谷子目标性状基因库育种技术体系的构建及其应用.pdf

中国农业科学 2005 38 7 1306 1311 Scientia Agricultura Sinica 收稿日期 2004 08 06 基金项目 国家 863 计划项目 2001AA241231 资助 作者简介 刘正理 1966 男 河北沧县人 副研究员 主要从事谷子育种和方法研究 Tel 0311 7670706 E mail milletcenter 谷子目标性状基因库育种技术体系的构建及其应用 刘正理 程汝宏 国家谷子改良中心 河北省农林科学院谷子研究所 石家庄 050031 摘要 谷子目标性状基因库育种法是河北省农林科学院谷子所为加强育种工作主动性和目的性提出的一种新型 常规育种方法 它成功地将种质创新和新品种选育结合在一起 在对亲本材料进行分类的基础上 以不育材料作工 具 构建多个混合群体 目标性状基因库 利用各基因库内基因的累加效应开展超亲育种 进行种质创新 利用基 因库间基因的重组 互作效应及基因突变进行组合育种 改良育种 将各基因库创新的优良性状组合到一起 选育 综合性状优良的新品种 河北省农林科学院谷子研究所用该法已创新出系列早熟 超早熟新材料 并利用这些材料 培育出了多个综合性状优良的新品种 在国家谷子品种区域试验和品种比较试验中表现突出 培育出 4 份超早熟谷 子新品种 在河北省坝上地区正常成熟 其中超早熟 1 号还具有甜秆 多穗 秸秆粗蛋白含量高的特点 超早熟 2 号小米富铁 粗脂肪 粗蛋白含量高 关键词 谷子 目标性状基因库 育种体系 Establishment and Application of Breeding Technology System on Millet Target Character Gene Bank LIU Zheng li CHENG Ru hong National Millet Improvement Center Institute of Millet Crops Hebei Academy of Agricultural and Forestry Science Shijiazhuang 050031 Abstract The way of target character gene bank breeding is a new way of conventional breeding which is introduced by the authors my institute in order to improve initiative and purposefulness It has combined germplasm innovation and breeding selection of new varieties On the basis of classification of parental material using the sterility line as tool the authors has constructed different target character gene banks and has developed transgression breeding and innovation in germplasm utilizing the additive effect of gene in the gene bank and has used gene recombination and interaction of gene and gene mutation to develop combination breeding and improve variety and breed new varieties They have combined all the innovated good characters in all the gene banks to develop new variety with good synthetic characters The reserch institute of Millet Crops in Hebei Academy of Agricultural and Forestry Science innovated a set of pre maturity super prematurity materials using this method and has developed many good new varieties with synthetic characters These varieties showed