多生态广适应多抗性暨育种潜力递增的群体改良育种系统

摘要

本发明公开了一种多生态广适应多抗性暨育种潜力递增的群体改良育种系统，包括选三群组配轮回选择初始群体的优良种质、抗性选择、双单倍体育种、DH系测试、配合力测定、DH系应用于育种以及组配第二轮回原始群体等步骤。本发明倡导在多生态条件下广泛进行多病虫害抗性、抗倒性、产量等方面的轮回选择，并进行群体互换与相互结合，聚合多抗、丰产、广适等优良基因，使轮选群体遗传基础得以不断拓宽，育种性能不断提升。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多生态广适应多抗性暨育种潜力递增的群体改良育种系统。

背景技术

玉米是我国面积与产量第一大作物，也是世界第一大作物。目前我国玉米单产仅5416.7公斤/公顷（2008年），远低于美国10000公斤/公顷（2005年）。我国玉米小面积最高产量达15000公斤/公顷左右，也远低于美国高产竞赛27750公斤/公顷（2002年美国依阿华州的FrancisChilds创造）。近一、二十年来，世界玉米育种趋势是以提高品种的综合抗逆性来提高玉米群体产量，密度也在逐步增加。如美国20世纪30年代，种植密度不到30000株/hm²，产量1200-2000kg/hm²左右;60-70年代，密度增加到45000株/hm²，产量提高到3800-5500kg/hm²。目前其种植密度已增至67500株/hm²以上，产量提高到9000kg/hm²以上；而其高产田的种植密度则高达85500-109500株/hm²，产量达到15000kg/hm²以上。美国是世界中较早与长期开展轮回选择的国家，仅据美国中北部调查的不完全统计，其长期改良群体的类型包含了产量44个、产量与熟期9个、农艺性状43个、抗虫性14个、抗病性57个、化学组成28个、适应性15个、其它不明确特定性状36个共246个群体改良工作（其中采用混合系统法占60%，其它相互轮回选择、半姊妹、全姊妹等占40%），有效地推动了玉米生产的发展。如BSSS（衣阿华坚杆群体）进行了长达70年以上的群体改良，选育了B37、B73等优良自交系应用于生产，推动了生产的发展。目前，其群体改良仍作为其重要的种质改良方法之一。美国（包括美洲）新世纪的种质扩增计划，主要建立在前育种大量工作基础上的优系与杂交组合杂交的顶交法为主，尽管在获得一个优异种质后增产幅度较大，然而热带、亚热带等种质有一个驯化的过程，其组合形式亦类似于窄基础方式，在我国目前育种体系下难以实施。

玉米粗缩病是近年严重影响我国玉米生产的病害，有些地方重病年份甚至导致成万公顷绝收。目前国内抗粗缩病种质资源贫乏，多集中在利用78599种质。茎腐病是常年严重发生的病害，发病后粒重降低，植株倒伏，严重威胁机械化收获。其它如瘤黑粉病，对玉米品质影响较大；密植是提高产量的最有效措施之一，耐密抗倒也是目前需迫切改良的性状。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效果好的多生态广适应多抗性暨育种潜力递增的群体改良育种系统。

本发明的技术解决方案是：

一种多生态广适应多抗性暨育种潜力递增的群体改良育种系统，其特征是：包括下列步骤：

（1）选三群组配轮回选择初始群体的优良种质；根据育种系谱及分子标记划群依据，将种质分成A、B、D三群：将3类群种质分别采用一母多父混粉杂交，然后将此种子分别种植在三个各0.5亩的隔离区，隔离区以空间距离不低于500米，或时间隔离不低于20天，得到轮选初始群体；

（2）抗性选择：初始群体播种于玉米粗缩病、茎腐病易发病环境下，将感病株去雄或砍除淘汰；

（3）双单倍体育种：利用上述三个群体，在大陆秋播或海南岛以高诱1号作父本种植隔离区1个，面积1.5-2亩，收获三个群体去雄后授以诱导系花粉的种子，分别在三类群中逐粒挑选具有紫色粒顶、无色胚芽尖、凹陷三角形胚性状的准单倍体籽粒；将三群准单倍体种子春季或海南种植自然加倍；

