曹 芳，李志剛*，李旭新，于德彬

(1.內蒙古民族大學農學院，內蒙古通遼 028000；2.內蒙古科爾沁區(qū)農業(yè)技術推廣中心，內蒙古通遼 028040)

大豆雄性不育及雜種優(yōu)勢利用研究進展

曹 芳1，2，李志剛1，2*，李旭新1，2，于德彬1，2

(1.內蒙古民族大學農學院，內蒙古通遼 028000；2.內蒙古科爾沁區(qū)農業(yè)技術推廣中心，內蒙古通遼 028040)

大豆是典型的自花授粉農作物，天然異交結實率不到1%。大豆雄性不育利用為大豆雜交育種開啟了一扇大門，有效地挖掘了大豆的生產潛力，為大豆產量的提高提供了有效的途徑。大豆雄性不育最早在20世紀20年代被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已挖掘出來的大豆雄性不育材料中，多數(shù)是由細胞核基因控制的，少數(shù)是由細胞質控制的。我國在選育大豆細胞質雄性不育方面是遙遙領先的。綜述了大豆雄性不育的分類和利用雜種優(yōu)勢上所取得的進展，探討了利用大豆雜種優(yōu)勢中出現(xiàn)的主要問題，展望了大豆雄性不育在雜種優(yōu)勢利用方面的前景。

大豆；雄性不育；雜種優(yōu)勢；研究進展

大豆起源于我國，祖先野生大豆(GlycinesojaSied.et Zucc.)分布在很多地區(qū)[1]。大豆是我國重要的糧油兼用型作物，并且是飼料和化工原料的重要來源。由于我國大豆總產量嚴重不足，特別是國產大豆單產低、成本高，引發(fā)了進口大豆連年猛增[2]。進口大量的大豆不僅抑制了國內大豆生產，而且影響了農民的利益和生產。目前大豆的雜種優(yōu)勢利用能較大幅度地提高大豆產量。大豆花器官小，人工雜交成活率較低，在育種過程中，配制親本雜交組合的數(shù)量受人力、物力的限制，致使親本的來源有限、遺傳基礎狹窄[3]。由于基因造成的大豆雄性不育，將大豆雄性不育主要分成2類：一類是細胞核造成的雄性不育(Genic male sterility，GMS)，另一類是細胞質造成的雄性不育(Cytoplasmic male sterility，CMS)。在已經挖掘的大豆雄性不育材料中，大部分是由細胞核基因控制的雄性不育，小部分是由細胞質控制的雄性不育。大豆是嚴格的自花授粉農作物，對植物本身而言，雄性不育是不利于自身生長的變異性狀，對于育種家而言，卻是非常好的育種材料。大豆雄性不育利用為大豆雜交育種開啟了一扇大門。大豆雜種優(yōu)勢利用需要滿足2個條件：一個是品種間存在很大的雜種優(yōu)勢；另一個是具備經濟有效地生產雜種的方法[4]。很多研究表明，大豆雜種F1產量具有超高親優(yōu)勢，一般為13%～20%[5]。培育高產、優(yōu)質、高抗作物最主要的途徑是利用雜種優(yōu)勢，而利用雄性不育系進行雜交育種是雜種優(yōu)勢最有效、最經濟的途徑之一?！叭捣ā笔鞘褂眉毎|雄性不育的材料生產雜交種的常用方法?！叭怠笔遣挥?、保持系和恢復系的簡稱，即不育系的材料不能進行自交產生后代；保持系與不育系雜交之后產生的材料還是不育系材料，這種材料作為繁殖不育系的父本；恢復系與不育系雜交產生雜交種，作為父本生產雜交大豆種，雜交種是可育的，恢復了不育系的育性。育種家成功地利用了雜種優(yōu)勢，比如培育出的雜交豆1號、雜交豆2號和雜優(yōu)豆1號。筆者對利用過程中存在的穩(wěn)定性差、結實率低等問題提出了解決方案，并對以后的大豆育種進行了展望。

