CN111771716B - 一种杂种优势高效利用的作物遗传育种方法 - Google Patents
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Abstract
一种杂种优势高效利用的作物遗传育种方法。目前杂种优势利用主要用的是杂交亲本培育和广泛测交，相互轮回选择也在最近应用到作物特别是玉米的杂交种培育中。随着高通量标记技术的发展，全基因组选择快速应用到了作物杂种优势利用中，利用覆盖整个基因组的分子标记实现对复杂数量性状的有效预测，然而目前并未见基因组选择和相互轮回选择同时应用于作物遗传育种。本发明提出把基因组选择方法和相互轮回选择技术同时应用于作物杂种优势利用，以提供一种选择高效、易于实施、材料成本和人力使用成本低的杂种优势利用方法。此外，本发明开创性地利用基因组选择技术应用于相互轮回选择群体基础亲本的选择，同时利用化学杀雄技术提升育种效率，大大提高育种准确性和高效性。
Description
技术领域
本发明涉及作物遗传育种领域，具体涉及一种杂种优势高效利用的作物遗传育种方法。
背景技术
产量提升是保证作物总产稳定的有效途径，提高作物单产对增加种植收益至关重要。产量的提升依赖于高产品种的培育，杂种优势利用是作物高产育种最有效的手段。杂种优势是指杂种F1在生活力、生长势、繁殖力、产量、品质、抗逆性、适应性等方面优于其纯合双亲的现象。杂种优势自提出以来，已成为涉及粮、油、棉、果蔬等主要作物增产的主要手段，其中玉米的杂种优势利用是遗传学在农业中最重要的应用之一。杂种优势在作物上的成功利用为确保我国乃至世界粮食安全做出了重要的贡献。
传统的杂种优势利用方法主要是亲本的选择和大规模的配合力测定，需要比较大的规模，同时盲目性较高。轮回选择是一种亲本改良的可持续的方法，相互轮回选择则可以同步改良杂交双亲和优化双亲群体间的配合力，使它们的优点能够相互补充，提高两个群体间的杂种优势，提高了杂交双亲选择效率。
基因组选择(genomic selection，GS)就是在全基因组范围内利用与所有数量性状位点(QTL)处于连锁不平衡的分子标记评估育种材料的育种值，将对育种材料的选择建立在对个体基因组评估的水平上。基因组选择的优势在于能够在个体早期通过基因型估计育种值，降低表型鉴定的成本，提高遗传增益，更有效地平衡不同性状的遗传进展。目前基因组选择在作物育种的应用处于训练群体交叉验证和衍生后代的选择上，在群体选择中的应用未见报道。
目前杂种优势利用主要用的是亲本的培育和广泛测交，相互轮回选择也在最近应用到作物特别是玉米的杂交种培育中。随着高通量标记技术的发展，全基因组选择快速应用到了作物杂种优势利用中，利用覆盖整个基因组的分子标记实现对复杂数量性状的有效预测，然而目前并未见基因组选择和相互轮回选择同时应用于作物遗传育种。
发明内容
本发明第一方面,提供一种作物遗传育种方法，包括相互轮回选择方法和全基因组选择方法。
本发明第二方面,提供一种作物遗传育种方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、亲本选择
从已知作物强优势杂交组合中选取3-5个保持系和3-5个恢复系，对育种亲本进行广泛测交，将保持系和恢复系分别配制测交组合800-1200个；通过产量试验分别选择种子产量排名前60-100测交组合对应的所述育种亲本，与保持系测交的所述育种亲本构成恢复系轮回选择群体基础材料，与恢复系测交的所述育种亲本构成保持系轮回选择群体基础材料；
二、轮回选择基础群体的建立
1、从所述60-100个保持系轮回选择群体基础材料中任意选取一半材料作为母本，与剩余一半保持系轮回选择群体基础材料随机配对，配置30-50个杂交组合；每个杂交组合各取等量种子混合构成保持系轮回选择基础群体，记为S0；
