王稼苜 任 帥 丁 強(qiáng) 魏 芳 楊京華 馬海濤 李 棟

（河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，新鄉(xiāng) 453000）

玉米是世界上重要的糧食作物，1996 年世界玉米總產(chǎn)量超過水稻和小麥，成為位居世界產(chǎn)量第一的糧食作物[1]。我國2011 年玉米總產(chǎn)量超過稻谷成為第一大作物，到2017 年統(tǒng)計(jì)未有變動(dòng)（National data 國家數(shù)據(jù)：http：//data.stats.goc.cn/）。我國玉米生產(chǎn)取得巨大成就與品種改良利用密切相關(guān)，而品種改良中種質(zhì)的合理利用，尤其是雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式理論和方法的應(yīng)用起到關(guān)鍵作用[2]?；仡櫸覈?0 年來玉米改良中雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式的利用，技術(shù)方法體系建立完備，但也存在不同觀點(diǎn)和看法。本文目的是通過回顧我國玉米新品種更替的概況，反映我國玉米種質(zhì)利用的演變，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式原理和方法在玉米改良中的作用，從遺傳學(xué)角度探討遺傳多樣性與類群劃分，與雜種優(yōu)勢(shì)形成的關(guān)系。

1 雜種優(yōu)勢(shì)、雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式概念

所謂雜種優(yōu)勢(shì)，指兩個(gè)遺傳組成不同的親本雜交產(chǎn)生的F1，在生長勢(shì)、生活力、繁殖力、抗逆性、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面都明顯優(yōu)于雙親的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在生物界普遍存在，在玉米上表現(xiàn)尤為突出[3]，達(dá)爾文早在1876 年就發(fā)現(xiàn)了玉米的這種生長優(yōu)越，1905 年，遺傳學(xué)家沙爾（shull G H）和生物學(xué)家伊斯特（East E M）稱這種生長優(yōu)越為“雜種優(yōu)勢(shì)”（heterosis）[4]。玉米是異花授粉作物，早期種植的是農(nóng)民留存的自然授粉品種，后來過渡到品種間雜交種。到20 世紀(jì)30、40 年代，美國開始將玉米天然品種自交成純合的材料，稱自交系（inbred line）。然后不同自交系之間雜交，發(fā)現(xiàn)F1的優(yōu)勢(shì)更大，目前玉米的雜種優(yōu)勢(shì)利用的途徑仍是這種自交系間雜交方式。

兩個(gè)個(gè)體之間雜交，F(xiàn)1產(chǎn)生強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象的理論尚未完全建立，但布魯斯（Bryce A B）和瓊斯（Jones D F）的顯性假說，沙爾和伊斯特的超顯性假說[3-4]及雜種優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)象，定義了雜種優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的一個(gè)基本條件，即在同一物種內(nèi)，雙親基因型差異越大，F(xiàn)1雜合位點(diǎn)越多，雜種優(yōu)勢(shì)就越強(qiáng)，反之則弱。遺傳差異，遺傳學(xué)上包括等位基因、復(fù)等位基因、擬等位基因、非等位基因互作等差異，這些差異共同構(gòu)成親本個(gè)體的遺傳多樣性[5-6]。分子標(biāo)記或序列分析可檢測(cè)到它們的存在，如SSR 和SNP 標(biāo)記檢測(cè)玉米不同群體遺傳多樣性[7-9]，并進(jìn)一步劃分類群[10-12]。正是基于這一原理，特殊群體具有特殊的遺傳多樣性，不同地區(qū)、不同人工改良群體，染色體同一位點(diǎn)的基因具有較高的多樣性，不同群體間雜交均產(chǎn)生雜合性，從而產(chǎn)生雜種優(yōu)勢(shì)。