prominent in national millet variety test and variety test Four super prematurity lines were developed which could maturate normally at Ba shang District in Hebei Provience So the forbidden zone for millet breeding is broken through Among the four lines super prematurity No 1 has sweet straw multi spike and high crude protein Super prematurity No 2 has well off iron high crude protein and high crude fat Key words Millet Target character gene bank Breeding system 中国谷子 Setaria italica Beauv 传统育种方法多 采用简单杂交 理化诱变等手段创造变异 虽然取得 了一定的效果 但由于这些方法自身的特点和人为对 少数骨干亲本的集中利用 造成育成品种遗传基础狭 窄 1 2 抗性脆弱 产量 品质难以取得较大进展 育 种工作处于爬坡阶段 近年来虽然有一些新型的方法 7 期 刘正理等 谷子目标性状基因库育种技术体系的构建及其应用 1307 如 N 注入育种法 3 动态基因库育种法 4 等在谷子育 种中获得应用 但是 N 注入只能改造亲本材料的少数 质量性状 而动态基因库育种法是一种选育谷子综合 种的方法 在其它作物上有过利用轮回选择进行群体 改良的报道 如小麦上应用太谷显性核不育进行轮回 选择 5 6 和拓建抗赤霉病基因库 7 8 利用显性雄性不育 性进行轮回选择改造小麦对白粉病非专化性抗性 9 等 但这些方法都是注重群体性状的改良 为克服中 国谷子传统育种方法的缺点 笔者在借鉴小麦等自花 授粉作物轮回选择经验的基础上 提出了谷子目标性 状基因库育种法 10 11 应用该方法在种质创新和新品 种选育方面均取得了一定进展 创新出甜秆多穗型超 早熟新品种 超早熟 1 号 12 和富铁 粗脂肪 粗蛋白 含量高的超早熟 2 号 本文对目标性状基因库育种的 基本内涵 技术体系的构建及其应用进行介绍 并简 要介绍其在种质创新和育种中的应用情况 供广大谷 子种质创新和育种工作者参考 1 目标性状基因库育种法的内涵 目标性状基因库育种法是针对目前我国谷子传统 育种方法的不足 在借鉴小麦自花授粉作物轮回选择 经验的基础上 提出的一种旨在提高育种工作目的性 和主动性的新型常规育种方法 在对亲本材料进行分 类研究的基础上 将亲本材料分成多个类群 用显性 或隐性核不育材料作工具 由于隐性核不育材料类型 较多 因此组建基因库多用隐性核不育材料 使它们 不断的进行混合杂交 以便各类群材料的基因充分重 组 这样便可构建多个混合群体 各群体的标志性状 成为该群体目标性状 也是该群体的主攻创新目标 群体中聚合了大量的目标性状基因 称之为 目标性 状基因库 各基因库内主要利用基因的累加效应开展 超亲育种 从中选育目标性状突出的材料 进行种质 创新 从单一性状上突破 同时兼顾其它性状 再根 据创新材料的优缺点 依据性状互补原则 采用基因 库间杂交 阶梯杂交 聚合杂交 回交等手段将各基 因库材料的优异性状组合到一起 利用基因重组 互 作效应 进行组合育种 也可利用辐射等诱变手段改 造各基因库创新的目标性状突出 多数性状优良 仅 有个别不良性状的材料 进行改良育种 培育新品种 2 目标性状基因库育种技术体系的构 建 2 1 对种质资源的分类研究 1994年以搜集到的262份具有一定利用价值的亲 本材料为基础种质 在对其性状进行研究后 除国外 品种外 将国内种质分为丰产 优质 抗病 抗倒 早熟 矮秆 特用等 7 个类型 在各类型材料中以核 不育材料为工具 组建相应的基因库 从各基因库中 选择目标性状突出的材料 进行种质创新 同时组建 了国外材料综合基因库 用于改造国外材料的适应性 然后根据创新材料的优缺点选择基因库间杂交 阶梯 杂交 聚合杂交或创新材料诱变等方法改造创新材料 的缺点 选育目标性状突出 综合性状优良 能满足 生产需要的新品种 2 2 目标性状基因库的建立 在对亲本材料进行分类的基础上 将各类型材料 各自种植一个小区 各小区之间进行适当隔离 组建 目标性状基因库 为避免细胞质效应 选用了 16 份优 良的不育材料组建目标性状基因库 分别为 86A 8920A 8924A 8960A 90 36A 90 49A 90 