作物育种学：作物育种学教案

§0 绪? 论
§0.1 作物进化与遗传改良
0.1.1 含义：
作物育种：是指选育作物新品种和改良现有品种的一项工作。
良种繁育：是指保持新品种和改善恢复生产上应用品种的优良种性，繁殖推广优良种子的一项工作。
作物育种和良种繁育学：就是研究选育和繁育优良品种的理论和方法的一门学科。
0.1.2 任务
研究育种规律，创造优良品种，生产又多又好的种子，实现品种良种化、种子标准化，充分发挥良种的增产作用。
0.1.3方法利用现有的 引种驯化系统育种人工创造的 品种间杂交远缘杂交
理化因素诱变
杂种优势利用
体细胞杂交
基因工程
高光效育种染色体工程
0.1.4 与其它学科的关系作物育种学是作物人工进化的科学，是一门以遗传学、进化论为主要基础的综合性应用科学，它涉及植物学、植物生态学、植物生理学、生物化学、植物病理学、农业昆虫学、农业气象学、生物统计与试验设计、生物技术、农产品加工学等领域的知识与研究方法。作物育种学与作物栽培学有着密切的联系，是作物生产科学的两个不可偏缺的主科。
§0.2 作物育种学的意义与发展良种包括优良品种和优良种子两种含义
0.2.1 品种的概念与品种的合理利用。
品种的概念：品种是某一栽培作用适应于一定的自然条件和栽培条件的群体。这个群体中的各个体具有相对一致的，稳定的生物学特性和形态特征，并且在一定的生态环境和栽培条件下，能够表现出品种所特有的优良性状。除此之外，我们还应该明确：①品种是人类劳动的产物；②品种是农业生产中具有一定价值的生产资料；③品种具有一定的地区性； ④品种的利用有时间性。
作物品种（ Cultivar ）是人工进化的、人工选择的，即育种的产物，是重要的农业生产资料。作物品种也有其在植物分类学的地位，属于一定的种及亚种，但不同于分类学上的变种。变种（ Variety）是自然选择、自然进化的产物，一般不具上述特性和作用。
每个作物品种都有其所适应的地区范围和耕作栽培条件，而且都只在一定历史时期起作用，所以优良品种一般都具有地区性和时间性。随着耕作栽培条件及其他生态条件的改变，经济的发展，生活水平的提高，对品种的要求也会提高，所以必须不断地选育新品种以更替原有的品种。
作物品种除了纯系品种外，还有其他不同类型，如多系品种、异交群体品种、综合品种、无性系品种等，所有类型的品种都应具有上述的基本性能和作用。
0.2.2 品种的分类：
①农家品种；
②改良品种。
0.2.3 优良品种应具备的条件
①适应性强，表现丰产性；
②抗逆性强，表现稳产；
③品质优良，营养价值高；
④栽培管理容易，成本低。
0.2.4 品种的合理利用：
①使良种良法在适应地推广种植；
②在适应地区还应因地制宜；
③要注意品种搭配；
④要注意防杂保纯。
0.2.5 品种的特征特性
（1）特征：植物体各部分或器官所表现出来的外部形态上的症状叫特征。
（2）特性：植物体在生理生物化学和加工上表现出来的特点叫特性。
特征特性总称为性状。性状从遗传角度分为：质量性状和数量性状；从栽培角度分为；生物学性状和经济性状。
§0.3 作物品种及其在作物生产中的作用
0.3.1 提高产量：从1950—1984我国小麦、玉米、稻的平均单产分别增长170%（252—680）。337%（85.6—37.4）；202%（164—483）161%（158—412）。
0.3.2 改进产品品质：如从建国初 1963年。 纤维长由21mm上升为27mm以上，个别达30mm。
0.3.3 增强抗逆性，保持稳产。
0.3.4 扩大栽培区域。
0.3.5 适应先进的农业生产技术。
0.3.6 利于复种面积。
§0.4 国内外作物育种的成就与展望
0.4.1 我国作物育种和良种繁育工作的重要成就。
0.4.1.1 广泛开展了品种资源的征集，保存、研究和利用工作。
0.4.1.2 我国矮化育利成绩突出；小麦从120—100cm下为70—90cm；玉米从2—2.3m下为1.2—1.5m；由2.5m下为1.2—1.6m；水稻从125—130下为85—95cm.
0.4.1.3 水稻杂种优势利于居于领先地位。
0.4.1.4 远缘杂交育成了生产上有用的物种。
0.4.1.5 良种繁育的成就。
复习思考题
1、作物育种和良种繁育的任务是那些？两者的关系如何？
2、什么叫品种？试说明优良品种应具备的条件。
3、品种应怎样合理利用。
4、简述良种在农业生产中的地位和作用。

§1 育种目标
§1.1 现代农业对作物品种性状的要求
1.1.1 育种目标的含义及其重要性
1.1.1.1 含义：育种目标是指在一定的自然栽培经济条件下，根据经济发展的需要，对欲选育种的具体要求。
1.1.1.2 重要性：
1.1.2 现代化农业对育种目标的要求
1.1.2.1 高产
高产是优良品种最基本的条件，高产品种应具有下列性状：
1.合理株型：它是高产品种的基础。其具体表现在：（1）矮杆；（2）叶片配制合理，有良好的株叶形态结构；（3）不同作物具有不同合理株型。如 对禾本科作物的要求是：矮杆或半矮杆，株型紧凑，茎叶智力，基层叶片下披，中层叶片稍短，上层叶片要挺，茎叶尖角小，叶色深绿，叶片分布均匀，透光良好等…… 。
2.高光效率：合理株型是高产品种的形态特征；高光效率是高产的品种的生理特性。从高光效育种角度。可将决定产量的几个要素归纳为一个公式。
即：产量=［（光合能力×光合面积×光合时间）－呼吸消耗］×经济系数。
从式中看出：一个高产品种应具有较强的光合能力，低的呼吸消耗，光合机能保持时间长，叶面积适当及经济系数高等特点。
根据光合效率、C4作物的日合成能力为54g/m2。 C3作物的日合成能力为30g/m2。椐此计算，禾谷类作物的产量应该达到4000斤。而目前，作物对光能的利用率是很低的。一般只能利用照射光单位面积上所获得的全年辐射线的1—2%。甚至有的不到1%，椐计算，在现有基础上，如果对太阳能的利用率在提高1%的话。每亩的总产量可增加750公斤左右。
3、产量因素；不同作物的产量构成因素不同，禾本科作物一般是由亩穗数、穗粒数和粒重构成。故理论产量为；
理论产量=亩穗数×穗粒数×粒重
在现在的育种工作中，高产品种的产量构成因素因具体条件的不同其测重点不尽相同。例如；有
（1）多穗型品种；如蚰包麦。亩穗数56万×穗粒数24.1×千粒重38.3=500kg。
（2）大穗型品种；毛颖阿夫 亩穗数30万×穗粒数40.1×千粒重44.2=500kg.
