CN104719127A - 改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno光周期敏感的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno光周期敏感的方法。该方法用温带特早熟马齿型玉米种质LM2改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性，采用杂交—混合授粉—两轮回交——连续三代自交并进行生育期和株高选择及配合力早代测定—热带、亚热带和温带多个地点同时进行光周期敏感性鉴定的选育方法，特别是以温带特早熟马齿型玉米种质LM2为回交亲本，连续两轮回交，提高了温带玉米种质所占的比例，获得了以温带玉米种质背景为主、兼有热带种质特性及温带种质优点的玉米自交系，有效解决了热带玉米种质在温带地区种植普遍存在的光周期敏感问题，对推动我国热带亚热带玉米品种北移具有重要意义。

Description

改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno光周期敏感的方法

技术领域

本发明属于玉米遗传育种领域。特别涉及利用法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性。

背景技术

玉米种质基础狭窄的问题已引起全世界的广泛关注，种质遗传基础狭窄和种质资源匮乏的问题已成为我国玉米育种研究和生产可持续发展的首要限制因素。热带亚热带玉米种质遗传变异丰富，具有许多温带种质不具备的抗逆性，如根系发达、抗病虫、耐高温、抗旱性强等，是拓宽我国温带玉米种质基础和发掘玉米优异基因的重要种质资源。然而热带亚热带玉米种质在温带地区种植光周期敏感，直接引入到温带地区后表现出营养生长旺盛、生殖生长受到抑制、雌雄不协调以及空秆率高导致经济系数低(库丽霞等.玉米光周期敏感相关性状发育动态QTL定位[J].作物学报,2010,36(4):602-611)。因此光周期敏感性是利用热带玉米改良温带玉米品种面临的主要障碍。

研究表明玉米光周期敏感性属于数量性状，由多个基因控制(Russell等.Effects of temperature and photoperiod on the duration of vegetativegrowth in maize[J].Crop Science,1983,23:847-850)。Hallauer等(Quantitative genetics in maize breeding[M].3^rd ed.Ames:Iowa StateUniversity Press,2010)提出玉米吐丝期是显性遗传。但多数研究表明玉米开花期的遗传力较高，并以加性作用为主(张世煌等.对两个亚热带优质蛋白玉米群体的适应性混合选择研究—Ⅰ.开花期性状的直接选择响应[J].作物学报,1995,21(3):271-278)，陈彦惠等(中国温带玉米种质与热带、亚热带种质杂优组合模式研究[J].作物学报,26(5):557-564)进一步研究发现温—热杂交组合的生育期显著缩短，呈加性—显性遗传，并且温带遗传背景在杂交后代中所占的比例对生育期改良和光周期钝化效果有剂量效应。在热带不敏感×温带不敏感玉米自交系组合中，抽雄期、散粉期、吐丝期、株高和穗位高以上位效应为主，显性效应大于加性效应，而在热带不敏感×温带敏感组合中则以加性效应为主，显性和上位效应均不明显(陈彦惠等.热带玉米光周期敏感相关性状的遗传分析.中国农业科学,2003,36(3):248-253)。Wang等(Mapping QTL associated withphotoperiod sensitivity and assessing the importance of QTL×environmentinteraction for flowering time in maize[J].PLOS ONE,2010,5:e14068)利用分子标记定位玉米光周期敏感相关性状的QTL，结果表明玉米光周期敏感性遗传以上位效应为主，但也存在一定的加性和显性效应。上述研究表明，通过遗传育种能够有效改良热带玉米的光周期敏感性。

玉米的光周期敏感性十分复杂，种质遗传背景和生态类型对光周期敏感均有重要决定作用。陈彦惠等(中国温带玉米种质与热带、亚热带种质杂优组合模式研究[J].作物学报,2000,26(5):557-564)研究发现不同类型的温—热种质杂交组合对光周期反应明显不同。随着光周期延长(13.3h-17.5h)，热带、亚热带、温带和高原玉米种质都表现出株高、穗位高增加，开花期及叶片衰老期延迟，雌雄间隔期延长，单株穗数降低，总叶片数增加等特点，总体上不同生态类型的光周期敏感性为热带玉米>亚热带玉米>高原玉米>温带玉米(张凤路等.不同玉米种质对长光周期反应的初步研究[J].玉米科学,2001,9(4):54-56)。研究表明CIMMYT玉米种质墨白961、墨白963和墨白962在四川表现出较强的光周期敏感性，而墨白968的敏感性较弱，说明玉米种质的原产地对光周期敏感性有重要影响(刘永建等.CIMMYT玉米种质群体主要农艺性状的遗传变异和光周期敏感性[J].西南农业学报,1999,12(3):30-34)。上述研究说明不同玉米种质的光周期敏感性不同，因此利用种质的遗传差异对热带亚热带玉米的光周期敏感性进行遗传改良，是提高热带亚热带玉米种质在我国北方温带玉米主产区利用的有效措施。

