胡婷婷,王健康,丁成偉,郭榮良,吳玉玲,徐家安,王友霜,趙軼鵬

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農業(yè)科學研究所,江蘇 徐州 221121)

農作物雜交育種中親本優(yōu)選和組配研究的進展與動向

胡婷婷,王健康,丁成偉,郭榮良,吳玉玲,徐家安,王友霜,趙軼鵬

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農業(yè)科學研究所,江蘇 徐州 221121)

主要從種質資源的鑒定、改良創(chuàng)新及骨干親本的篩選入手,闡述了農作物雜交育種中親本優(yōu)選及組配研究的進展和動向。認為在親本配組中除了考慮親本的性狀、親緣關系外,還應選用生態(tài)類型和地理起源有差異、配合力高的親本,結合分子輔助選擇技術選育農作物新品種。

農作物；雜交育種;親本；優(yōu)選組配;分子標記輔助選擇

2012年,世界人口超過了70億且目前還在持續(xù)增長。隨著人口的增加,人們不僅對糧食的剛性需求增多,對糧食品質也提出了更高的要求；但由于受環(huán)境惡化、水資源匱乏、生物能源競爭等負面因素的影響,糧食增產越來越難；要利用有限的土地面積種植的作物滿足人們日益增長的糧食需求,通過雜交育成產量高、品質優(yōu)、綜合抗性好且適應性廣的優(yōu)良品種輔以輕簡栽培管理技術是根本出路。而正確選擇親本并合理組配、最大限度地利用雙親優(yōu)勢是雜交育種工作的關鍵。如果親本選配得當,則后代出現理想的類型多,容易選出優(yōu)良品種[1],從而提高育種工作的效率；如果親本選配不當,則即使配制了大量雜交組合,也不一定能獲得符合選育目標的變異類型,會造成不必要的人力、物力和時間浪費。因此,親本的優(yōu)選和配組一直是各國育種家在制定雜交育種方案時考慮的重點。

在雜交育種親本的選配上,主要經歷了由選擇育種到雜交育種的3個重要階段:一是在20世紀50年代,雜交育種親本選擇主要考慮表型和選育品種的適應性:地理遠緣品種間雜交;適應能力和生產性較好;兩親本間優(yōu)良性狀的互補、重合;親本品種不帶有特殊不良性狀等。二是在20世紀90年代,各國科學家加強了對作物品質、抗性、配合力及遺傳力等的研究,對親本選擇更加側重于以下4個方面:親本親緣關系的遠近;配合力和遺傳力的大小;抗逆性,包括抗生物逆境和非生物逆境;產量的潛力以及品質的優(yōu)良[2]。三是自21世紀以來,隨著細胞生物學和分子生物學的飛速發(fā)展,育種家們對于親本的選擇除了考慮其農藝性狀優(yōu)勢互補、親緣關系遠近及配合力、遺傳力和抗性外,還從染色體水平上(基因組原位雜交技術)和基因組水平上(分子標記技術)對親本進行篩選；通過利用基因組中與目標基因緊密連鎖的可跟蹤檢測的分子標記(RFLPs、RAPDs、AFLPs、SSRs和SNPs等),并結合基因組測序技術,進一步提高了親本材料重組篩選的效率；育種家們從分子水平上對目標性狀加以探究和利用,提高了對育種值預測的準確性[3],同時也縮短了育種周期。

目前育種家們致力于將細胞生物學、分子生物學和遺傳工程技術與傳統育種技術相結合,快速、高效、定向改良和選育作物品種[4],形成以常規(guī)育種為基礎,多種現代育種技術相結合的技術體系。本文主要從常規(guī)育種中親本的優(yōu)選與組配方式及發(fā)展前景等方面進行了綜合論述。

1 雜交育種親本的選擇

雜交育種親本的選擇經歷了由表型鑒定到利用統計學和遺傳學、生物化學、分子生物學等多種方式選擇的過程,主要內容涉及親本優(yōu)良性狀的互補、品質、抗性、配合力、遺傳力、產量潛力等方面的研究,品種親緣關系的遠近、生產適應性等。主要選擇原則包括以下幾個方面。