（3）中间型品种；宁麦3号；亩穗数37.5×穗粒数41.1×千粒重35.6=500kg,
1.1.2.2 稳产
1、抗病虫性。
2、抗旱耐瘠性。
3、抗寒性。
4、抗倒状性等。
1.1.2.3 早熟
1、早熟可避免和减轻某些自然灾害；
2、早熟有助于提高复种指数；
3、对早熟的要求应适当。
1.1.2.4 优质
随着经济的发展和人民生活水平的提高，农业生产对产品的品质性状也提出更高要求。
1.1.2.5 适应机械化作业
就是适应用机械进行田间管理和收获．这类品种一般要求矮杆，高矮一致，生长整齐，株型紧凑，抗倒状，成熟一致。不易落粒等。
§1.2 制订育种目标的原则
1.2.1 考虑国民经济发展的需要。
1.2.2 根据当地的自然栽培条件，解决主要矛盾。
1.2.3 育种目标要落实在具体性状上。
1.2.4 要满足当前的需要，预见今后生产发展的要求。
1.2.5 育种目标还应考虑品种的搭配。
§1.3 作物育种的主要目标性状
1.3.1 产量性状
单位面积上收获的产品重量就是一般所指的产量。产量的提高直接决定于构成产量因素的协调增长。谷类作物的产量构成因素为单位面积穗数、穗粒数及粒重,……;单位面积产量基本上是这些构成因素的乘积。各构成因素之间往往相互制约，呈不同程度的负相关，难以同步提高，而应根据地区自然条件,耕作栽培水平以及作物相应的发育特性，提出不同的增长要求，使有主次地协调增长，从而提高产量。
合理株型是高产品种的生育基础和形态特征。如谷类作物合理株型一般具有矮秆或半矮秆、株型紧凑、茎叶所形成的冠层的受光趣势，能较充分地利用阳光等特征。所谓株型育种就是改善品种株型态势的育种，矮化育种是株型育种的一个重要内容和突破口，稻麦等作物矮秆品种的育成和推广，获得了大幅度的增产。 适当矮化可以增进谷类作物单位面积穗数；能有效利用水肥；增强抗倒伏能力；并提高其收获指数 (harvest index) 。收获指数 (HI) 是指经济产量与生物学产量之比，又名经济系数 (coefficient of economics) 。收获指数在一定情况下，可有效地作为高产育种的一种选择指标。
高光效是高产品种的生理基础，以提高光合效率为目标的遗传改良称为高光效 (breeding for high photosynthetic efficiency) 。广义的高光效育种包括株型育种,狭义的高光效育种则仅指提高单位叶面积的净光合速率的生理遗传改良或生理育种 。
1.3.2 对病、虫害的抗耐性
病、虫害的蔓延与危害，是农作物产量低而不稳的重要原因之一。在与病、虫害抗争中，各国都注重于抗病虫品种的选育和应用。从经济学和生态学的观点来看，作物种对病虫害的抗性，一般只要求在病菌流行或害虫发生时,能把病原菌的数量和虫口压低到经济允许的数值以下，即要求品种对病虫有相对的抗性，而不要求绝对的抗性，病虫害发生时，对产量和品质的影响不很大，有一定的耐病性或耐虫性，就基本达到了。目前，在我国应选育抗稻瘟病、白叶枯病和稻飞虱等主要病、虫害的水稻品种。
北方麦区应注意选育抗锈病，在南方麦区选育抗赤霉病等的小麦品种。玉米应选育抗大斑病、丝黑穗病、穗腐病和青枯病，大豆应选育抗病毒病、线虫病、食心虫及秆潜蝇的品种。油菜应选育抗病毒病，菌核病和蜘蛛等。
1.3.3 对环境胁迫的抗耐性
作物品种类型对不利的气候、土壤因素等环境胁迫因素分别具有不同程度的抗性,对旱害的抗性机制有避旱、免早、耐旱等类型。越冬作物则需要在越冬期间对低温抗耐性，即越冬性；作物对寒冻的抗性机制则有避寒、耐寒、抗寒等不同类型。对盐区的耐盐碱性，对酸性土壤地区的耐酸性、耐铝性，对多雨潮湿地区的耐湿性,抗穗发芽性，都是各该地区作物育种中的目标性状。
1.3.4 品质性状
品质性状因作物种类及同一作物的产品用途不同而异，现以粮、棉、油几种作物为例，简单说明如下：
（一）谷物类食用品质，首先涉及的就是碾磨品质：水稻有糙米率、精米率，小麦则有出粉率、灰分含量等。进一步涉及其食品加工品质有：稻米的蒸煮品质，包蒸煮后的出饭率、耐煮性、米饭的柔软性、色泽及食味等；小麦的面粉加工则因制成食品种类分别有烘烤 ( 面包 ) 品质、蒸制馒头品质、制作面条品质以及制糕点、饼干品质等。这些品质又分别有其理化特性指标和测定技术。食用和饲料用谷牧 还包括其营养品质，这种品质主要决定于其蛋白质及其中的赖氨酸含量。食用和饲用品质重在营养品质，而啤酒用大麦品质主要特点之一则是要低蛋白质含量。
（二）棉花纤维晶质影响纺纱、织布的纤维品质性状主要有：纤维长度、纤维细度、强度和纤维成熟度等。
（三）食用油品质，油菜、大豆等油料作物的最基本品质性状是籽粒的含油量和油泊的价值，如油菜品质育种目标为含油量高而其中亚油酸高，芥酸低或无、亚麻酸低；菜油中低硫代葡萄糖苷含量；大豆的品质育种标是含油量高而其中亚麻酸含量低 。
1.3.5 早熟性及对耕作制度和机械化作业的适应性
早熟性在大部分地区和许多作物都是重要的育种目标性状，因为早熟和生育期短、适于耕作制度和提高复种指数，而且还有利于减免后期自然灾害的损失，即有利于稳产，有利于机械化操作的作物品种一般具备的性状有：株型紧凑、秆壮不倒、生长整齐、成熟一致，结实部位适中、不裂夹、不落粒等；棉花还要求苞叶能自然脱落、棉瓣易于离壳等。
复习思考题
1、为什么要制定育种目标？
2、农业现代化对作物育种提出了那些要求？怎样现实这些要求？
3、根据我区实际你认为当前指定育种目标的根据是什么？

§2 作物的繁殖方式及品种类型