1947 年，美國中西部的Reid 家族種植俄亥俄州的Gordhopkins 玉米，因缺苗補(bǔ)種了當(dāng)?shù)氐脑缡煨↑S粒（little yellow），后來從天然授粉的種子中育成Reid yellow Dent，即瑞德黃馬牙，該種質(zhì)后來育成多個(gè)高配合力自交系，在美國利用長達(dá)50 年之久[5，8，13]。1910 年，美國東部的另一家族Hershey，培育了Lancaster S.C.品種，該種質(zhì)是Lancaster 的原始親緣[13]。公益研究機(jī)構(gòu)把Reid 黃馬牙與Lancaster系雜交，發(fā)現(xiàn)F1生長更好，這是世界上第一個(gè)玉米強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)組合[14]。此后美國研究者就把產(chǎn)生雜種優(yōu)勢(shì)的兩個(gè)親本分開，親緣關(guān)系相近的自交系或品種歸在一起，它們之間雜交不產(chǎn)生雜種優(yōu)勢(shì)，如BSSS、依阿華堅(jiān)稈玉米綜合種，現(xiàn)在均稱Reid 類，把美國本土的Creole、Minnesota 等劃入Lancaster類[15]。多年演化后，Reid 和Lancaster 成為最早的兩個(gè)經(jīng)典玉米自交系群，稱“雜種優(yōu)勢(shì)群”（heterotic group），Reid×Lancaster 組合稱“雜種優(yōu)勢(shì)模式”（heterotic pattena）[5，8，16]。雜種優(yōu)勢(shì)、雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式概念的建立，是現(xiàn)代和近代玉米遺傳改良最重要的理論和實(shí)踐，在最大雜合性雜種優(yōu)勢(shì)假說理論指導(dǎo)下，用雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式方法創(chuàng)新擴(kuò)增玉米種質(zhì)，比較、鑒定和分子標(biāo)記將自交系劃分類群，繼而組配雜種優(yōu)勢(shì)模式，玉米自交系改良和品種改良從此進(jìn)入一個(gè)可設(shè)計(jì)、可預(yù)期的人為可控程序之中。

2 雜種優(yōu)勢(shì)群及演化

雜種優(yōu)勢(shì)群是一類遺傳構(gòu)成相似的自交系群，雜種優(yōu)勢(shì)模式是能產(chǎn)生雜種優(yōu)勢(shì)的雜種優(yōu)勢(shì)群間雜交組合，二者雖概念不同，但內(nèi)涵密切聯(lián)系。沒有雜種優(yōu)勢(shì)模式的自交系，不能稱其為雜種優(yōu)勢(shì)群，至多是自交系群（inbred line group），因此討論雜種優(yōu)勢(shì)群及演化離不開雜種優(yōu)勢(shì)模式的演化。

