焦仁海 仲義 劉俊 蔡鑫茹 吳鳳新 劉興二 夏遠(yuǎn)峰

(吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 公主嶺 136100)

玉米是全國第1大糧食作物[1,2]，在保障國家糧食安全、促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展、開發(fā)諸如工業(yè)乙醇等新能源方面發(fā)揮了舉足輕重的作用[3]。為維護(hù)國家糧食安全及自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。其中，新品種的選育與推廣起到了不可代替的支撐作用，成為農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略的核心。據(jù)美國學(xué)者預(yù)測，未來糧食增產(chǎn)潛力70%依靠新品種持續(xù)不斷更新?lián)Q代，而品種的更新?lián)Q代進(jìn)展決定于種質(zhì)資源的創(chuàng)新研究水平。

1 玉米種質(zhì)資源研究的意義

種質(zhì)資源是保障國家糧食安全與重要農(nóng)產(chǎn)品供給的戰(zhàn)略性資源，是建設(shè)生態(tài)文明與支撐農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是驅(qū)動農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新與發(fā)展現(xiàn)代種業(yè)的芯片。種質(zhì)資源保護(hù)與利用具有公益性、基礎(chǔ)性、長期性等顯著特點。種質(zhì)資源是在不同生態(tài)條件下經(jīng)過上千年的自然演變形成的，蘊(yùn)藏著各種潛在有益基因，是人類生存和發(fā)展最有價值的寶貴財富，是作物育種、生物科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。舉世聞名的“綠色革命”和雜交水稻的成功均源于種質(zhì)資源的開發(fā)與利用。鑒于種質(zhì)資源在農(nóng)作物生產(chǎn)中的重要地位，世界范圍內(nèi)的種質(zhì)資源競爭愈演愈烈，資源的爭奪和發(fā)掘已成為競爭焦點，常規(guī)技術(shù)和現(xiàn)代分子技術(shù)相結(jié)合對種質(zhì)資源進(jìn)行深入精準(zhǔn)鑒定評價、發(fā)掘、創(chuàng)新的研究已成為許多國家的戰(zhàn)略共識。從種質(zhì)資源中獲取“基因主權(quán)”，帶來巨額財富，已成為發(fā)達(dá)國家及其跨國公司控制別國經(jīng)濟(jì)的一種新的戰(zhàn)略手段。種質(zhì)資源不被專利保護(hù)，但從種質(zhì)資源中獲取的優(yōu)異基因序列卻可以實施專利保護(hù)，不僅可以使竊取別國基因資源的“生物海盜”合法化，而且將致使種質(zhì)資源擁有國應(yīng)用本國種質(zhì)資源時變成非法化。將給包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并有可能對糧食安全和國計民生帶來重大影響?！胺N中國大豆侵美國權(quán)”等事件給人們敲響了警鐘，充分說明了加強(qiáng)種質(zhì)資源研究實力、提升總體研究水平的重要性。利用生物技術(shù)創(chuàng)制符合我國玉米生產(chǎn)需求的新種質(zhì)、新材料，建立信息和資源共享平臺，加快遺傳進(jìn)度，提高育種水平，以全面滿足發(fā)展我國糧食生產(chǎn)對作物新品種的迫切需求，將起到巨大的推動和保障作用。

針對我國玉米育種遺傳基礎(chǔ)狹窄、優(yōu)異種質(zhì)匱乏、資源利用效率低下等問題，通過玉米萌發(fā)期耐旱、耐低溫、玉米生長期抗病及生理成熟至收獲期籽粒脫水快等種質(zhì)資源的發(fā)掘，創(chuàng)制目標(biāo)性狀突出且綜合性狀較好的優(yōu)異種質(zhì)，用于適宜全程機(jī)械化生產(chǎn)的新品種培育，將顯著增強(qiáng)品種的抗旱、耐低溫能力、減少農(nóng)藥的使用量，節(jié)約資源、防止環(huán)境污染，減少農(nóng)田用工、降低生產(chǎn)成本、增加農(nóng)民收入，從而有利于促進(jìn)玉米產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起到重要作用，對建設(shè)節(jié)約型社會、促進(jìn)社會主義新農(nóng)村建設(shè)、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)、解決“三農(nóng)”問題具有重要的作用。