§2.1 作物的繁殖方式
2.1.1 有性繁殖：是指通过有性过程生产的雌雄配子的结合而繁殖后代的繁殖方式。凡是通过这种方式来繁殖后代的作物，就叫做有性繁殖作物。又根据花器构造及受粉方式的不同分为：
1、自花受粉作物（又叫自交作物）：指在自然条件下，同一株或同一朵花的花粉授于雌蕊而繁殖后代的作物。如小麦、水稻、大麦、谷子、大豆、花生、马铃薯、亚麻、烟草等 。
这类作物的花心构造和开花的基本特点是：
（1）雌雄同花；
（2）花开放时间较短或闭花受粉；
（3）花器保护严密有利于自交；
（4）花蕊小，花粉量少，一般没有特殊的气味和鲜艳的花冠。由于具有这样的特点，因此，他们的自交率极高。天然杂交率低。仅此5%以下。
2、异花受粉作物（又叫异交作物）；在自然条件下，通过不同植株花朵的花粉授给雌蕊而繁殖后代的作物。如玉米、黑麦、荞麦、向日葵、大麻、甜菜、白菜型油菜、瓜类、十字花科的一些蔬菜等。
这类作物的花器构造特点有：
（1）雌雄异株（大麻）；
（2）雌雄同株异花（玉米）；
（3）雌雄同花（白菜型油菜）。但有自交不亲和的特性。因此，这类作物在自然条件下，常通过风、昆虫等媒介来进行异花受粉。异交程度高。天然杂交率在50—100%之间。
3、常异花受粉作物（又叫常异交作物）；这类作物以自花受粉为主，也能进行异花受。因此，它是典型的自花受粉作物和典型的异花受粉作物的中间类型。如高粱、棉花、蚕豆、甘蓝型油菜、芥菜型油菜等。
这类作物花器构造的特点是：
（1）雌雄同花；
（2）不少作物花冠鲜艳有蜜腺；
（3）雌雄蕊不等长或不同期成熟，雌蕊外露；（4）花开放时间较长等。异花受粉率的高低因花器构造、作物品种和环境条件的不同而有相当大的差别。一般在5—50%之间。如高梁的自然异交的率最低为0.6%，高的可达50%。
§2.2 自交和异交的遗传效应
2.2.1 自交的遗传效应
自交的遗传效应表现在：
2.2.1.1 自交使杂合的基因型逐渐趋向纯合。
2.2.1.2 自交引起杂合基因型的后代发生性状分离。
所以,对异花授粉作物、常异花授粉作物,杂合基因型群体有选择地自交 ( 人工自交 ) 是筛选性状优良的纯合基因型后代的一种基本方法。
2.2.1.3 自交引起杂合基因型的后代生活力衰退，杂合基因型的作物，自交后代的生活力衰退，称为自交衰退 (mbr dlng depression) 。表现为生长势下降，繁殖力、抗逆性减弱，产量降低等，多属于多基因控制的数量性状。
2.2.2 自花授粉作物和常异花授粉作物的基因型自花授粉作物长期靠自交繁殖,它们的基因型是纯合的,表现型是整齐一致的。由于长期自花授粉,加上定向选择,因此自花授粉作物的品种群体内,绝大多数个体的基因型是纯合的,而且个体间的基因型是同质的,其表现型也是整齐一致的。由于其遗传性的相对一致和稳定,品种保纯比较容易。但它们也有极少数的天然异交后代,会发生基因型的分离,出现性状变异的个体。此外由于基因位点的自然突变,也会使自花授粉作物品种中产生杂合基因型个体而出现性状分离,但频率极低。这些都是自花授粉作物发生变异的主要原因,也是选择育种的主要基础。
常异花授粉作物品种的基本群体是自交产生的后代,这一部分基本群体的基因型是纯合的,也是同质的,代表本品种的基本性状。另一小部分个体,基因型是杂合的,它们出现的比率因天然异交率的高低而不同,天然异交的杂合基因型后代又会发生基因型分离。 从基因型分析,二个常异花授粉作物品种群体中至少包含三种基因型,即①品种基本群体的纯合同质基因型 ; ②杂合基因型 ; ③非基本群体的纯合基因型。因此,它们的表现型既反映本品种基本群体的一致性,又包含不同比率的、性状变异分离的个体。由于品种群体中存在部分杂合基因型,为选择育种提供了极为有利的条件,但必须进行多次选择。在良种繁育中应注意防止生物学混杂。
2.2.3 异交的遗传效应异交的遗传效应主要表现在,
（一） 异交形成杂合基因型，异交是基因型不同的两亲配子结合受精，异交产生的后代具有杂合的基因型。两亲的基因型差异愈大,则其后代基因型杂合程度愈大,即杂合的等位基因位点愈多。反之,两亲的基因型差异不大,其后代基因型杂合程度也不大。杂合基因是产生基因交换、重组和产生新基因型的基础。所以,有选择的异交 ( 人工杂交 ) 是创造遗传变异的一种主要方法。
（二） 异交增强后代的生活力，异交使后代的生活力增强,主要表现在生长势、繁殖力、抗逆性等性状的增强和产量提高。即数量性状方面比亲本明显提高,称为杂种优势。 杂种优势的强弱与基因型的杂合程度相关联。在杂交亲和的情况下,一般基因型的杂合程度愈大,则杂种优势愈强,反之,则杂种优势较弱。因此,利用异交增强后代生活力的效 应,即利用杂种优势,也是一种主要的育种方法。
2.2.4 异花授粉作物的基因型在长期自由授粉的条件下,异花授粉作物品种群体的基因型是高度杂合的。品种群体内各个体的基因型是异质的,没有基因型完全相同的个体。因此,它们的表现型多种多样,没有完全相似的个体,缺乏整齐一致性,构成一个遗传基础复杂又保持遗传平衡的异质群体。异花授粉作物群体内个体间随机交配繁殖后代,假如没有选择、突变、遗传漂移等影响,其群体内的基因频率和基因型频率在各世代间保持不变,即保持遗传平衡。但实际上却不能避免各种因素对异花授粉作物品种的影响,诸如农民和育种者根据各自的爱好对群体进行选择,自然突变的发生,小样本引种以及与异品种的杂交等,都会不同程度地改变它们的遗传结构。
§2.3 作物的品种类型及其各类品种的育种特点
