CN103355159B - 一种多年生饲草玉米的选育方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多年生饲草玉米的选育方法。本发明通过实验证明，二倍体玉米与四倍体大刍草杂交具高结实率的性状是可遗传的显性性状。基于此，本发明提供一种培育与四倍体大刍草（Zea perennis）杂交具高结实率玉米的方法，并以该方法获得的F₁代玉米为母本，以四倍体大刍草为父本进行人工杂交，得到的F₁代杂交种子即为所述多年生饲草玉米的种子。使用本发明的方法选育多年生饲草玉米具有育种周期短、操作方便、制种产量高的特点，在生产中具有广阔的应用前景。

Description

一种多年生饲草玉米的选育方法

技术领域

本发明涉及一种多年生饲草玉米的选育方法。

背景技术

近10年来，随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们的食物消费结构发生了重大变化，对牛羊肉等草畜产品的需求越来越高。1978年至2008年我国人均牛肉、牛奶的生产量虽分别增长了20倍和30倍，但仍不能满足人们的需要。这无疑需要更多的饲草料来支持畜牧业的快速发展。优良饲草品种的选育和推广，是实现饲料、饲草业和畜牧业协调发展的前提和基础。目前，我国饲草育种水平还较低，存在育成品种少，质量差的问题。饲草业中使用的大部分品种，如冬季的黑麦草，夏季的苜蓿等在相当程度上仍依赖国外进口。截至2007年，全国草品种审定委员会审定登记品种337个，其中育成品种128个，占登记品种的38%；其余62%为引进品种或野生驯化种。与国外饲草品种相比，这些自育品种科技含量较低，农艺生产性状不理想，饲草种子生产能力和饲草产量不高，抗逆性不突出。与一年生饲草相比，多年生饲草具有发达的根系和较长生长期，对水分、光能和肥料的利用率更高，更适合在一些不宜耕种的滩涂、荒坡等边际土地种植，在减少水土流失和保护生态平衡方面也有着较为广阔的应用前景。因此，丰产、广适、多抗的多年生饲草是我国今后饲草选育的重要方向。

植物育种发展的实践表明，突破性品种的选育往往取决于关键性基因资源的发掘和利用。许多栽培作物的近缘野生种在长期的自然选择下，形成了高度的抗病性、适应性，已演化为携带抗病、抗虫、抗逆基因的重要载体，也一直作为牧草育种的重要种质资源。通过栽培作物和其近缘野生种的远缘杂交，可以打破种间界限，扩大基因组合范围，使得某些物种的远缘杂种比品种间杂种具有更强的杂种优势。远缘杂交中各亲本的倍性往往不同，杂种后代也多为多倍体，具有营养体生长旺盛、抗逆性强的特点。因此，远缘杂交结合倍性育种的方法，一直作为重要的育种手段应用于以营养体利用为主的饲草育种。生产上常用的羊草、紫花苜蓿、苏丹草等也都是通过自然加倍或人工加倍选育而成的多倍体饲草。于卓等（2006）从高粱属的2个不同种苏丹草（S.sudanense）和高粱（S.bicolor）的远缘杂交后代中，选到综合苏丹草分蘖能力强和高粱抗倒伏的单株。

远缘杂交的双亲在遗传和生理等方面的差异，势必影响到受精过程，使雌、雄配子不能正常交配结合而发育成健康的种子。大刍草是玉蜀黍属中栽培玉米（2n=2X=20）近缘野生种的统称，具有品质优、抗逆性强等优点，是饲草选育的重要种植资源，如该属中的墨西哥玉米在生产上早已作为优质饲草应用。四倍体大刍草（Zea perennis，2n=2X=40）是该属中唯一的多倍体物种，具有竹鞭状的地下根茎，使其抗逆性极强，能忍耐重霜冻，可在寒冷、潮湿等不利条件下生长多年，冬季零下5℃条件下，地上部分枯死，翌年又从地下根茎长出幼苗，具有很强的分蘖能力和再生能力，是选育新型多年生饲草的重要种质资源。现有研究结果表明，四倍体大刍草的多年生习性为一显性性状，其与栽培玉米及玉蜀黍属内其他种（亚种）的后代，均表现为多年生，且营养体生长旺盛。由于四倍体大刍草与玉米的倍性不同，导致两者之间的可交配性很低，即杂交当代F₀结实率低。同时，四倍体大刍草种子生产困难、饲草产量较低的不良特性，使得在饲草育种和生产上通过常规远缘杂交或直接利用该材料的实际价值不大。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种培育与四倍体大刍草（Zea perennis）杂交具高结实率的玉米（Zea mays L.）的方法，包括如下步骤：将玉米自交系A与玉米自交系B杂交，获得的杂种F₁即为所述与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米；