2 國外玉米種質(zhì)資源研究發(fā)展現(xiàn)狀

在國際上，美國和國際玉米小麥改良中心(CIMMYT)是當(dāng)前玉米種質(zhì)創(chuàng)新的2大主力軍。美國等發(fā)達(dá)國家，為保持玉米育種的世界領(lǐng)先地位和核心競爭力，一直致力于高產(chǎn)、抗病、廣適的玉米種質(zhì)改良工作，對中美洲及加勒比海等外來種質(zhì)十分重視，用以擴(kuò)增改良種質(zhì)。美國Iowa州立大學(xué)合成、改良的BSSS和BSCB1群體，代表了美國玉米帶的雜種優(yōu)勢模式。North Carolina州立大學(xué)用熱帶雜交種培育了一批適應(yīng)溫帶環(huán)境的自交系。美國GEM計劃創(chuàng)制出抗黃曲霉、抗西部食根蟲等大量其它重要種質(zhì)，CIMMYT將重點投向發(fā)展中國家的農(nóng)家品種，包括對中國、印度、越南和非洲等國家的種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析，開發(fā)和利用了高通量全基因組掃描方法、單核苷酸多態(tài)性分子標(biāo)記發(fā)掘和檢測等技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，劃分雜種優(yōu)勢群，構(gòu)建雜種優(yōu)勢模式，并開展分子標(biāo)記輔助的種質(zhì)創(chuàng)新。美國利用阿根廷的Maiz Amargo(苦玉米)種質(zhì)的抗倒伏和抗病蟲能力，實現(xiàn)了母本群里種質(zhì)的擴(kuò)增、改良與創(chuàng)新，育成優(yōu)良自交系PH6WC；將Iodent籽粒灌漿和脫水速度快的種質(zhì)導(dǎo)入父本群中，提高了雜交種的籽粒灌漿和脫水速度，降低了收獲時含水量，為實現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)提供了資源和品種支撐。杜邦先鋒擁有全世界60%以上的玉米多樣性資源，育成的品種市場競爭力極強(qiáng)。北卡羅來納大學(xué)在1960年就開始擴(kuò)增、利用拉丁美洲的玉米種質(zhì)，經(jīng)過多年改良創(chuàng)新利用，選育出了極具市場競爭力的商業(yè)雜交種如“87001”、“78599”、“JK108”等。

3 我國玉米種質(zhì)資源研究發(fā)展現(xiàn)狀

我國玉米生產(chǎn)和育種所依賴的種質(zhì)基礎(chǔ)很狹窄，這對培育綠色優(yōu)質(zhì)適宜機(jī)械化生產(chǎn)的玉米新品種十分不利。因此，只有大力開展玉米種質(zhì)創(chuàng)新，才能進(jìn)一步提高玉米育種研究的創(chuàng)新能力。20世紀(jì)70年代，我國研究人員從美國引入高產(chǎn)、抗病、抗倒伏的蘭卡斯特類群玉米自交系Mo17，與我國當(dāng)時骨干自交系黃早4雜交育成玉米新品種“黃莫”，極大地加快了我國玉米育種進(jìn)程，使我國玉米單產(chǎn)提高了5倍，在我國玉米育種史上具有劃時代的意義。20世紀(jì)90年代以來，我國研究人員從CIMMYT和美國引進(jìn)一批玉米自交系和種質(zhì)資源并育成系列自交系、熱帶和亞熱帶玉米群體、優(yōu)質(zhì)蛋白玉米群體和高油群體等，使我國玉米種質(zhì)創(chuàng)新進(jìn)入了一個良好的發(fā)展階段。2003年前后，從美國引入高產(chǎn)、硬粒、優(yōu)質(zhì)、少雄穗、早發(fā)性好的優(yōu)良自交系PH6WC及用其配制的玉米雜交種“先玉335”，促進(jìn)精量播種技術(shù)的普及、玉米商品品質(zhì)的大幅提升，加速中等耐密性品種的推廣。在自交系掖478的繁殖田里發(fā)現(xiàn)的一株雜株育成了“鄭58”，與“昌7-2”雜交育成風(fēng)靡全國的玉米雜交種“鄭單958”，是中國玉米育種史上里程碑式的品種，把中國玉米育種的水平提升了近20a，從2004年以來一直穩(wěn)居我國玉米品種播種面積的首位，使玉米單產(chǎn)大幅提高[4]。