2.3.1 自花受粉作物的特点及选择方法
第一．这类作物由于是通过同花所产生的精细胞和卵细胞相结合进行繁殖的因遗传基因相同，从而产生的结合子（单株）都是同质结合的纯合体。个体间的基因组合是一致的。如AABB纯合体。只有AB一种配子。所以自交繁殖的后代是稳定的这种外观上（表现型）和遗传基础上（基因型）的一致性是自交作物的一个显著特点。因此，通过一次单株选择就有可能得到遗传性状一致的品率或通过一次混合选择就可起到提纯的效果。
第二．自花受粉作物在人工进行杂交或诱变时，就会产生杂合体，（变异个体）。但含因其连续自交而分类为基因型纯合体。如。一对性状差异的杂合体Aa。可分离为两种纯合基因型。两对性状的杂合体AaBb可分离为四种纯合基因型。性状稳定所需要时间的长短，取决于杂纯合基因的对数和自交的代数。即X%=（1-- ）X100%所以对于这种材料一般采用多次单株选择法。
第三．遗传性状稳定不分离是相对的，又由于自交作物也有一点的天然异交率或突变，在群体中也会产生可遗传的变异，故对自交作物群体，采用单株选择法还可选出新的不同的品系。
第四．遗传作物保纯容易，在育种和良种繁育过程中一般不需要设置隔离区。
此外，自交作物虽有有耐自交的特性，但花期的自交也会引起生活力的衰退，适应性降低。故生产上应用的品种按定期提纯复壮。
2.3.2 异交作物的特点及选择方法
第一、由于异交，使他的遗传基础不同。群体内包含着许多杂结合的基因型个体。表现出遗传性不稳定且比较复杂，故个体形状不完全一致，但由于植物有选择受精的作用及显隐性的关系。所以在天然受粉的异交作物群体内个体间还可保持一定的一致性和典型性。
第二、由于天然受粉的群体。遗传基础复杂，个体间有一定差异群体本身或杂种一代都会表现出分离，在选择过程中要获得基本定型的品种。就必须进行多次混合选择才能达到。
第三、要想获得性状完全一致的品系（自交系）就必须连续控制自交。并进行多次单株选择才能取得效果。但生活力衰退。
第四、在育种或繁种时要隔离。
2.3.3常异交作物的特点与选择方法第一、因以自交为主，异交为次，故群体中有一定数量的基因型处于杂纯合状态。但大多数是纯结合的。
第二、如连续自交退化较轻性状分离不显著。
第三、由于第一条原因，故要获得遗传性状一致的稳定品系，必须采用多次单株选择法。
（四）、无性繁殖作物的特点与选择方法
第一、同一无性系内各个体的基因型是相同的无性繁殖时，性状表现一致，不会出现分离，故在育种时一般只进行一次单株选择方法。
第二、这部分作物的品种大多是通过有性杂交选出优良个体。在进行无性繁殖而形成的。如进行有性繁殖就会出现各种各样的分离。要通过自交分离纯生，就必须进行多次单株选择。
第三、通过一次有性杂交，再进行无性繁殖，就可保存和同等杂种优势。
第四、长期的无性繁殖，会引起生活力产量的下降。因此，要及时复壮。
第五、无性繁殖作物往往出现芽变。可经单株选择，同无性繁殖法育新品种。

§3 种质资源
§3.1 种质资源的重要性用以培育新品种的原材料，过去称为育种的原始材料。在中国20 世纪 60 年代初改称为品种资源。现代育种所利用的现有品种材料和近缘野生植物，主要是利用其内部的遗传物质或种质，所以现在国际上大都采用种质资源这一名词。在遗传育种领域内，把一切 具有一定种质或基因的生物类型总称为种质资源 (germplasm rmuce) 。包括品种、类型、近缘种和野生种的植株、种子、无性繁殖器宫、花粉甚至单个细胞，只要具有种质并能繁殖的生物体，都能归入种质资源之内。又因为现代的遗传育种研究不但利用现有的种质资源,而且要进行染色体工程、基因工程，所以，遗传学上也常称种质资源为遗传资源 (genetic remurees)。说到底，遗传、育种研究上主要利用的是生物体中的部分基因，甚至是个别基因，所以又称为基因资源 (gene resources)。
种质资源是在漫长的历史过程中,由自然演化和人工创造而形成的一种重要的自然资源,它积累了由于自然和人工引起的极其丰富的遗传变异,即蕴藏着各种性状的遗传基因。是人类用以选育新品种和发展农业生产的物质基础,也是进行生物学研究的重要材料,是极其宝贵的自然财富。
作物育种成效的大小,很大程度上决定于掌握种质资源的数量多少和对其性状表现及遗传规律的研究深浅。世界育种史上,品种培育的突破性进展,往往都是由于找到了具有关键性基因的种质资源。
20 世纪 50 年代,中国由于发现和利用了矮脚南特和矮子蒙古等水稻矮源,从而育成了广场矮、珍珠矮等一批高产、抗倒的矮秆水稻良种。同时,由于低脚乌尖这一水稻矮源的发现与利用,进一步推动了世界范围的“绿色革命”浪潮。低脚乌尖原产于中国台湾及福建,它现在几乎是世界所有国家矮秤水稻品种的祖先。中国台湾省以低脚乌尖为亲本,1960 年育成了TN1( 台湾本地种 1 号 ) 。
国际水稻研究所 (IRRI) 用低脚乌尖与皮泰 (Peta) 杂交,1966 年育成 IR8 。据 IRRI 调查 (1980),继 IR8 之后,36 个国家育成的 370 个新品种,其中矮秆良种占 70%。而矮秆良种中,IR 系统占1/3 。追溯其基因来源,几乎都有低脚乌尖。20 世纪 70 年代由于发现和利用了野败型雄性不育水稻种质,使水稻杂种优势利用的研究获得了突破性的进展,并为以后水稻杂交种的选育和利用奠定了基础。