也可三群准单倍体种子种植于逆境生态条件，逆境生态条件不利于单倍体的自然加倍，但有利于单倍体植株的自然选择，易获得抗逆、广适的DH系，自然加倍量为5～10%；

（4）DH系测试：记录DH系的株高、穗位高，自交授粉期、生育期，先按株高排序，从矮到高；矮、中、高杆中再从早至晚授粉期或生育期排序，以登记种子；登记好的种子种植在90000-120000株/ha环境下选择耐密抗倒性，辅以粗缩病、茎腐病、瘤黑粉的病虫害发生条件，选择多抗性；同时还利用快速水分测定仪进行脱水速度的测定、选择、记录；

（5）配合力测定：每两个群的DH系登记后种植1个隔离区，去雄，利用1个第三群代表优系作测验种测配，产生可供3～9个点抗逆性、农艺特性、配合力测试的种子；选择3～9个生态各异试点种植，根据多点测试结果，选获多抗、高配、脱水快等优异DH系；或选获具有单抗、高配、脱水快、抗倒极强的特征系；测配组合测试密度在50000-90000株/ha间分密度进行，鉴定性状包括产量及其构成因素、倒伏、穗位上1、2叶角、抗病性，以主要鉴定测试产量配合力、粗缩、茎腐、瘤黑粉的病害抗病性、抗倒性与耐密性、成熟期自然含水量的配合力效应；

（6）DH系应用于育种以及组配第二轮回原始群体：将抗逆性与产量配合力优良的DH系直接应用于育种配组；同时将最优良以及抗病、抗倒、配合力方面有特色的当选DH系，进行：1)相互杂交，继续选择聚合多个优良性状的自交系种质；2)按三类群混粉后形成新原初群体，将新原初群体收获后混合分别种在三个隔离区，得到3个第二轮回初始群体；3)提升育种潜力后的群体，通过DH育种，所有DH系不作淘汰，一边进行分子标记扫描，一边进行粗缩、茎腐、瘤黑粉的病虫害、抗倒性、脱水性的性状多点鉴定，通过可重复性的联合相关分析，进行实用性分子标记辅助选择研究与应用；

（7）将经由多生态区自然与人工选择或轮回选择的回归群体，再通过隔离区充分混粉形成新的多抗广适产量等育种潜力再次得到提升的群体。

步骤（1）中组配的三个类群是，A类群以玉米育种中的PA群与Reid群种质合成，B类群以PB与兰卡斯特种质合成，D类群以旅大红骨群与四平头群合成。

本发明的分类与育种技术方法具有如下优点：

三群分类法适合中国国情。本发明未沿袭国外SS×非SS杂优模式的最重要原因是，我国最大的黄淮海玉米主产区，其最适杂优模式是A×D（如郑单958），或B×D（如鲁单981），特别是D群中的四平头血统。而A×B（如先玉335）是华北、东北最主要的适宜杂优模式，而D群中的旅大红骨血统在黄淮海（如掖单13）及东、华北均能很好使用。

三群间具有杂种优势，易育成优良品种。合成的A、B、D三群，既切合我国育种实际，又与世界育种趋势相吻合。A×D模式，代表单交种为郑单958（曾获国家科技进步一等奖）、掖单13等；B×D模式，代表单交种为丹玉13（曾获国家科技进步一等奖）、鲁单981等；A×B模式，代表单交种为先玉335（年推广200万公顷以上）、伊单9号等，同时也曾是美国玉米育种最主流模式。

三群分类法有利于吸收外来与保持本土优良遗传资源。合成A、B、D三类群，进行轮回选择，既有利于吸收亲缘来自国外的A、B群的新系进入轮回选择，又有利于保持我国本土种质固有的优良特征，还能保证我国经长期适应多种生态类型形成的优良遗传基因的持续不断渗入。诚然，美国主要玉米带纬度37°N～45°N，其生态环境与我国玉米大区黄淮海、华北、东北大致类似，因而决定了美国的Reid、兰卡斯特、爱华马齿等在中国玉米生产大区（Reid特别适应黄淮海，而兰卡斯特华北、东北更适一点）适应性强、抗性好、产量高。而中国这些大区的适应种质四平头、旅大红骨类群优系也已渗入到美国玉米带的玉米育种计划之中。本发明提倡此种质类群分类法，起一个抛砖引玉的作用，未来如果能有世界性种质创新联合，可能会有一个更科学的分类方法，如将旅大红骨类型合并在PA、Reid类群中以形成SS群，将四平头合并在PB、兰卡类型中以形成非SS群，或其它方式，充分利用世界范围内的生态适应与有利变异。

