CN101843214A - 农作物多基因型杂交一代种群的构建与种子生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种农作物杂交一代种群品种的育种、种群构建与种子生产和检测的方法，其特征在于，将表型一致的杂交一代按比例混合构成多基因型杂交一代种群。更进一步的，先分别育成2-10000个用作花粉提供者的父本系和花粉接受者的母本系，将父本系和母本系相互杂交，根据杂交一代的表现型，将符合育种目标，整齐一致的杂交一代相互搭配，组建符合不同育种目标的杂交一代种群，进行种群比较测试，包括不同种群间的产量、抗性、品质、适应性的比较，种群内的组份和比例的确定，最后形成农作物多基因型杂交一代种群品种。通过该方法产生一致性、稳定性、特异性的多基因型杂交一代种群品种，同时达到优质、高抗、高产等育种目标。

Description

农作物多基因型杂交一代种群的构建与种子生产方法
技术领域
本发明涉及农作物多基因型杂交一代种群品种的构成和种子生产方法。
背景技术
生物多样性是全球新能源、新材料等十大热点问题之一，以往对于生物多样性人们更加关注的是自然生态系统多样性和为了挽救而进行的种植资源库(圃)保存的生物多样性，而对于大规模农业生产系统农作物的遗传多样性衰竭，有很多专家关注，但至今未从源头上提出可行的解决方案。著名油菜专家国际油菜咨询理事会主席傅廷栋院士报告，我国油菜生产系统品种的多样性，从50年代1600多个到90年代下降为不到50个，而且只有5个品种占据90％以上的面积。据不完全统计，杂交水稻占据全国90％以上的生产面积，而水稻的不育系基因种质来源不超过5个系列，被大面积使用的不育系不超过200个，与70年代的常规品种数量相比，遗传多样性迅速衰减。其他各作物都普遍面临，育种的遗传基础越来越狭窄的问题。随之而来的是农业生产系统越来越脆弱，各种生物天敌的危害越来越严重，农药使用越来越大量，从田间到餐桌的污染越来越频繁，可持续发展面临严峻挑战。2004年世界粮食日大会宣布，自19世纪至20世纪100年间，农业生产系统遗传多样性下降了四分之三，即75％。实际上农作物品种是农业生产系统遗传多样性的载体和决定因素。人们长期忽略了100多年前农业生产系统是自然种群的生产系统，而不是现代的单基因型品种生产系统的事实，当时的自然种群品种虽然生产力水平很低，不能进行精确的种子生产，但具有丰富的遗传多样性和系统稳定性及可持续发展的特征。因为100多年前遗传学还未诞生，人们还不认识基因和基因型(按照遗传学定义，基因型就是基因排列组合方式的总和，一个常规品种就是一个纯合基因型，一个杂交组合品种就是一个杂合基因型)，直到上世纪初，孟德尔遗传规律被重新发现，标志着遗传学的诞生，至此人们理解了通过杂交育种可以进行遗传重组即基因型重排，从而实现优良品种的选育。实际上按照遗传学的理论，一个现代品种就是人们精心挑选的一个最佳基因型。因此，为了叙述方便起见，申请者把现代品种称为单基因型品种，其育种技术体系称为单基因型育种技术体系，相对于本项目提出的多基因型种群品种概念和相应的多基因型种群育种技术体系而言。
目前生产上使用的全部农作物几乎都是单基因型品种，即一个品种一个基因型，杂种优势利用的杂交组合品种，为品种权益的有效保护提供了技术保障。但各种作物的杂种优势利用的杂交组合同样是单基因型的，只是杂合单基因型而已。人类采取的单基因型育种技术加剧了生物多样性的日益衰减。历史上各种病害的大流行，都与大量使用少数单基因型品种有关，农作物品种的遗传基础越来越狭窄，品种对生物天敌的抵抗和耐受性越来越差。历史上，水稻胡麻斑病、马铃薯晚疫病、小麦条锈病、美国玉米小斑病、大斑病的大流行，等等，这些都与人类育种一直采取单基因型育种技术有关，即人类育种直接加剧了农业生产系统遗传多样性的衰减过程。2004年10月16日联合国大会宣布消息，上世纪农业生产系统遗传多样性损失了四分之三，目前的情况依然十分严峻，并继续恶化。而在孟德尔遗传学诞生之前，人们并不认识基因和基因型，人类实际上是采取了自然杂合种群的作为品种进行农业生产的，其主要特征就是品种内遗传多样性十分丰富，保持了良好的可持续发展状态，但生产力水平很低，不能进行精确的种子生产和大规模集约化生产。优质抗性高产是农作物育种的永恒目标，但对单基因型杂交组合和品种而言总是难以协调的永恒矛盾，实现全面超越越来越难。通俗的讲，目前传统的农作物育种即单基因型育种都是试图挑选“十全十美”个体的育种体系，面对上万个基因位点的重组，要选择一个最佳单一基因型，其顾此失彼的内在矛盾可想而知。能否在现代品种高生产力水平基础上，结合自然种群遗传多样性、系统稳定性及可持续发展的优势，进行人工多基因型和谐种群育种呢！？