53A 92 A 92 37A 92 58A 92 99A 92 666A 1066A 420A 406A 921A 每个类型基因库内的基础材料 各种植 1 行 每隔 4 行种植 1 份核不育材料 且基因 库的始行和末行均种植不育材料 生育期间进行人工 辅助授粉 使基础材料与不育材料充分杂交 成熟后 收获不育株上的种子 各基因库内的种子混合脱粒 第 2 年仍然采取隔离种植的方式将各基因库的种子混 合播种于一个小区内 让各基因库内的材料进行自交 或自由授粉 成熟后拔除劣株 其余株混合收获 第 3 年将上年收获种子充分混合种植于隔离区内 由于 用于组建目标性状基因库的不育材料的育性受隐性核 基因控制 后代育和不育呈现 31 分离 因此 从第 3 年开始利用杂种自身分离的不育株和可育株进行杂 交 这样更利于基础材料的融合 成熟后将不育穗的 种子混合收获 作下一代基因库的种子 同时对表现 优良的可育株作单株入选 继续选择 如此连续进行 3 4 年后即可在继续按上述方法种植 组建目标性状 基因库的同时 对其中部分目标基因已经累加 目标 性状获得一定改良的材料进行连续选择 待性状稳定 后即成为创新的亲本材料 在组建目标性状基因库的 过程中要不断加入新型的不育材料和具有目标性状的 新种质 以避免创新材料细胞质类型单一化 并不断 补充新的优良基因 在组建基因库的过程中要不断拔 出劣株 对创新的亲本材料应根据其优缺点采用杂交 诱变等手段改造其存在的缺点 从中选育新品种 1308 中 国 农 业 科 学 38 卷 3 目标性状基因库育种法在育种中的 应用 3 1 创新出系列早熟 超早熟谷子新品种 自 1994 年开展目标性状基因库育种以来 采用目 标性状基因库育种法从早熟基因库中创新出多份熟期 明显早于基础种质的超早熟和综合性状获得改良的早 熟谷子新材料 后又采用基因库间杂交 阶梯杂交 聚合杂交和回交 诱变等方法选育出早熟 超早熟谷 子新品种 超早熟 1 号 2 号 3 号 4 号和 203025 203391 203415 203418 202354 在石家庄种植时 其生育期存在一定差别 在 58 74 d 之间 其中超早 熟 1 号 2 号 3 号 4 号经 2002 2003 年连续 2 年 在海拔 1 400 1 700 m 的河北省坝上等高寒地区种植 试验 谷子正常成熟 一般单产 3 000 kg ha 1左右 高 产可达 4 500 kg ha 1 超早熟 1 号 2 号 3 号 4 号 的育成为河北省坝上等高寒地区增添了一种高效新作 物 表 表 早熟 超早熟谷子品种生育动态 Table The development trend of prematurity super prematurity millet varieties 地点 Locus 品种 Variety 出苗期 M D Seedling stage 抽穗期 M D Heading stage 成熟期 M D Maturity 生育期 d Growing period 超早熟 1 号 Super prematurity No 1 5 24 7 22 8 24 92 超早熟 2 号 Super prematurity No 2 5 24 7 28 9 5 104 超早熟 3 号 Super prematurity No 3 5 24 7 25 9 2 101 河北坝上 Ba shang in Hebei Provience 超早熟 4 号 Super prematurity No 4 5 24 7 26 9 2 101 超早熟 1 号 Super prematurity No 1 7 2 8 2 8 29 58 超早熟 3 号 Super prematurity No 3 7 2 8 4 9 1 61 超早熟 4 号 Super prematurity No 4 7 2 8 4 9 1 61 超早熟 2 号 Super prematurity No 2 7 2 8 5 9 3 63 203391 7 2 8 7 9 7 67 203415 7 2 8 7 9 7 67 203025 7 2 8 9 9 10 70 203418 7 2 8 11 9 12 72 河北省谷子所 Institute of millet in Hebei Province 202354 7 2 8 12 9 14 74 3 2 创新出甜秆多穗型谷子新品种超早熟 1 号 1994 年对搜集到的种质资源进行了研究分类 鉴 定出 18 份在石家庄生育期 70 d 左右的早熟材料 以 它们为基础种质 经过不断的混合杂交 组建了早熟 基因库 经过南繁北育 于 1997 年从其后代中分离出 超早熟新种质 Z97038 