玉米种质基础、杂种优势群及杂种优势模式的构建

玉米种质基础、杂种优势群及杂种优势模式的构建

不同品种群体和不同品种模式的构建是近年来国内外玉米育种研究的热点。这一研究有利于拓宽种质资源和克服种质资源的脆弱性,尤其是对克服杂交组合组配的盲目性和提高育种效率至关重要。划分玉米育种材料的杂种优势群和构建杂种优势模式,将使自交系选育(尤其是二环系选育)技术、群体合成与改良技术、杂交种选配技术及育种研究管理技术等在一定程度上逐步向理论思维方式靠近。目前,用于划分玉米杂种优势群和建立优势模式的方法主要有系谱分析法、数量遗传学方法和分子标记法。笔者从研究方法的角度对这一领域的研究进展进行综述,以期为玉米育种提供参考。1玉米种质基础、杂种优势群及优势模式在我国的应用系谱分析法是在对种质基础进行分析的基础上,根据育种实践经验和血缘关系划分玉米优势种群,然后构建杂种优势模式。在美国玉米育种主要利用两个种族。一个是北方硬粒型玉米,其植株较矮,生育期短;另一个是南方马齿型玉米,植株高大,生育期长,雄穗发达,雌穗粗大。自1947年以后,美国人根据自交系的来源把自交系划分为Reid和Lancaster两个优势群,发现两者间有很强的杂种优势,形成了著名的Reid/Lancaster(简称Lan.)杂种优势模式。后来,Bsss种质也划分为Reid群,而与之对应的另一群有很大变化,现称非Reid种质,它们的标准测验种分别是B73和B17。欧洲国家沿用上述方法,依照地理来源和籽粒类型划分杂种优势群,并建立美国马齿型/欧洲硬粒型杂种优势模式。处于热带的发展中国家利用本地资源,探索出了一些很有发展潜力的杂种优势模式,如Tuxpeno/ETO、Tuson/Tuxpeno、古巴硬粒/Tuxpeno等。CIMMYT自1985年开始选育自交系和杂交种时,发现了原来组配的群体很少考虑种族来源、遗传基础和血缘关系,不符合杂种优势利用和育种的要求,为此他们根据热带、亚热带地区玉米杂种模式,合成了一批新的群体,如热带杂种优势组群A(THG-A)和B(THG-B),这些群体一开始就有清晰的种质来源和遗传差异,再经相互轮回选择改良后,将很有可能选出符合优势模式的高配合力自交系,进而较易配出强优势组合。我国学者20世纪80年代初就采用系谱法对国内玉米杂交种的种质基础、杂种优势群及优势模式等进行了研究。我国玉米育种和生产所用种质的遗传基础相对狭窄。1987年我国玉米生产形成以4个主要杂交种丹玉13、中单2号、烟单14和掖单2号及其4个骨干自交系Mo17、黄早四、自330和E28为主导的格局。在全国种植面积10万hm2以上的杂交种中,以4个骨干系为亲本组成的杂交种占73.5%,在亲本中所占比例为65.5%;1993年玉米生产上基本形成了以品种丹玉13、中单2号、烟单14、掖单2号、掖单12和掖单13等为主以及以骨干自交系Mo17、黄早四、自330、E28、掖478和丹340等为主体的格局。多年来,我国玉米杂交种的种质基础主要由获白、白马牙、金皇后、Lan.、旅大红骨、塘四平头、Reid黄马牙7个系统组成。但进入20世纪80年代,获白和金皇后两个系统的应用比例日渐下降,并最终从骨干行列中消失。王懿波对我国审(认)定的115个主要杂交种的234个亲本自交系的分析发现,Reid系统占25.6%,Lan.系统占25.6%,塘四平头系统占17.9%,旅大红骨系统占10.7%,其它占20.1%,由此认为我国目前生产上应用的主要种质为改良Reid、Lan.、塘四平头和旅大红骨群。进一步分析得出,我国玉米主要种质可划分为5个杂种优势群、9个亚群,即改良Reid群、Lan.