我國玉米雜種優(yōu)勢(shì)利用，從20 世紀(jì)60 年代開始，每10 年就有一個(gè)標(biāo)志性的技術(shù)進(jìn)步[15，17]。20世紀(jì)70 年代，我國玉米利用單交種不足10%，多是品種間雜交種、三交種和雙交種，但在利用自交系和種質(zhì)研究方面初具規(guī)模，主要分為5 大體系，金黃后、獲嘉白馬牙、塘四平頭、旅大紅骨和Lancaster，著名雜交種有新雙1 號(hào)、農(nóng)大4 號(hào)等[15]，但此期尚未進(jìn)行自交系類群劃分。進(jìn)入80 年代，國內(nèi)單交種應(yīng)用普及，白單4 號(hào)（塘四平頭×525）、新單1 號(hào)（Bup44×吉63）等開始推廣，后來鄭單2 號(hào)（塘四平頭×獲白）、吉單101（吉63×M14）、中單2 號(hào)（Mo17×自330）、丹玉6 號(hào)（旅28×自330）等成為主導(dǎo)品種。種質(zhì)格局分為4 大類群，國內(nèi)獲嘉白馬牙、塘四平頭、旅大紅骨和Lancaster，代表自交系分別是獲白、黃早4、E28 和Mo17，曾三省歸納此時(shí)期的雜種優(yōu)勢(shì)模式是硬?！榴R齒，本國系×外國系，不同種質(zhì)利用仍未明確類群劃分。90 年代期間，雜種優(yōu)勢(shì)利用在我國迅速發(fā)展，一是單交種面積快速上升，到中期接近80%以上[1]；二是新的高產(chǎn)組合相繼問世，掖單2 號(hào)（掖107×黃早4）、掖單13號(hào)（掖478×丹340）陸續(xù)通過審定，換代品種農(nóng)大108（P178×黃C）、世紀(jì)性品種鄭單958（鄭58×昌7-2）等已孕育成熟；三是種質(zhì)研究方面，雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式研究全面展開。多位專家利用系譜法、測(cè)交法和分子標(biāo)記法開始分析我國利用的自交系的雜種優(yōu)勢(shì)群（圖1）和雜種優(yōu)勢(shì)模式[18-19]。90 年代中后期培育出P178、P138 等一批創(chuàng)新自交系，組配出多個(gè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合，如農(nóng)大108，這批自交系原始種質(zhì)來自國外，藤文濤等[17]分析這些自交系種質(zhì)不同于其他類群，命名“溫?zé)幄瘛保钚潞５萚12]將該種質(zhì)稱為PB，豐光等[20]后來檢測(cè)與改良Reid關(guān)系較近。該10 年期間，獲嘉白馬牙種質(zhì)利用迅速減少，取代的是掖107、掖478、鄭58，即改良Reid系，也是利用面積最大的種質(zhì)群。改良Reid×塘四平頭和改良Reid×旅大紅骨模式是該時(shí)期種植面積最大的優(yōu)勢(shì)模式。

