玉米雄花不育系生产优势杂种的奥秘

3　玉米雄花不育系生产优势杂种的奥秘

玉米是世界上主要粮食作物之一。我国的玉米常年种植面积在2 100万公顷左右，其面积和产量仅次于水稻和小麦，居粮食作物第三位，在世界上，仅次于美国，居第二位。同时，玉米也是重要的饲料和工业原料作物，与国民经济建设，与人民的日常生活息息相关。多年来，人们都在努力探索玉米的高产之路。我们知道，利用杂种优势是提高作物产量的有效途径之一。由于玉米是雌雄同株异花作物，人工摘掉雄花非常方便，繁殖系数也较高，是利用杂种优势最早最广泛的作物。20世纪初期，美国人为了提高玉米产量，开始了玉米自交系及杂交种的研究。20世纪30年代初期，开始推广玉米商品杂交种子;20世纪50年代中期，全美普及了玉米杂交种。大约在20世纪20年代中后期，前苏联、欧洲一些国家和中国都先后开始了玉米自交系杂交种育种研究工作。由于玉米自交系杂交种产生了商品价值，在生产上被广泛应用，从而导致在20世纪20年代中期以生产和销售玉米杂交种子为主体的种子行业的兴起，并推动了饲料工业和动物饲养业的发展，促进了传统种植业向现代农业的转化。玉米的杂种优势非常显著，杂交种比普通品种一般可增产20%～50%，甚至更高一些。因而，世界各国都把推广玉米杂交种作为提高玉米产量的重要措施之一。

根据玉米杂交时采用的亲本以及组合方式不同，可将玉米杂交种分为品种间杂交种、自交系间杂交种、品种与自交系间杂交种等。品种间杂交种是用两个不同的玉米品种作亲本进行杂交所产生的杂交种。一般品种间杂交种比普通品种增产10%～20%。玉米自交系是用玉米品种或杂交种做原始材料，经过连续多代的人工套袋自交和严格的单株选择而产生的后代(见图4)。用自交系作亲本配成的杂交种，称为自交系间杂交种。由于它的父、母本都是通过多代自交和选择而育成的纯良的自交系，因此，杂种第一代的生长优势很强，比普通玉米品种增产30%～40%，甚至更高，而且比品种间杂交种还增产20%左右。根据亲本的多少和组合方式的不同，自交系间杂交种又分单交种、双交种、三交种和综合杂交种等四种。由两个自交系作亲本配成的杂交种叫单交种。单交种的增产效果最显著，配种手续简单，是当前重点推广的杂交种。据1986年国内不完全统计，共推广玉米杂交种12 980千公顷，其中单交种占98.6%，双交，三交和综合品种合计只占1.4%。所谓双交种是由两个单交种作亲本所配成的杂交种;三交种是先用第1个自交系与第2个自交系配成单交种，再用这个单交种作母本，与第3个自交系杂交而成。

综交种简称综交种，是用若干个自交系或单交种、双交种及优良的地方品种杂交而成。综合杂交种的配种方法有二:一是将若干个自交系或单交种、双交种种子等量混合，播种在隔离区中自由传粉，经过混合选种而成的杂交种;二是用一个自交系或一个单交种、或一个双交种作母本，以若干个自交系或单交种、双交种的等量混合种作父本，按母本2行，父本1行，相间种植在隔离区中，母本去雄，可接受多种父本的花粉而育成的杂交种就是综交种(见图5)。由于参与配制综交种的亲本多，遗传基础比较复杂，杂种优势较显著，也比较稳定，保持的时间长，一次制种可连续利用4～5年以上。品种与自交系间杂交种亦称顶交种。是用一个优良玉米品种与自交系配成的杂交种。顶交种配种方法简便易行，增产效果也高于品种间杂交种和综交种。在上述各种杂交种中，除了综交种的杂种优势维持时间长，可连续多年作种均有增产效果外，其他杂交种只有杂种一代增产显著，可用于生产，而杂种二代就产生分离，生长不整齐，杂种优势下降，产量降低，不能做种用。育种工作者在开展杂种优势利用研究中，经常遇到一个母本去雄的问题，尽管玉米是雌雄异花，去雄比雌雄同花的小麦、水稻、油菜等要容易，但在大面积制种时，人工去雄仍要花费大量人力。因此，人们期盼在生产杂交种时，如果能拥有一个患有雄花不育症的“母玉米”，再用精选的玉米自交系作父本，只要两者种在一起，“母玉米”就勿需去雄，而可以自由接受父本的花粉，“生儿育女”产生杂种了。这样不仅能节省大量去雄人工，降低种子成本，而且可以减少因去雄不净所造成的真杂种与假杂种的混杂，使纯度提高，杂种优势会更显著。而且推广以“母玉米”制作杂交种，还有利于种子生产的高度集约化、企业化，促进种子生现代化。

图4　自交系选育过程示意图

(引自《农作物育种和良种繁育知识》，湖北人民出版社，1975年)