李晓方创始提出了多基因型种群育种技术体系(又称遗传多样性育种技术体系，已经另申请专利，申请号为PCT/CN2004/000657和PCT/CN2005/000944，其本质是“塑造优秀团队”的育种体系，其概念、思路、技术、选择标准、评价方法等都具有重大的原创性突破，将最大限度的协调不同基因型个体的矛盾，达到种群在优质抗性高产方面的全面协调和超越，从根本上解决优质抗性高产的内在矛盾。同时该种群品种体系从技术上主动加强遗传多样性的保护和利用，极大的延缓生物遗传多样性的衰减速度，为保护环境，保护生物多样性提供切实可行的技术。因为多基因型种群品种育种的名词太专业化，因此，依据其目的和效果，可以称为遗传多样性育种，为了农民方便多基因型种群品种可以通俗的称为种群品种。前2个发明是针对多个纯合基因型组建常规种群，本发明主要是针对多个杂交一代基因型构建杂交一代种群和种子生产技术的发明。
发明内容
本发明涉及杂交一代种群构建的方法和种群构成。本发明提供作物多基因型杂交一代种群构成的方法，通过该方法产生一致性、稳定性、特异性的多基因型杂交一代种群品种，同时提供该杂交一代种群种子生产技术，达到符合优质、高抗、高产等育种目标，并保持品种一致性、稳定性和特异性三大特征。
为实现上述目的，本发明提供了作物杂交一代种群构成与生产的方法，将表型一致的杂交一代按比例混合构成多基因型杂交一代种群。更进一步的，先分别育成2-10000个用作花粉提供者的父本系和花粉接受者的母本系，将父本系和母本系相互杂交，根据杂交一代的表现型，将符合育种目标，整齐一致的杂交一代相互搭配，组建符合不同育种目标的杂交一代种群，进行种群比较测试，包括不同种群间的产量、抗性、品质、适应性的比较，种群内的组份和比例的确定，最后形成农作物多基因型杂交一代种群品种。
其中所述农作物是自花授粉作物、异花授粉作物、常异花授粉作物或无性繁殖作物。
一、杂交一代种群母本系和父本系的产生方法：
1、育成M个母本系，M为2-10000。
2、育成N个父本系，N为2-10000。
3、上述母本系与父本系用以下任一方式杂交，产生杂交一代：
a)母本系与父本系成对杂交，产生MxN个杂交一代。
b)多个母本系与一个父本系杂交，产生M个杂交一代。
c)多个父本系与一个母本系杂交，产生N个杂交一代。
二、种群构建和搭配
上述方法产生的杂交一代，要根据育种目标进行筛选和评价，淘汰不良杂交一代。可以根据育种目标需要，将上述a、b或/和c方式产生的杂交一代按比例进行搭配，最终保留符合育种目标，整齐一致，在产量、抗性、品质诸方面有优势的杂交一代混合种群。也可以搭配常规纯合株系，形成符合育种目标，整齐一致，在产量、抗性、品质诸方面有优势的杂交一代与常规纯合株系混合搭配种群。
为了更好的利用杂种优势，搭配常规纯合株系(纯合基因型)的数量不宜超过总基因型数量的10％(以基因型计)，或者不超过1-100个。
在种群搭配时可以根据育种目标需要，对各杂交一代的比例进行调整。最终确定搭配好的杂交一代种群内基因型数量(含纯合基因型)可以是2-1000个。
二、杂交一代种群商业化种子生产方法
分别按照杂交一代种群中确定的各个杂交种一代按比例进行制种：
a)对所述的各个杂交种一代单独制种，再按照比例进行搭配构成多基因型杂交一代种群；
b)先对母本系按比例搭配，用一个父本开放授粉制种，形成多基因型杂交一代种群；
c)利用多个父本，控制花粉，在一个母本上授粉获得多基因型杂交一代种群；
商业种子可以是上述三种方式的一种或多种产生的杂交一代或杂交一代种群按比例搭配，也可以含有1-100个纯合基因型，所述比例根据育种目标进行调整。如在病区可增加抗病基因型组份的比例，在高档产品消费区提高优质基因型的比例等。
杂交一代基因型个体和纯合基因型个体能够通过分子标记技术检测区分。
三、种子检测技术
由于多基因型杂交一代种群的本质特性就是多基因型，商业种子表现型虽无明显差异，但具有遗传多样性，在分子水平具有一定非均一性，一般随机抽取部分种子样品，并以单粒种子样本进行SSR、RAPD等分子检测，就可以检测到差异。而传统单基因型杂交组合制种的种子及杂交一代植株，是纯一的杂合基因型，个体间不具备多样性和分子遗传差异的。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
实验材料-棉花(独立杂交一代种群法H)