圖1 國內(nèi)的一個(gè)玉米雜種優(yōu)勢(shì)群劃分

進(jìn)入21 世紀(jì)，審定的新品種個(gè)體增產(chǎn)潛力提高，但自然災(zāi)害發(fā)生頻繁，尤其風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重，因此對(duì)品種抗倒性要求迫切，還有青枯等病害威脅較重，只有那些最適宜當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和生產(chǎn)方式的品種才被農(nóng)民持續(xù)接受。2010 年，豐光等[20]分析進(jìn)入新世紀(jì)后的雜交種，如1998 年審定的掖單13 號(hào)（掖478×丹340）、2001 年審定的農(nóng)大108，在21 世紀(jì)頭10年前期快速增長，到中期后開始回落，而2000 年審定的鄭單958（鄭58×昌7-2）、2003 年后審定的浚單20（9058×浚92-8）以及2004 年國家審定的先玉335（PH6WC×PH4CV），以高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、多抗特性迅速占領(lǐng)東北和黃淮玉米產(chǎn)區(qū)。尤其是先玉335 的籽粒快速脫水特性，低水分含量收獲減輕霉變，大大提高貯藏安全性。該特性和高產(chǎn)性不僅是近20 年來保持高位種植面積的重要因素[21]，而且也催生我國機(jī)收玉米概念形成。但此期國內(nèi)大多數(shù)玉米育種都在圍繞鄭單958 和先玉335 兩個(gè)組合親本改良，結(jié)果產(chǎn)生了一大批高仿自交系和改良型品種，2010 年后審定的品種多是這種改良模式的產(chǎn)物。根據(jù)主流品種的親本及血緣分析，此時(shí)期的玉米種質(zhì)仍和90 年代一樣，劃分5 個(gè)或6 個(gè)優(yōu)勢(shì)群，分別為改良Reid（包括掖478、鄭58 等）、塘四平頭（昌7-2）、lancaster、旅大紅骨（丹340）和PN 等，但這些群的代表自交系發(fā)生了重大改變，改良Reid的掖478 讓位于鄭58，塘四平頭的黃早4 更新為昌7-2，旅大紅骨種質(zhì)逐漸萎縮，Lancaster 的Mo17更新為先玉335 父本PH4CV[22]。還有一個(gè)重要改變是先玉335 母本PH6WC，該系來源Reid，但與鄭58 等改良Reid 在幾個(gè)重要性狀上明顯不同，如株高、葉色、生長速率、籽粒脫水速率等。此間有學(xué)者將鄭58 系列與B73 系列合并為Reid[11]，但多數(shù)分子標(biāo)記檢測(cè)顯示二者是相對(duì)獨(dú)立的群[12，21，22]，因此仍將Reid 和改良Reid 劃分為兩個(gè)群。PH6WC 是Reid 種質(zhì)，該自交系目前也被認(rèn)為Reid 群的代表自交系之一[22]。到21 世紀(jì)前10 年末，改良Reid、黃改、Reid 和Lancaster 群在中國的玉米種質(zhì)中確立了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，過去的綜合群種質(zhì)等逐步退出歷史舞臺(tái)，熱帶種質(zhì)等多用來擴(kuò)增優(yōu)勢(shì)類群種質(zhì)。2010 年后的最近10 年，玉米新組合審定數(shù)量劇增，僅2017 年和2018 年，新審定的玉米新品種總數(shù)均超過4 位數(shù)，其中國審170 余個(gè)[23]。從這些品種組合的親本種質(zhì)不難看出，基本是鄭單958 和先玉335 組合的改良類型。也有一些組合的改良是成功的，如偉科702（WK858×WK798-2）、中單909（鄭58×HD568）、登海605（DH351×DH382）等，在產(chǎn)量方面能夠顯著超過鄭單958，但穩(wěn)產(chǎn)性和適應(yīng)性仍顯不足，如在出現(xiàn)低溫寡照、高溫?zé)岷Α⒘餍胁『Φ饶婢硶r(shí)，鄭單958 仍表現(xiàn)多種抗性，災(zāi)后年份面積再度上升，自審定后20 年不衰。該時(shí)期還有一個(gè)新的優(yōu)良組合出現(xiàn)，即京科968，據(jù)趙久然等[24-25]報(bào)道它是一個(gè)新的雜優(yōu)模式，因?yàn)槟副揪?24 是國外X1132x 選系，經(jīng)檢測(cè)是一個(gè)獨(dú)立群，稱X 群，非Reid 來源，父本京92 是黃改群。由于近幾十年來引進(jìn)的國外系與黃改成為雜優(yōu)模式的種質(zhì)，多數(shù)是Reid 系列，因此京724 可能是平行Reid 和改良Reid 的種質(zhì)，又由于該群與黃改種質(zhì)有高配特性，因此預(yù)期可能有更多的組合出現(xiàn)。新單61 與京科968 模式相近，母本新美09 來源美系群體選系，父本新01A3 是昌7-2 改良系，新單61 的脫水速率等指標(biāo)接近先玉335，綜合抗性好、區(qū)試表現(xiàn)佳，有擴(kuò)增面積潛力[26]。從該時(shí)期的雜種優(yōu)勢(shì)模式可以看出，最近10 年的主流雜種優(yōu)勢(shì)群仍是改良Reid、黃改、Reid、Lancaster 和旅大紅骨，以及新發(fā)現(xiàn)的X 群，種質(zhì)遺傳結(jié)構(gòu)改良不大。該時(shí)期的改良方法有不少人走彎路，一是在鄭單958 和先玉335 模式上直接改良，二是機(jī)械模仿過去從優(yōu)勢(shì)模式的二環(huán)系中選育新系。鄭單958 和先玉335 組合都是絕世的，其遺傳結(jié)構(gòu)很難復(fù)制，互補(bǔ)差異很難形成，因此直接改良很難超越，優(yōu)勢(shì)模式二環(huán)系方法混亂血緣，郭向陽等[27]批評(píng)這種短、平、快方法，不僅浪費(fèi)人力物力，而且制造瓶頸。因?yàn)樵谄贩N間雜交種和雙交種時(shí)代，雜種優(yōu)勢(shì)模式F1有著廣泛的種質(zhì)基礎(chǔ)，地理遠(yuǎn)緣的二環(huán)系間遺傳差異大，實(shí)際上是雙交種的單交種化，容易建立新群和新模式，而現(xiàn)代優(yōu)勢(shì)模式F1，已經(jīng)集合了多個(gè)類群的優(yōu)良種質(zhì)，重新建立新雜種優(yōu)勢(shì)模式，一是無互補(bǔ)群，二是重新建立互補(bǔ)群是進(jìn)化概念。