美国利用日本冬小麦农林 10 号的矮秆基因育成了第一个高产、半矮轩冬小麦品种格恩斯 (GEdn ),于 1965 年创造了高产纪录。国际玉米小麦改良中心 (CILfYT) 利用农 林10 号小麦,通过杂交,将半矮轩与光照不敏感性相结合,从 60 年代起育成了一大批丰 产性能好、适应性广、半矮轩的春性小麦品种,迅速在北非、中东、南亚等地区的一些国家推广。
3.1.1 推翻品种资源的概念用于作物育种、栽培及其它生物学研究的各种植物类型或品种,都称为作物品种资源。
由于在品种资源中主要利用其种质或各种遗传性状,所以品种资源也叫种质资源或遗传资源。在作物育种工作中,实质上只是选择利用各种种质资源中符合育种目标要求的一些遗传类型或个别基因,因而也称基因资源。把蕴藏有形形色色基因资源等各种材料,概称为基因库或基因银行。
3.1.2 品种资源在作物育种工作中的重要性
（一）品种资源是作物育种工作的物质基础
品种资源是在长期自然选择和人工选择过程中形成的,它们携带着各种各样的基因,是品种选育和生物学理论研究不可缺少的基本材料来源。如果没有品种资源,作物育种工作 就成为 " 无米之炊 ' 。
筛选和确定作物育种的原始材料,也是作物育种的基础工作。能否灵活地、恰当地选择育种的原始材料,受作物品种资源工作的广度和深度的制约。
（二）作物育种工作的突破性进展取决子特殊品种资源的挖掘和利用
国内外作物育种工作实践表明,一个特殊品种资源的发现和利用,往往能推动作物育种工作取得举世踞目的成就。
我国50 年代在水稻生产上实现了品种矮秆化,主要是利用了广东省的矮脚南特和广西省的矮仔占等一批矮秤品种资源,使水稻亩产由 200-250 公斤提高到 300-350 公斤以至 500 公斤。
§3.2 作物起源中心学说及其发展
3.2.1 瓦维洛夫的作物起源中心学说
前苏联学者瓦维洛夫于 20 年代提出了作物起源中心学说。该学说认为：
（一） 植物物种在地球上的分布是不平衡的,有的地区具有大量的变种,有的地区只有少数变种。
（二） 所有物种都是由多少不等的遗传类型所组成,它们的起源与一定地区的生态环境相联系。
（三） 凡遗传类型具有多样化,分布比较集中,具有地区特有性状,出现原始栽培种及近缘野生种的地区,可能是某一作物的起源中心。
（四） 遗传上显隐性状可以看作是起源中心的标志,隐性性状则分布在起源中心 。根据作物起源中心学说,瓦维洛夫 把世界作物划为 8 个起源中心：
1、中国中心包括中国的平原和中、西部山区及其毗邻的低地,是世界上最古老,也是最大的栽培作物发源地。荞麦、高梁、大豆等 136 种作物起源于该中心。
2、印度中心包括缅甸和印度东部的阿萨姆,马来亚群岛,菲律宾和印度支那。水稻、甘薯、亚洲棉等 l72 种作物起源于该中心。
3、中亚中心包括印度西北部的旁这普、克什米尔等地,阿富汗和前苏联的塔吉克,乌兹别克及天山的西部。是普通小麦、密穗小麦、圆粒小麦、豆类、向日葵等 42 种作物的起源地。
4,前亚 ( 近东 ) 中心包括土耳其、伊朗的西北部,外高加索全部、土库曼等地。除栽培麦的种类极其丰富外,还有一粒小麦、二粒小麦、苜蓿、三叶草等 841 中作物起源于该中心。
5、地中海中心：包括地中海沿岸的南欧和北非地区。起源于该中心的有 84 种作物,如甜菜,黑麦等,也是小麦、豆类的次生起源地。这里的亚麻、大麦、蚕豆等具有大粒,大果等特性。
6、阿比西尼亚中心：主要是以埃塞俄比亚高原为中心。起源于该中心的有 38 种作物。如小麦、大麦等。其小麦的变种数目占世界首位,也是栽培大麦的形态建成中心。
7、南美和中美中心：玉米、菜豆、甘善、陆地棉等 49 种作物起源于该中心。
8、南美中心：包括秘鲁、厄瓜多尔、玻利维亚、智利、巴西、巴泣圭等。是烟草、马铃薯、木薯、花生、海岛棉等作物的起源申心。
3.2.2 作物起源中心学说对作物品种资源工作的指导意义瓦维洛夫的作物起源中心学说,是植物遗传育种和品种资源工作的理论依据,具有重要的指导意义。根据瓦维洛夫作物起源中心学说,人们为了确定某种作物是否起源于某地,其中的一个判据是,该地区是否有这种作物的原始栽培种及近缘野生种。人们为了搜集到各种类型的品种资源,可以到物起源中心 ( 或遗传多样化中心 ) 去搜集。如美国为解决大豆范囊线虫病问题,就到中国 ( 大豆原始起源中心 ) 来搜集有关的品种资源,最后找到了黑豆品种“北京”,高度抗病,从而解决了大豆泡囊线虫病的危害问题。
§3.3 种质资源工作的内容
3.3.1 作物品种资嚣的类别及利用价值
作物品种资源按其来源分为四类：
3.3.1.1 本地品种资源
本地品种资源包括古老的地方品种 ( 农家品种〉和当地长期推广种植的改良品种。
在这一类品种资源中,地方品种在本地栽培历史长,经过了长期的自然选择和人工选择,对本地区自然条件具有高度的适应性,对当地不利的气候、土壤因素以及病虫害有较高的抵抗能力和忍耐能力,有的还具有一些将殊用途。在遗传上,地方品种具有遗传多样性,其群体多是一些混合体。地方品种的主要用途是作为提供优良基因的载体,在杂交育种中可作为一个亲本加以利用；长期推广种植的改良品种,其产量和品质均优于地方品种,能够适应新的生产条件和先进的农业技术措施,优良性状比较多,可作为系统选择、杂交育种和人工诱变的材料。
3.3.1.2 外地品种资源外地品种资源包括国外或外地区引入的品种资源。外地品种资源分别来自不同的农业生态区域,带着不同地区的风土特点,具有不同的遗传性状,其中有不少性状都是本地品种资源欠缺的。