所述玉米自交系A为与所述四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系；

所述与四倍体大刍草杂交具高结实率是指以四倍体大刍草为父本的杂交结实率大于或等于95%。

在上述方法中，所述玉米自交系B为与所述玉米自交系A的杂交配合力高的玉米自交系；

所述与玉米自交系A的杂交配合力高是指与所述玉米自交系A杂交的F₁代单穗种子重量大于或等于80克。

在上述方法中，所述玉米自交系A为玉米自交系2848、7327、5015或CML202。

在上述方法中，当所述玉米自交系A为玉米自交系2848时，所述玉米自交系B可为玉米自交系2701或玉米自交系5027。

本发明的另一个目的是提供一种多年生饲草玉米的杂交制种方法，包括如下步骤：以四倍体大刍草（Zea perennis）为父本、以上述培育与四倍体大刍草（Zeaperennis）杂交具高结实率的玉米（Zea mays L.）的方法中获得的所述杂种F₁为母本进行人工杂交，得到的F₁代杂交种子即为所述多年生饲草玉米种子。

在所述多年生饲草玉米的杂交制种方法中，所述人工杂交的方法包括如下步骤：

1）播种父本和母本；

2）对母本进行去雄，得到去雄母本；

3）将步骤2）获得的去雄母本从苞叶的高于穗轴顶端且距离穗轴顶端0-0.5cm处、于穗轴垂直的方向切割，将远离穗轴的苞叶和花丝切除；

4）采集所述父本的花粉，并授予步骤3）获得的母本，授粉后得到F₁代杂交种子。

在所述多年生饲草玉米的杂交制种方法中，步骤3）中所述切割在所述母本15%花丝吐出苞叶且在步骤4）所述授粉前的6－15小时进行。

在所述多年生饲草玉米的杂交制种方法中，所述步骤1）中，播种父本的时期比播种母本的时期早20-30天。

在所述多年生饲草玉米的杂交制种方法中，步骤1）中所述父本和所述母本的播种密度为每亩4444株，株距为0.4米，行距为0.75米。

实验证明，利用本发明的方法选育的多年生饲草玉米F80，播种后获得的饲草具有抗逆能力强、生态适应性广、产量高、品质优、适口性好的特点。本发明方法选育多年生饲草玉米具有育种周期短、操作方便、制种产量高的特点，在生产中具有广阔的应用前景。

本发明具有以下三方面的创新点：

1）理论的创新

基于饲草育种的实践，首次凝练出玉米中存在控制四倍体大刍草和二倍体玉米不同倍性物种可交配性基因的科学问题，并通过高-低交配性玉米（即与四倍体大刍草杂交后结实率高和低的玉米）杂种F₁代的可交配性实验，证明玉米高的可交配性即与四倍体大刍草杂交后的良好的结实性是可以遗传的显性性状。为提高远缘杂交的结实率，利用四倍体大刍草这一优异饲草种植资源选育新型多年生饲草，提供了新的理论基础和方法指导。

2）育种思路的创新

本发明的育种方法利用了双重杂种优势，一是利用高交配性玉米单交种的杂种优势，一是利用远缘杂交后代是多倍体的杂种优势。双重杂种优势的叠加，使得选育得多年生饲草营养生长更为旺盛，产量性状突出，抗逆性强。