1.1 種質資源的搜集、整理和鑒定

種質資源(germplasm resources)亦稱遺傳資源(genetic resources)或基因資源(gene resources),它是指一切具有一定種質或基因的生物類型的總稱,包括品種、品系和野生種及其近緣種的植株、種子、無性繁殖器官、花粉、單個細胞,甚至特定功能或用途的基因[5]。它是作物雜交育種的物質基礎,因此,首先要進行種質資源的搜集,其來源包括國內外優(yōu)異種質資源[6]、農家或地方品種及其相應近緣野生種等,比如一些玉米地方品種如金皇后、獲嘉白馬牙、四平頭和旅大紅骨等在我國玉米雜交育種中發(fā)揮了巨大的作用[7]。種質資源的整理、分類、鑒定、評價也十分重要,除了要記載其基本信息、形態(tài)特征和生物學特性外,尤其要側重品質(營養(yǎng)品質、感官品質、加工品質、貯藏保鮮品質等)、抗病蟲性、抗逆性等技術指標的劃分,對數量性狀必須進行嚴格的分級。到目前為止,育種家們利用表型鑒定和分子生物學手段建立了水稻、小麥、大豆、玉米、棉花等的國家農作物種質資源平臺[8],在進行雜交育種時根據資源的特征特性及主要性狀間的相關性預測育種值,從而配制雜交組合。

1.2 種質資源的改良創(chuàng)新

我國現已建立了國家農作物種質資源平臺,且各育種單位都搜集了大量本地和外來種質資源,但在配制雜交組合時,本地區(qū)適應性好且綜合性狀優(yōu)良的種質資源利用頻率高,引進的種質資源雖然攜帶某些抗逆性或抗病蟲等優(yōu)異基因,但其地區(qū)適應性差,且在某些性狀上存在短板,不能直接應用,育種利用少,因此在加強地方種質資源鑒定、評價的同時,要利用雜交、回交多種方式并結合利用分子標記,有目標地將外來種質資源的優(yōu)異基因引入地方種質資源。除此之外,還可通過花藥培養(yǎng)[9]、組織培養(yǎng)與輻射誘變相結合[10]、花藥培養(yǎng)和分子標記選擇相結合[11]、化學誘變[12]、空間誘變[13]和利用單體附加系作工具轉移外源種質的方法[14]進行親本材料的選擇。

1.3 核心骨干親本的確立

核心骨干親本指那些種植面積大、在育種中作為親本利用的時間長、衍生的品種多、對現代水稻品種的遺傳改良貢獻巨大的品種[15]；農作物的骨干親本必須具備綜合性狀優(yōu)良、一般配合力高、適應性廣這三大特點[16]。鑒于骨干親本在新品種選育中的重要作用,必須根據表型特征和基因型特征確定核心骨干親本,用于指導雜交育種。育種家們利用骨干親本育成了多個品種,如小麥品種望水白、蘇麥3號、南大2419和小偃6號,秈稻品種矮仔占、南特號、矮腳南特、浙輻802、珍汕97,粳稻品種農墾58、寧粳1號、寧粳4號、鎮(zhèn)稻88、徐稻3號、徐稻4號、武育粳3號、豫粳6號、淮稻9號,玉米中丹340、黃早四、自330、Mo17、掖478等，它們先后成為骨干親本。其評定方法包括對同時代育成品種(系)和同衍生世代的量化比較[17],SSR分子標記技術、PCO分析與系譜分析[18-19]、SDS-PAGE技術[20]等。

2 雜交育種親本組配的原則

雜交育種是根據育種目標,通過基因重組綜合親本材料的優(yōu)良特征特性,選育具有親本優(yōu)良特征特性的、超親的和新的優(yōu)良特征特性的品種[21]。在新品種選育過程中須廣泛收集、鑒定種質資源的生物學與經濟學性狀,了解其遺傳規(guī)律并輔以合理的親本組配選擇和手段,這樣可以提高育種效率,避免不必要的人力物力浪費。親本組配的主要原則如下。