群(包括Mo17和自330亚群)、塘四平头群、旅大红骨群和其它杂种优势群(包括外杂选、综合种选、Suwan和其它低纬度种质4个亚群)。主要杂优利用模式有10种主体模式和16种子模式。10种主体模式为改良Reid/Lan.、改良Reid/塘四平头、改良Reid/旅大红骨、改良Reid/其它、Lan./塘四平头、Lan./旅大红骨、Lan./其它、塘四平头/其它杂种优势群、Mo17/自330群、外杂选/综合种选亚群,目前利用最多的5种子模式是改良Reid群/塘四平头群、改良Reid/旅大红骨、Mo17亚群/塘四平头群、Mo17/旅大红骨、Mo17亚群/自330亚群。北方春玉米区使用的杂优模式应重点考虑Mo17亚群/自330亚群、Mo17亚群/旅大红骨群和改良Reid/旅大红骨群;黄淮海玉米区应重点考虑改良Reid群/塘四平头群、改良Reid群/旅大红骨群,同时注意开发改良Reid群/外杂选亚群、外杂选亚群/塘四平头群和外杂选亚群/旅大红骨群模式;南方玉米区应重点考虑改良Reid群/自330亚群、改良Reid群/Suwan亚群、自330亚群/综合(农家)种亚群、改良Reid群/综合(农家)种选亚群、Tuxpeno/Suwan等模式。今后在育种上可根据这些种质类群的遗传特点,在同一类群中选择优良种质,杂交改良创新,从中选系,然后将来源不同类群间的自交系杂交,选出高产的优良杂交种。也可以用其它类群的种质,尤其要注意利用热带、亚热带种质来改良某一类群,但注意不要用同一杂种优势模式的两个相对类群进行相互杂交改良。王懿波等对各优势类群的改良重点和方法进行了详细的研究,同时提出了进行广基玉米种质群体合成及改良的具体实施建议,这些研究结果对今后的玉米育种有一定的参考价值。2种优势优势采用组合通常采用双列杂交方法能较可靠地分析种质材料的SCA,然后把材料间的SCA做聚类分析,以此结合F1产量、杂交优势、GCA等作为划分杂种优势群的主要标准。由于这种方法的可靠性取决于参试材料的数量与遗传基础的广泛性,从而增加了双列杂交分析工作量,在实际操作中缺乏可行性。比较可行的技术路线应是先用双列杂交分析法对少量典型自交系做精细的配合力分析,划分出几个杂种优势群,筛选出几个标准测验种,然后改用NC-Ⅱ设计再对大量未知系谱的材料进行杂种优势群分析。CIMMYT在开展玉米杂交育种时,首先测定群体配合力和杂种优势,找出可能的杂种优势模式,从可能的优势模式的相应群体中选系,然后再组配新的杂交组合。Tsotis和Kauffmann对来自美国玉米带不同品种群体和群体间杂交种优势进行分析发现,Midland/Leaming模式的平均优势高于美国玉米带目前受到人们重视利用的杂种优势模式Reid/Lan.。他们据此推断,Midland/Leaming这一杂种优势模式有可能是未来选育自交系和杂交种的育种群体。近年来,国内不少学者利用遗传聚类分析方法对自交系类群的划分进行了不少研究。陈彦惠等选用我国玉米育种四大种质系统的15个自交系,采用完全双列杂交组成105个杂交组合,根据参试组合的对照优势值(H)将其划分为塘四平头、旅大红骨、Lan.、Reid和RL系统五大优势类群。其优势居前5位的杂优利用模式为塘四平头群/旅大红骨群、塘四平头群/Reid群、塘四平头群/(Lan.+Reid)、(塘四平头+Lan.)/(Reid+旅大红骨)、塘四平头群/Lan.群,SCA效应居前5位的杂优模式为塘四平头群/Reid群、Lan.群/旅大红骨群、塘四平头群/(Lan.+Reid)、塘四平头群/旅大红骨群、(塘四平头+Lan.)/(Reid+旅大红骨)。