3）种子生产方法创新

部分大刍草之间虽可互相杂交,后代具有较强的营养体杂种优势，但存在制种技术要求高、制种产量低等诸多难以克服的困难。本育种方法利用高交配性玉米的杂种F₁作为生产饲草玉米的载体，充分利用了普通玉米繁殖系数高和杂交制种技术成熟的特点，具有制种技术简单、易于商业化生产、制种产量高、种子纯度高的特点，可较大程度的降低饲草种子的生产成本。

附图说明

图1为不同玉米自交系与四倍体大刍草杂交当代的结实情况。其中，从左至右依次为玉米自交系2848、CML202、5147、A232、SJP26、5208、5057和2701。

图2为玉米自交系2848（图A）、四倍体大刍草（图B）及玉米自交系2848和四倍体大刍草的杂种F₁（图C）地上部的生长情况。

图3为玉米自交系2848（图A）、四倍体大刍草（图B）及玉米自交系2848和四倍体大刍草的杂种F₁（图C）根尖细胞染色体数目观察图。

图4为高、低交配性玉米自交系及其杂种F₁分别与四倍体大刍草杂交当代的结实情况。其中，A为高交配性玉米自交系2848与四倍体大刍草杂交当代的结实情况，B为低交配性玉米自交系2701与四倍体大刍草杂交当代的结实情况，C为2848与2701的杂种F₁与四倍体大刍草杂交当代的结实情况。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中所用的植物材料信息如下：

四倍体大刍草（Zea perennis）：墨西哥国际玉米小麦改良中心（InternationalMaize and Wheat Improvement Center(CIMMYT)）的编号为9475，公众可从墨西哥国际玉米小麦改良中心免费获得。

实施例1、与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系的筛选

在西双版纳秋季播种父本四倍体大刍草和母本表1所示114份玉米自交系，将父本与各母本分别杂交后，测定杂交结实率，获得与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系，具体方法和结果如下：

1.播种父本和母本

父本的播种时间比母本提前20—30天。父本与母本的播种比例为1:4，即1亩父本配套4亩母本；父本和母本的株距均为0.4米，行距均为0.75米，每穴2株，每亩4444株。

2.母本去雄和苞叶的剪切

于母本雄穗散粉前，人工去掉雄穗，并在母本15%花丝吐出苞叶且在授粉前的6-15小时时，从苞叶高于穗轴顶端且距离穗轴顶端0—0.5cm处、于穗轴垂直的方向切割，将远离穗轴的苞叶和花丝切除。

3.授粉获得各玉米自交系与四倍体大刍草的杂交种

在父本散粉时，人工采集父本花粉。根据天气状况父本花粉采集时间以每日10：00－14：00为宜，最好能在上午采集花粉。用小的丝网去掉颖壳，把父本花粉放于新的雌花袋中，授于母本花丝，获得各玉米自交系与四倍体大刍草的杂交种。

4.测定杂交结实率

计算各玉米自交系授粉后其果穗的结实种子数和总的雌花数，结实率＝结实种子数/总的雌花数×100％。每个自交系统计20个果穗，结实率为这20个果穗结实率的平均值。结果如表1所示，玉米自交系2848的结实率最高，为98.2％，玉米自交系2701的结实率最低，为3.4％，114份玉米自交系的结实率及部分自交系果穗的结实情况如图1所示。