1 大豆雄性不育的研究利用

1.1 細胞核雄性不育 在大豆不育系的研究中，核不育系比細胞質雄性不育研究利用的早，大豆核不育系分為隱性單基因控制的雄性不育系，核基因控制的部分雄性不育或不完全不育系、光—溫敏感型雄性不育系。

1.1.1 由隱性單基因控制的雄性不育系。Brim[6]最早在大豆中發(fā)現(xiàn)了ms1材料，而ms1材料是指大豆雄蕊不發(fā)育而雌蕊是有育性的核不育系，接著進行大量研究，找到了不少與ms1材料是基因不等位的核不育系列的材料[7-8]。Perez-Sackett等[9]發(fā)現(xiàn)，ms8ms8材料能夠作為母本，生產雜交種。Wiebbecke等[10]研究發(fā)現(xiàn)，ms9不育系材料能夠結較多的自交莢，而且ms9不育系材料比較特殊，ms9不育系的育性穩(wěn)定性較差，在某些特定的環(huán)境下，ms9不育系材料結的自交莢很少。更多研究表明，白天氣溫高，促進了不育性的表達。進行夜間溫度調節(jié)試驗發(fā)現(xiàn)，夜間氣溫對大豆的不育性基本沒有影響?，F(xiàn)在育種家進行育種輪回選擇，廣泛地應用ms0～ms9核不育系列的材料。

1.1.2 核基因引起的部分雄性不育。還有一類不育系，其不育性是由核基因控制發(fā)生的，稱為不完全不育或者部分雄性不育，在光周期和溫度發(fā)生變化時，育性也會隨之發(fā)生變化，即育性很不穩(wěn)定，如p2、msp、Arkansas突變體等[11]。Fehr等[12]進行了很多大豆雄性不育方面的研究，在不同發(fā)育階段進行了外界環(huán)境影響雄性不育的研究，影響植株的自交結莢是因為生殖生長階段(R1～R8)的環(huán)境溫度對雄性不育的表達有抑制作用。Caviness等[13]發(fā)現(xiàn)開花結莢期的溫度對雄性不育系的不育度有影響。Stelly等[14]在生長箱和田間同時研究觀測了msp突變體的雄性不育性，研究表明高溫促進雄性不育的表達，當夜間溫度較高時，降低了不育植株上的自交結莢。Carlson等[15]發(fā)現(xiàn)，大豆mspmsp植株的不育性隨著夜間溫度呈正向反應，即夜間溫度下降，不育性也降低，而可育性呈負向反應，會隨著夜間溫度的下降而增加。

1.1.3 由光—溫控制的雄性不育系。光—溫控制的雄性不育系是由溫敏型和光敏型組成的。溫敏型育性主要是由溫度決定的，而光周期作用很小或者是不起作用。光敏型育性主要是由光周期決定的，光敏型是指處于一定的光敏溫度范圍，如果超過這個光敏溫度范圍，大豆的育性是由溫度控制而失去光敏性。衛(wèi)保國等[16-18]發(fā)現(xiàn)了處于14.5～15.2 h/d的長日照下，植株雄性是可育的；處于13.5～14.0 h/d短日照下，光溫敏型不育系88-428BY-827植株雄性是不可育的。進行短光周期處理出苗后20 d的3.5葉齡的植株，其植株雄性不育表達出來，溫度處于23～30 ℃范圍時，促進雄性不育向高度不育轉換。

1.2 細胞質雄性不育 雖然大豆細胞質雄性不育系的發(fā)現(xiàn)和研究利用比細胞核雄性不育晚，但發(fā)展很快。Owen[19]于1928年發(fā)現(xiàn)并報道了第1個大豆不育系，后來進行研究發(fā)現(xiàn)是由染色體聯(lián)會不正常引起的雌性和雄性均不育，基因符號為St1。孫寰等[20-22]將栽培大豆與野生大豆進行了遠緣雜交，育成了國內第1個質核互作雄性不育系，即細胞質不育系OA和它的同型保持系OB，其中不育的細胞質來源于栽培大豆167，而核不育基因來源于野生大豆035；再與栽培大豆進行測交，在1995年培育出栽培大豆不育系YA和保持系YB，并且找到了恢復系，實現(xiàn)了三系配套，該不育細胞質被稱為RN胞質。

