邱 博，羅紅兵，2*，劉偉華

（1湖南農業(yè)大學農學院，長沙410128；2湖南省玉米工程研究中心，長沙410128）

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玉米與大芻草雜交研究進展

邱 博1，羅紅兵1，2*，劉偉華1

（1湖南農業(yè)大學農學院，長沙410128；2湖南省玉米工程研究中心，長沙410128）

摘 要：大芻草是與玉米親緣關系最近的野生近緣材料，利用現代技術手段將玉米與大芻草進行雜交，可以將大芻草優(yōu)良的抗性基因引入玉米，擴大玉米育種種質資源基礎。對大芻草基因漂流、大芻草與玉米雜交技術、雜交后代性狀鑒定等方面的研究進行了論述，并對今后的研究方向和重點進行了展望。

關鍵詞：玉米；大芻草；遠緣雜交；種質資源

玉米起源于墨西哥至秘魯一帶。根據當地的考古資料可以得知，印第安人早在7000多年前就開始種植玉米，在種植的過程中不斷對其選擇培育以致得到目前所知的栽培品種。哥倫布發(fā)現新大陸后將玉米引進到西班牙，玉米從此開始被帶往世界各地栽培［1］。

20世紀70年代，我國主要以金皇后、荻白、塘四平頭、旅大紅骨和蘭卡斯特5個資源系統(tǒng)作為玉米種質進行雜交選育工作［2］。到了80年代，金皇后和荻白兩個資源系逐漸減少直至被淘汰，瑞德黃馬牙系統(tǒng)開始上升，形成塘四平頭、旅大紅骨、蘭卡斯特和瑞德黃馬牙4大系統(tǒng)占據雜交組配主導地位，自330、黃早四、Mo17和掖478逐步發(fā)展的狀況［3］。進入21世紀后，玉米育種自交系以Mo17、掖478、黃早四、丹340和E28為主［4］。玉米是我國重要的糧食作物、飼料作物和工業(yè)生產原材料。根據國家統(tǒng)計局的數據，2014年全國玉米播種面積37 076.1 khm2，總產量21567.3萬噸［5］。湖南省2014年玉米種植面積345.7 khm2，產量188.6萬噸［6］，玉米的種植面積和產量都呈現上升的趨勢。但目前我國玉米遺傳種質資源狹窄，極大地影響了玉米育種工作的進步和玉米產業(yè)的發(fā)展。因此，引入新的種質，擴大玉米遺傳資源，成為玉米育種工作新的方向。

玉米屬于玉蜀黍屬（Zea），其下又分玉蜀黍亞屬（Section Zea）和繁茂亞屬（Section Luxuriantes）。玉蜀黍亞屬和繁茂亞屬下還有其他亞種，除玉蜀黍屬下的栽培玉米亞種（Zea mays spp.mays）外，其余亞種被統(tǒng)稱為大芻草。大芻草作為玉米的野生近緣種，有利于科研工作者利用其和玉米進行雜交，發(fā)掘出新的玉米種質資源。

1 玉米與大芻草的分類

目前常見的栽培玉米主要分粉質種玉米、爆裂玉米、馬齒型玉米、硬粒玉米、甜玉米、糯玉米、高直連淀粉玉米、有稃種玉米和條紋玉米［7］，其中馬齒型和硬粒型玉米廣泛用于飼料加工生產領域，甜、糯玉米因其良好的口感成為人們餐桌上的美食，爆裂、高淀粉玉米還處于發(fā)展階段。

玉蜀黍亞屬除了栽培玉米亞種外，還有委委特南戈類玉米（Zea mays huehuetenangensis（H.H.Iltis ＆Doebley）Doebley），墨西哥類玉米（Zea mays mexicana（Schrad.）H.H.Iltis）和小穎類玉米（Zea mays parviglumis H.H.Iltis＆Doebley）3個亞種。繁茂亞屬包括繁茂類玉米亞種（Zea luxurians（Durieu＆Asch.）R.M.Bird），四倍體多年生類玉米亞種（Zea perennis（Hitchc.）Reeves＆Mangelsd.），二倍體多年生類玉米亞種（Zea diploperennis H.H.Iltis et al.）和尼加拉瓜類玉米亞種（Zea nicaraguensis H.H.Iltis ＆B.F.Benz）［8］。對玉蜀黍屬的核型研究表明，除四倍體多年生類玉米亞種染色體數目2n＝40外，其余亞種的染色體數目均為。玉米和大芻草染色體核型結構差異較小。