Fallury等(Experimental evaluati on of the potential of tropicalgermplasm f or t emperate maize improvement[J].Theoretical and AppliedGenetics,1999,98:54-61)比较不同温带与热带遗传背景所组成的单交种、双交种和三交种，发现含有10％-60％热带遗传背景的杂交种，其产量和农艺性状优于含有60％以上热带背景的杂交种。陈彦惠等(热带玉米光周期敏感相关性状的遗传分析[J].中国农业科学,2003,36(3):248-253)比较温带与热带杂交组合F₁、F₂、BC₁和BC₂世代的光周期敏感性，结果表明含有25％热带背景的BC₁敏感性最弱，能较好适应温带环境，其利用价值最大，而含有75％热带背景的BC₂敏感性最强。F₁中含有温带、热带背景各占50％，其生育期显著缩短，但植株和穗位显著增高，产生了不利影响。因此，在利用热带亚热带种质时，以25％-50％的热带遗传背景为宜。就选育方法而言，Bridges等(Foundation population foradapted by exotic crosses[J].Crop Science,1987,27:501-506)提出如果外来种质与当地种质表现相近时，建议用F₂系谱法选育，而如果当地种质优于外来种质时，用回交法选育优于F₂系谱法。

在玉米育种工作中常将热带亚热带种质导入温带种质中，经过几代随机交配打破温热种质间的基因连锁，再采用相互轮回选择、S1全姊妹选择等方法改良温带种质，然后选择获得性状稳定的改良自交系(陈洪梅等.导入热带种质的温带玉米自交系的利用潜力[J].作物学报,2011,37(10):1785-1793)。但通过这些方法改良热带亚热带玉米光周期敏感性的效果并不明显，所获种质中热带玉米种质背景所占比例较大，光周期反应仍较强，因此尚不能解决目前我国北方大面积推广的玉米品种非常相似、品种同化性十分严重的重大生产问题。

热带玉米种质Tuxpeno是墨西哥纯马齿型玉米的代表种，起源于墨西哥海湾一带，种质组成复杂，有白粒(即热带玉米种质白粒Tuxpeno-1)和黄粒(热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15)等衍生类群，热带玉米种质Tuxpeno(以下简称Tuxpeno)具有高产、耐密、坚秆、抗小斑病、耐瘠抗旱、适应性广等特点，是最重要的抗病和抗逆种质资源。Tuxpeno在美国、古巴和西印度的马齿型玉米新品种培育中发挥了重要作用(高翔等.浅析Tuxpeno和Suwan等(亚)热带种质在中国玉米育种和生产中的作用[J].玉米科学,2005,13(4):40-43,55)。Tuxpeno自1978年引入中国，用其育成的自交系包括449、405、81565、大19、大216、黄C和沈218等，群体或杂交种包括Tuxpeno 1、毕单3号、贵毕201、绵单1号、黔西4号、恩单2号、川单9号、桂顶1号和农大108等，其中Tuxpeno1在云南、广西、四川、重庆、贵州和新疆等地累计推广面积在141.4万hm²以上。这些品种在生产中表现出增产潜力大、杂种优势强等特点。但由于Tuxpeno的光周期敏感性，目前用其选育的杂交种在我国北方地区的应用非常有限，因此对Tuxpeno种质的光周期敏感性进行改良，对推动热带玉米种质在我国温带玉米主产区的利用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术将热带亚热带种质导入温带种质中选育出的玉米种质以热带玉米种质背景为主，仍存在较强的光周期反应，尚不能解决目前我国北方大面积推广的玉米品种非常相似、品种同化性十分严重的重大生产问题，其目的是提供一种能有效改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感的方法。

本发明技术方案如下：

1、改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno光周期敏感的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)材料选择：用法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性，以热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15为母本、法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2为父本组建杂交组合黄粒Tuxpeno B.P.C.15×LM2，进行杂交得F₁代；

(2)选育方法：

①对杂交组合黄粒Tuxpeno B.P.C.15×LM2的F₁代采用混合授粉的方式进行杂交，获得F₂代；

②第一轮回交

选择生育期95天、株高1.6m的F₂植株作为母本，与步骤(1)所述法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2进行第一轮回交得到BC₁群体；

③第二轮回交

选择生育期95天、株高1.6m的BC₁植株作为母本，与步骤(1)所述法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2进行第二轮回交得到BC₂群体；