近年來，為盡快培育出突破性雜交種，我國十分重視種質(zhì)資源的搜集創(chuàng)新工作，并進(jìn)行豐產(chǎn)性、抗逆性、品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性狀的鑒定研究。吉林省農(nóng)科院率先將熱帶種質(zhì)的抗病性等優(yōu)良性狀與溫帶種質(zhì)高的經(jīng)濟(jì)系數(shù)相結(jié)合而獲得成功，培育出含有熱帶種質(zhì)，并高抗玉米絲黑穗病的自交系吉1037等，已成為國內(nèi)玉米育種廣泛應(yīng)用的重要熱導(dǎo)自交系。與中國農(nóng)大合作，進(jìn)行玉米絲黑穗病基因的精細(xì)定位、分子標(biāo)記輔助育種、基因克隆和抗病機(jī)理研究，成功把吉1037的抗玉米絲黑穗病的主效基因轉(zhuǎn)入到10個骨干自交系，育成吉K04、吉K287、吉K853、吉K22等一批抗病自交系。利用歐洲種質(zhì)創(chuàng)制優(yōu)異自交系吉V022，獲2018年吉林省科技進(jìn)步二等獎。與中國農(nóng)科院合作，建立了回交與標(biāo)記選擇相結(jié)合的抗玉米矮花葉病育種技術(shù)，創(chuàng)造出抗玉米矮花葉病自交系LX466。此外，吉林省農(nóng)科院已構(gòu)建玉米抗病、抗逆、宜機(jī)收性狀的本土化鑒評體系，并已頒布3部省地標(biāo)和1部農(nóng)業(yè)部行標(biāo)；定位并開發(fā)各類性狀功能標(biāo)記20余個，創(chuàng)制新種質(zhì)30余份。

4 玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新途徑

玉米遺傳育種領(lǐng)域的科技進(jìn)步首先體現(xiàn)在玉米種質(zhì)素材的搜集、研究、改良與創(chuàng)新方面，只有加大玉米種質(zhì)資源的創(chuàng)新力度，才能進(jìn)一步提高玉米育種研究的創(chuàng)新能力。

4.1 搜集外來種質(zhì)資源加以改良利用

種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)狹窄、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)異種質(zhì)匱乏，是制約我國玉米育種快速發(fā)展的瓶頸和薄弱環(huán)節(jié)。研究表明，外來種質(zhì)對我國玉米生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率近60%[5]，以美國種質(zhì)貢獻(xiàn)最大，其次為CIMMYT。美國種質(zhì)遺傳貢獻(xiàn)率每增加1%，國內(nèi)玉米單產(chǎn)將提高0.2%或10kg·hm-2。因此，引進(jìn)、利用外來優(yōu)良種質(zhì)及對外來優(yōu)良種質(zhì)加以改良和創(chuàng)新，是玉米育種研發(fā)快速發(fā)展的基本策略之一。