人们发现，在自然界中，许多外界因素，如高温、辐射、化学药物处理等都可引起玉米的雄花不育，但这类雄花不育特性不能遗传给后代，在育种上不能连年有效利用。因此，人们期盼天然“母玉米”的降临。由于育种工作者卓有成效的探索，人们的梦想终于变成了现实。1931年Rhoades首次从一个来自秘鲁的原始材料中发现了受遗传控制雄花不育的“母玉米”单株。Хаgжцнок几乎在同时从莫尔达维亚的玉米地方品种中发现了雄花不育的“母玉米”。经研究证明，这类雄花不育性属于核质互作类型，简称细胞质雄性不育。它与绝大多数受隐性单基因控制的细胞核雄性不育相比，较容易实现“三亲家结缘”——“三系”配套，是玉米育种中利用的主要类型。进入20世纪70年代后，玉米育种工作者们发现了上百种的细胞质雄花不育的材料。玉米是世界上最早利用雄花不育系生产杂交种的作物之一。首先，选育优良不育系是雄花不育育种的首要任务。然而，要使雄花不育系的“母玉米”能够应用于杂交种生产，育种工作者必须当好“红娘”，为“母玉米”选配两个“亲家”，实现“三亲家结缘”才行。因为玉米杂种优势只能利用杂种第一代，每年配制杂种时就需要每年提供“母玉米”的种子，而“母玉米”自己不能“生儿育女”，就需要有一种性状相似，如同“双胞兄妹”一样，其雄花可以正常散粉给“母玉米”，让“母玉米”传种接代，并保持其不育性的“种玉米”，即雄花不育系保持系。其次，为了能使“母玉米”生产出好的杂交种来，还必须为它选配一个身健力壮，品质优良，雄花雌花正常，通过传粉可使“母玉米”“怀胎”，产生出能够正常散粉结实，且具有强大的杂种优势的“公玉米”。由于这种“公玉米”可使“母玉米”的杂种后代雄花育性恢复正常，所以称为雄花不育系恢复系。

在玉米雄花不育育种工作中，选育雄花不育系有多种途径，其中包括:回交转育法、人工诱变选择法、自然变异不育株选择法、远缘杂交法等。其中，以回交转育法简单易行，目前生产上推广的雄花不育系大多数是用回交转育法育成的。所谓回交转育法是利用现有稳定的雄花不育系作为基础材料，以优良自交系为转育对象，通过连续回交和定向选择，将不育系提供的不育细胞质和优良自交系的核基因型结合起来，经5～6代回交，即可育成不育性稳定、综合性状优良的新不育系。

应用人工诱变的方法，如γ射线、快中子等各种电离辐射能源以及各种化学诱变剂，都能引起玉米细胞质的遗传突变，诱导产生雄花不育株、通过适当的选择，可以从中得到稳定的雄花不育系。利用自然变异的不育株选择不育系，也是获得雄花不育系的有效途径。类玉米属(Euchlaena)和磨擦禾属(Tripsacum)同玉米一样都起源于拉丁美洲，有一些共同的遗传变异基础，可作为远缘杂交选育不育系的亲本材料。

目前，被人们陆续发现的细胞质雄花不育系基本是属于T、S和C三大组群，EK型则属于一种新类型。T型不育细胞质是以其产地Texas而得名，S型不育细胞质是从美国农业部收集到的遗传材料中分离出来的。C型不育细胞质来自巴西的玉米品种“churny”而得名，EK型不育细胞质来源于玉米品种“Eearly King”，故称EK型。T型不育系曾是育种上利用的主要类型，但由于T型不育系对玉米小斑病T小种表现高度专化感染，结果导致70年代初玉米小斑病的暴发流行，给玉米生产造成了十分严重的损失。这说明广泛地种植遗传同质性的作物品种，必然会导致该作物的遗传脆弱性，抗逆性差，灾难性病虫害易流行。而T型以外的细胞质不育资源对小斑病T小种均无专化感染，利用这些类型的雄花不育系杂交种不会引起T小种病害流行。因而，目前C型和S型不育系已经取代了T型不育系的地位。近年来，各国玉米育种工作者先后育成了一大批抗小斑病T小种的优良不育系，使雄花不育系的杂优利用取得了较大的进展。我国新育成的雄花不育系如双型、唐徐型、L₂型、ZIA型等都对小斑病T小种无专化感染，是属于抗病类型的材料。当前，在雄花不育性研究工作中，对现有不育细胞质组群进一步分类问题受到人们的关注。随着生物技术的发展，特别是细胞器DNA分离和鉴定技术的进步，人们可以在分子水平上分析比较不同类型的细胞质不育系线粒体DNA和叶绿体DNA的差异，为不育细胞质的进一步分类提供了分子遗传学的指标。