3 雜種優(yōu)勢(shì)群的劃分和應(yīng)用

從雜種優(yōu)勢(shì)、雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式概念可以看出，之所以成為雜種優(yōu)勢(shì)群，是因?yàn)槟芙M成雜種優(yōu)勢(shì)模式。之所以成為優(yōu)勢(shì)模式，是因?yàn)閮扇洪g存在足夠的遺傳差異，F(xiàn)1具雜種優(yōu)勢(shì)，因此雜種優(yōu)勢(shì)群的形成也須具備2 個(gè)條件，一是F1具強(qiáng)雜優(yōu)表現(xiàn)，二是基因組存在群體結(jié)構(gòu)差異，本質(zhì)仍是雜種優(yōu)勢(shì)形成條件。劃分雜種優(yōu)勢(shì)群的重要目的之一是指導(dǎo)建立雜種優(yōu)勢(shì)模式，當(dāng)用測(cè)交法驗(yàn)證雜種優(yōu)勢(shì)群后，雜種優(yōu)勢(shì)群指導(dǎo)建立雜種優(yōu)勢(shì)模式的作用已不存在。因此雜種優(yōu)勢(shì)群劃分的真正作用是了解被測(cè)材料的遺傳結(jié)構(gòu)，即一般配合力成分及差異。也有不少人用雜種優(yōu)勢(shì)群預(yù)測(cè)雜種優(yōu)勢(shì)模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果不佳[28]，劃分雜種優(yōu)勢(shì)群，基因組檢測(cè)法加測(cè)交法才可靠，這是因?yàn)殡s種優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)生有等位和非等位的互作，基因組檢測(cè)遺傳差異是等位差異，是一般配合力（GCA，general combining ability）。非等位之間互作的特殊配合力（SCA，specific combining ability）在F1中互補(bǔ)形成，類群劃分檢測(cè)不到，還有基因和環(huán)境之間的互作也檢測(cè)不到。這就是為什么用劃分的雜種優(yōu)勢(shì)群很難預(yù)測(cè)雜種優(yōu)勢(shì)，并非雜種優(yōu)勢(shì)群之間的自交系都能組配強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)組合。