该种质在石家庄种植时生育期 为 62 d 需有效积温 1 600 左右 但产量低 农艺性 状 抗倒性差 因此以 Z97038 为主体种质 与早熟 的国外新种质 W97154 杂交 再与丰产新种质 F97521 和抗倒新种质 KD97307 的杂种一代进行杂交 聚合早 熟 丰产 抗倒种质 再用 Z97038 进行连续两代的 回交 对后代进行歧化选择 选育出具有分蘖 分枝 成穗特性的中间材料 99 南 078 后来又采用 60Co 射线分 3 5 4 5 万伦琴 2 种剂量进行辐射处理 对辐 射后代进行歧化选择 最后从 3 5 万伦琴 60Co 射线处 理的99南078的后代中选育出具有分蘖和分枝成穗特 性的超早熟新品系 201108 后定名为超早熟 1 号 在 选育过程中 每年均在石家庄 三亚两地进行动态选 择 以加速选育进程 扩大其适应性 对其特征 特性进一步研究发现 该品种具有秸 秆甜 粗蛋白含量高的特点 经河北省农作物品质检 测中心和农业部谷物品质检测中心对谷丰 2 号 产地 石家庄 超早熟 1 号 1 产地 石家庄 超早熟 1 号 2 产地 张北 进行化验 结果表明 超早熟 1 7 期 刘正理等 谷子目标性状基因库育种技术体系的构建及其应用 1309 号 1 秸秆 干基 营养物质含量分别为全糖 9 28 可溶性糖 5 88 还原糖 4 53 粗蛋白 6 94 比同 一地点收获的大面积推广品种谷丰 2 号秸秆分别高 74 8 200 5 237 2 和 3 9 超早熟 1 号 2 的营 养物质含量分别为全糖 5 88 可溶性糖 5 23 还 原糖 4 17 粗蛋白 8 71 分别高出对照谷丰 2 号 10 7 150 2 118 3 30 4 超早熟 1 号 1 超 早熟 1 号 2 的粗蛋白含量分别比我国谷草粗蛋白平均 含量 3 16 13 高 119 6 175 6 超早熟 1 号无 论在位于冀中南的石家庄种植 还是在位于我国高寒 地区的河北省坝上种植 其秸秆全糖 可溶性糖 还 原糖 粗蛋白含量都明显高于对照种 也明显高于我 国谷草的平均含量 大大提高了谷草作为牲畜饲料的 利用价值 适合在处于农牧结合区的高寒地区推广 3 3 创新出富铁营养保健型谷子新品种超早熟 2 号 还利用早熟基因库创新出农艺性状较好的超早熟 中间材料 Z97045 但 Z97045 经济性状差 产量低 基于和改造 Z97038 同样的思路 根据 Z97045 的缺点 采用阶梯杂交的方法逐步从 W97156 F97536 Y98524 中引入国外种质 导入其所需的丰产 优质性状 产 生阶梯杂交 2 代种子 J2 为增大 Z97045 在后代中的 遗传份额 1998 年在海南开始用 Z97045 与 J2 进行连 续两代回交 后开始采用系谱法对其后代进行选择 于 2001 年选育出熟期与 Z97045 相当的超早熟新品系 201162 2002 年分别在河北省谷子所和河北省高寒所 进行异地同步鉴定 确定 201162 5 表现较好 定名为 超早熟 2 号 超早熟 2 号米色金黄 经农业部谷物品 质检测中心化验 其含铁量达 54 1 mg kg 1 粗脂肪含 量达 6 24 而我国小米铁含量在 18 36 mg kg 1之 间 平均为 33 4 mg kg 1 粗脂肪含量在 3 0 4 6 之间 平均为 4 05 14 超早熟 2 号小米铁和粗脂肪 含量分别是我国小米平均含量的 1 62 倍 1 54 倍 我 国小米粗蛋白平均含量为 12 71 超过 14 的品种仅 5 14 超早熟 2 号的粗蛋白含量为 14 36 也是我 国谷子种质资源中少见的 3 4 创新出富硒优质保健型夏谷新品种冀谷 21 冀谷 21 系以优质基因库创新的优质新种质 Y98524 为主体种质 根据该种质植株偏高 产量较低 的缺点 采取用 Y98524 与国外种质 W97218 和丰产 新种质 F98316 逐步阶梯杂交的方法 引入国外种质 导入丰产种质 然后对其后代进行 60Co 射线诱变处 理 在后代选择过程中采用定向选择法 注重选择性 状与主体种质接近的单株 于 2001 年育成优质 高产 新品系 201094 后定名为冀谷 21 硒是人体必须的营养元素 可以防治多种疾病 经农业部谷物品质检验检测中心化验 冀谷 21 小米含 粗蛋白 13 50 粗脂肪 4 25 直链淀粉 15 42 胶 稠度 112 mm 碱消指数 3 3 维生素 B1 5 3 mg kg 1 矿物质锌 铁含量分别为 31 26 mg kg 1 30 06 mg kg 1 微量元素硒含量突出 达 0 1933 mg kg 1 是我国小米 硒平均含量 0 071 mg kg 1 的 2 72 倍 为目前我国 含硒量最高的品种 食用品质优良 