④连续自交三代

选择生育期95天、株高1.6m的BC₂植株连续自交三代，每一代自交时，均选择生育期95天、株高1.6m的植株进行自交，对第二代自交所得BC₂F₂群体进行配合力测定，选择配合力最高且生育期95天、株高1.6m的BC₂F₂单株进行自交得到第三代BC₂F₃群体；选择生育期95天、株高1.6m，整齐一致、综合性状优良的BC₂F₃单行混收，形成玉米自交系；

(3)多个地点同时进行光周期敏感性鉴定

在热带、亚热带和温带三个地区并且在同一年份对步骤(2)④获得的所述玉米自交系进行光周期敏感性鉴定，鉴定结果为：该玉米自交系在热带、亚热带和温带地区种植其生育期均保持在95天，株高均为1.6m，则：所述玉米自交系为改良了热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15光周期敏感性进而育成的光周期不敏感玉米自交系。

2、根据技术方案1所述的改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno光周期敏感的方法，还包括对步骤(2)④获得的所述玉米自交系在冬季进行反季光周期敏感性的初步鉴定，初步鉴定结果为：该玉米自交系的生育期保持在95天，株高为1.6m，则将步骤(2)④获得的所述玉米自交系再按步骤(3)进行。

本发明的主要创新点及有益效果是：

1、采用回交且仅限两轮回交的方式，既保证了遗传丰富度，又提高了温带玉米种质背景所占的比例，将转育材料中温带种质背景提高到85％以上，结合偏温带型植株选择，改良了热带玉米种质的光周期敏感性，最终提高了热带玉米种质在温带地区的适应性。现有技术不采用回交的方式而直接杂交后进行选择，导致育成品种光周期敏感性较强，难以在温带地区大面积推广利用。本研究发现回交次数过多，尽管克服了光周期敏感问题，但后代群体中热带亚热带玉米种质所占的比例极小，育成品种未能发挥热带亚热带玉米种质的优异特性。

2、采用早代配合力测定方式，即在BC₂F₂代进行配合力测定，压缩自交后代的群体规模，有效提高了育种选择效率。在本领域中，配合力测定大多从F₄或F₅代开始，但本发明从BC₂F₂代开始选偏温带型植株并测定其配合力，结合在早代配合力测定之前采用的两轮回交，即采用所选单株为经过两轮回交获得的较纯合的群体进行早代测定，压缩了自交后代的群体规模，有效提高了育种选择效率。

3、三代自交的每一代自交，均选择生育期95天、株高1.6m的植株进行自交，对光周期敏感性进行了有效的选择和改良。

4、采用多个地点同时平行的光周期敏感性鉴定，即在3个代表热带(云南省德宏傣族景颇族自治州)、亚热带(云南省开远市)和温带(云南省昭通市)气候类型的试点同时进行光周期敏感性鉴定，提高了光周期敏感性鉴定结果的准确性与可靠性。

5、有效的种质材料创新，本发明所用的父本为法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2，充分利用LM2生育期短(60天左右)和株高矮(约1.3m)的两个特点，对热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性进行改良，经过两代回交和多代连续自交改良，使热带玉米种质的生育期显著缩短、株高明显下降，进而改良了热带玉米黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性。

本发明通过上述创新点的协同配合，采用杂交—混合授粉—两轮回交—连续三代自交并进行生育期和株高选择及配合力早代测定—热带、亚热带和温带多个地点同时进行光周期敏感性鉴定的选育方法，最终选育出以温带种质背景为主、兼有热带种质特性及温带种质优点、光周期敏感性有显著改良的玉米自交系，其光周期敏感性有显著改良主要体现在生育期显著缩短(生育期95天)、株高明显下降(株高为1.6m)。用这些自交系组配的杂交组合，目前已在我国北方内蒙包头、山东登海种业试验地及新疆奇台进行品种测试，验证了所选育的品种生育期为95天，较先玉335(适宜黄淮海等温带地区种植的高产玉米种子)早熟3-5天，株高与先玉335基本持平、为以温带种质背景为主、兼有热带种质特性及温带种质性状，各农艺性状和综合表现十分突出的种质。证明了本发明方法有效地解决了现有技术将热带亚热带玉米种质导入温带种质中选育出的玉米种质为以热带玉米种质背景为主，在温带地区种植仍存在较强的光周期反应的缺陷，解决了目前我国北方大面积推广的玉米品种非常相似、品种同化性十分严重的重大生产问题，对推动我国热带亚热带玉米品种北移具有重要意义和贡献。