表1.114份玉米自交系与四倍体大刍草的杂交结实率(％)统计结果

自交系	结实率	自交系	结实率	自交系	结实率	自交系	结实率	自交系	结实率
										2848	98.2	2721	65.3	SJP25	45.6	丹340	34.5	5066	23.4
7327	96.9	81565	58.8	5206	45.6	南21-3	34.5	18-599	23.4
										5015	95.7	滇302	56.8	CML206	45.3	478	34.5	独紫	23.4
CML202	95.4	2827	56.7	5148	45.3	CML236	34.4	273	23.4
										5006	87.3	5135	56.7	2754	45.3	Mo17	34.3	5022B	23.4
2872	81.4	ES40	56.3	2845	45.3	SJP27	34.3	5208	23.4
										698-3	79.3	2789	56.1	2793	45.2	5176	34.2	沈125	22.3
2705	78.9	2199	55.7	5133	44.6	2738	34.2	齐205	22.1
										CML396	78.4	2777	55.6	2741	43.5	A318	34.1	200B	20.9
R09	77.8	2798	54.7	2805	43.2	2801	34.1	2757	20.8
										2833	77.5	2725	54.6	杜32	43.2	5022A	34.1	2761	12.4
9782	76.4	2836	54.6	云247	43.1	自330	33.5	2717	12.3
										2813	76.2	宜1-79	54.3	SJP21	43.1	08-64	33.1	济宁58	12.3
2864	76.2	2868	54.3	云248	40.5	CML292	32.2	5057	11.3
										5093	73.5	2809	54.3	5027	39.5	2745	30.2	2765	10.4
5147	73.4	A232	54.3	5113	38.9	2821	29.0	2729	10.3
										2860	67.9	2830	54.2	5039	36.7	5003	27.9	木6	10.2
2785	67.8	2769	54.2	2749	35.9	R15	27.1	SJP9	8.7
										2817	67.8	5024	54.2	5204	35.6	交51	26.7	2856	7.8
2852	67.8	5126	49.0	2709	35.6	238	24.5	黄花	6.5
										成687	67.8	秋鉴18	45.8	毕七	35.5	CML51	23.6	2713	5.6
S37	67.1	原49	45.7	SJP16	34.5	云147	23.5	2701	3.4
										2773	66.3	2841	45.6	SJP26	34.5	7922	23.5

注：公开表1所示114份玉米自交系的文献：张丽.西南山地丘陵生态区主要玉米自交系SSR遗传多样性及其与杂种优势的关系.四川农业大学2003年硕士毕业论文.公众可从四川农业大学获得。

由表1可以看出，绝大部分玉米自交系同四倍体大刍草的交配性低于70％，表现为很低的结实率，只有少数自交系的结实率很高。将以四倍体大刍草为父本的杂交结实率大于或等于95％的玉米定义为与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米，表1中，与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系为2848、7327、5015和CML202。

5.与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系与四倍体大刍草的杂种F₁及细胞学鉴定

种植与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系2848、四倍体大刍草及按照上述步骤1—4的方法获得的玉米自交系2848和四倍体大刍草的杂种F₁，其地上部的生长情况如图2所示，2848和四倍体大刍草的杂种F₁表现出了超越双亲的营养体杂种优势。

取这三种植株的根尖观察染色体，玉米自交系2848的染色体数为20条（图3中的A），四倍体大刍草的染色体数为40条（图3中的B），玉米自交系2848和四倍体大刍草杂种F₁的染色体数为30条（图3中的C）。

实施例2、与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系的应用

一、在云南西双版纳于25/8－25/9期间，同期播种与四倍体大刍草杂交结实率较低的玉米自交系2701（父本）和与四倍体大刍草具高结实率的玉米自交系2848（母本），收获的杂交F₁种子（2848×2701），具体方法如下：

1.播种父本和母本

所述父本与所述母本的播种比例为1:5，即1亩父本配套5亩母本；父本和母本的株距均为0.4米，行距均为0.75米，每穴2株，每亩4444株。

2.母本的去雄

于母本雄穗散粉前，人工去掉雄穗，并在吐丝前用新的雌花袋套好雌花，防止杂花粉污染。

3.授粉及收获种子

于父本雄穗散粉前用新的雄花袋套好雄花，2天后取粉授予母本花丝，获得F₁种子（2848×2701）。

同时将玉米自交系2701作为母本、玉米自交系2848作为父本，按照步骤1—3的方法获得F₁种子（2701×2848）。

二、杂种F₁与四倍体大刍草的杂交结实率

在西双版纳秋季播种父本四倍体大刍草、母本步骤一获得的玉米杂种F₁（2848×2701和2701×2848）、2701和2848，将父本和各母本分别杂交并测定杂交结实率，方法与实施例1中的步骤1—4相同。

结果：步骤一获得的玉米杂种F₁（2848×2701和2701×2848）与四倍体大刍草的杂交结实率为97.3%（图4中的C），而该玉米杂种F₁的父本2701和母本2848与四倍体大刍草的杂交结实率分别为3.40%（图4中的B）和98.2%（图4中的A）。