综合评定达一级 优质米标准 为我国富硒保健型优质小米的开发提供 了技术支撑 该品种在 2003 年国家谷子品种区域试验 中平均单产 4846 5 kg ha 1 较对照豫谷 5 号增产 11 4 生育期 84 d 绿苗 株高 123 1 cm 穗长 17 1 cm 单穗重 穗粒重分别为 17 4 g 14 5 g 成穗率 92 8 结实性好 出谷率为 83 3 米色金黄 出米 率 80 2 抗病 抗倒 抗旱 高度耐涝 2003 年国 家谷子品种区域试验山东省莒南试点 谷子生育期间 降雨量达 966 mm 比常年多 110 mm 其中 6 月下旬 至 7 月中旬降雨达 344 6 mm 试验田发生涝害 多数 品种叶片枯萎 201094 上部叶片仍呈绿色 耐涝性明 显强于其它参试品种 单产达 3150 0 kg ha 1 超出对 照豫谷 5 号 77 9 3 5 创新出高产优质多抗夏谷新品种冀谷 20 冀谷 20 系以丰产基因库创新的 F97221 为主体种 质 根据 F97221 熟期偏晚 抗倒性偏差的缺点 首 先与经过改良的国外种质 W97152 杂交 产生 F1代种 子 然后对 F97221 W97152 的 F1代种子用 3 5 万伦 琴 60Co 射线进行辐射处理 并对其后代进行选择 连续选择其中熟期适宜的单株 于 1999 年育成丰产性 突出 熟期适宜的中间材料 99106 但该材料仍然存 在抗倒性偏差的缺点 1999 年又利用中间材料 99106 和抗倒基因库创新的抗倒材料 KD97307 杂交 并用 99106 对其后代进行回交 然后采用系谱法进行选择 于 2001 年育成新品系 201075 后定名为冀谷 20 冀谷 20 在 2002 年所内产量比较试验 较对照冀 谷 14 号增产 11 24 2003 年参加国家谷子品种区域 试验 11 个试点平均单产 5150 0 kg ha 1 较对照豫谷 5 号增产 15 2 生育期 84 d 绿苗 株高 123 8 cm 穗长 17 4 cm 单穗重和穗粒重分别为 18 2 和 16 1 g 成穗率高 结实性好 出谷率为 88 5 粒大皮薄 千粒重 2 74 g 出米率为 79 3 米色鲜黄 食用品 质优良 2003 年国家谷子品种区域试验 11 点鉴定结 果表明 该品种抗倒性 抗旱性均为 1 级 对谷锈病 1310 中 国 农 业 科 学 38 卷 谷瘟病 纹枯病抗性亦为 1 级 成熟时青枝绿叶 熟 相好 3 6 创新出糯质白米新材料 203173 采用目标性状基因库育种法创新出糯质白米新材 料 203173 该材料株高 123 cm 左右 穗长 21 cm 左 右 黄谷 结实性好 但抗倒性偏差 2004 年已参加 河北省农科院谷子所产量比较试验 4 讨论 4 1 目标性状基因库育种法与种质创新 目标性状基因库育种法是在对亲本材料进行分类 研究的基础上 将亲本材料分成多个类群 用显性或 隐性核不育材料作工具 构建了多个不同类型的基因 库 充分利用各基因库内基因的累加效应 进行超亲 育种的方法 河北省农林科学院谷子研究所已采用该 法创制出超早熟 甜秆 小米铁 粗脂肪 粗蛋白含 量高的新材料 实践表明 目标性状基因库育种法在 种质创新方面是可行的 有效的 4 2 目标性状基因库育种法与新品种选育 目标性状基因库育种法成功地将种质创新和新品 种选育结合在一起 增强了育种工作的主动性和目的 性 它首先利用各不同类型的基因库进行种质创新 然后 根据创新种质的不足 采用基因库间杂交 阶 梯杂交 聚合杂交 回交等方法选育综合性状优良的 新品种 河北省农林科学院谷子研究所已采用该法育 成多个综合性状优良的新品种 系 其中 冀谷 20 冀谷 21 已于 2003 年参加国家谷子品种区域试验 且 表现突出 实践表明 应用目标性状基因库育种法能 够选育出综合性状优良的新品种 4 3 目标性状基因库育种法与现代生物技术的链接 本文阐述的目标性状基因库育种法仍属于常规育 种方法 在育种实践中具有较强的实用性 且效果明 显 但它不是现代生物技术范畴的基因库 因此 如 何以这些材料为基础 进行分子标记 克隆目的基因 仍是一个值得探讨和研究的问题 今后应加强这方面 的工作 为建立现代生物技术范畴的基因库奠定基础 References 1 刘正理 程汝宏 李香月 华北夏谷区主要谷子品种系谱分析 作物杂志 1996 5 24 Liu Z L Cheng R H Li X Y Begats analysis of primary millet varieties in the summer millet field in the north China Crops 1996 5 24 in Chinese 2 刘晓辉 