三群分类法有利于群间优系的相互改良。育种实践表明，玉米杂种优势群的形成与发展是一个动态的过程，比如PB类群选自美国单交种78599，来自于Reid种质而又分化为与Reid种质具有杂种优势。据不完全统计，美国约有40个优良单交种分离出一些优系并推广应用，现已发展成为与Reid种质具有杂种优势的优异种质群（似我国78599群）。这同时也说明了主要来源于衣阿华硬秆综合种的Reid种质，其遗传基础广、后裔一般配合力高且适应性强。国内多个优良品种是两群间杂交，然后与第三群组配，如农华101和潞玉13（长玉13），即（A×B）的自交后代再×D；良玉99，母本是采用先玉335杂交种改良郑58后再回交郑58，父本为（丹598×昌7-2）×昌7-2的自交后代，杂交组合[（A×B）×A]的自交后代再×[(（D×B）×D)×D]的自交后代，隆平206亦类似、蠡玉35则为（郑58×Mo17）×郑58的自交后代再与黄改系配组；而中单909则为郑58×HD568为A与[（A×B）×D]的自交后代配组的形式等。

本发明有利于私营种企加入种质创新体系。美国私营种企优系加入种质扩增计划，需将商业自交系与筛选出的特征种质杂交后释放到种质扩增体系公用，公益性部门可释放选育出的自交系。本发明的三群多生态种质，便于私营企业加入本种质创新体系，同时亦便于种质性能提高国际化，还便于育种家在种质来源清晰情况下加入种质改良系统，使群体育种潜力持续递增或不断拓宽种质遗传基础。

通过DH系育种再经过配合力测定，可将三群间遗传距离拉大，育成更高产抗逆的优良品种。

通过3大类群的群体轮回改良，有利于多类型优良基因库的种质群内优良基因的累积与逐步聚合，达到种质遗传基础扩增的目的；同时在以后的选系与逐步改良推进中，特别是在双单倍体系的产量配合力与抗逆性测试过程中可发现大量特异性种质，则在同一类群轮选后代中选择各别性状优良基因种质，逐步杂交聚合，达到在相似遗传背景下多性状多基因的逐代累积，可大大缩短育种年限，实现高产多抗早熟脱水快等多性状优良基因的聚合。

有意加入本种质改良计划部门间，可通过签订协议，促进群体育种潜力递增，并订立群体或特征种质互换共享协定。经由多生态区自然与人工选择或轮回选择的回归群体，再通过隔离区充分混粉打破连锁继续自然选择与人工选择，可提高群体的多抗广适性产量等育种潜力。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

一种多生态广适应多抗性暨育种潜力递增的群体改良育种系统，包括下列步骤：

（1）确定种质：决选三群组配轮回选择初始群体的优良种质。

（2）根据育种系谱及分子标记划群依据，将种质分成三群：A类群以玉米育种中的PA群与Reid群种质合成（可以是包括郑58、S951、N18S951、H991等PAReid群系15个），B类群以PB与兰卡斯特种质合成（可以是包括S651、T877、YJ7、沈137、Mo17、SwanRU2优等PB兰卡群系18个），D类群以旅大红骨群与四平头群合成（可以是包括丹340、E28、昌7-2、综3昌7-2、414、S44S等优系16个），将3类群种质分别采用一母多父混粉杂交，收获后分别种在三个各0.5亩的隔离区，隔离区以空间距离不低于500米，或时间隔离不低于20天，得到轮选初始群体。

（3）抗性选择：初始群体按90000株/ha左右密度种植在粗缩病易发的播期（如江苏省春播的4月15日后至5月中下旬，夏播的6月初至6月中旬前），再在生育中期辅以拔节期漫灌一次（泡水10小时后放干或隔1-2天再泡水10小时后放干）、灌浆中期漫灌一次（泡水10小时后放干或隔1-2天再泡水10小时后放干）以诱导茎腐病发生，淘汰倒折株、粗缩病、茎腐病、瘤黑粉等病虫严重株；

