玉米种质资源研究进展

玉米种质资源研究进展 刘丹，东北农业大学，150030 玉米的种质资源非常丰富，玉米无论在表型水平还是在分子水平上都是遗传差异较大的物种。即使在育种水平较高的美国，目前所利用的玉米种质还不到总资源量的5%[1] 。在中国，优质、抗逆、高配合力和适应性广的种质资源的匮乏，始终是玉米育种快速发展的制约因素。近年来，国内有关玉米种质资源的评述，多局限于杂种优势群和杂种优势模式的框架之下，但不同类型种质资源的利用途径的讨论较少，因此实用性不大，同时，对国外的最新研究成果介绍的也不多。 摘要 玉米种质资源是选育优良品种的遗传物质基础。搜集原始素材，拓宽种质基础，开展种质鉴定、创新和利用，在玉米品种改良工作中始终占有重要地位。本文主要介绍了玉米种质资源的遗传背景、研究方法，以及玉米种质资源在遗传多样性、种质类群的划分、群体配合力、抗胁迫性、品质等方面的研究，探讨了玉米种质资源的研究方向。 关键字：玉米 种质资源 背景 研究方法 研究现状 1 玉米种质资源的利用背景 根据玉米种质资源遗传背景的差异，可以把它们划分成不同的杂种优势群。在不同环境下的自然和人工选择，造成不同亲本之间基因型的差异，从而形成了它们之间的杂种优势。杂种优势模式是杂种优势群之间的杂交后代的相对表现。在美国，北方硬粒与南方马齿亚种之间的形态差异非常大，如果它们是野生的禾本科植物，就会被划分为不同的种，甚至是不同的属。美国玉米带玉米的杂种优势似乎应归功于北方硬粒和南方马齿之间的巨大差异，最大的杂种优势也可望从分别来源于北方硬粒和南方马齿的自交系之间的杂交组合中获得。Reid×Lancaster 是最主要的杂优模式。Reid 更像北方硬粒亚种，而Lancaster 更像南方马齿亚种。两个杂种优势群的标准测验种分别是B73 和MO17，B73×MO17 是美国玉米带很长一段时期内主推的杂交种之一。欧洲引进美国马齿种质，与当地的欧洲硬粒种质构成最常见的杂种优势模式，该模式将美国种质的丰产性与欧洲种质的早熟性和适应性相结合。欧洲使用的美国种质大部分属于Minnesota13 优势群，该优势群在美国玉米种质中所占的比例仅次于Reid，是早熟种质的主要来源。在热带、亚热带地区，Tuxpeno 和ETO 构成两个基础的杂种优势群，Tuxpeno × ETO 是当地最重要的杂种优势模式[2]。 从20 世纪80 年代到90 年代中期，中国玉米育种消化和利用78599 及其同类杂交种，这是续MO17、B73 之后中国玉米种质资源引进的第二次浪潮。21 世纪初，美国先锋种子公司以„先玉335‟为代表的先玉系列品种，具有突出的丰产性、广适性和多抗性。全国多数育种单位都将此作为玉米种质扩增的首选材料，选育出一批优良的自交系，被称为X系种质[3]。这一方面反映出中国玉米育种领域对国外优秀种质资源的积极引进，另一方面也反映出中国玉米种质资源的缺乏和育种工作低水平重复的状况，可见，加强玉米种质资源创新的育种基础性工作已迫在眉睫。利用和改良玉米种质资源时，要灵活运用杂种优势群和杂种优势模式，既要参考一定的杂种优势群的划分，以便对种质资源的遗传背景有较清楚的认识，同时，又要突破固定的杂种优势模式，以便根据目标性状组建群体和配制组合。石雷[4]认为，中国的玉米育种，应把中国玉米种质与引进的国外种质相结合，把本土的杂种优势模式与国外的杂优模式相结合，同时与国际通用的Reid-Tuxpeno×nonReid-nonTuxpeno 杂优模式接轨。高翔等[5]遵循种质扩增中优势互补，不断创新的原则，对美国Reid 种质进行改良利用。一是沿用原有的典型杂优模式，即Reid×Lancaster，利用四平头和旅大红骨等种质对父母本双方进行种质扩增。二是采用单交、复合杂交、回交、自交、辐射诱变、化学诱变、生物技术等方法，对含美国Reid 种质的选系进行种质扩增，目的是创建新的杂优模式。刘纪麟[6]指出，把玉米育种的基础材料，按杂种优势模式，划分成若干对杂种优势群，可以减少盲目性，提高育种效率。同一个杂优模式下的杂种优势群间选出的优系，遗传背景不同，应具有较大的杂种优势，相互之间的特殊配合力较高，这些自交系也便于按各自的优势群归类。不同杂优模式的优势群选出的优系，因含的有利基因较多，一般配合力较好，也可能组配出农艺性状较优的强优势组合。番兴明等[7]也报道，CIMMYT利用优良自交系，组建了选育新自交系的基础群体。尽管这些群体不是按杂优模式组成的，但每一个群体内通过轮回选择已有大量的基因重组，它们的遗传构成和籽粒品质（马齿或硬质）表明，它们可以作为对应的杂种优势群利用。 2 玉米种质资源的研究方法 2.1 系谱分析法 系谱分析法是在对种质基础分析的基础上，根据育种材料的血缘关系研究群体的方法。我国所用的主要种质从来源上可以分为改良Reid、Lancaster、四平头和旅大红骨四个杂种优势群，相对应地构成了国内主要杂优模式。因此，可以根据这些类群的遗传特点进行种质的改良和创新研究，但要注意在改良某一类群时，不要把同一杂种优势类群的对应类群进行杂交，以避免相互间杂种优势的丧失。 2.2 数量遗传学方法 2.2.1 NC—II设计 NC—II设计是一种较优的特殊不完全双列杂交设计，可以用于研究具有不同特性的亲本材料，如人工合成群体、雄性不育材料和新选自交系等。