在形態(tài)學上，大芻草每個雌穗穗行數為二列式，種子外包裹一層堅硬外殼，籽粒成熟后可自行從母體脫落；而玉米雌穗穗行數為多列式，往往可達到20行以上，籽粒被包葉所覆蓋，成熟后不能自行脫落［9］。大芻草具有較高的再生能力，其分蘗性好，根系發(fā)達，抗病、抗逆境脅迫的能力強［10］；二倍體多年生大芻草對玉米褪綠斑駁病毒、玉米褪綠矮縮病毒、玉米條紋病毒等是免疫的，對玉米Rayado fino病毒表現出耐病的狀態(tài)［11］。繁茂亞屬大芻草這些優(yōu)良的性狀可以通過雜交方式將其引入普通玉米自交系，培育表現性狀良好的后代，擴大玉米的遺傳基礎。

2 大芻草基因漂流對玉米的影響

大芻草對玉米種質資源的改良一直扮演著很重要的角色。大約在9000多年前的南墨西哥中部的中海拔地區(qū)，人們開始對野生小穎類大芻草進行馴化，篩選出日常生活所需的品種并延續(xù)至今［12，13］。在這一過程中，來自于其他大芻草亞種的基因通過花粉傳播的方式，逐漸地混入玉米基因庫中，這樣的基因漂流一直發(fā)生在墨西哥當地玉米和大芻草生長的同一區(qū)域［14］。雖然基因漂流會促使大芻草對玉米進化方向產生影響，但是人們無法估計這一基因漂流發(fā)生的概率，以及大芻草基因最終滲入到玉米種子基因庫的成功率［15，16］。栽培玉米與一年生墨西哥類大芻草和小穎類大芻草在細胞學上高度的相似性保證了它們之間可以通過雜交形成豐富的雜交后代［17］。雖然在雜交過程中存在一些雜交障礙，如地理隔離、瓶頸障礙和自然因素等，但是人們已經在農田中發(fā)現這些雜交種并借助等位酶和DNA序列等現代技術手段證明了栽培玉米與這兩類大芻草確實發(fā)生過雜交行為［18］。繁茂類大芻草與栽培玉米在細胞學水平上的相似性較少，因此二者很難得到成功的自然雜交，特別是四倍體多年生類大芻草，其染色體數目是栽培玉米的兩倍，因此更難與栽培玉米進行雜交得到后代［19，20］。

栽培玉米一直延續(xù)著從品種馴化中心隨著人類的活動被引入其他新的地區(qū)這一復雜的遷移模式［1］，那些性狀良好的栽培玉米種子從墨西哥、拉丁美洲等地被傳播到世界上其他地方。由于其自身高度的基因多樣性帶來的遺傳變異，被引種到新的區(qū)域的玉米經過當地環(huán)境的選擇淘汰后，往往在形態(tài)外觀上發(fā)生了很大的變化。通過收集這些已經沒有大芻草基因漂流影響的玉米品種，與大芻草生長地的玉米品種進行分子學水平上的比對，可以很好地觀察到大芻草對玉米進化過程的影響［14］。

3 玉米與大芻草遠緣雜交技術手段

大芻草屬于短日照植物，在長日照情況下其生殖生長受阻，營養(yǎng)生長過盛，出現分蘗旺盛、抽雄時間晚甚至不抽雄開花的情況，這樣很難與普通栽培玉米花期相遇，常規(guī)雜交授粉工作也難以展開。許多科研工作者對大芻草進行長期的栽培，探索其光周期規(guī)律，得出了大芻草短日照敏感葉齡期和合適的短日照處理時間，通過誘導大芻草提前進入生殖生長，與普通玉米花期相遇，滿足授粉條件。綜合研究表明，5～6葉期或出苗后19～20 d是大芻草接受短日照處理的臨界時間段；9～12 h光照處理是最佳日照時數；連續(xù)35～40 d接受遮光處理能夠達到理想的試驗效果［21］。通過短日照遮光處理試驗能夠較好的解決大芻草與普通玉米花期不能相遇的問題。