2、从所述60-100个恢复系轮回选择群体基础材料中选取一半恢复系作为母本，与剩余材料随机配对，配置30-50个杂交组合；若恢复系不足总数一半，则以所有恢复系为母本，分别与若干个剩余材料杂交，直到剩余材料均与恢复系配制成杂交组合；每个杂交组合播种2-4行，选若干株未发病可育单株套袋自交一代，收获后每个杂交组合取等量种子混合播种5-7行，选若干株未发病可育单株套袋自交，分单株收获并保存自交二代，每个自交二代种子播种2-4行，开花期观察育性，选择全部单株可育对应的自交二代单株，每个杂交组合选择5-7个单株，每个单株各取等量种子混合构成恢复系轮回选择基础群体，记为R0；
三、相互轮回选择
1、从所述60-100个保持系轮回选择群体基础材料中任意选取一半材料作为母本，与剩余一半保持系轮回选择群体基础材料随机配对，配置30-50个杂交组合；每个杂交组合各取等量种子混合构成保持系轮回选择基础群体，记为S0；
2、从所述60-100个恢复系轮回选择群体基础材料中选取一半恢复系作为母本，与剩余材料随机配对，配置30-50个杂交组合；若恢复系不足总数一半，则以所有恢复系为母本，分别与若干个剩余材料杂交，直到剩余材料均与恢复系配制成杂交组合；每个杂交组合播种2-4行，选若干株未发病可育单株套袋自交一代，收获后每个杂交组合取等量种子混合播种5-7行，选若干株未发病可育单株套袋自交，分单株收获并保存自交二代，每个自交二代种子播种2-4行，开花期观察育性，选择全部单株可育对应的自交二代单株，每个杂交组合选择5-7个单株，每个单株各取等量种子混合构成恢复系轮回选择基础群体，记为R0；
3、轮选DH材料创制
经过多轮相互轮回选择后，将入选的恢复系经小孢子培养得到恢复系DH纯系，将入选的保持系经小孢子培养得到保持系DH纯系；
四、全基因组选择模型的建立
1、训练群体种子产量数据的获得
用步骤一中从强优势杂交组合中选取的3-5个保持系和3-5个恢复系为测交亲本分别与步骤一中筛选的60-100个恢复系或60-100保持系材料通过不完全双列杂交组合获得杂交一代，所获得的杂交一代与杂交双亲一起构成训练群体，对训练群体进行多点测试，以商业品种为对照，考察群体产量相关性状。
2、亲本基因分型
对上述步骤一的测交亲本和筛选的恢复系或保持系全基因组重测序并进行基因分型；
3、利用rr BLUP 4.4R程序包分析获得的种子产量数据和亲本基因分型结果，建立岭回归-最大线性无偏估计(RR-BLUP)的全基因组选择模型；
五、轮回选择群体优化
利用建立的全基因组选择模型和测交亲本分别对创制的DH系和所述的育种亲本进行测试，根据全基因组选择模型测试结果和测交测试结果对材料进行分类，分为恢复系和保持系；
将得到的恢复系和保持系加入到第二步轮回选择基础群体的建立中分别作为保持系轮回选择群体基础材料和恢复系轮回选择群体基础材料；循环上述步骤二-步骤四；
最终得到强优势新组合作物品种。
进一步地，上述“母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂”的方式为：每隔10天喷施一次，一共喷施三次。
进一步地，上述作物育种方法还包括全基因组选择模型完善的步骤。
进一步地，全基因组选择模型完善的具体方法为：
1基因组选择
对上述中第三步骤中创制的DH系进行全基因组重测序，利用建立的全基因组选择模型进行杂种优势预测，选择产量潜力高的DH系。
2预测结果验证
选1中预测的产量潜力高的DH系与上述中的第一步的亲本配置杂交组合并进行种子产量测试，选择优异组合进行后续试验。
3模型完善
根据1中DH系重测序结果和产量测试数据验证并优化全基因组选择模型。
进一步地，所述作物为可利用杂种优势的作物
进一步地，所述作物为油菜、水稻或玉米。
进一步地，所述作物为油菜；和/或,已知强优势杂交组合3个保持系为中双11号、赣油18号或沪油21，恢复系为283B、华双128或R103。
上述述的方法得到的育种材料也属于本发明的保护范围。
进一步地，群体中的母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂，以诱导获得全不育系是基于化学杀雄技术。
本发明具备如下优点：
1、本发明提出利用基因组选择方法和相互轮回选择同时应用于作物杂种优势利用，以提供一种高效选择、易于实施、材料成本和人力使用成本低的杂种优势利用技术。