隨后，大豆CMS三系配套及相關工作在我國得到了迅速發(fā)展。趙麗梅等育成了細胞質雄性不育系JLCMS9A、JLCMS47A、JLCMS8A和ZA，同時確定ZD8319、167和XXT含有不育細胞質[23-26]。許占友等[27]以栽培大豆ZD8319為母本，選育出質核互作不育系阜CMS1A、阜CMS2A和阜CMS3A。張磊等先后用栽培大豆中油89B作為母本，分別與W203、W206、W207、W210、W212等5個品種雜交后，獲得M型細胞質雄性不育系W948A、W945A、W936A、W933A、W931A[28-30]。大豆雄性不育三系配套實現(xiàn)后，尋找批量生產大豆雜交種的經濟有效的方法成為科學工作者的又一研究方向[31]。趙麗梅等[32]通過多年的探索和研究，建立了“昆蟲—環(huán)境—作物三位一體綜合調控”的高效制種技術體系，認為制種環(huán)境、昆蟲和三系的基因型是影響不育系結實的主要因素。張連發(fā)等[33]則建立了雜交大豆的“四級種子生產程序”，對各級種子的純度、發(fā)芽率、制種隔離區(qū)設置等提出了嚴格的要求。李杰坤等[34-35]在大豆恢復系篩選及雜種優(yōu)勢利用研究中發(fā)現(xiàn)了包括HS05009、HS05060、HS06027和HS06058在內的多個雜交組合具有潛在應用價值。利用強優(yōu)勢組合現(xiàn)在已經育成了多個雜交大豆品種。

我國在大豆雜種優(yōu)勢利用研究上一直處于國際領先地位，不但育成了世界上第1個大豆細胞質雄性不育系，而且也育成并審定了世界上第1批大豆雜交種[24，36]。 吉林省農業(yè)科學院育成的雜交豆1號、2號、3號已經在生產上推廣種植，推廣面積累計達800 hm2，比當?shù)刂魍破贩N增產16.6%～29.9%[32]。

2 存在的主要問題

2.1 雄性不育系穩(wěn)定性差 在使用雜交大豆過程中尤其要注意雜交種F1的育性是否穩(wěn)定，很多的雜交組合F1有50%可育的花粉，50%不可育花粉，在某些情況下，可育花粉數(shù)量降低，造成F1雜交種空莢。 經過多年研究，發(fā)現(xiàn)有些組合的育性不穩(wěn)定，有些組合育性穩(wěn)定[37]。

2.2 雄性不育系的異交結實率低 不育系的異交結實率低，制種產量低，制種成本高，所以不能大量繁殖和生產雜交種。雖然ms不育系已用于輪回選擇的群體合成及育種計劃，但很難用于雜交種生產。

2.3 育種單位間缺乏有效的種質交流 國內育種單位之間缺乏必要和有效的種質交流，各個單位主要以自己的不育系為研究材料，導致研究材料單一、內容受限，這在一定程度上影響了對大豆質核互作雄性不育機理的研究進程，對其機理的研究遠落后于水稻、玉米等作物，極大地影響了大豆雜種優(yōu)勢育種潛力的發(fā)揮。

2.4 制種技術落后，純度不高 核基因控制的核不育系，在理論上難以找到完全的保持系，在實踐中也沒有找到保持系，這種不育性不穩(wěn)定，在大豆雜交制種時，在大田間容易出現(xiàn)可育株和不育株混淆，不容易鑒別可育株和不育株，雜交種純度低等問題，嚴重制約了大豆核不育的應用，同時也影響了大豆雜種優(yōu)勢的廣泛應用。

