推荐||张铭堂：单倍体育种意见

编辑 | 新锐恒丰研究院

来源 | 张铭堂

作者 | 张铭堂

行业·视角·技术

新锐君邀您，先思考：

1.单倍体技术的优点是什么？

2.玉米杂交优势是不是逐年减弱？

3.为什么选择单倍体育种时机是关键？

4.什么是单倍体育种的 SOP？ 

本报告内容源于智种网特聘顾问张铭堂老师。

正文

单倍体方法是一种技术。这个技术的优点是可以将只有单一套染色体基因的配子体 （Gamete） 加倍后,快速成为基因完全纯合的二倍体植株。比传统的自交 10 代或以上的育种方法快很多。节省育种年限。单倍体育种的最高境界，就是配子体选拔 （Gamete Selection）(Stadler 1944; Chang and Coe, 2009) 。如果可以对不同遗传基因组成的配子体，比如杂交植株分离的花粉母细胞，进行筛选，找到最理想的遗传组合配子体，将配子体加倍之后，产生的再生植株，就是最佳纯合系。成功的实例包括对配子体/细胞集团进行耐逆性及耐除草剂的选拔。

1.自交及杂交

自交作物经过千万年自交及天然选拔，依据达尔文优胜劣汰，生存竞争，自然淘汰法则（Darwin  1958）,只有最适应当地生育环境的植株及其后裔，以及人类对其有利的选拔及驯化，才能有效繁衍并且扩散。今天见到的自交作物，都有两个特点。

第一：它们是遗传纯合程度很高的纯合系。它们带有的纯合遗传基因都是经过环境考验，性状优良的基因。性状不良或不能适应环境的基因早已经淘汰。它们对环境的耐性优良，他们性状的表现一致。便利统一的大面积栽培及管理。除去一些偶尔发生的负面效果的天然突变之外。如果突变影响产量，则产量就会退化。这就是为什么纯合水稻品种，栽培多年之后，产量退化的部分原因。 

第二：由于对遗传基因型人为的选拔及淘汰，已经丧失遗传的多样性。因此产量优势主要来自于纯合自交系本身优良特性的表现。杂种优势的遗传基因很多已经淘汰，因此杂种优势存在的比重不高。比方水稻，估计基因型决定大约 90% 产量，环境变化决定大约 10% 产量。就基因型的影响部分来看，经过数千年优中选优的自交纯合选拔，水稻优良纯合基因型已经可以决定 80% 以上的产量，真正来自杂种优势的产量增加，可能不足 20% 。因此杂交水稻增产  20% 有可能。在杂交水稻的基础上，再增产 20% 非常困难。只能牺牲植株组织结构及谷粒品质。所以自交作物的单倍体育种比较简单。因为杂交种的父母亲本所携带的遗传基因都很优良，因此只要把单倍体加倍之后，选拔高产，优质，及具有良好性状表现的双单倍体纯合系就好。所以，自交作物使用单倍体育种方法，成功的几率很大。 

玉米就比较困难。玉米是常异交作物，族群存在很大遗传歧异性，以及个体植株遗传基因异结合的程度很高。因此玉米一直都是好坏基因并存的异结合程度很高的个体。没有经过千万年长期自交及天然选拔，很难清除不利玉米生长的遗传基因。这就是为什么在 1930 年代，无法选育单交种的主要障碍。原因是自交系带有很多不利植株生长的遗传基因，无法清除，以致植株脆弱，果穗产量很低，不敷生产成本（Duvick,2001）。

经过 80 年不断选拔，美国现有自交系的基因组合，已经充满优良遗传性状基因。1916 年，美国玉米自交系的产量是杂交种的 10 %。那时候 80 %产量来自杂种优势。1980 年，自交系的产量决定杂交种 50 %的产量。而可能少于 50 %的产量来自杂种优势。估计现在自交系的产量是 60 %杂交种的产量。杂种优势产量可能少于 40 %。研究证实玉米杂种优势在过去 50 年减少 25%，60 年减少 30 %，以及 100 年减少  35 %。因此有人提出使用自交系测产来替代单交种的测产，可以节省测产成本，同样可以得到测试的效果（Troyer and Wellin, 2009）。因为可以省略制备杂交组合种子，以及节省土地（自交系一个系只种一行）。先锋每年选育 700 个新自交系及选育 6000 个杂交种。自交系可以比杂交种更清楚表达对环境的反应。 

虽然现在玉米自交系可以决定 60%  杂交种产量，但是还是有 40 % 的产量要依赖杂种优势。因此玉米单倍体育种的困难，就是一个双单倍体纯合系，必需要满足自交系丰产的优良特性，同时还要充分表现杂交种的杂种优势。换句话说，就是双单系要具有一切优良农艺性状，对生物性及非生物性压力的耐性，以及高配合力。 

2.好材料，出好产品

一个双单系如果要具有一切优良性状，对生物性及非生物性压力的耐性，以及高配合力。就必需要使用好的材料，才有可能获得。所以我们要了解玉米父母亲本需要那些必要的优良性状，以及怎么样的组合，才有可能表现最大的高配合力。同时还要考虑未来玉米育种发展的趋势。比如未来玉米育种，应该考虑玉米栽培密度的适当提高，以及空气污染的可能影响。为了减少空气微尘在植株组织的累积，因此叶片应该没有太多叶毛，叶片光亮，叶片比较窄，比较柔软而富有弹性，茎秆比较细，富有弹性，茎叶组织可以随风摇动飘移，降低微尘在叶片组织累积的数量及时间，以获得光能的最大利用。这些考虑，都是可以提高未来玉米系统的竞争能力。然而这些新增加的遗传性状，不是独立选拔，而是在既有的优良遗传基因的背景下，添加的新的优良基因。如果单倍体育种的材料本身已经存在致命的缺点，那么即使再努力，也育不出东西。