2、本发明开创性地利用基因组选择技术应用于相互轮回选择群体基础亲本的选择和轮回选择过程中育种材料的选择，同时利用化学杀雄技术提升育种效率，大大提高育种准确性和高效性。
具体实施方式
实施例1油菜遗传育种方法
1相互轮回选择
1.1亲本选择
分别选择油菜强优势杂交组合的3个保持系(中双11号、赣油18号、沪油21)和恢复系(283B、华双128、R10)，对市面上已有育种亲本(被测交亲本)进行广泛测交，保持系和恢复系分别配制测交组合1000个。通过产量试验分别选择种子产量排名前80位测交组合对应的育种亲本，与保持系测交得到的所述育种亲本构成恢复系轮回选择群体基础材料，与恢复系测交得到的所述育种亲本构成保持系轮回选择群体基础材料。
1.2轮回选择基础群体建立
(1)从80个保持系轮回选择群体基础材料中任意选40个作为母本，与剩余40个材料随机配对，配置40个杂交组合。每个杂交组合各取等量种子混合构成保持系轮回选择基础群体，记为S0。
(2)从80个恢复系轮回选择群体基础材料中任意选40个恢复系作为母本，与剩余40个材料随机配对，配置40个杂交组合；若恢复系不足40个，则以恢复系为母本，分别与若干个剩余材料杂交，直到剩余材料均与恢复系配制成杂交组合。每个杂交组合播种两行，选5株未发病可育单株套袋自交一代，收获后每个杂交组合取等量种子混合播种五行，选20株未发病可育单株套袋自交，分单株收获并保存自交二代，每个自交二代种子播种两行，开花期观察育性，选择全部单株可育对应的自交二代单株，每个杂交组合选择5个单株，每个单株各取等量种子混合构成恢复系轮回选择基础群体，记为R0。
1.3相互轮回选择
1.3.1群体内轮回选择
将1.2中得到的R0群体种子随机选取一定数量的种子，将其分成2份，其中一份作为母本，另外一份作为父本。于隔离条件下母本和父本按3:2行比播种，当所述R0群体中的母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂，每隔10天喷施一次，一共喷施三次，以诱导获得全部母本为不育系；待母本成熟后收获N1株未发病的单株的种子，并对所述种子的品质、含油量和产量进行分析鉴定，筛选出硫甙含量小于30μmol/g(饼粕)，芥酸含量<1％，含油量>45％，产量排名前5％的单株(200-300株)为R0-1，进入群体间测交鉴定。
将1.2中得到的S0群体种子随机选取一定数量的种子，将其分成2份，其中一份作为母本，另外一份作为父本。于隔离条件下母本和父本按3:2行比播种，当所述S0群体中的母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂，每隔10天喷施一次，一共喷施三次，以诱导获得全部母本为不育系；待母本成熟后收获N1株未发病的单株的种子，并对所述种子的品质、含油量和产量进行分析鉴定，筛选出硫甙含量小于30μmol/g(饼粕)，芥酸含量<1％，含油量>45％，产量排名前3-5％的单株记为S0-1，单株总数为200-300株进入群体间测交鉴定。
1.3.2群体间测交鉴定：
(1)通过在青海或甘肃春油菜区夏播加代配制杂交组合。隔离条件下按株行种植S0-1为母本，取各R0-1单株等量种子混合为父本，另一个隔离条件R0-1为母本，取各S0-1单株等量种子混合为父本。花期按照1.3.1中化学诱导剂喷施方法喷施化杀剂，成熟期按株行收获母本种子。
(2)组合观察鉴定。在相同的试验条件下，对S0-1和R0-1配制的杂交组合进行产量试验，考察产量相关性状，各选出产量前30-40个杂交组合，取对应的S0-1母本单株等量种子混合组成S1群体，取对应的R0-1母本单株等量种子混合组成R1群体。
进行两个群体的相互轮回选择，其中通过异地加代配制杂交组合，提升育种效率。
重复以上步骤(1)和(2)，进行持续的相互轮回选择。
1.4轮选DH材料创制
经过上述3轮(1.1-1.3)选择后，对入选单株通过小孢子培养分别创建恢复系DH纯系，和保持系DH纯系。具体为：将入选恢复系经小孢子培养得到恢复系DH纯系，将入选保持系经小孢子培养得到保持系DH纯系。分别随机选择80个DH系作为验证群体亲本对基因组选择模型进行验证，其余经过农艺性状鉴定后用于基因组选择的杂交育种。