2.5 利用光溫敏型雄性不育增加大豆雜交成本 現(xiàn)在利用光溫敏型雄性不育系進行兩系雜交大豆的選育已經取得很大成果，但是由于該不育系對光(溫)反應特性，通過自然光溫條件控制，受環(huán)境因素的影響太大，較難控制。如果采取人工減光或增光措施，或者是利用南北不同光溫條件進行繁殖制種，又會加大制種成本，使得光溫敏型不育系的利用較難廣泛地推廣利用[38]。

3 建議與展望

張磊等[39]認為，商業(yè)化生產雜交種，配合雄性不育的技術，利用風媒進行傳粉，比較節(jié)省資源。盡管大豆已經使用蟲媒傳粉，但是成本較高，不適宜大面積推廣，只有成本低，才能有推廣應用的價值[37]。對于隱形核不育ms系列，可以通過花期的育性鑒定拔除可育株以獲得較純的不育系，再用于不同材料間配合力的研究。我國的大豆育種家應充分利用資源優(yōu)勢，發(fā)掘現(xiàn)有的核不育材料在種胚世代及生育前期肉眼可見的連鎖標記，或發(fā)現(xiàn)新的有外觀標記性狀的核不育材料[40]。研究利用基因工程創(chuàng)造雄性不育系，將不育基因和抗除草劑基因串聯(lián)在一起，這樣對獲得的轉基因植株施用除草劑，就可以選擇性地殺死對除草劑敏感的可育株，只保留不育株。對于配子體育性的穩(wěn)定性，要選擇組合穩(wěn)定的F1。育種單位應加強合作，建議在申請專利和保護知識產權的框架下，開展全國性的相關材料交換和技術交流，爭取盡快實現(xiàn)大豆雜種優(yōu)勢在我國農業(yè)生產中的應用[40]。

國外對大豆優(yōu)勢利用研究雖然起步早，但是沒有顯著的成果。我國雖然起步晚，但是發(fā)展很快，已經形成了群體優(yōu)勢，尤其在細胞質雄性不育性恢復基因定位方面已經取得了較好的研究成果，今后通過大豆基因組序列數(shù)據(jù)，研究和克隆大豆功能基因，將為徹底解決雄性不育的形成機理奠定基礎[31]。雄性不育既可用于提高植物品質，又能提供優(yōu)良種源，為人類帶來物質效益，節(jié)省大量人工去雄環(huán)節(jié)[41]。隨著育種家進行更深入的研究，大豆田間制種技術的進步，人們將最終解決雜交種生產成本高、制種產量低等難題，在農業(yè)生產中體現(xiàn)出雜交大豆種的優(yōu)勢。

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Research Progress of Soybean Male-sterility and Utilizing Heterosis

CAO Fang1,2，LI Zhi-gang1,2*，LI Xu-xin1,2et al

(1.Agricultural College，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao，Inner Mongolia 028000；2. Keerqin District Agriculture Technology and Popularization Center，Tongliao，Inner Mongolia 028040)

Soybean is a typical self-pollination crop, the rate of natural cross pollination is less than 1%.Soybean male-sterility is used to open a door for soybean cross breeding, the productive potential of soybean is effectively excavated, it provides an effective way to increase the yield of soybean. The very earliest soybean male-sterility was discovered in the 1920s.Among the discovered material, most of the male-sterility is controlled by nuclear genes,the small part is cytoplasmic male-sterility.Under the aspect of selecting and breeding cytoplasmic male-sterility materials, China is in the leading position in the world .This paper summarized the latest progress in the development of male-sterility and hybrid utilization of soybean, it analyzed some main problems in the utilization of soybean heterosis and put forward the prospect of discovered male-sterility in utilizing soybean heterosis in future.

Soybean；Male-sterility；Heterosis；Research progress

國家自然科學基金項目(31260310)；公益性行業(yè)(農業(yè))專項(201503001)。

曹芳(1990- )，女，江蘇徐州人，在讀碩士，研究方向：大豆雄性不育。*通訊作者，教授，博士后，從事作物遺傳育種研究。

2016-09-28

S 565.1

A

0517-6611(2016)34-0023-03