我國玉米雜種優(yōu)勢群的利用、劃分與演變

王稼苜 任 帥 丁 強 魏 芳 楊京華 馬海濤 李 棟

（河南省新鄉(xiāng)市農業(yè)科學院，新鄉(xiāng) 453000）

玉米是世界上重要的糧食作物，1996 年世界玉米總產量超過水稻和小麥，成為位居世界產量第一的糧食作物[1]。我國2011 年玉米總產量超過稻谷成為第一大作物，到2017 年統(tǒng)計未有變動（National data 國家數(shù)據(jù)：http：//data.stats.goc.cn/）。我國玉米生產取得巨大成就與品種改良利用密切相關，而品種改良中種質的合理利用，尤其是雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式理論和方法的應用起到關鍵作用[2]。回顧我國近40 年來玉米改良中雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式的利用，技術方法體系建立完備，但也存在不同觀點和看法。本文目的是通過回顧我國玉米新品種更替的概況，反映我國玉米種質利用的演變，進一步認識雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式原理和方法在玉米改良中的作用，從遺傳學角度探討遺傳多樣性與類群劃分，與雜種優(yōu)勢形成的關系。

1 雜種優(yōu)勢、雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式概念

所謂雜種優(yōu)勢，指兩個遺傳組成不同的親本雜交產生的F1，在生長勢、生活力、繁殖力、抗逆性、產量和品質等方面都明顯優(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，遺傳學家沙爾（shull G H）和生物學家伊斯特（East E M）稱這種生長優(yōu)越為“雜種優(yōu)勢”（heterosis）[4]。玉米是異花授粉作物，早期種植的是農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)勢更大，目前玉米的雜種優(yōu)勢利用的途徑仍是這種自交系間雜交方式。

兩個個體之間雜交，F(xiàn)1產生強雜種優(yōu)勢現(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)勢的現(xiàn)象，定義了雜種優(yōu)勢產生的一個基本條件，即在同一物種內，雙親基因型差異越大，F(xiàn)1雜合位點越多，雜種優(yōu)勢就越強，反之則弱。遺傳差異，遺傳學上包括等位基因、復等位基因、擬等位基因、非等位基因互作等差異，這些差異共同構成親本個體的遺傳多樣性[5-6]。分子標記或序列分析可檢測到它們的存在，如SSR 和SNP 標記檢測玉米不同群體遺傳多樣性[7-9]，并進一步劃分類群[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，染色體同一位點的基因具有較高的多樣性，不同群體間雜交均產生雜合性，從而產生雜種優(yōu)勢。

1947 年，美國中西部的Reid 家族種植俄亥俄州的Gordhopkins 玉米，因缺苗補種了當?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，該種質后來育成多個高配合力自交系，在美國利用長達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，該種質是Lancaster 的原始親緣[13]。公益研究機構把Reid 黃馬牙與Lancaster系雜交，發(fā)現(xiàn)F1生長更好，這是世界上第一個玉米強雜種優(yōu)勢組合[14]。此后美國研究者就把產生雜種優(yōu)勢的兩個親本分開，親緣關系相近的自交系或品種歸在一起，它們之間雜交不產生雜種優(yōu)勢，如BSSS、依阿華堅稈玉米綜合種，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 成為最早的兩個經(jīng)典玉米自交系群，稱“雜種優(yōu)勢群”（heterotic group），Reid×Lancaster 組合稱“雜種優(yōu)勢模式”（heterotic pattena）[5，8，16]。雜種優(yōu)勢、雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式概念的建立，是現(xiàn)代和近代玉米遺傳改良最重要的理論和實踐，在最大雜合性雜種優(yōu)勢假說理論指導下，用雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式方法創(chuàng)新擴增玉米種質，比較、鑒定和分子標記將自交系劃分類群，繼而組配雜種優(yōu)勢模式，玉米自交系改良和品種改良從此進入一個可設計、可預期的人為可控程序之中。