2.1 親本性狀互補,且具有育種目標性狀

雜種的優(yōu)良性狀多由親本傳遞,少部分性狀受環(huán)境影響。因此選擇的親本品種必須具有育種目標所要求的性狀,比如高產、優(yōu)質、抗逆性、抗病蟲性好等,避免使用有共同缺點的材料作為雜交親本;其次還要考慮其性狀互補。親本性狀互補是指取長補短,把親本雙方的優(yōu)良性狀綜合在雜種后代同一個體上,且能克服雙親的不利性狀。小麥新品種長8744的選育即根據目標性狀,遵循了性狀互補和累加的親本配制原則,集抗旱、豐產、穩(wěn)產、廣適于一體[22];高產優(yōu)質大豆新品種晉遺31號的選育也利用了親本“高粒莖比與高生物學產量高度互補”、“生態(tài)環(huán)境與地理遠緣高度互補”[23]。晚熟玉米新品種金凱3號也集合了母本9058耐熱性好、父本Z78抗病性優(yōu)的雙親優(yōu)勢[24]。

2.2 選用生態(tài)類型和地理起源有差異的親本配組

地理遠緣品種是指整體性狀差異不大,但由于生態(tài)適應性、種植偏好、種植模式和地理隔離等因素的影響,較長期在沒有品種交流的地區(qū)栽培的品種;而親本的不同類型是指在生物學習性、栽培習性或其它性狀方面有明顯差異的育種材料。選擇地理遠緣、生態(tài)類型差異大或親緣關系較遠的品種做親本,有利于克服當地優(yōu)良品種間雜交導致的遺傳基礎貧乏等弱點。研究表明,遺傳差異較大的親本雜交后遺傳變異豐富,除有明顯的性狀互補外,常會出現一些超親的優(yōu)異后代[25]。但品種在生態(tài)上、地理上的差異可能伴隨著適應性、抗逆性、抗病性等相關不利性狀的引入,因此應選擇在當地廣泛栽培且具有較優(yōu)良性狀的品種作為親本之一。集高產、早熟、優(yōu)質、多抗于一體的粳稻品種鎮(zhèn)稻88,其母本為高抗稻瘟病和條紋葉枯病，強稈抗倒、品質好、熟相好的日本早熟中粳品種月の光,其父本為遺傳基礎豐富、株型好的高產晚粳香稻品種武香粳1號,其雜交選育成功遵循了親緣關系疏遠、地理相距較遠、生態(tài)類型不同、株型差異較大、目標性狀突出、優(yōu)點多且優(yōu)缺點有效互補的親本選配原則[26]。利用一些小麥近緣種中抗逆性較強的品系,通過雜交和回交,將抗逆性滲入小麥中,選育出了很多新品種或新品系[27],如小麥與偃麥草部分雙二倍體、小麥-黑麥易位系等[28]。

2.3 選擇配合力高的親本進行雜交育種

配合力是指一個親本材料在由它所產生的雜種一代或后代的產量或其他性狀表現中所起作用的平均表現。一般配合力是由基因的加性作用所構成,這種基因作用可以在選育的過程中累加和固定,在配制的雜交種中基因作用穩(wěn)定,較少受遺傳背景的影響,所以一般配合力高的雜交親本往往能配制出一系列的優(yōu)良組合。因此配合力的研究有助于親本選配和組合的早代評價,用于雜交組合的親本首先在一般配合力的基礎上進行選配,然后根據特殊配合力指導組合選配[29]。如果雙親一般配合力都較高且互補并具有較大的特殊配合力方差,則該組合易表現出較強的雜種優(yōu)勢；另外選擇同一性狀差異越大的親本進行組配,后代所獲得的雜交優(yōu)勢越強,所以在親本選配時,針對某一目標性狀,差異越大的親本,其后代的雜交優(yōu)勢越明顯[30]。