雜種優(yōu)勢(shì)群的劃分對(duì)自交系改良中保持清晰的種群分界、相對(duì)分明的血緣家系是重要的[5]。類群劃分結(jié)果預(yù)測(cè)雜優(yōu)模式效果不佳，但利用遺傳多樣性檢測(cè)的群體遺傳組成，全面分析成對(duì)自交系之間遺傳結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，對(duì)預(yù)測(cè)雜優(yōu)模式可能有效。關(guān)于我國雜種優(yōu)勢(shì)群分群的數(shù)量，學(xué)界有不同看法。王懿波等[19]把其分為5 個(gè)類群和9 個(gè)亞群，張世煌等[18]把其分為3 個(gè)類群和5 個(gè)亞群，此后文獻(xiàn)分類多為5～8 個(gè)群，即“多群論”。2006 年張世煌先生倡導(dǎo)H allauer 2003 年提出的BSSS-Tuxpeno 和nonBSSS-nonTuxpeno 兩個(gè)雜種優(yōu)勢(shì)列（heterotic alignment）概念[5]，即“二群論”，用SS 和NSS 表示?！岸赫摗焙汀岸嗳赫摗保瑖鴥?nèi)有較多討論[29-30]，結(jié)果是既沒有否定“二群論”，因?yàn)橄蠕h公司用該理念，育種成效是顯著的，也沒有否定“多群論”，因?yàn)橄蠕h公司實(shí)際應(yīng)用的是二群中的亞群，如NSS 使用Iodent 和Lancaster。二群論是宏觀概念不是方法，二群論宜于商業(yè)育種種質(zhì)管理，多群論更宜于雜種優(yōu)勢(shì)模式操作。玉米遺傳多樣性支持多群論，因?yàn)橐粋€(gè)基因位點(diǎn)的等位基因最少是2 個(gè)，大量位點(diǎn)有復(fù)等位基因或擬等位基因，即多于2 個(gè)基因，這種基因多樣性可形成類群多樣性，保證群之間雜交F1個(gè)體位點(diǎn)均呈雜合狀態(tài)。適當(dāng)合并類群也是必要的，理論上基因位點(diǎn)多樣性不支持4 個(gè)以上群，因?yàn)闆]有基因組研究證據(jù)表明多數(shù)位點(diǎn)有4 個(gè)以上成員。馮東升等[30]提出A、B、C 群演化和利用，與張世煌先生2000 年提出的“三群論”，Dom、Reid和Lancaster 分群觀點(diǎn)一致[18]，Yong 等[31]提出美國種質(zhì)在中國的利用可演化為A、B、D 3 個(gè)群等這些方案，也是種質(zhì)利用的實(shí)踐總結(jié)，在類群劃分和雜優(yōu)模式建立上都是建設(shè)性的。

我國20 世紀(jì)80 年代以后，玉米育種以前所未有的規(guī)模和強(qiáng)度在相近群間，甚至直接用優(yōu)勢(shì)模式F1進(jìn)行基因重組，獲得了一批有價(jià)值的種質(zhì)，如鄭單系列、浚單系列、良玉系列、登海系列等親本自交系，但最近20 年來卻沒有再出現(xiàn)突破性的新材料，包括對(duì)先玉335 親本的反復(fù)改良[32]。這說明這些群間的基因型種質(zhì)在趨同，泛義純系學(xué)說在起作用。例如著名自交系鄭58，張冬梅等[33]、Xie 等[34]測(cè)其遺傳結(jié)構(gòu)中約一半是BSSS，另一半是旅大紅骨和Lancaster，Zhang 等[35]進(jìn)一步測(cè)定旅大紅骨血緣是來自丹340。創(chuàng)新自交系需要?jiǎng)?chuàng)新種質(zhì)，需要獲得新的基因位點(diǎn)。新的種質(zhì)一方面存在于起源中心，包括近緣種，如摩擦禾[36]。另一方面需要產(chǎn)生基因突變，我國不是玉米起源中心，引進(jìn)新種質(zhì)需到起源中心去收集，我國在該方面積累有豐富經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)[15，18]，但種質(zhì)突變創(chuàng)新方面鮮有報(bào)道。新基因突變和保存需要隨機(jī)群體和世代支撐，因此需要建立盡可能廣泛化的種質(zhì)群體，即基因池。一個(gè)基因池是一個(gè)典型雜種優(yōu)勢(shì)群?；虺卦谔厥獾貐^(qū)種植，如類原產(chǎn)地、適宜生態(tài)區(qū)、非適宜生態(tài)區(qū)等地?；虺卦谌藶楦綦x下自然進(jìn)化，個(gè)體隨機(jī)交配，基因充分交流，突變基因在隨機(jī)交配中被自然保留，中性突變?cè)谑来羞M(jìn)化。期間可設(shè)置誘變裝置提高突變頻率，可遷入近緣種質(zhì)改變基因頻率，可加代繁殖，但嚴(yán)防漂變發(fā)生。定期檢測(cè)基因池中重要基因頻率變化，評(píng)價(jià)遺傳進(jìn)化效果?；虺囟ㄆ谙蛴N者開放，實(shí)現(xiàn)寬種質(zhì)基礎(chǔ)進(jìn)化、窄特有種質(zhì)利用。