（4）双单倍体（DH）育种：利用上述三个群体，在大陆秋播或海南岛（种子较大利于选择）以高诱1号作父本种植隔离区1个（1.5-2亩），收获三个群体去雄后授以诱导系花粉的种子，分别在三类群中逐粒挑选具有紫色粒顶、无色胚芽尖、凹陷三角形胚等性状的准单倍体籽粒；将三群准单倍体种子春季或海南种植自然加倍[气候凉爽、昼夜温差大的环境有利于单倍体植株的自然加倍；逆境生态条件（极端高温、干旱、低温寡照、瘠薄等）不利于单倍体的自然加倍，但有利于单倍体植株的自然选择，易获得抗逆、广适的DH系，一般5～10%，极少种质3%以下或不加倍必需人工加倍），或用秋水仙素（有剧毒）+（二甲基亚矾（DMSO）、吐温80（Tween-80）和细胞分裂素等常用辅助剂）浸种处理进行加倍，或用特定浓度的除草剂甲基胺草磷（APM，Amipro-phosmethyl）、炔苯酰草胺（拿草特，Pronamide）、二硝基苯胺（氟乐灵，Trifluralin）和安磺灵（Oryzalin）等除草剂，在单倍体苗5～7叶期对苗喷洒具有良好的加倍效果。此外，中国农业大学已研制出“利用除草剂加倍玉米单倍体的方法及专用除草剂”专利技术（专利号：201110325133）可供利用。得到能自交的DH系种子。由于单倍体被诱导率与自然加倍率因育种基础材料不同，且DH系后代其单倍体诱导率与加倍率能提到累加提升，故利用高诱导与加倍率的材料及优DH系后代作基材易事半功倍。

（5）DH系测试：记录DH系的株高、穗位高，自交授粉期、生育期，先按株高排序，从矮到高；矮、中、高杆中再从早至晚授粉期或生育期排序，以登记种子。登记好的种子种植在90000-120000株/ha环境下选择耐密抗倒性，辅以粗缩病、茎腐病、瘤黑粉等病虫害发生条件，选择多抗性；同时还可以利用快速水分测定仪等辅助进行脱水速度等方面的测定、选择或记录，优者多做自交繁殖。

（6）配合力测定：每两个群的DH系登记后种植1个隔离区，去雄，利用1个第三群代表优系作测验种测配，产生可供3～9个点抗逆性、农艺特性、配合力测试的种子。选择3～9个生态各异试点种植，根据多点测试结果，选获多抗、高配、脱水快等优异DH系；或选获具有单抗、高配、脱水快、抗倒极强的特征系。测配组合测试密度可在50000-90000株/ha间分密度进行，鉴定性状包括产量及其构成因素、倒伏（根倒、茎折断）、穗位上1、2叶角、抗病性（粗缩、茎腐、瘤黑粉、穗腐等），以主要鉴定测试产量配合力、粗缩、茎腐、瘤黑粉等病害抗病性、抗倒性与耐密性、成熟期自然含水量等的配合力效应。

（7）DH系应用于育种以及组配第二轮回原始群体：将抗逆性与产量配合力优良的DH系直接应用于育种配组；同时将最优良以及抗病、抗倒、配合力方面有特色的当选DH系，1)相互杂交，继续选择聚合多个优良性状的自交系种质；2)按三类群混粉后形成新原初群体，将新原初群体收获后混合分别种在三个隔离区，得到3个第二轮回初始群体。3)提升育种潜力后的群体，通过DH育种，所有DH系不作淘汰，一边进行分子标记扫描，一边进行粗缩、茎腐、瘤黑粉等病虫害，抗倒性，脱水性等性状多点鉴定，通过可重复性的联合相关分析，进行实用性分子标记辅助选择研究与应用。

（8）通过产学研协作等相关途径，广泛吸收有意加入本种质改良计划的部门单位，通过签订协议，促进群体育种潜力递增，并订立群体互换协定。将经由多生态区自然与人工选择或轮回选择的回归群体，再通过隔离区充分混粉形成新的多抗广适产量等育种潜力再次得到提升的群体。