3 組配方法

在明確目標性狀并選擇高產、抗病、優(yōu)質互補且在親本之一地區(qū)適應性好的材料后即可有目標有計劃地配制雜交組合。目前親本組配方法主要有單交、復交、回交和聚合雜交四種方式。

3.1 單交

兩個品種進行雜交稱為單交,單交只進行一次雜交,簡單易行,且在當年即可異地加代,育種時間短,雜種后代群體的規(guī)模也相對較小。在我國雜交育種育成的品種中,許多大面積推廣的品種是由單交法育成的,如生產上大面積應用的粳稻品種鎮(zhèn)稻88號、徐稻3號、寧粳4號、寧9018等。

3.2 復交

復交即用3個或3個以上的親本,進行2次或2次以上的雜交。與單交方式相比,復交的雜種后代能產生更多的變異類型,并可能產生超親類型,但性狀穩(wěn)定較慢,所需育種年限較長。但隨著生產的發(fā)展和生物技術在育種中的應用,復交方式已被廣泛應用。如優(yōu)良食味品種香粳111是以秀水04與紫金粳1號雜交的F1再與武育粳3號雜交配組而成的遲熟中粳香稻。

3.3 回交

回交即雜交后代再與其親本之一雜交,以加強雜種世代某一親本性狀的育種方法,在保持輪回親本的基本性狀的同時,又增添了非輪回親本特定的目標性狀?；亟挥N由于采取個體選擇和雜交的多次循環(huán)過程,有利于打破目標基因與不利基因間的連鎖,增加基因重組頻率,從而提高優(yōu)良重組類型出現的幾率。抗白粉病小麥品種揚麥18即利用攜抗白粉病基因Pm21的新抗源南農P045為供體親本,采用“滾動回交”育成[31]。拓云等[32]利用SSR標記輔助回交轉育出大豆7S球蛋白α-亞基致敏蛋白缺失新品系。此外,回交法是創(chuàng)造不育系、轉育不育系和恢復系的主要方法,也是培育同質異核系和同核異質系的方法。蓋鈞鎰等[33]利用栽培大豆品種間雜交組合N8855×N2899的F1表現雄性不育,經與N2899連續(xù)回交4代,選育出綜合農藝性狀優(yōu)良、花粉敗育率為100%的大豆質核互作雄性不育系NJCMS1A及其保持系NJCMS1B。姚姝等以恢復系寧恢8號為輪回親本與抗病品種關東194雜交,成功改良了寧恢8號對條紋葉枯病的抗性[34]。

3.4 聚合雜交

聚合雜交指多個基因型不同的親本通過多次、多向雜交,將所需親本的基因集中到一個或多個雜種群體中的一種雜交方式,在其實際應用中多與分子標記技術相結合,輔助選擇育成聚合有利基因的新品系。高安禮等[35]利用與小麥抗白粉病基因Pm2、Pm4a和Pm21緊密連鎖的PCR標記,對含有Pm2、Pm4a和Pm21的小麥品系復合雜交后代經3輪分子標記選擇,得到了一批聚合有Pm2+Pm4a+Pm21 3個基因和Pm2+Pm21、Pm4a+Pm21和Pm2+Pm4a2個基因的植株。陳宗祥等[36]也通過聚合雜交的方式輔以Indel標記輔助選擇,育成聚合了抗紋枯病QTL qSB-9TQ和抗條紋葉枯病基因Stv-bi的品系。

4 發(fā)展戰(zhàn)略與前景

近年來,隨著分子生物學、基因組學、轉錄組學、蛋白組學、表型組學及生物信息學等學科及相應技術的迅猛發(fā)展,作物育種理論及技術也發(fā)生了重大變革,相應而生的生物育種技術使農作物育種更加精確、高效且可預見。將分子標記、基因組關聯分析和表型鑒定等有機結合輔助選擇雜交育種親本將會成為主要方法。