近些年，一些科學工作者探索新的雜交方法，通過改變播種時間和篩選變異植株等方式，實現大芻草在長日照條件下也能實現與普通玉米種進行遠緣雜交。賈春林等［22］在大棚和大田兩種栽培環(huán)境下對比，通過分期播種的模式來實現大芻草魯牧2號與齊319、俊單92-6等自交系雜交，實現了自然條件下大芻草與玉米雜交的工作，與以往的工作相比避免了南繁北種的復雜程序，節(jié)約了育種時間和成本。同時他們利用天然變異植株進行篩選，得到了可以在山東地區(qū)正常種植的大芻草新品系J03，J03能夠在長日照條件下與普通玉米種進行雜交授粉［23］。

無論是改變光照時長還是篩選新型品種，都解決了大芻草與普通玉米種花期不能相遇的問題，但是隨后育種工作者們又發(fā)現雜交結實率低的問題。采取重復授粉、剪斷雌蕊頂部葉片及花絲、噴施赤霉素可以大幅度提高大芻草與普通玉米種雜交的結實率。在設計雜交試驗前要提前考察母本（普通玉米）的基因型，選擇配合力高的品種進行雜交。余志江等［24］通過連續(xù)多年的試驗，指出大芻草與不同品種的普通玉米進行雜交，結實率差異十分顯著；不同的雜交授粉模式也影響雜交結實率。

由于大芻草自身具有很多優(yōu)良的抗性特性，很多科學工作者利用現代技術對其抗性型的基因進行初步的定位，來滿足后續(xù)的育種和進化分析工作。此外，一些科學工作者也對大芻草自身的遺傳多樣性與群體結構進行分子水平上的分析，以幫助育種人員進行材料選擇。如萬康康等［25］利用R-PCR技術篩選大芻草和普通玉米之間的差異基因，找出大芻草攜帶的特殊基因，用生物信息學方法對初步定位的基因進行序列和功能上的分析，分離出符合目標期望的優(yōu)質基因。石海春等［26］對大芻草和玉米雜交的后代選系進行核型和SSR分析，判斷雜交代的染色體數目，雜交代選系之間的遺傳差異，選系與父母本之間的遺傳差異，為遠緣雜交提供理論依據。曹立超等［27］借助SNP分子標記開發(fā)對大芻草漸滲系的多態(tài)性分子標記，為后續(xù)的基因克隆提供依據。

4 遠緣雜交后代生物學性狀的評定

目前，大多數的大芻草應用研究主要集中在牧草方面。多年生大芻草具有可重復刈割、經濟產量高、蛋白質含量高、飼用口感好等優(yōu)點，正逐步被利用作為漁業(yè)畜牧養(yǎng)殖的飼料來源。馮云超等［28］探究了玉米與墨西哥大芻草雜交后代作為飼草進行種植時，其產量構成因素、種植密度和氮肥施用量之間的關系。飼草經濟產量與綠葉片數、葉長、葉面積呈負相關，與密度、施氮量、主莖粗、分蘗數、單株鮮質量等呈正相關；種植密度在4萬株／hm2的基礎上施用450 kg／hm2左右的氮肥可以達到飼草高產優(yōu)質的目標。陳景堂等［29］對大芻草與普通玉米雜交后代的蛋白質含量進行分析，結果表明F1代蛋白質含量表現出負向中親優(yōu)勢，甚至超負向中親優(yōu)勢；雜交雙親的蛋白質含量差異越大，雜種優(yōu)勢表現越明顯，反之則越弱。曹利萍等［30］對玉米和大芻草雜交后代的莖葉消化性進行檢測分析，選育出了一批新的高消化性玉米青貯種質。