我國北方玉米育種基本上以溫帶種質(zhì)為基礎(chǔ)材料，引進(jìn)和利用北半球溫帶地區(qū)如美國、加拿大和歐洲的資源比較適合，在日照長度、氣候條件和生態(tài)環(huán)境等方面非常相似，引過來就能利用[6]或直接用作改良創(chuàng)新的中間材料。熱帶、亞熱帶種質(zhì)，尤其是CIMMYT的種質(zhì)，在我國玉米育種中的作用越來越突出，具有北半球溫帶地區(qū)育種材料所不具備的優(yōu)良性狀及其控制基因，與溫帶育種材料雜交后許多農(nóng)藝性狀呈現(xiàn)出較大的差異[7]，如果能把這些資源通過雜交、回交等方式進(jìn)行改良創(chuàng)新，應(yīng)用到育種中，對于解決我國玉米種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)狹窄，生產(chǎn)上應(yīng)用品種同質(zhì)化嚴(yán)重，豐富現(xiàn)有玉米種質(zhì)的遺傳多樣性是至關(guān)重要的[8]。但是熱帶、亞熱帶種質(zhì)在溫帶表現(xiàn)為光周期反應(yīng)敏感，常常出現(xiàn)植株高大、雌雄花期不調(diào)、空桿、生育期長、不能正常結(jié)實等不良現(xiàn)象，在溫帶地區(qū)種植這些材料并進(jìn)行雜交改良，是非常難以操作的。育種經(jīng)驗表明，在引進(jìn)熱帶、亞熱帶種質(zhì)時，應(yīng)該充分了解系譜來源和重要農(nóng)藝性狀的綜合表現(xiàn)，并進(jìn)行雜種優(yōu)勢類群劃分。

4.2 群體改良是利用外來種質(zhì)擴(kuò)充遺傳基礎(chǔ)的有效途徑

群體是選育優(yōu)良自交系的重要基礎(chǔ)材料。輪回選擇是增加有利基因頻率、打破優(yōu)良基因與不良基因的連鎖，從而改良群體性能的有效方法，也是利用性狀差異較大的外來種質(zhì)進(jìn)一步擴(kuò)充本地遺傳基礎(chǔ)的有效途徑。美國依阿華州立大學(xué)Ames合成堅桿綜合種(BSSS)，從中選育出B14、B73等自交系，對美國雜交玉米的貢獻(xiàn)達(dá)8%。研究表明，本地骨干系是群體改良的重要組成部分，約占育成優(yōu)良系基因組組分的80%，而外引新種質(zhì)可提供提高產(chǎn)量和配合力的有利基因，約占組分20%，表明本土骨干系仍然具有較高的利用價值，外引新的種質(zhì)資源可提供高產(chǎn)、高配合力的有利基因。吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院1980年開始，從云、貴、川、桂等地搜集玉米種質(zhì)資源，建立了“吉林庫-Ⅰ”，經(jīng)20a的群體改良工作，創(chuàng)造了一批遺傳類型差異較大的優(yōu)異育種新材料，對外引忻綜、中綜群體開展了改良和選系利用。有效拓寬玉米種質(zhì)基礎(chǔ)，為玉米自交系選育提供良好的育種素材，已從改良群體培育出吉921、吉930、吉B93-4等一批優(yōu)良自交系并組配出一批雜交種審定推廣，取得了較大突破。

4.3 利用現(xiàn)代生物技術(shù)提高玉米育種效率

運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)、分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)、基因編輯技術(shù)，規(guī)?；⒕珳?zhǔn)化地快速改良和提高品種優(yōu)良性狀，實現(xiàn)目標(biāo)性狀基因聚合，是現(xiàn)代生物育種的重要方面，可以使玉米育種效率提高60%～150%。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是將人工分離和修飾過的基因?qū)氲缴矬w基因組中，導(dǎo)入基因的表達(dá)，引起生物體性狀的可遺傳修飾。轉(zhuǎn)基因技術(shù)與傳統(tǒng)育種技術(shù)區(qū)別主要表現(xiàn)為傳統(tǒng)育種技術(shù)一般只能在生物種內(nèi)個體上實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)基因技術(shù)不受生物體間親緣關(guān)系的限制，可打破不同物種間天然雜交的屏障，擴(kuò)大可利用基因的范圍；傳統(tǒng)的雜交和選擇技術(shù)一般是在生物個體水平上進(jìn)行，操作對象是整個基因組，不可能準(zhǔn)確地對某個基因進(jìn)行操作和選擇，對后代的表現(xiàn)預(yù)見性較差。而轉(zhuǎn)基因技術(shù)所操作和轉(zhuǎn)移的一般是經(jīng)過明確定義的基因，功能清楚，后代表現(xiàn)可準(zhǔn)確預(yù)期。