在利用上,外地品种资源引入本地区后,有的通过观察和试验,直接用于当地生产,有的可以作为育种的原始材料,采用系统育种的方法,培育成新的品种,有的与本地品种资源在一些性状上具有互补性,可将外地品种资源作为杂交育种的一个亲本加以利用。
3.3.1.3 野生植物资源野生植物资源包括栽培种的近缘野生种及其它野生种。
野生种是在自然条件下,经过长期自然选择的产物，野生种具有高度的遗传复杂性,在不同种质之间,具有高度的异质性,还具有一般栽培种所不具备的一些重要性状,如抗逆性、适应性、抗病性及品质。它可为许多作物提供细胞质雄性不育及恢复系统。
3.3.1.4 人工创造的品种资源人工创造的品种资源是指在育种工作中,通过各种方法,如杂交、诱变等,产生的各种突变体、育成品系、基因标记材料、引变的多倍体材料、非整倍体材料、属间或种间杂种等 一切人工创造的品种资源,尽管不具备优良的综合性状,在生产上没有直接利用价值,但可能携带一些特殊性状,是培育新品种或进行有关理论研究的宝贵材料。
3.3.2 作物品种资源的广泛收集、妥善保存、深入研究、积极创新和充分利用
3.3.2.1 广泛收集广泛收集是基础,没有品种资源的收集工作,其它工作就无从谈起。
收集品种资源的途径有三,首先,国家主动组织的大型考查收集。如 我国在 50 年代初1979 年,组织过全国性的农作物品种资源的收集活动；其次,在国内外,省内外发信征集；第三,各育种单位间开展品种资源交流,互通有无。
在田间收集品种资源时,应采取正确的取样策略,即由近及远以尽可能少的样本获得尽可能丰富的遗传性变异。取样地点应尽可能的多,使取祥地点能充分代表该作物或野生种分布地区的环境条件。
收集来的材料,要及时准确地进行记载,记载的主要内容包括材料各称,原产地、征集地点和日期,原产地的自然特点、生产条件和栽培要点,以及主要的特征特性。然后进行整理归类,并登记编号,
3.3.2.2 妥善保存搜集到的品种资源,经整理、归类后,必须妥善保存,使之能维持一定的样本数量,保持各样本的生活力和原有的遗传变异度,以供研究和利用。
妥善保存是品种资源工作的关键,如果保存不妥,就会使费了很大力量收集来的品种资源毁于一旦,深入研究和充分利用也就成为一句空话,品种资源保存的方式,按保存的地理位置分为原地保存和异地保存,原地保存是在原来的生态环境条件下,就地保存,自我繁殖品种资源,一般野生品种资源采用这种方式保存,如建立自然保护区,天然公园等；异地保存是将种子或植株保存于该品种资源原产地以外的地区,这种保存可采用植物园、种质园、种质库等形式或采用试管保存形式。
按照保存的具体方法,品种资源的保存可分为种植保存、电贮藏保存和试管保存。
1,种植保存为了保持品种资源的种子或无性繁殖器官的生活力,并不断补充其数量,品种资源材抖必须每隔一定时间播种一次,即种植保存。
在种植保存时,每种作物或品种类型的种植条件,尽可能与原产地相似,以减少由于生 态条件的改变而引起的变异和自然选择的影响。在种植过程中应尽可能避免或减少天然杂交和人为混杂。播种和收获时取样要有代表性以免因抽样而造成遗传漂移。总之要尽可能地保持原品种或类型的遗传特点和群体结构。此外,对来自自然条件悬殊地区的品种资源,可分现在不同生态地点异地种植保存。
2,贮藏保存对于数量繁多的品种资源,如果年年都要种植保存,不但土地、人力、物力有很大 限制,而且往往由于人为的差错、天然杂交、生态条件的改变和世代交替、取样偏差等原因,引起遗传变异或导致某些材料原有基因丢失。因而,近来各国对于品种资源的保存极为重视。贮藏保存就是用控制贮藏条件 ( 主要是温度和湿度 ) 的方法,来保持品种资源种子的生活力。
长期贮藏保存种子生活力的技术关键是低温和干燥,通过控制种子周围环境中的温湿度,迫使种子处子代谢作用的最低限度。
贮藏保存种质资源采用种质库,种质库分三种：长期库、中期库和短期库。
长期库温度控制在10-20 ℃,相对湿度控制在 30%,入库种子合水量 5-6%，种子存放在真空包装的铝盒中。长期库可保持种子寿命 30-50 年,甚至百年以上。我国在 1985 和 1988 年分别建成了两座国家种质库，其 1986 年建成的二号库温度控制为-18 ℃,设计库容为 40 万份材料,目前已贮入 20 余万份。
中期库温度控制在 0-5 ℃,湿度 45%,入库种子含水量 8-9%,种子放在密闭的铝盒或玻璃容器中。 贮藏在中期库的种子,寿命可达 x-x 年。甘肃省农科院目前有中期种质库,建筑面积 300 平方米,库内实际温度较长期库标准温度偏低。
短期库温度为 15-20 ℃,种子含水量低于 12%,种子容器不严格要求,在短期库中,种子寿命为 2-5 氧。
3,试管保存
3.3.2.3 深入研究收集和保存作物品种资源不仅是为当前国民经济服务,也要为人类未来的生存和发展服务。因此,深入研究作物品种资源是作物育种工作的主要依据,是作物品种资源进一步开发、利用的需要。是农作物品种和资源的研究由一个简单到复杂的研究过程。以前是小规模少数人研究,现在成为全国性大规模的协作攻关。先是作表型研究,主要研究内容是农艺性状、产量、品质和抗性。随后要深入到每个性状遗传规律和遗传物质基础舵研究。
3.3.2.4 积极创新积极创新品种资源是作物品种资源工作的希望。作物品种资源的创新是以深入研究为基础的。通过对品种资源的分类,利用一切最佳的方法为作物育种工作提供新的育种材料。
创新的过程,也是对品种资源预先采取某种育种手段和方法进行转换的过程，种质资源创新包括创造新作物、新类型以及在良好的遗传背景中导入或诱发个别优异基因。种质资源创新的主要途径有远缘杂交、种内杂交及人工诱变等。