育成各种优良的父本系和母本系，进行父本系和母本系之间的成对双列杂交，产生所有杂交一代，对杂交一代进行育种评价(经验和数据)的测试后，将表现型和纤维品质等基本一致，以符合育种目标特性的3个杂交一代构建种群，同时进行不同杂交一代的搭配和比例的调整，比较种群的综合优势，确定最终的各杂交一代的比例。
最终选中的杂交一代和比例是：
1号母本(HM1)与1号父本(N1)的杂交一代(HM1N1)优点是产量高；
3号母本(HM3)与5号父本(N5)的杂交一代(HM3N5)优点是品质优；
21号母本(HM21)与3号父本(N3)的杂交一代(HM21N3)优点是综合抗性好。
上述三个杂交一代除综合特性符合育种目标，表现型基本一致，外，每个杂交一代株系还具有突出的优点。因此组成的多基因型杂交一代种群，试验搭配最好的比例是3(HM1N1)∶2(HM3N5)∶2(HM21N3)种子生产方法：
HM1与N1杂交，HM3与N5杂交，HM21与N3杂交，即单独制种，最后按照3∶2∶2的比例搭配各杂交一代，形成商业杂交一代种群品种。分子标记为三种杂合基因型的带型，并呈现相应的比例。
种群调整方法：
1、如果要在病害更严重的地区种植，希望抗性更好可以适当增加标明抗性好的组合(HM21N3)的种子量。
2、对调整的各杂交一代的比例，应做严格登记和记录，便于下次配制同样特性的种群，也可以一次生产种子放在冷库备用。
3、选择任何其他育种目标或特定种群的方法与此类似。
实施例2
实验材料：-玉米(多母本单父本种群方法C)
育成各种优良的玉米自交系作为母本系(记为CM)，按比例混合种植，用一个配合力最好的父本向所有母本系授粉，形成多个母本组成的杂交一代，对杂交一代进行育种评价(经验和数据)的测试后，将表现型和果穗位置整齐等基本一致，以符合育种目标特性的5个杂交一代构建杂交一代种群，同时进行母本系比例的调整，比较种群的综合优势，确定最终的种群组份和比例。
最终选中的种群组份和比例是：
1号母本(CM1)与父本(N)的杂交一代(CM1N)优点是产量高；
5号母本(CM5)与父本(N)的杂交一代(CM5N)优点是品质优；
7号母本(CM7)与父本(N)的杂交一代(CM7N)优点是品质优；
8号母本(CM8)与父本(N)的杂交一代(CM8N)优点是产量高；
11号母本(CM11)与父本(N)的杂交一代(CM11N)优点是抗玉米螟。
上述5个杂交一代除综合特性符合育种目标，表现型基本一致，外，每个杂交一代株系还具有突出的优点。因此组成的多基因型杂交一代种群试验搭配最好的比例是3(CM1)∶2(CM5)∶2(CM7)∶3(CM8)∶2(CM11)
种子生产方法：
将5个母本CM1、CM5、CM7、CM8、CM11按照3∶2∶2∶3∶2的比例搭配均匀做为母本系群体，按照通常玉米制种方法与父本N间隔种植，进行制种，在全部母本株系上收获杂交一代种群。分子标记呈现五种杂合基因型的带型，并呈现相应的比例。同时对各个母本和父本要单独繁种，以备下次搭配制种所需。
种群调整方法：
1、如果要在玉米螟更严重的地区种植，希望抗性更好可以适当增加标明抗性好的母本(CM11)在母本系中的比例。
2、对调整中选的各母本系和比例，应做严格登记和记录，便于下次配制同样特性的种群。同时对各个母本和父本要单独繁种，以备下次搭配制种所需，也可以一次生产种子放在冷库备用。
3、选择任何其他育种目标或特定种群的方法与此类似。
实施例3
实验材料：一蔬菜节瓜(多父本单母本种群方法JG)
育成各种优良的节瓜雄性系(记为JGN系列)，用一个配合力最好的母本，用所有父本系向母本授粉，形成杂交一代，对全部杂交一代进行育种评价(经验和数据)的测试后，将果型整齐一致，符合育种目标特性的6个杂交一代构建种群，同时进行不同组份搭配和比例的调整，比较种群的综合优势，确定最终的杂交一代种群组份和比例。
最终选中的种群组份和比例是：
1号父本(JGN1)与母本(M)的杂交一代(JGN1M)优点是抗枯萎病
3号父本(JGN3)与母本(M)的杂交一代(JGN3M)优点是品质优；
5号父本(JGN5)与母本(M)的杂交一代(JGN5M)优点是品质优
8号父本(JGN8)与母本(M)的杂交一代(JGN8M)优点是产量高；
13号父本(JGN1)与母本(M)的杂交一代(JGN1M)优点是产量高
15号父本(JGN15)与母本(M)的杂交一代(JGN15M)优点是耐疫病；
上述6个杂交一代除综合特性符合育种目标，表现型基本一致，外，每个杂交一代株系还具有突出的优点。因此组成的多基因型杂交一代种群试验搭配最好的比例是1(JGN1)∶2(JGN3)∶2(JGN5)∶2(JGN8)∶3(JGN13)∶1(JGN15)
种子生产方法：