吉林省谷子品种系谱分析及将来育种方向 粟类作物 1991 3 24 26 Liu X H Begats analysis of millet varieties in Jilin Provience and direction of breeding in the future Millet Crops 1991 3 24 26 in Chinese 3 刘正理 李素英 程汝宏 全建章 中秆紧凑 半紧凑型夏谷新种 质的创新及其在育种中的应用 中国农业科学 1999 32 6 28 33 Liu Z L Li S Y Cheng R H Quan J Z Innovation in medium hight compactness summer millet new germplasm and its application in breeding Scientia Agricultural Sinica 1999 32 6 28 33 in Chinese 4 孔玉珍 崔文生 赵治海 谷子综合种的选育 见 谷子新品种选 育技术 天则出版社 1990 87 90 Kong Y Z Cui W S Zhao Z H Breeding selection of millet synthetic variety In Breeding Selection Technology in New Millet Variety Tian Ze Press 1990 87 90 in Chinese 5 邓景扬 纪风高 显性雄性不育核基因 Ta1 在小麦育种上的价值 与主要利用途径 中国农业科学 1983 16 4 6 11 Deng J Y Ji F G The value and utilization of the dominant Ta1 of male sterility in wheat breeding Scientia Agricultural Sinica 1983 16 4 6 11 in Chinese 6 蒋国梁 利用 Tal 基因结合开展小麦轮回选择与穿梭育种 长江 流域小麦育种策略浅见 首届全国小麦遗传育种学术研讨会论文 集 北京 中国农业科技出版社 1993 75 79 Jiang G L Develop recurrent selection and shuttle breeding using the gene of Tal strategy improvidence in breeding of wheat in the drainage area of Changjiang Reviver Volume of Thesis in the First Science Seminar About Genetics and Breeding in Wheat Beijing China Agricultural Science and Technology Press 1993 75 79 in Chinese 7 蒋国梁 利用显性雄性不育基因 Tal 进行小麦抗赤霉病性轮回选 择群体改良效果的研究 中国科学 B 辑 1995 25 6 610 615 Jiang G L The study on the effect of population improvement by recurrent selection for resistance to gibberellin in wheat using the dominance male sterility gene of Tal China Science series B 1995 25 6 610 615 in Chinese 8 蒋国梁 小麦抗赤霉病基因库研究 抗源库群体改良效果初报 第二届全国青年作物遗传育种学术会文集 北京 中国科技出版 社 1991 83 87 Jiang G L The study on gene bank of resistance to gibberellin The elementary report about the effect of population improvement in 7 期 刘正理等 谷子目标性状基因库育种技术体系的构建及其应用 1311 bank of resistance source The Second Science Seminar Corpus on Crop Genetics and Breeding all the Country Beijing China Agricultural Science and 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