3.3.2.5 充分利用对品种资源的充分利用是作物品种资源研究工作的最终目的，深入研究、织极创新是品种资源工作的维续和结果。
品种资源的利用分间接利用和直接利用。对于远缘种属材抖,要通过加工、改造、选择之后,才能用于驯化栽培,用作杂交亲本和诱变材料,从而培育新作物或新品种。对于引进的品种、品系等,在引进后,通过引种试验,如有利用价值,即可在生产上直接利用,往往会收到可观的收益。这种方式从收集到见效,过渡时间短,因而影响较大。

§4 引种和选择育种
§4.1 引种和驯化
4.1.1 引种的概念所谓引种就是从外地或外国引入优良品种或有价值的品种资源，经过试验成功后直接应用于生产，或作为选育新品种的原始材料。
4.1.2 引种的作用和意义
（一）解决当地对品种的需求
（二）扩大良种的种植面积延伸作物种植界限
（三）提高产量改进品质
（四）充实育种资源
4.1.3 引种的理论依据
4.1.3.1作物的生态环境和生态类型
作物的生态环境
作物的生态：是指作物在某一环境条件作用下，生长发育过程中所表现的状态。也就是它所表现的外部形态，内部结构及生物学特性。
生态环境：即作物在生长发育过程中所处的环境。在生态环境中对作物的生长和发育有明显影响和直接为作物所同化的环境因素，就称为生态因素。它包括气候因素、土地因素、生物因素。但是任何一个生态因素都不能单独的对作物起作用。而是相互影响相互制约的，在一定的地段内构成一个不可分割的统一复合体。并对作物起综合作用，生态环境因地而异，也因时而异。在一定的地区范围内具有大致相同的生态环境。我们把作物或品种在一定的生态环境下表现生育正常的反映成为生态适应性。
4.1.3.2 作物生态类型对于某一种作物他所处的生态因素大致相同的地区称之为生态地区（简称生态区）。同一种作物在不同的环境下，其品种的特征特性表现不同，因而可以把其分为不同品种类型。所以说作物生态类型（简称生态型）就是一种作物中在一定的生态地区形成与该地区的生态环境以及生产要求最相适应的品种类型。也就是说每一个生态类型都是同每一个生态区的自然条件、栽培条件及生产要求相适应的，不同的生态条件形成不同的生态类型。
对于同一生态型（或同一生态区）的品种来说它们对光、温的效应生育期的长短，各种抗性的表现都是比较一致的。但不是绝对的。
生态型是在光照、温度、雨量、病害等因素作用下长期形成的。对某一作物来说它是在自然条件下经自然选择和栽培条件下经人工选择而形成的。因此上说，一定生态型的品种，对其分布地区的生态环境和生态条件具有最达的适应性；生态型相似的品种，也具有相近和相似的适应性。
4.1.5 不同作物对温光的反应
（一）不同作物对温度的反应：作物对温度的反应称为感温性。根据作物或品种类型对温度反应的强弱。可分为敏感型和迟钝型两类。有些作物通过春化阶段要求低温。否则会延迟发育过程或不能通过春化阶段。但同一类型作物由于生态类型不同对低温的要求和反应也不一样。如小麦根据其通过春化阶段所需的低温条件和时间长短而分为春性，弱冬性，冬性等不同类型。对低温反应迟钝（感温性弱）的品种类型引种范围较大(如春小麦)。相反，另一些作物通过春化阶段要求较高的温度，否则延缓其发育。因此，引种时必须注意两地的温度条件不能相差太大。
（二）不同作物对光照的反应：作物对光照的反应称为感光性。长日照作物（如小麦、大麦、燕麦等）在长日照条件下发育快。光照时间缩短其发育延迟。而短日照作物则与此相反。还有一些作物对光照的反映不明显，我们称为中间型作物。
4.1.6 引种的规律
4.1.6.1 不同纬度南北相互引种的反应短日照作物的引种：南种北引表现生育延长，抽穗推迟，但植株变高穗增多，粒增大，病虫减少等，因此要引地早熟或对短日照反应迟钝的品种。而北种南引表现早熟往往植株变矮，分蘖减少，穗短粒少，粒小导致减产因此要引种晚熟品种，并增加水肥。一般来说，对于短日照作物由南向北引种如栽培技术适宜引种较易成功，由此向南引种生态型相似的品种也可以成功。
长日照作物南北的引种：南种北引生育期缩短，表现植株矮小，穗短粒少产量低且易受冻害不能安全越冬。而北种南引，往往不能抽穗开花。但春小麦的春化阶段短，要求温度范围较宽，较适应性强，引种的范围广。
中间性的作物引种范围较广，相互引种一般容易获得成功总之，不同作物品种或类型对光照温度的反应不同。反应敏感的引种范围小，反应迟钝的引种范围大。
4.1.6.2 纬度相同的不同地区间引种的反应海拔相同地区间引种：纬度、海拔都相同的地区引种易成功。纬度偏低海拔偏高与纬度偏高海拔偏低的地区间引种也易成功。但也必须注意两地自然栽培条件的相似性。
海拔不同地区间引种：纬度相同而海拔高度不同的地区由于温度、光质的差别，故相互引种会使生育期等发生较大的变化。一般从低海拔地区（平原）向高海拔（山地、高原）引种，由于温度变低紫外线增强，使的作物的生育期延长，植株变矮。
4.1.6.3 我区主要作物引种的地区范围前面我们讲过，生态型相同或相似的品种，具有大致相似的适应性。所以，生态条件（因素）相同的地区，相互引种容易成功。据此，我区主要作物品种引种的方向是：
小麦一般可在津、京、河北、山东,陕北、胶东半岛(以东)引种，我区南部也可引种河北，山东，山西南部，陕西关中，天水，河南中北部的品种。
玉米由于适应性较广，一般异地引种成功的可能性大，我区可在东北各省、北京、河北、山西、陕西等省的部分地区引种。但应注意两地温度条件不能相差太大，纬度跨度也不能太大。要引种短光性弱的早熟品种。