所述偏温带型植株是指生育期95天、株高1.6m的后代植株。

所述温带玉米种质背景(为主)主要指生育期缩短为95天、株高下降至1.6m的性状。

附图说明

图1是本发明利用法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性的技术路线示意图。

具体实施方式

供试材料来源：

1、热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15(以下简称黄粒Tuxpeno B.P.C.15)是国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)合成的重要群体，已在非专利文献(张向前.玉米温热杂交种穗部性状基因效应分析[M].河南农业大学硕士论文,P2,2003)中公开，并且该生物材料在申请人有保存，申请人保证自本专利申请日起20年内向公众发放。申请人地址：云南省昆明市盘龙区北京路2238号，云南省农业科学院粮食作物研究所，邮编：650205。

2、法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2(以下简称LM2)为市售产品，由法国利玛格兰公司选育的自交系，可从该公司中国分部直接购买，该公司地址：中国北京昌平区天通苑北方明珠大厦1号楼603室，邮编：102218。

3、温带玉米自交系YML168和热带玉米自交系YML112为市售产品，由云南田瑞种业选育的自交系，可从该公司直接购买，该公司地址：云南省昆明市盘龙区北京路2238号，邮编：650205。

4、玉米自交系Y1218和TRL2为市售产品，由云南田瑞种业选育的自交系，可从该公司直接购买，该公司地址：云南省昆明市盘龙区北京路2238号，邮编：650205。

以下各实施例无特殊说明为常规方法。

实施例1以温带种质背景为主的光周期不敏感玉米自交系YML102的选育(本发明方法)

黄粒Tuxpeno B.P.C.15具有产量潜力大、耐密、坚秆、抗小斑病、耐瘠抗旱、适应性广等特点，但其为光周期敏感玉米种质，在温带地区种植平均生育期140天左右，株高约2.8m；LM2为温带特早熟马齿型玉米种质，生育期60天左右，株高约1.3m。

参见图1所示的技术路线，(1)材料选择：用法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性，2008年夏季在云南省昆明市以黄粒Tuxpeno B.P.C.15为母本、法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2为父本组建杂交组合黄粒TuxpenoB.P.C.15×LM2，进行杂交得F₁代；

(2)选育方法：

①对杂交组合黄粒Tuxpeno B.P.C.15×LM2的F₁代采用混合授粉的方式进行杂交，获得F₂代；

2008年冬季在云南省西双版纳州种植上述温—热杂交组合，对F₁进行混合授粉构建F₂群体，混合授粉的目的在于保证遗传丰富度。

②第一轮回交

选择生育期95天、株高1.6m的F₂植株作为母本，与步骤(1)所述法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2进行第一轮回交得到BC₁群体；

2009年夏季在云南省昆明市种植上述F₂群体，并采用错期播种的方式种植LM2，选择株高1.6m的F₂植株作为母本，以LM2为父本和轮回亲本进行回交，在成熟期选择生育期为95天的单株50株，每株取100粒等量混合，形成BC₁群体，理论上BC₁群体含有75％的温带种质背景。

③第二轮回交

2009年冬季在云南省西双版纳州种植上述BC₁群体，并采用错期播种的方式种植LM2，选择生育期95天、株高1.6m的BC₁植株作为母本，以LM2为父本和轮回亲本进行回交，在成熟期选择生育期为95天的单株50株，每株取100粒等量混合，形成BC₂群体，理论上BC₂群体含有87.5％的温带种质背景。

④连续自交三代

A、第一代自交

2010年夏季在云南省昆明市种植上述BC₂群体，选择生育期95天、株高1.6m的BC₂植株自交，在成熟期选择生育期为95天、株高1.6m的BC₂F₁单株，收获后每株按等量种子混合脱粒。

B、第二代自交及配合力测定

2010年冬季在云南省西双版纳州种植上述所选择的生育期为95天、株高1.6m的BC₂F₁群体收获后混合脱粒的种子，形成BC₂F₂群体，选择生育期为95天、株高1.6m的BC₂F₂植株，分别用两个骨干亲本玉米自交系Y1218和玉米自交系TRL2作为测验种测定其配合力，在成熟期选择配合力最高且生育期为95天、株高1.6m的综合性状优良的BC₂F₂单株收获单株脱粒。

C、第三代自交

2011年夏季在云南省昆明市按穗行种植上述配合力最高且生育期为95天、株高1.6m的BC₂F₂群体收获的单株种子，形成BC₂F₃群体，选择生育期95天、株高1.6m，整齐一致、综合性状优良的BC₂F₃单行混收，形成玉米自交系YML102。