首先，以一组能够代表各个杂种优势群的自交系作为标准测验种，然后与待测群体或自交系进行杂交；然后，测定配合力的值后就可以依据待测材料SCA表现对其进行种质类群划分和杂种优势模式的初步判断。 2.2.2 双列杂交 双列杂交包括完全双列杂交和不完全双列杂交。完全双列杂交是指一组亲本间进行所有可能的杂交，依据不同的组合类型，共分为4种：(1)包括亲本自交系及正反交组合，共P2个实验材料；(2)包括亲本自交系及正交组合，共I／2P(P+1)个实验材料；(3)不包含亲本自交系，仅包含正反交组合共P(P一1)个实验材料；(4)仅包含正交组合，共1／2P(P—1)个实验材料。其中每一种方法，都有相应的配合力计算公式，可以为各种作物进行配合力研究提供较详尽的信息。但其缺点是随着被测系的增加，杂交组合数会急剧增加，导致工作量剧增和试验误差难于控制，从而影响试验的准确性和精确性。后来出现了把供试亲本分为两组，只进行组间杂交，不进行组内杂交的不完全双列杂交方法，优点可以大大减少育种方案中的杂交组合数，且有利于研究群体或具备特殊优良性状的一组自交系的配合力和遗传力等参数。所谓不完全双列杂交是指把供试纯育亲本按试验要求分为两组，只进行组间杂交，不进行组内杂交。 2.2.3 三重测交法 三重测交法(TIC)是以NC Ul设计原理和方法为基础，检验上位性较为灵敏，而且在无上位性时，也能准确地检验和估算加性遗传分量(D)和显性遗传分量(H)。后来，以品种群体代替原设计中的心，使其应用更加普遍化。在玉米育种中，本法较适用于群体改良中基础群体的遗传分析和群体重要性评价。可以把该设计所获得各种有关遗传参数进行综合分析，使群体改良、自交系和杂交种选育有机的结合起来，从而提高育种的准确性和预见性。如潘光堂等运用该设计，以综合种群体代替原设计中的F2代，对群体21个数量性状的遗传分量进行的研究，以及金益等运用该设计对东农2号玉米改良群体的12个品质性状进行遗传相关及选择预期遗传进度的分析都显示了其设计优良的特点。 2.3 分子标记法 分子标记是直接以DNA多态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。现用于群体遗传多样性和杂种优势群研究的较成熟的分子标记有两大类：一类是基于DNA分子杂交技术的分子标记，如RFLP；另一类是基于PCR技术的分子标记，如RAPD、SSR和AFLP等。日趋成熟的分子标记技术为玉米群体遗传多样性和杂种优势类群划分提供了新的手段和方法。然而，杂种优势群划分面对的是复杂的产量性状，完全依靠分子标记技术而抛弃对育种材料的田间组配与评价显然不够恰当，因此用DNA分子标记确切划分玉米种质的杂种优势群以及构建杂种优势模式，目前还需要与数量遗传分析相结合。所以在现所以在现阶段的遗传育种研究中，最好还是采用多种研究手段相结合的方式以避免不必要的失误[8]。 3 玉米种质资源研究现状 3.1 遗传多样性研究 多年来，育种家通过形态观察、常规手段整理种质资源，选择亲本，育成了许多高产组合玉米。由于表型性状是遗传背景与环境综合作用的结果，因此要获得优良单株，在很大程度上取决于育种家的实践经验。随着生物技术的发展，检测DNA 的各种技术相继建立和完善。一些研究者用限制性内切酶片段长度多态性( RFLP) 研究了不同玉米群体的遗传变异和自交系间的亲缘关系，开拓了分子标记在种质研究方面的新途径。充分发掘地方种质，掺和外引种质，并采用轮回选择体系不断积累有利基因，为中长期分离优良玉米自交系提供基因库已成为当今种质研究的热点。近年来植物基因组学的迅速发展使人们对作物种质的分析进入分子水平。美国于1996 年开始实施的玉米基因组计划，加快了这个领域的研究进程。10 多年来，分子标记的出现，为玉米的遗传多样性分析提供了更深层次的技术。目前分子标记正逐渐成为分析生物遗传多样性的有力工具，在农作物遗传分析中应用最广的主要有RFLP、随机扩增的多态性DNA( RAPD) 、SSR、扩增片段长度多态性( AFLP) 等。 3.2 杂种优势群研究 杂种优势群及杂种优势模式的构建是近年来国内外玉米育种家们研究的热点。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。把优良玉米自交系划分到不同杂种优势群以及把新自交系划分到已建立的杂种优势群的方法有: 亲缘关系、表型聚类、配合力分析和杂种优势分析，生理生化指标(同功酶) 、分子标记。结合相关研究对各种方法的评价，认为配合力分析、杂种优势分析和分子标记方法有助于育种实践。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。特别是近10 年来，分子标记技术的飞速发展，为在分子水平上研究玉米的杂种优势群及其模式提供了新的手段[9]。 3.3 基础群体研究 3.3.1 群体改良研究 理论和实践证明，根据育种目标，选择自交系，组配综合种，而后采取轮回选择加以改良，是创造优良育种群体，进而育成优良自交系和杂交种的一条有效途径。热带、亚热带群体和杂交组合的产量及配合力高，利用潜力大，可加入到玉米育种方案中以拓宽我国育种材料的遗传基础。温热杂交组合的抽雄、吐丝、ASI 值、果穗性状基本达到温带生产可利用的标准，温带种质中控制这些性状的基因对外来光敏感基因表现显性，