细胞质雄花不育系产生的细胞学和生理生化学基础，一直是人们感兴趣的课题之一。许多研究证明，在T、C和S三个主要不育细胞质组群之间，小孢子(花粉)败育方式和时间有明显的差异。如T型不育系小孢子败育开始于减数分裂后不久所产生的绒毡层线粒体结构的异常——膨胀、基质混淆、嵴不规则以至消失等。接着是绒毡层细胞质和核糖体大量消失及绒毡层的提前解体。而C型不育系的小孢子败育开始于四分体期或单核期，表现为绒毡层的提前退化或解体。它属于孢子体结构的变异。S型不育系的小孢子败育较迟，开始于花粉二核期(初期雄配子体)，且主要是配子体本身的异常。正常的花粉能被I—KI液染成蓝色，标志着它含有丰富的淀粉。S型不育系的花粉绝大部分不能被I—K I染色。在T、C和S型不育系的花药中，氨基酸组成有发生变异的趋势，天门冬氨酸含量增加，而脯氨酸、蛋氨酸和赖氨酸含量降低。不同类型的不育系之间在蛋白质质量和数量上也有差异。在正常花粉发育过程中，线粒体中的细胞色素氧化酶和苹果酸脱氢酶的活性迅速增加，但在T、C和S三种不育细胞质中这两类酶的活性降低，当下降到最低点时，小孢子的发育停止。总的来看，引起雄花不育的原因是错综复杂的，尚待进一步深入研究。

在雄花不育性的利用中，对恢复系的选育是非常重要的。除了要符合常规育种目标外，还应使其具备恢复性稳定，恢复力强等特点，以保证F₁的后代育性恢复正常。选育恢复系的方法有以下几种:常采用回交转育法，即通过连续回交和恢复系的选择，把恢复基因导入优良自交系的核基因型中，使优良性状和恢复性结合起来。其次可采用测交筛选法，即以不育系作测交种，与现有优良自交系进行广泛测交，根据测交后的育性反应，可以筛选出优良的恢复系。还可采用“集恢”选育法，是将一定数量的恢复系和优良自交系进行复合杂交，组配成综合群体，在遗传物质重组过程中，使恢复基因和其他优良基因结合起来。在这种“集恢”选育中，具有恢复力的单株出现机率较高，则可优中选优，以育成恢复力强，性状优良、配合力高的恢复系。华中农业大学用此法配成了恢综1号，并从中选出了强恢复系14个，占33.5%。

在玉米育种过程中，常常把不育性育种和常规育种有机地结合进行。在选育多种细胞质类型和多种优良核基因型不育系的基础上，选择适宜的不育系作为测交种，有计划的同多种自交系测交，同时鉴定它们的配合力和育性反应，可以直接为“母玉米”挑选“亲家”结缘，实现“三系”配套和优选杂交组合，从而可以大大缩短育种周期。

在雄花不育育种工作中，利用多样化的不育细胞质源是克服遗传脆弱性的有效途径。具体方法是利用同一核背景，将多种细胞质不育系和多型恢复系杂交组配的同名杂交种按比例混合，即可合成多细胞质雄花不育系杂交种。华中农业大学玉米研究室在M017背景下，育成双型M017不育系、唐徐型M017不育系，并引进C型和S型M017不育系，将这些不育系和多型恢复系自凤1杂交，然后混合成多细胞质的华玉2号雄花不育系杂交种。因而，华玉2号对环境的适应性和对潜在病虫害的应变能力强，杂种优势明显，增产效益显著，稳产性好，配合力高。多细胞质杂交种还可以抑制新病理小种的增殖速度，避免病害的大流行。

在开展雄花不育育种时，本着保证优势、保证质量、方便制种、节约制种的原则，可以多种方式利用雄花不育系杂种优势。其中恢复型雄花不育系单交种是生产上利用“三系”创高产的最常见方式。这种方式是以雄花不育系作母本，恢复系作父本，在隔离条件下不用人工去雄便可生产大批杂交种。此外，雄花不育系三交种也是利用雄花不育系杂交种的有效途径。具有制种产量高、制种成本低、杂种优势强等特点。

目前，国内外在玉米雄花不育系杂交种的研究和大面积生产应用方面，均取得了较大的进展，我国是开展玉米雄花不育研究较早和进展较快的国家之一。近几年来，湖北、河南等省的一些玉米育种单位都加强了玉米雄花不育的育种研究工作，并取得了可喜的成果。华中农业大学玉米研究室等对评选出的优良自交系经多代转育，育成了两个不育性稳定的雄花不育系:唐(双) HZ85cms和S801cms。1996年鉴定杂交组合520份，其中24份组合产量超过对照华玉三号，增产15%以上。此后，还育成了一批抗病、高产、适应性广的新玉米杂交种如华玉4号、华玉5号、华玉6号、华玉8号、华玉10号等，推广面积达133万公顷以上。加强玉米雄花不育的深入研究，广泛采用雄花不育系生产玉米杂交种，仍是当前和今后玉米育种工作者的一项重大任务。