玉米是利用分子標(biāo)記技術(shù)最早的作物之一，并且取得了豐碩成果。20世紀(jì)80—90年代初期對玉米進(jìn)行分子標(biāo)記方面的研究多是基礎(chǔ)性的項目研究，如建立分子標(biāo)記連鎖圖譜、定位遺傳多樣性的評價基因等。20世紀(jì)90年代中期，重要基因定位方面的研究成為主要發(fā)展方向。由于分子標(biāo)記直接以DNA形式表現(xiàn)，具有不受環(huán)境條件和發(fā)育階段的影響、標(biāo)記的數(shù)目多、多態(tài)性高等優(yōu)點，所以發(fā)展迅速，并且種類不斷增多。

基因編輯技術(shù)可針對選定的基因目標(biāo)區(qū)域序列進(jìn)行編輯，經(jīng)過編輯后的目標(biāo)序列可產(chǎn)生缺失、插入或置換等形式的突變，這些變異形式都具有可遺傳性，在近幾年來發(fā)展迅速。目前基因編輯技術(shù)中CRISPR/Cas9系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多種植物上，根據(jù)不同作物的性狀，基因編輯不僅能準(zhǔn)確地對目標(biāo)基因進(jìn)行誘變，而且可有效地同時針對多個目標(biāo)基因或運(yùn)用于多倍體基因組使序列產(chǎn)生變異。將基因編輯技術(shù)應(yīng)用于作物育種中可高效育成耐逆境的新品種，為解決全球糧食安全提供新途徑和思路。作為生命科學(xué)發(fā)展迅速的重要研究領(lǐng)域，基因編輯育種技術(shù)具有精確、通用、高通量、安全的優(yōu)點，發(fā)展迅猛，使玉米的遺傳改造進(jìn)入了史無前例的深度與廣度，成為作物育種的嶄新的手段，具有巨大的市場應(yīng)用前景。在玉米育種中主要用于提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)、提高抗病性和抗逆性等。

4.4 利用單倍體育種技術(shù)提高新種質(zhì)創(chuàng)制速度

現(xiàn)代農(nóng)作物育種技術(shù)有幾個里程碑式的發(fā)展，其中利用孤雌生殖誘導(dǎo)系雜交誘導(dǎo)單倍體育種技術(shù)對玉米育種技術(shù)的革新、加速玉米生產(chǎn)中新品種的更替起到重大的推進(jìn)作用。玉米單倍體育種技術(shù)是以選系基礎(chǔ)群體為母本，利用孤雌生殖誘導(dǎo)系作父本雜交誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體，通過自然加倍或化學(xué)加倍的方法獲得純合二倍體DH系的育種技術(shù)。單倍體育種技術(shù)有效提高了新材料和新種質(zhì)的創(chuàng)制速度。利用常規(guī)育種技術(shù)需要自交6代或更長時間方可獲得穩(wěn)定的自交系，而利用單倍體育種技術(shù)，僅2個世代即可育成純合自交系，只需1a的時間，進(jìn)而用于優(yōu)良雜交種的組配，顯著提升了育種效率。以自選核心種質(zhì)為主、多供體親本為輔的輪回選擇，采取單倍體育種技術(shù)將性狀差異較大的外來種質(zhì)的優(yōu)良基因?qū)氲胶诵姆N質(zhì)之中，逐步改良核心種質(zhì)，不斷提升群體中的有利基因頻率，為創(chuàng)制突破性新種質(zhì)、新品種打下堅實基礎(chǔ)。吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用該技術(shù)育成了高產(chǎn)、高配合力玉米自交系吉A6601，用其配制出矮桿、耐密、脫水快的宜機(jī)收玉米雜交種“吉單66”，于2017年通過國家機(jī)收組審定并得到了大面積的推廣種植。