从以上杂优利用模式可以看出:由于塘四平头自交系的一般配合力、特殊配合力较高,因而其在较优良的杂优利用模式中是非常重要的亲本之一,利用价值较高;在较优良的杂优模式中,以国内系/国外系模式为主。在这些模式中,以塘四平头群/Reid群和旅大红骨群/Lan.群两个模式较好,塘四平头/Lan.群次之,也可采用(R+L)/塘四平头群,但旅大红骨群/Reid群不可取。在混合模式中,可先从塘四平头与Lan.群自交系的杂种中选系,再从旅大红骨群和Reid群自交系杂种中选系组配成优良杂交种。彭泽斌等选取与陈彦惠等选用的同样的15个自交系配制105个组合,对综合类群间F1产量、杂种优势及配合力进行分析的结果表明,Lan./塘四平头类、Lan./旅大红骨类、塘四平头/Reid类、塘四平头/旅大红骨类、塘四平头/自330类、Lan./自330类、Lan./Reid类为七大强优势配对模式。也有人采用总配合力效应值作为评价自交系的综合指标,以此确定玉米种质的优势类群。刘纪麟等于1990年起着手研究三峡地区玉米地方品种的杂种优势群及其利用途径,现已初步筛选出5个地方品种杂种优势群和9种优势配对模式,合成了4份高级杂种优势群(WBM、WLS、LBM、LLS),并用它们作为育种基础群体,同时进行轮回选择改良和选系利用。在研究过程中,提出了筛选与利用玉米地方品种杂种优势群的原则和方法步骤。一是以产量和产量性状的GCA为主指标,结合主要抗性(主要抗病性与抗倒伏性)筛选地方品种初级杂种优势群。二是以产量的SCA为主要指标,以美国两大杂种优势群(Bsss、Lancaster及其衍生群体)为主要测验种,其它适应的外引杂种优势群为辅助测验种,筛选地方初级杂种优势群与国外优势群之间的配对模式。三是保持美国两大杂种群不交叉混血,按相对应的地方品种/外引群体配对模式,以地方初级杂种优势群为基础,分别与外引的优势群(及其衍生材料)组建高级杂种优势群。四是高级杂种优势群以地方优势群和美国两大优势群为主体组配,所占遗传成分不低于80%,适当掺合热带、亚热带的优良适应种质,经过多次隔离区随机混粉重组,基本达到遗传平衡,作为中长期玉米育种的种质基因库利用。陈彦惠等以代表中国温带玉米主要杂优群的5个自交系、3个改良群体为母本,以10个热带、亚热带群体为父本,按照NC-Ⅱ设计配制了80个温/热杂交组合,根据温热杂交组合鉴定结果,初步筛选出的10个最佳温热杂优组合模式为自330/Pob21、黄早四/Pob28、自330/抗旱群体-C6、旅9/Pob28、豫综5号/Pob49-C6、豫综5号/Suwan1、豫综2号/抗旱群体-C6、中综3号/抗旱群体-C6、Mo17/Pob42-C5、掖478/Suwan1,这一结果为我国今后对热带、亚热带种质的合理利用、改良和提高提供了可供选择的模式和参考依据。根据这些结果,结合我国温带现有的杂优模式,在不淡化现有杂优模式的前提下,可通过杂交、回交等方法,将热带、亚热带种质与我国现有的杂优群体种质结合、渗进、改良,形成具有温热不同成分的新杂优群和新杂优模式,也可根据杂优模式构建不同的基础群体,通过轮回选择对其进行长期的改良和提高。3基于rapd标记的玉米自交系群聚类分子标记是直接以DNA结构多样性为基础的遗传标记,它在植物的各个组织、各个发育时期均可以检测,不受季节和环境的限制。现用于杂种优势群研究的成熟分子标记方法有两大类。一类是基于DNA分子杂交技术的分子标记,如RELP;另一类是基于PCR技术的分子标记,如RAPD、SSR和AELP等。日趋成熟的分子标记技术,为玉米杂种优势类群划分提供了新的手段和方法。Dudley和Smith等应用RELP分子标记,依据不同的探针和酶组合(PEC)检测不同基因型自交系的RFLP标记,计算分析了37个玉米自交系间的遗传距离。