雖然大芻草和普通玉米能夠進行正常的雜交，但是選育出理想的自交系難度很大［31］。大芻草的有利基因雖然可以通過回交、雜交的方式傳遞到普通玉米品種中，可以篩選出表現性狀優(yōu)良的玉米自交系，但是多數遠緣雜交的后代農藝性狀、經濟產量不符合生產需求，在育種環(huán)節(jié)中沒有很高的直接利用價值。賴寧等［32］用一年生墨西哥大芻草和玉米G自交系進行雜交組配，認為雜交后代抽絲期、株高、莖粗、穗長和百粒重等主要受到加性基因效應影響，適合早期選擇；莖強度、穗粗、穗行數和行粒數受到加性基因和非加性基因共同控制；穗位高、穗重和穗粒重、出籽率受非加性基因控制，適合晚代選擇。蘭海等［33］通過采用植物數量性狀主基因和多基因混合遺傳模型的方法，對大芻草和玉米雜交種子結實率進行分析，判斷正反交試驗群體雜交結實性的遺傳模型規(guī)律。蘆立婷等［34］對大芻草雜交后代農藝性狀進行多代統(tǒng)計調查，對其后代株高、穗位高、生育期、光敏感性等變異規(guī)律進行了總結。

5 發(fā)展現狀及展望

目前，利用大芻草和玉米遠緣雜交已經得到了一些優(yōu)良的新品系。山東農科院利用引進的大芻草突變體，通過系統(tǒng)選育的方法得到J03系，并最終選育出大芻草新品種魯牧2號。魯牧2號可在北方地區(qū)正常開花傳粉，解決了自然條件下大芻草與本地玉米花期不能相遇的問題，節(jié)約了育種成本。中科院遺傳研究所于20世紀90年代開始進行人工誘發(fā)孤雌生殖的工作［35］，將自330和二倍體多年生類玉米種進行雜交，對其后代進行化學孤雌生殖處理，篩選出表現性狀好的植株，并選育成新自交系540。新自交系540與5003組配選育出了玉米新品種遺單6號，其產量、抗性都表現出較好的水平。另外，河南農科院選育出了鄭遠36，37等。

對大芻草自身特點的了解以及大芻草與玉米雜交相關內容的研究，不僅有助于玉米新種質資源的開發(fā)與利用，選育出符合市場需求的新品種，而且還能對野生大芻草資源進行保護［14］。無論是人工干預下進行的雜交過程，還是自然條件下大芻草自身基因漂流，這些都有助于玉米的進化衍變，提高栽培玉米對病蟲害、極端天氣變化和其他生物與非生物類脅迫等的應對能力。

大芻草和玉米遠緣雜交的研究工作仍處于起步階段，科研工作者主要集中對玉蜀黍亞屬大芻草的研究，而對繁茂亞屬大芻草的研究則比較少見，一些優(yōu)良的種質難以引入栽培玉米群系中；另外各類研究比較分散，沒有形成完整的體系。大芻草前期遮光處理誘導開花試驗進行的較多，得到的數據和統(tǒng)計結論也很豐富，但是對于后期群系的選擇，基因圖譜的定位克隆，商業(yè)化品種配套的栽培管理技術的研究仍處于發(fā)展階段，相互之間不能形成完整的支持。新的生物技術在大芻草和玉米雜交過程中運用的較少，總體上還是依賴傳統(tǒng)的“南繁北育”模式，選育工作進展緩慢。

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The Research Advances of Hybridization between Corn and Teosinte

QIU Bo1，LUO Hongbing1，2*，LIU Weihua1
（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Maize Engineering Research Center of Hunan Province，Changsha，Hunan 410128，China）

Abstract：Teosinte has improved to be a wild species closely relative to corn.Hybridization techniques between corn and teosinte allow desirable traits to be introduced into corn inbred lines，broaden the genetic bases of corn breeding.This article discusses teosinte gene flow，teosinte and corn hybrid technology，identification of hybrid characters and other aspects，including future research directions and priorities.

Keywords：corn；teosinte；distant crossing；germplasm resources

基金項目：湖南省研究生科學創(chuàng)新項目（CX2013B281）。

作者簡介：邱 博（1992-），男，碩士研究生，Email：chenqing250＠hotmail.com。*通信作者：羅紅兵，教授，博士生導師，Email：1248613279 ＠qq.com。

收稿日期：2015-10-28

文章編號：1001-5280（2016）02-0221-05

DOI：10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2016.02.26

中圖分類號：S513.032

文獻標識碼：A