⑤在冬季进行反季光周期敏感性的初步鉴定

2011年冬季在云南省西双版纳州种植上述玉米自交系YML102，结果表明自交系YML102无明显光周期反应，生育期保持在95天，株高1.6m，此步骤初步鉴定了所选自交系YML102为光周期不敏感的玉米自交系。

(3)多个地点同时进行光周期敏感性鉴定

于2012年夏季在云南省德宏傣族景颇族自治州(热带)、云南省开远市(亚热带)和云南省昭通市(温带)种植玉米自交系YML102，结果表明：玉米自交系YML102在热带、亚热带和温带地区种植均无明显光周期反应，即生育期无显著变化均为95天，株高均为1.6m，表明：本发明方法改良选育的自交系YML102是以温带种质背景为主、光周期不敏感玉米自交系，因此，所述玉米自交系为改良了热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15光周期敏感性进而育成的光周期不敏感玉米自交系。

实施例2光周期不敏感玉米杂交组合YR407和YR668的选育与测试(验证试验)

2012年冬季在云南省西双版纳州用自交系YML102配制杂交组合124个。

2013年夏季在云南省德宏傣族景颇族自治州(热带)、云南省开远市(亚热带)和云南省昭通市(温带)三点(多点)鉴定杂交组合的光周期敏感性及综合表现，结果发现光周期不敏感玉米自交系YML102与热带玉米自交系YML112组配的杂交种YR407及与温带玉米自交系YML168组配的杂交种YR668，在上述三个不同生态环境下均无明显的光周期反应，其中YR407在不同生态环境下生育期保持94～95天，株高均为2.8m～2.9m，综合性状表现良好，产量较当地主推品种路单8号增产11％；YR668在上述三个不同生态环境下生育期保持94～96天，株高均为2.8m～2.9m，抗病性强，产量较当地主推品种路单8号增产13.5％，表明：用本发明选育的光周期不敏感玉米自交系配制的玉米杂交组合对光周期反应不敏感，说明本发明方法是改良热带玉米光周期敏感的有效方法。

2014年夏季在我国北方内蒙包头和山东河泽对杂交种YR407和YR668进行品种测试，生育期95～96天和96～97天，株高分别为2.8m和2.9m，较北方大面积推广品种先玉335早熟1-3天，株高与基本持平、其它农艺性状及综合表现十分突出，说明用本发明方法改良的光周期不敏感玉米自交系YML102组配的杂交组合对光周期反应不敏感，在我国北方温带玉米主产区有较大的推广应用潜力。

Claims (2)

1.改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno光周期敏感的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)材料选择：用法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15的光周期敏感性，以热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15为母本、法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2为父本组建杂交组合黄粒Tuxpeno B.P.C.15×LM2，进行杂交得F₁代；

(2)选育方法：

①对杂交组合黄粒Tuxpeno B.P.C.15×LM2的F₁代采用混合授粉的方式进行杂交，获得F₂代；

②第一轮回交

选择生育期95天、株高1.6m的F₂植株作为母本，与步骤(1)所述法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2进行第一轮回交得到BC₁群体；

③第二轮回交

选择生育期95天、株高1.6m的BC₁植株作为母本，与步骤(1)所述法国利玛格兰公司的温带特早熟马齿型玉米种质LM2进行第二轮回交得到BC₂群体；

④连续自交三代

选择生育期95天、株高1.6m的BC₂植株连续自交三代，每一代自交时，均选择生育期95天、株高1.6m的植株进行自交，对第二代自交所得BC₂F₂群体进行配合力测定，选择配合力最高且生育期95天、株高1.6m的BC₂F₂单株进行自交得到第三代BC₂F₃群体；选择生育期95天、株高1.6m，整齐一致、综合性状优良的BC₂F₃单行混收，形成玉米自交系；

(3)多个地点同时进行光周期敏感性鉴定

在热带、亚热带和温带三个地区并且在同一年份对步骤(2)④获得的所述玉米自交系进行光周期敏感性鉴定，鉴定结果为：该玉米自交系在热带、亚热带和温带地区种植其生育期均保持在95天，株高均为1.6m，则：所述玉米自交系为改良了热带玉米种质黄粒Tuxpeno B.P.C.15光周期敏感性进而育成的光周期不敏感玉米自交系。

2.根据权利要求1所述的改良热带玉米种质黄粒Tuxpeno光周期敏感的方法，其特征在于：还包括对步骤(2)④获得的所述玉米自交系在冬季进行反季光周期敏感性的初步鉴定，初步鉴定结果为：该玉米自交系的生育期保持在95天，株高为1.6m，则将步骤(2)④获得的所述玉米自交系再按步骤(3)进行。