RitaHoganMunm等用RELP标记成功地对美国148个自交系进行了类群划分。美国的Mullis首创了聚合酶联反应(PolymeraseChainReaction,简称PCR),Williams等继PCR之后提出随机扩增多态DNA(RondomAmplifiedPolymorphicDNA,简称RAPD)。RAPD标记因其有扩增程序简单、易操作、省时、灵敏度高等优点,1990年以来发展迅速,已应用于遗传图构建、基因定位与筛选,尤其在类群划分、遗传多样性分析及遗传距离测定等方面已得到了广泛应用。与RELP和RAPD标记相比,SSR标记则是建立在PCR反应基础上的一种新型遗传标记。Smith等报道了利用131对SSR引物对58个玉米自交系的划群结果,并与RELP标记作了比较。结果表明,两种标记检测到的位点多态性信息量(PIC)基本相同(0.62)。Senior等在40g/kgMetaphor琼脂糖上检测了70对SSR引物对94个玉米自交系的扩增产物,共检测到365个等位基因变异,聚类结果与已知系谱关系基本吻合。刘新芝、彭泽斌等采用RAPD标记研究了我国目前生产上推广杂交种的15个主要亲本自交系的类群划分。RAPD标记聚类分析结果表明:当T=6时,可将15个自交系划分为六类,Ⅰ类为Lan.血缘的中黄204、关17、Mo17,Ⅱ类为塘四平头血缘的D黄212、黄早四、汶黄,Ⅲ类为Reid血缘的B37、B84、B73,Ⅳ类为旅大红骨血缘的旅9、E28、丹340,Ⅴ类为掖478、5005;Ⅵ类为330;当T=7时分为三类,Ⅰ类、Ⅱ类仍不变,其余的全归于Ⅲ类,恰好Ⅰ、Ⅱ类为硬粒系,Ⅲ类为马齿型系。利用RAPD标记进行组群划分的结果与对已知谱系追溯的结果完全一致,说明应用RAPD标记在玉米自交系组群的划分上是可行的。张世煌等在研究的基础上,用同一批自交系和RELP方法(54个酶探针组合)验证了彭泽斌等的结果。RELP的聚类结果显示:塘四平头和旅大红骨两个亚群的关系较近(相似系数0.60),有可能合并为一个类群,暂称为Dom群;Reid亚群与PN亚群关系较近(相似系数0.65),暂统称为Reid群;与这两大类群相对立的是Lan.群,相似系数只有0.45。这一结果和育种实践基本吻合。在此基础上,把上述研究扩展到29个常用自交系,采用RELP和SSR两种方法进行聚类,其结果仍然划分为3个类群,5个亚群,其中塘四平头和旅大红骨两个亚群的关系亦较近(相似系数0.66),可合并为一个群(Dom),而Lan.与Dom群的关系较远。在这两大群之外的Reid和PN两个亚群的相似系数为0.66,亦可合并为一群(Reid)。同时还验证了4个亚群的标准测验种分别是黄早四、丹340、Mo17、B73和掖478。我国玉米育种最常用的杂种优势模式,在东北和华北春玉米区主要为旅大红骨/Lan.,其典型组合是E28/Mo17和Mo17/自330;在黄淮海夏播玉米区的主要杂种优势模式为Dom/PN,它有两个表现形式,一个是塘四平头/PN,典型组合是U8112/黄早四,另一个近似的杂种优势模式为旅大红骨/PN,典型组合是丹340/掖8112,在此基础上衍生了大量的自交系和杂交组合;而在南方目前正在形成当地的杂种优势群和杂种优势模式,最有可能成为杂种优势的模式包含本地种质和外来种质(含来自北方的种质)。这3个玉米生产区的杂种优势模式都是一方为当地种质,另一方为国外种质,而且一方为偏马齿型,另一方为偏硬粒型。所以,我国的玉米杂种优势模式可进一步简化概括为当地/外来种质,而且基本符合马齿型/硬粒型的规律。李新海等采用SSR标记研究了2