比如美国农业部衣阿华州爱姆斯市的玉米种质扩增计划（Germplasm Enhancement of Maize），使用外来种质与中西部植物品种保护过期的商用自交系回交一代资源，就是 75% 商用自交系遗传背景及 25% 外来血缘背景材料，进行单倍体育种。成功的双单倍体纯合系，可以称为外杂选的纯合自交系。这些双单系，多少都会分离一些不良/致命遗传基因，很难作为商用自交系使用。杂交种测试结果，产量也不占优势。所以清除玉米基因组不良遗传基因是一件长期而困难的工作。热带种质在基因组占有的分量愈高，对温带环境的适应力愈差。愈不容易成功。另外我有一个配合力好，丰产的材料，带有爆粒的恶劣性状，结果获得的 2500 双单系，因为苞叶太紧密，以及子粒排列太紧密，都会产生子粒爆裂现象，以致无法使用。我有另外一个群体，遗传基因都很优良。我只得到 8 个双单系，结果其中 3 个配合力好，一般农艺性状良好，可以作为商业化杂交亲本使用。因此，育种家在选育过程中，千万不要因为个人喜爱，而原谅（淘汰）一些没有希望的品种的不好表现。另外，育种是为了让农民使用，必需将就农民的喜爱与嗜好。叶片太宽，太粗，太锋利，让农民很难在田里行走，或者是穗位太高，太低，农民不太容易看到果穗的位置等，都是不可以接受的表现性状。

3.育种效率及育种时机

单倍体育种效率与育种材料需要组合的分离基因数量，以及需要打破基因连锁距离的远近直接有关。通常姐妹系及近缘系，如果遗传差异不大，需要重组基因数量不多，同时没有分离致命/恶劣的不良遗传性状，则只需产生少量双单系，比如 10 个到 20 个双单系，就可以得到需要的纯合双单系。如果分离基因的数量愈多，则需要选育双单系的数量愈大。有时甚至选育数千双单系，还得不到一个需要的双单系。因此单倍体育种效率，直接与基因重组以及基因连锁的复杂性，直接有关。至于育种时机的选择，则随育种目标不同，而有不同的选择。比如回交育种，可以使用回交第一代作为材料来进行单倍体的诱导。这时材料本身 50% 的遗传基因，已经纯合固定。只有 50% 基因分离。而 F2  代则是 100%  分离。因此只需要产生一半 F2 群体的双单倍体数量，效果相同。所以很多育种家，不喜欢用 F2 材料。因为所有配子的产生是几乎完全随机的结果。有些人喜欢用 F3，F4 代材料来产生双单系。因为使用材料经过选拔。所以得到好双单系的几率会增加。有时会到了 S5，S6 代才使用单倍体育种方法。这是因为分离系统的形态表现性状，一直表现分离及差别。系统不具备纯合自交系的稳定性，一致性及特殊性（Stable, Uniform  and  Distinct）。因此必需使用单倍体的方法，让双单系很快达到自交系的稳定，一致及特殊的标准。孟山都对于转基因的转换，比较喜欢使用回交或姐妹交一代或二代材料，进行单倍体育种。获得的双单系，带有转基因性状，但是新双单系的遗传组成与原来自交系不同。这种不要恢复原来自交系遗传组成，直接产生新双单系的育种方法，称为向前育种法（Forward Breeding）。 

4.工程化育种

程序化可以提高结果的精确性，重复性及稳定性：玉米工程化育种是中国农业大学陈绍江教授提出的理念。意思是说玉米单倍体育种，可以系统化，程序化及自动化。实际上自动化可以帮助系统操作的地方，包括田间材料 X 诱导系的隔离杂交苗圃，自动化果穗收获，试验室高油单倍体子粒的自动筛选，秋水仙精自动化处理流程，以及田间自动化移栽管理等步骤。因为是自动化操作，可以保持作业结果的一致性及稳定性。如果使用人工，重复做同样一件事，时间长了，容易疲劳，就会影响判断及作业的精确度。使用机械，效率比较稳定一致。美国对任何作业，都有一套标准操作程序（SOP 或 Standard Operating Procedure），目的是任何人依据 SOP 来操作，作业效率，品质，进度及结果都应该一样。可以正确估算每一流程步骤的产出，以及最终产品的产出大小。依据系统化，程序化，及自动化设计，可以使用产能大小来设计单倍体育种流程。 

 比如每 3 星期，从 17 万粒种子中，筛选 10000 粒单倍体子粒（ 6%诱导率）。如果每周工作  5 天，每天工作 8 小时，则 17 万粒种子，每小时要分析 1416 粒，或每分钟 24 粒，或每一粒 2.5 秒。每三星期播种 1/2 英亩，1 万株单倍体，每一年可以播种及收获 12 次，12 万单倍体，可以获得 2 万个双单系（染色体加倍率 16.7%）。最后可以得到 20 个高产双单系自交系（千分之一选拔几率）。这样精确量化的育种流程，就是设计育种。不论谁来负责，结果都是一样。 

参考文献：略

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