2 雜種優(yōu)勢群及演化

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

我國玉米雜種優(yōu)勢利用，從20 世紀60 年代開始，每10 年就有一個標志性的技術進步[15，17]。20世紀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、農大4 號等[15]，但此期尚未進行自交系類群劃分。進入80 年代，國內單交種應用普及，白單4 號（塘四平頭×525）、新單1 號（Bup44×吉63）等開始推廣，后來鄭單2 號（塘四平頭×獲白）、吉單101（吉63×M14）、中單2 號（Mo17×自330）、丹玉6 號（旅28×自330）等成為主導品種。種質格局分為4 大類群，國內獲嘉白馬牙、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，曾三省歸納此時期的雜種優(yōu)勢模式是硬粒×馬齒，本國系×外國系，不同種質利用仍未明確類群劃分。90 年代期間，雜種優(yōu)勢利用在我國迅速發(fā)展，一是單交種面積快速上升，到中期接近80%以上[1]；二是新的高產組合相繼問世，掖單2 號（掖107×黃早4）、掖單13號（掖478×丹340）陸續(xù)通過審定，換代品種農大108（P178×黃C）、世紀性品種鄭單958（鄭58×昌7-2）等已孕育成熟；三是種質研究方面，雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式研究全面展開。多位專家利用系譜法、測交法和分子標記法開始分析我國利用的自交系的雜種優(yōu)勢群（圖1）和雜種優(yōu)勢模式[18-19]。90 年代中后期培育出P178、P138 等一批創(chuàng)新自交系，組配出多個強優(yōu)勢組合，如農大108，這批自交系原始種質來自國外，藤文濤等[17]分析這些自交系種質不同于其他類群，命名“溫熱Ⅰ”，李新海等[12]將該種質稱為PB，豐光等[20]后來檢測與改良Reid關系較近。該10 年期間，獲嘉白馬牙種質利用迅速減少，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群。改良Reid×塘四平頭和改良Reid×旅大紅骨模式是該時期種植面積最大的優(yōu)勢模式。

圖1 國內的一個玉米雜種優(yōu)勢群劃分

進入21 世紀，審定的新品種個體增產潛力提高，但自然災害發(fā)生頻繁，尤其風災嚴重，因此對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?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和生產方式的品種才被農民持續(xù)接受。2010 年，豐光等[20]分析進入新世紀后的雜交種，如1998 年審定的掖單13 號（掖478×丹340）、2001 年審定的農大108，在21 世紀頭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、穩(wěn)產、多抗特性迅速占領東北和黃淮玉米產區(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]，而且也催生我國機收玉米概念形成。但此期國內大多數(shù)玉米育種都在圍繞鄭單958 和先玉335 兩個組合親本改良，結果產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物。根據(jù)主流品種的親本及血緣分析，此時期的玉米種質仍和90 年代一樣，劃分5 個或6 個優(yōu)勢群，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，旅大紅骨種質逐漸萎縮，Lancaster 的Mo17更新為先玉335 父本PH4CV[22]。還有一個重要改變是先玉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。此間有學者將鄭58 系列與B73 系列合并為Reid[11]，但多數(shù)分子標記檢測顯示二者是相對獨立的群[12，21，22]，因此仍將Reid 和改良Reid 劃分為兩個群。PH6WC 是Reid 種質，該自交系目前也被認為Reid 群的代表自交系之一[22]。到21 世紀前10 年末，改良Reid、黃改、Reid 和Lancaster 群在中國的玉米種質中確立了絕對優(yōu)勢地位，過去的綜合群種質等逐步退出歷史舞臺，熱帶種質等多用來擴增優(yōu)勢類群種質。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[23]。從這些品種組合的親本種質不難看出，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，在產量方面能夠顯著超過鄭單958，但穩(wěn)產性和適應性仍顯不足，如在出現(xiàn)低溫寡照、高溫熱害、流行病害等逆境時，鄭單958 仍表現(xiàn)多種抗性，災后年份面積再度上升，自審定后20 年不衰。該時期還有一個新的優(yōu)良組合出現(xiàn)，即京科968，據(jù)趙久然等[24-25]報道它是一個新的雜優(yōu)模式，因為母本京724 是國外X1132x 選系，經(jīng)檢測是一個獨立群，稱X 群，非Reid 來源，父本京92 是黃改群。由于近幾十年來引進的國外系與黃改成為雜優(yōu)模式的種質，多數(shù)是Reid 系列，因此京724 可能是平行Reid 和改良Reid 的種質，又由于該群與黃改種質有高配特性，因此預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 的脫水速率等指標接近先玉335，綜合抗性好、區(qū)試表現(xiàn)佳，有擴增面積潛力[26]。從該時期的雜種優(yōu)勢模式可以看出，最近10 年的主流雜種優(yōu)勢群仍是改良Reid、黃改、Reid、Lancaster 和旅大紅骨，以及新發(fā)現(xiàn)的X 群，種質遺傳結構改良不大。該時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，二是機械模仿過去從優(yōu)勢模式的二環(huán)系中選育新系。鄭單958 和先玉335 組合都是絕世的，其遺傳結構很難復制，互補差異很難形成，因此直接改良很難超越，優(yōu)勢模式二環(huán)系方法混亂血緣，郭向陽等[27]批評這種短、平、快方法，不僅浪費人力物力，而且制造瓶頸。因為在品種間雜交種和雙交種時代，雜種優(yōu)勢模式F1有著廣泛的種質基礎，地理遠緣的二環(huán)系間遺傳差異大，實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)勢模式F1，已經(jīng)集合了多個類群的優(yōu)良種質，重新建立新雜種優(yōu)勢模式，一是無互補群，二是重新建立互補群是進化概念。

