1875尺。依此类推。如果最高与最矮植株在F2代差距是1尺，F3差距缩小为0.5尺，F4差距缩小为0.25尺，F5差距缩小为0.125尺，F6差距缩小为0.0625尺。可以看出，如果开始的株高变异的差距小，则姐妹系植株的株高达到纯合一致的时间缩短。换句话说，如果有50个遗传基因控制株高，每一个基因对植株高低的影响效果相同。则株高差距3尺的玉米群体，可能有30个杂结合分离的株高基因需要固定。株高差距1尺的玉米群体，可能有10个杂结合分离的株高基因需要固定。因此株高差距大的群体，遗传基因固定成为纯合的时间较长。株高差距小的群体，遗传基因固定成为纯合的时间较短。如果控制株高的遗传基因都已经纯合。则不需选拔。这时姐妹植株间株高差别的变异，应该是来自环境。许多自交系在自交6到8代，株高就已经完全均匀一致，表示株高对环境反应的稳定性良好。某些自交系即使自交10代到20代，姐妹植株株高还是表现高低的差异。如果进行分子分析，这个自交系是完全纯合个体。表示这个自交系株高性状对环境变化反应的敏感性及不稳定性。因此育种选拔，必需清楚是在什麽样的遗传组成情况下的性状表现，以及如何评估选拔的结果及效率。（picture from：Google photo）虽然早代选拔效果不大，但是有些育种家基于实际需要及明确目标而采用早代选拔。比如F1代杂交种的产量测试，测试来自A X B 两个不同杂种优势群F1杂交种，我们可以使用第三个 C 杂种优势群自交系做父本测交。就是（A X B）X C。如果测试种净产量高于对照种（一般都是市场上最好品种，包括郑单958及先育335）5，表示（A X B）基因组遗传基因与 C基因组遗传基因具有高配合力。则可以继续自交育种。如果不好，马上淘汰，不需要再浪费时间。这个早代测试的优点是先把所有育种资源过滤一遍，选拔少数有希望的材料，进行目标性很强的育种。可以节省时间及资源。缺点是测产实际是在测试杂交种不同配子体样本产量的平均值。我们知道F1代植株的每一粒卵子或花粉基因组遗传基因组成都不相同。因此，（A X B）X C的每一粒种子基因组遗传基因组成都不相同。如果这些测交子粒,控制产量组合力高低潜能遗传基因是常态分布，有好有坏，则逢机取100粒或200粒种子来进行产量试验，其结果只能是产量常态分布的平均值。很难突破商业化对照种的产量优势。只有在控制产量组合力高低潜能遗传基因非常优良的情况下，才有可能在逢机取样任何不同基因型配子体，都能表现高产结果。因此这是一个决定高产潜能比较快速而有效的方法。效率则随测交种C的选拔及测试规模而决定。测交种数量愈多，比如选C,D,E,F四个，则愈有可能找到最佳产量组合，但测试成本就会增加四倍。其次是测试地点不同的结果，不能比较，并合理解释差异的原因。因为不同测试地点，使用遗传组成不同种子，产量表现因为遗传组成差异而降低结果可信程度。则很难解释两地测产的差异原因是来自遗传或来自环境。遗传效应与环境效应混在一起。这样的测产，只能做为初步参考资料。比较实际，节省金钱，消除困绕的办法是把目标限制在一点上，比如东华北或黄淮海，不设地区，不设重复，不要与其他测试点资料对比。把这种测试当做一个小区的初步测试。只要在大量测试种中，找到几个好的组合，就已经值回投资。问题是如果测试组合的最佳产量表现或特殊组合力不在所测试的地点，而是在另外一个地区，则失去找到最佳优良组合的机会。育种家经常面对这种取舍选择的情况，如何平衡增大选拔机率，减少时间，空间，资源，财务负荷，必需要能做清楚合理的估算。（picture from：Google photo）目标性很强的育种，可以有目标地对F2代材料进行选拔。比如高密度选拔。增大种植密度，增加植株之间对空间，光线，空气，养分及水分等的竞争，可以有效淘汰根系不佳，生育迟缓，茎杆不强，叶片夹角，雌雄不调，空杆，以及开花期晚等性状不良植株。许多育种家认为F2代的性状表现很不稳定，会在F3代分离改变，选拔无效。某些育种家则认为可以对F2代材料进行目标性选拔，增加群体优良遗传基因的数量及频率。举实例说，比较实际的做法是种植1万株F2代植株，目标是使用这些材料来选拔120天成熟的杂交品种。就是选拔65天开花，120天成熟杂交种的亲本。具体做法是可以在生育早期，淘汰或砍掉不良性状植株，然后在58天时，派10个临时工去套袋。只套已经肥大突出，还没有吐丝，以及大约胸部高度果穗。只走一趟。能套多少算多少。然后在64天时，将已经套袋，雄花穗已经散粉的雄穗套袋。只走一趟。能套多少算多少。然后第二天或65天授粉。只授一次。能授多少算多少。这块田的授粉工作就结束了。这是一种目标性很强的早代选拔。可以有效降低不良遗传基因在群体的频率。此外，玉米杂种优势大的时候，植株开花期提前。没有杂种优势的自交系，开花期延迟。杂交F1代开花期随自交代数增加而增加。因此F1杂交植株开花期65天的亲本自交系的开花期将是70天到72天。我们对收获的F2代果穗或F3代子粒的果穗，可以进行性状观察及评估，决定分离性状以及变异的大小。帮助我们了解性状固定时间的长短以及采用何种选拔方法来加速育种流程。一些质量性状，包括穗轴的颜色分离，花丝颜色分离以及子粒颜色分离等，可以很容易使用穗行播种法在下一代清除。穗轴长短与株高及雄花穗长短有关。从数百穗F2代分离果穗，最长穗轴与最短穗轴差距大小，可以决定群体株高及雄花穗长度变异大小及分离的程度。果穗太短而肥大，表示植株比较矮，节间比较短，茎杆比较粗，叶片比较宽及比较短等特性。穗轴的粗细则与茎杆粗细有关。因此穗轴粗细的变异可以帮助定义茎杆粗细变异的尺度。如果你选拔的目标是细长直立窄叶片，细杆及中扁深子粒，则必需淘汰所有太短而肥大的果穗，以及太大，太小，不够深度子粒。只保留细长而细轴，结实饱满，以及14行以上，中扁而深子粒的果穗。因此，依据选拔目标，对F2代果穗或F3代子粒的观察及评估，可以协助定义变异的大小及选拔的效率。比较有用的选拔性状包括子粒大小，类型（硬粒或马齿），外观（扁或圆），深度，穗长，行数，子粒排列（整齐或混乱，穗轴粗细，穗轴外观，果穗结实情形等。这些性状分离情形及程度，决定选拔的效率及难易程度。（picture from：Google photo|编者注-图中人为先锋育种家Baker Raymond）比如最长果穗是23厘米，最短果穗是5厘米球形果穗。我们可以知道果穗长度变异大小是18厘米，以及遗传基因分离会产生很短的球形果穗恶劣性状。因此在以后自交世代，可能分离球形果穗。使用淘汰小型及球形不良果穗方法来逐渐减少球形不良性状基因在群体的比例。这可能变成好多代的选拔重点