结果表明，与四倍体大刍草的杂交具高结实率的表型是由显性基因控制的遗传，筛选到与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系可以作为提高玉米与四倍体大刍草杂交结实率的基因供体。

将玉米自交系7327、5015和CML202代替2848进行步骤一和二的实验，结果与2848无显著差异。

三、多年生饲草玉米的杂交制种

1、与玉米自交系2848具高杂交配合力的玉米自交系的筛选

以与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系2848为母本，表1所示的其余113份玉米自交系分别为父本，按照实施例2的步骤一中的步骤1—3进行杂交，从每个杂交组合中取10个果穗测定种子重量，计算每个杂交组合中单穗种子重量的平均值，选取最高的杂交组合2848×5027（单穗种子重量为84.5克），即玉米自交系5027为与玉米自交系2848在单穗种子重量上具高杂交配合力的玉米自交系。

2、多年生饲草玉米杂交种F80的生产

在西双版纳秋季播种父本四倍体大刍草和母本2848×5027，进行人工杂交，获得的杂交F₁代种子即为多年生饲草玉米种子，命名为F80，具体杂交方法按照实施例1中的步骤1—3进行。

杂交结实率：按照步骤一中的4进行，重复3次，计算平均值，结果为98.6%。

制种产量：制种产量为374.5公斤/亩，测定方法为，在制种田中随机选取3块面积为66平方米的地块，收获，晾晒水分至12.5%，称重。3个地块取平均值。

种子发芽率：指某批次种子中能够发芽的种子占种子总数的百分比，具体计算方法为随机取100粒种子，在合适的条件下发芽，计算每次的发芽率，重复3次，计算平均数，经统计，结果为96.4%。

饲草玉米F80，经根尖细胞染色体鉴定为3倍体禾本科多年生草本植物，植株直立丛生，生长快速，根系发达，形似玉米，单株分蘖8个以上，主茎粗1.2-2.0cm，叶片长65-100cm，宽6.8-9.4cm，不刈割时株高可达2.5m以上；雄花属圆锥花序，主轴长33.8cm，分枝23.5个左右；雌花属穗状花序，表现为雄性不育，具有较好的抗寒、抗旱能力，生态适应性强，产量高，品质优，适口性好，是高品质的禾本科牧草。

Claims (8)

1.一种培育与四倍体大刍草(Zea perennis)杂交具高结实率玉米(Zea mays L.)的方法，包括如下步骤：将玉米自交系A与玉米自交系B杂交，获得的杂种F₁即为所述与四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米；

所述玉米自交系A为与所述四倍体大刍草杂交具高结实率的玉米自交系；

所述与四倍体大刍草杂交具高结实率是指以四倍体大刍草为父本的杂交结实率大于或等于95％；

所述玉米自交系B为与所述玉米自交系A的杂交配合力高的玉米自交系；

所述与玉米自交系A的杂交配合力高是指与所述玉米自交系A杂交的F₁代单穗种子重量大于或等于80克。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述玉米自交系A为玉米自交系2848、7327、5015或CML202。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：当所述玉米自交系A为玉米自交系2848时，所述玉米自交系B为2701或5027。

4.一种多年生饲草玉米的杂交制种方法，包括如下步骤：以四倍体大刍草(Zea perennis)为父本、以权利要求1-3任一所述获得的杂种F₁为母本进行人工杂交，得到的F₁代杂交种子即为所述多年生饲草玉米的种子。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述人工杂交的方法包括如下步骤：

1)播种父本和母本；

2)对母本进行去雄，得到去雄母本；

3)将步骤2)获得的去雄母本从苞叶的高于穗轴顶端且距离穗轴顶端0-0.5cm处、于穗轴垂直的方向切割，将远离穗轴的苞叶和花丝切除；

4)采集所述父本的花粉，并授予步骤3)获得的母本，授粉后得到F₁代杂交种子。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

步骤3)中所述切割在步骤4)所述授粉前的6-15小时进行。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，播种父本的时期比播种母本的时期早20-30天。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：

步骤1)中所述父本和所述母本的播种密度为每亩4444株，株距为0.4米，行距为0.75米。