将6个父本JGN1、JGN 3、JGN5、JGN8、JGN13、JGN15的花粉，按照1∶2∶2∶2∶3∶1的比例搭配均匀做为父本，向母本人工授粉，收获母本株上的全部种子。或者分别将每个父本与母本单独制种，最后把杂交种子按照上述比例搭配，形成商业种子，后一种方法不存在花粉竞争力差异引起的偏差，种子质量更加符合要求的特性。分子标记呈现6种杂合基因型的带型，并呈现相应的比例。同时对各个父本系和母本要单独繁种，以备下次搭配制种所需。
种群调整方法：
1、如果要在疫病更严重的地区种植，可以适当增加标明抗性好的父本(JGN15M)在杂交一代种群中的比例。
2、对调整父本系的组份和比例，应做严格登记和记录，便于下次配制同样特性的种群。同时对各个父本要单独繁种，以备下次搭配制种所需，也可以一次生产种子放在冷库备用。
3、选择任何其他育种目标或特定种群的方法与此类似。
实施例4
实验材料：-蔬菜青瓜(混合组份方法QG)
按照实施例1、2、3的独立杂交一代种群法、多母本单父本种群法和多父本单母本种群法，获得各种杂交一代，在三组之间选择表型一直符合育种目标的部分杂交一代，组合按比例搭配形成杂交一代种群品种。
QGM21N15是一个独立的青瓜杂交一代，产量高适应性强；QGM5N和QGM7N是两个母本与同一父本N的杂交一代；QGN3M和QGN5M是两个父本与同一母本M的杂交一代；构建种群2(QGM21N15)∶1(QG M5N)∶1(QG M 7N)∶1(QGN3M)∶1(QGN5M)。
种群种子生产方法按照独立制种、多母本单父本制种、多父本单母本制种分类进行，最后搭配种群。或者将每个杂交一代单独制种最后搭配种群。分子标记呈现五种杂合基因型的带型，并呈现相应的比例。同时对各个母本和父本要单独繁种，以备下次搭配制种所需，也可以一次生产种子放在冷库备用。
实施例5
实验材料：-花生(混合组份方法含纯种HS)
按照实施例4在三组之间选择表型一直符合育种目标的部分杂交一代，同时在常规纯合品系中选择符合同一育种目标的纯合种，共同搭配形成杂交一代种群品种。
HSM21N15是一个独立的花生杂交一代，产量高适应性强，HSM5N和HSM7N是两个母本与同一父本N的杂交一代。HSN3M和HSN6M是两个父本与同一母本M的杂交一代，HSC17是一个高产优质的纯合品系，构建种群3(HSM21N15)∶1(HSM5N)∶1(HSM7N)∶1(HSN3M)∶1(HSN6M)∶2(HSC17)。
种群种子生产方法：按照独立制种、多母本单父本制种、多父本单母本制种分类进行，最后搭配纯种形成种群。或者将每个杂交一代单独制种、纯种自交繁种，最后搭配种群。分子标记呈现六种杂合基因型的带型，并呈现相应的比例。同时对各个母本、父本和纯种要单独繁种，以备下次搭配种群所需，也可以一次生产种子放在冷库备用。

Claims (7)

1.一种多基因型杂交一代种群的构建方法，其特征在于包括以下步骤：
将表型一致的杂交一代按比例混合构成多基因型杂交一代种群。
2.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤：
1)育成M个母本系，M为2-10000；
2)育成N个父本系，N为2-10000；
3)将上述母本系与父本系用以下任一方式杂交，产生杂交一代：
a)母本系与父本系成对杂交，产生MxN个杂交一代；
b)多个母本系与一个父本系杂交，产生M个杂交一代；
c)多个父本系与一个母本系杂交，产生N个杂交一代；
将产生的杂交一代按比例混合，构建表型一致的多基因型杂交一代种群。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述多基因型杂交一代种群中的基因型数量在2-1000个。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于多基因型杂交一代种群中还含有纯合基因型。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的比例根据育种目标进行调整。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于杂交一代基因型个体和纯合基因型个体能够通过分子标记技术检测区分。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，构建多基因型杂交一代种群的作物是自花授粉作物、异花授粉作物、常异花授粉作物或无性繁殖作物。
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