3 雜種優(yōu)勢群的劃分和應用

從雜種優(yōu)勢、雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式概念可以看出，之所以成為雜種優(yōu)勢群，是因為能組成雜種優(yōu)勢模式。之所以成為優(yōu)勢模式，是因為兩群間存在足夠的遺傳差異，F(xiàn)1具雜種優(yōu)勢，因此雜種優(yōu)勢群的形成也須具備2 個條件，一是F1具強雜優(yōu)表現(xiàn)，二是基因組存在群體結構差異，本質仍是雜種優(yōu)勢形成條件。劃分雜種優(yōu)勢群的重要目的之一是指導建立雜種優(yōu)勢模式，當用測交法驗證雜種優(yōu)勢群后，雜種優(yōu)勢群指導建立雜種優(yōu)勢模式的作用已不存在。因此雜種優(yōu)勢群劃分的真正作用是了解被測材料的遺傳結構，即一般配合力成分及差異。也有不少人用雜種優(yōu)勢群預測雜種優(yōu)勢模式，結果發(fā)現(xiàn)效果不佳[28]，劃分雜種優(yōu)勢群，基因組檢測法加測交法才可靠，這是因為雜種優(yōu)勢的產生有等位和非等位的互作，基因組檢測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中互補形成，類群劃分檢測不到，還有基因和環(huán)境之間的互作也檢測不到。這就是為什么用劃分的雜種優(yōu)勢群很難預測雜種優(yōu)勢，并非雜種優(yōu)勢群之間的自交系都能組配強雜種優(yōu)勢組合。

雜種優(yōu)勢群的劃分對自交系改良中保持清晰的種群分界、相對分明的血緣家系是重要的[5]。類群劃分結果預測雜優(yōu)模式效果不佳，但利用遺傳多樣性檢測的群體遺傳組成，全面分析成對自交系之間遺傳結構的互補性，對預測雜優(yōu)模式可能有效。關于我國雜種優(yōu)勢群分群的數(shù)量，學界有不同看法。王懿波等[19]把其分為5 個類群和9 個亞群，張世煌等[18]把其分為3 個類群和5 個亞群，此后文獻分類多為5～8 個群，即“多群論”。2006 年張世煌先生倡導H allauer 2003 年提出的BSSS-Tuxpeno 和nonBSSS-nonTuxpeno 兩個雜種優(yōu)勢列（heterotic alignment）概念[5]，即“二群論”，用SS 和NSS 表示。“二群論”和“多群論”，國內有較多討論[29-30]，結果是既沒有否定“二群論”，因為先鋒公司用該理念，育種成效是顯著的，也沒有否定“多群論”，因為先鋒公司實際應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)育種種質管理，多群論更宜于雜種優(yōu)勢模式操作。玉米遺傳多樣性支持多群論，因為一個基因位點的等位基因最少是2 個，大量位點有復等位基因或擬等位基因，即多于2 個基因，這種基因多樣性可形成類群多樣性，保證群之間雜交F1個體位點均呈雜合狀態(tài)。適當合并類群也是必要的，理論上基因位點多樣性不支持4 個以上群，因為沒有基因組研究證據(jù)表明多數(shù)位點有4 個以上成員。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 分群觀點一致[18]，Yong 等[31]提出美國種質在中國的利用可演化為A、B、D 3 個群等這些方案，也是種質利用的實踐總結，在類群劃分和雜優(yōu)模式建立上都是建設性的。

我國20 世紀80 年代以后，玉米育種以前所未有的規(guī)模和強度在相近群間，甚至直接用優(yōu)勢模式F1進行基因重組，獲得了一批有價值的種質，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，包括對先玉335 親本的反復改良[32]。這說明這些群間的基因型種質在趨同，泛義純系學說在起作用。例如著名自交系鄭58，張冬梅等[33]、Xie 等[34]測其遺傳結構中約一半是BSSS，另一半是旅大紅骨和Lancaster，Zhang 等[35]進一步測定旅大紅骨血緣是來自丹340。創(chuàng)新自交系需要創(chuàng)新種質，需要獲得新的基因位點。新的種質一方面存在于起源中心，包括近緣種，如摩擦禾[36]。另一方面需要產生基因突變，我國不是玉米起源中心，引進新種質需到起源中心去收集，我國在該方面積累有豐富經(jīng)驗和技術[15，18]，但種質突變創(chuàng)新方面鮮有報道。新基因突變和保存需要隨機群體和世代支撐，因此需要建立盡可能廣泛化的種質群體，即基因池。一個基因池是一個典型雜種優(yōu)勢群。基因池在特殊地區(qū)種植，如類原產地、適宜生態(tài)區(qū)、非適宜生態(tài)區(qū)等地。基因池在人為隔離下自然進化，個體隨機交配，基因充分交流，突變基因在隨機交配中被自然保留，中性突變在世代中進化。期間可設置誘變裝置提高突變頻率，可遷入近緣種質改變基因頻率，可加代繁殖，但嚴防漂變發(fā)生。定期檢測基因池中重要基因頻率變化，評價遺傳進化效果。基因池定期向育種者開放，實現(xiàn)寬種質基礎進化、窄特有種質利用。