分子標記輔助育種的本質是通過與目標性狀緊密連鎖的(或目標性狀基因序列本身的) 分子標記進行選擇從而達到選擇目標性狀的目的[37]。其基本技術要求是利用親本材料基因或DNA序列的差異,開發(fā)與目標性狀緊密連鎖且可跟蹤檢測的標記,通過標記與表型相結合的方法預測該品種作為雜交親本的育種值。該方法不受時間和空間的限制,簡單易行,對育種值的預測比傳統方法更精確,對親本攜帶目標基因的判斷更直觀,能夠提高育種的效率。當然,很多重要的農藝性狀尤其是數量性狀表現受到環(huán)境及多基因的共同作用,如何精確估測育種值并加以大規(guī)模應用正在進一步研究中。在現代育種中應用的分子標記主要有兩類：一類基于聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction, PCR),如簡單序列重復(simple sequence repeats, SSR)、缺失插入(Insert and Delete, Indel)標記等,這類標記簡單直觀,重復性好,利用此類標記篩選改良了大量親本[38-42];另一類以生物信息學和基因組測序技術為基礎,如單核苷酸多態(tài)性標記(single nucleotide polymorphisms, SNP)和單核苷酸特征多態(tài)性(single feature polymorphism, SFP)。

全基因組關聯分析(genome wide association study, GWAS)是指以測序技術為基礎,利用全基因組內的常見遺傳變異(單核苷酸多態(tài)性和拷貝數)進行關聯分析,構建超高密度遺傳圖譜及連鎖不平衡統計數據,確定重要表型和基因型之間的聯系,推算整個表型變異的全基因組中所有標記的效果,由此根據育種目標利用標記選擇所需親本配組。該技術的應用使得與作物產量、品質、抗性等重要性狀相關的基因及QTL被大規(guī)模發(fā)現[43-47]。而且隨著芯片技術的發(fā)展,SNP標記因其數量巨大、在基因組上均勻分布和基于芯片的高通量分析手段的特點,在現代MAS中得到了廣泛的應用[48-52]。

在雜交育種中親本的選配上,一些重要農藝性狀的基因/QTL分子標記將會被更多地應用于種質資源基因庫的建立、核心種質和骨干親本的篩選、親本遺傳信息鏈接以及主要育種性狀GP(Genotype to phenotype)模型的建立[53]。育種家們在選擇親本材料時,可直接檢索基因庫,結合不同作物的生物學特性及不同生態(tài)地區(qū)的育種目標,對育種過程中各項指標進行模擬優(yōu)化,預測不同親本雜交后代產生理想基因型和育成優(yōu)良品種的概率,從中選出理想的親本材料,大幅度提高育種效率。

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(責任編輯:黃榮華)

Research Progress and Tendency of Parent Selection and Combination in Crop Hybridization Breeding

HU Ting-ting, WANG Jian-kang, DING Cheng-wei, GUO Rong-liang,WU Yu-ling, XU Jia-an, WANG You-shuang, ZHAO Yi-peng

(Xuzhou Institute of Agricultural Sciences in Xuhuai Region of Jiangsu, Xuzhou 221121, China)

This article reviews the recent research progress and the future tendency of parent selection and combination in crop hybridization breeding, mainly including the identification, improvement and innovation of germplasm resources, and the screening of backboned parents. We think that not only the traits and genetic relationship but also the ecotype, geographic origin and combining ability of parents should be considered in parent combination, and the molecular marker-assisted selection can be combined with the genotypic selection and phenotypic selection in the breeding of crop new varieties.

Crop; Hybridization breeding; Parent; Optimized selection and combination; Molecular marker-assisted selection

2017-01-07

江蘇省政府留學獎學金項目(2013);江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014314、BE2015312)。

胡婷婷(1980─),女,湖北宜昌人,助理研究員,博士,從事水稻單倍體培養(yǎng)及分子育種研究。

S5.035.1

A

1001-8581(2017)06-0020-05