2全基因组选择模型构建
2.1训练群体种子产量数据的获得
用已知强优势杂交组合各3个保持系(中双11号、赣油18号、沪油21)和恢复系(283B、华双128、R10)为测交亲本分别与1.1中对应的80个恢复系或保持系材料通过不完全双列杂交组合获得杂交一代，所获得的杂交一代与杂交双亲一起构成训练群体，对训练群体进行多点测试(以商业种为对照)，考察群体产量相关性状。
2.2亲本基因分型
对6个测交亲本中双11号、赣油18号、沪油21、283B、华双128、R10和160个优选株系(80个恢复系和80个保持系材料)全基因组重测序并进行基因分型。
2.3全基因组选择模型建立
利用产量相关数据和基因型数据解析杂种优势，以超标优势对种子产量相关性状的杂种优势遗传效应进行基因组预测，建立杂种优势全基因组选择模型。
具体利用rr BLUP 4.4R程序包分析获得的种子产量数据和基因分型结果，建立岭回归-最大线性无偏估计(RR-BLUP)模型。
3全基因组选择与模型完善
3.1基因组选择
对1.4中创制的DH系进行全基因组重测序，利用建立的全基因组选择模型进行杂种优势预测，选择产量潜力高的DH系。
3.2预测结果验证
选3.1中预测的产量潜力高的DH系与1.1中的测交亲本配置杂交组合并进行种子产量测试，选择种子产量比商业品对照品种5％以上的组合进行后续试验；
3.3模型完善
根据3.1中DH系重测序结果和种子产量测试数据验证并优化全基因组选择模型。
4.轮回选择群体优化
4.1新材料的选择
利用全基因组选择模型对创制的DH系和所述的育种亲本进行产量预测，利用测交亲本(中双11号、赣油18号、沪油21、283B、华双128、R10)对创制的DH系和所述的育种亲本进行测交测试，根据全基因组选择模型得到的结果和测交测试结果对材料进行分类，分为恢复系基础材料或保持系基础材料。
4.2轮回选择群体优化
将4.1得到的恢复系基础材料和保持系基础材料分别加入到1.2中保持系轮回选择群体或恢复系轮回选择群体中重复上述试验，或按照以上方法构建新的二环轮回选择群体，进行新的轮回选择，如此循环贯穿整个育种过程，得到强优势新组合作物品种，参加品种联合测试。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种作物遗传育种方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、亲本选择
从已知作物强优势杂交组合中选取3-5个保持系和3-5个恢复系，对育种亲本进行广泛测交，将保持系和恢复系分别配制测交组合800-1200个；通过产量试验分别选择种子产量排名前60-100测交组合对应的所述育种亲本，与保持系测交的所述育种亲本构成恢复系轮回选择群体基础材料，与恢复系测交的所述育种亲本构成保持系轮回选择群体基础材料；
二、轮回选择基础群体的建立
第一步、从所述60-100个保持系轮回选择群体基础材料中任意选取一半材料作为母本，与剩余一半保持系轮回选择群体基础材料随机配对，配置30-50个杂交组合；每个杂交组合各取等量种子混合构成保持系轮回选择基础群体，记为S0；
第二步、从所述60-100个恢复系轮回选择群体基础材料中选取一半恢复系作为母本，与剩余材料随机配对，配置30-50个杂交组合；若恢复系不足总数一半，则以所有恢复系为母本，分别与若干个剩余材料杂交，直到剩余材料均与恢复系配制成杂交组合；每个杂交组合播种2-4行，选若干株未发病可育单株套袋自交一代，收获后每个杂交组合取等量种子混合播种5-7行，选若干株未发病可育单株套袋自交，分单株收获并保存自交二代，每个自交二代种子播种2-4行，开花期观察育性，选择全部单株可育对应的自交二代单株，每个杂交组合选择5-7个单株，每个单株各取等量种子混合构成恢复系轮回选择基础群体，记为R0；
三、相互轮回选择
1、群体内轮回选择
将S0和R0分别进行群体内轮回选择；从R0群体种子中随机选取若干种子，将其分成2份，其中一份作为母本，另外一份作为父本；于隔离条件下母本和父本按3:2行比播种，当所述R0群体中的母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂，以诱导获得全部母本为不育系；待母本成熟后收获未发病的单株的种子，并将所述种子产量排名前3-5％的单株，总数大于等于200株，记为R0-1，进入群体间测交鉴定；
将得到的S0群体种子随机选取若干粒种子，将其分成2份，其中一份作为母本，另外一份作为父本；于隔离条件下按3:2行比播种母本和父本，当所述S0群体中的母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂，以诱导获得全部母本为不育系；待母本成熟后收获未发病的单株的种子，并对所述种子的产量进行分析鉴定，筛选出产量排名前3-5％的单株，总数大于等于200，记为S0-1，进入群体间测交鉴定；
2、群体间测交鉴定
具体步骤为：
(1)隔离条件下按株行种植S0-1作为母本，取各R0-1单株等量种子混合作为父本，另一个隔离条件下按株行种植R0-1作为母本，取各S0-1单株等量种子混合作为父本；母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂，以诱导获得全部母本为不育系；成熟期分株行收获母本的种子；
(2)组合观察鉴定，在相同条件下，对S0-1和R0-1配制的杂交组合进行产量试验，各选出产量排名前30-40个杂交组合，取对应的S0-1母本单株等量种子混合组成保持系S1群体，取对应的R0-1母本单株等量种子混合组成恢复系R1群体；
上述步骤1和2为一轮相互轮回选择，重复步骤1和2可完成多轮选择；
3、轮选DH材料创制
经过至少3轮相互轮回选择后，将入选的恢复系经小孢子培养得到恢复系DH纯系，将入选的保持系经小孢子培养得到保持系DH纯系；
四、全基因组选择模型的建立
1、训练群体种子产量数据的获得
用步骤一中从强优势杂交组合中选取的3-5个保持系和3-5个恢复系为测交亲本分别与步骤一中筛选的60-100个恢复系或60-100保持系材料通过不完全双列杂交组合获得杂交一代，所获得的杂交一代与杂交双亲一起构成训练群体，对训练群体进行多点测试，以商业品种为对照，考察群体产量相关性状；
2、亲本基因分型
对上述步骤一的测交亲本和筛选的恢复系或保持系全基因组重测序并进行基因分型；
3、利用rr BLUP 4.4R程序包分析获得的种子产量数据和亲本基因分型结果，建立岭回归-最大线性无偏估计的全基因组选择模型；
五、轮回选择群体优化
利用建立的全基因组选择模型和测交亲本分别对创制的DH系和所述的育种亲本进行测试，根据全基因组选择模型测试结果和测交测试结果对材料进行分类，分为恢复系和保持系；
将得到的恢复系和保持系加入到第二步轮回选择基础群体的建立中分别作为保持系轮回选择群体基础材料和恢复系轮回选择群体基础材料；循环上述步骤二-步骤四；
最终得到强优势新组合作物品种；
所述作物遗传育种方法还包括全基因组选择模型完善的步骤；
全基因组选择模型完善的具体方法为：
(1)基因组选择
对第三步骤中创制的DH系进行全基因组重测序，利用建立的全基因组选择模型进行杂种优势预测，选择产量潜力高的DH系；
(2)预测结果验证
选(1)中预测的产量潜力高的DH系与第一步的测交亲本配置杂交组合并进行种子产量测试，选择种子产量比商业品对照品种提高5％以上的组合进行后续试验；
(3)模型完善
根据(1)中DH系全基因组重测序结果和种子产量测试数据验证并优化全基因组选择模型。
2.根据权利要求1所述的作物遗传育种方法，其特征在于，所述“母本出现花蕾大于2mm的单株时对母本喷施化学诱导剂”的方式为：每隔10天喷施一次，一共喷施三次。
3.根据权利要求1或2所述的作物遗传育种方法，其特征在于，所述作物为可利用杂种优势的作物。
4.根据权利要求1或2所述的作物遗传育种方法，其特征在于，所述作物为油菜、水稻、高粱或玉米。
5.根据权利要求4所述的作物遗传育种方法，其特征在于，所述作物为油菜。
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