大豆可考虑在东北、河北、山西中北部及陕西等地引种短光性弱的早熟品种。
4.1.7 引种的原则
1、要有明确的目的性
2、要了解被引地区的生态条件，掌握引种规律
3、要坚持引种试验、繁殖推广三步走的原则引入品种的试验：①引进观察：引入的种子量要少（品种数可多一些）试种面积要小。生育期间进行观察鉴定。了解生育期产量性状、抗逆、适应性等，并与当地的当家品种作比较。②进行品种比较试验和多点试验：更进一步了解引入品种的生产力和适应性，确定适宜的推广范围和相产的栽培技术特别突出的（试种时）。也可直接应用。繁殖推广及调种：急需时组织大量调种，但应注意质量做好防杂保纯工作。
4、引种要有组织的进行：①统一组织领导规划下进行；②建立严格引种手续和试验制度；③大量调种前应经上级部门主管批准；④迅速介绍资源。
4.1.8 引种的注意事项
1、加强检疫工作 如线虫,病等
2、进行种子检验
3、引种与选择相结合复习思考题
1、长日照作物和短日照作物在我国南北引种的变化如何？为什么发生变化？应怎样引种？
2、海拔高低对作物引种有什么影响？怎样引种才能成功？
3、引种的原则有那些？为什么要坚持这些原则？
4、应引种应注意哪些事项
§4.2 选择育种利用作物品种的自然变异进行选择育种,是所有作物育种最基本的,简易、快速而有效的途径。这是最早采用的,而现在和将来仍不失其应用价值的育种途径。
4.2.1 作物品种群体中的遗传变异及其利用作物品种在种植或引种过程中,其群体内常会出现遗传变异。如果其中有符合育种需要的基因型,加以选择和试验,则可以省去人工创造变异这样繁重的工作环节,而直接进入育种试验程序。
4.2.1.1 出现自然变异的原因作物品种群体内发生自然变异的原因：
1、自然异交而引起基因重组，作物品种在繁殖推广和引种过程中,不可避免地会发生异交,即使是自花授粉作物,其异交率也有 1%~4%,常异花和异花授粉作物的异交率则更高。一个品种与不同基因型的品种或类型互交后,必然引起基因重组,而出现遗传变异。
2、自然变异，作物品种在繁殖和种植过程中,由于环境条件的作用,如受营养、温度、天然辐射、化学物质等不同因素的影响,都会发生突变 ; 还有由于植株和种子内部的生理和生化过程中的变化而发生自发突变 ; 块茎和块根作物常会发生芽变等。虽然自然突 变率远小于人工诱发的突变率,但是自然突变体有时具有较大的育种利用价值。从不同生态地区引种中时常出现遗传变异。这或者由于原品种纯合程度不高,在新的生态条件下暴露出其中的变异 ; 或者由于生态条件差异较大,较易引起自然突变。只要所发生的变异有价值,就应不失时机地加以选择利用。
3、新育成品种群体中的变异，这多半是由有些品种在其育成时,有的性状并未达到真正的纯合程度,以至在开始推广后仍然出现分离现象 ; 也可能有其他原因引起的变异,其中有价值的变异也应注意研究利用。
4.2.1.2 自然变异在育种上的利用作物品种群体的自然变异,特别是在适应本地区条件的综合性状良好的品种群体中的自然变异 ; 原有地方品种中所蕴藏的大量有利变异,在育种上往往都有较高的利用价值。因为在良好的遗传基础上如出现其某些优良的变异类型,从而进行选育,往往就能很快地育成符合生产发展所需要的新良种。当然,在品种群体中出现了个别的特殊优异的变异,如其综合性状不够理想或其他性状欠佳,也可提供杂交育种所需要的亲本材料。前者可以说是自然变异在育种上的直接利用,后者可以说是其间接利用。
直接利用自然变异,即不需要人工创造新变异而从中进行选择，并通过比较试验的育种途径称为选择育种。选择育种 (breediIIg by selection) 主要是通过个体 ( 单株、单穗、单铃等 ) 选择及其后代试验的育种途径,或称为系统育种〔 line (pedigree)breeding method 〕,即通过选择具有自然变异的个体,可以追溯其系统来源的 ; 对典型的自花授粉作物可称为纯系育种 (pure line breeding) 。国内外在开展作物育种的初期大都通过这种育种途径而取得实效 ; 随着其他育种途径的开拓,依靠这种育种途径所育成和推广的品种数相对地减少,但只要有利的自然变异出现，是应该不失时机地采用这种简易有效的方 法,快速地育成新品种。
4.2.2 性状鉴定与选择性状鉴定是性状选择的依据,选择的效率主要决定于鉴定的手段及其准确性。
4.2.2.1 性状鉴定的方法类别，性状鉴定方法,按所根据的性状、鉴定的条件、场所及手段等,有如下的类别：
1、按所根据的性状可分为直接鉴定和间接鉴定，根据目标性状的直接表现进行鉴定为直接鉴定 (direct evaluation) 。根据与目标性状有高度相关的性状的表现来评定该目标性状时,为间接鉴定 (indirect evaluation)。直接鉴定的结果当然最可靠,但是有些性状的直接鉴定需要较大的样本、或者鉴定条件不容易创造、或者鉴定程序复杂、鉴定费时费工本等,则需要采用间接鉴定以适当代替直接鉴定,而最后结论还是要根据直接鉴定的结果。间接鉴定的性状必须与目标性状有密切而稳定的相关关系或因果关系,而且其鉴定方法、技术必须具备微量、简便、快速、精确的特点,适于对大量育种材料早期进行选择,才有采用的价值。
2、按鉴定的条件可分为自然鉴定与诱发鉴定，对病虫害和环境胁迫因素的抗耐性,如为害因素在试验田地上经常充分出现,则可就地直接鉴定试验材料的抗耐性,这就是自然鉴定 ; 否则就需要人工模拟为害条件,包括病虫的接种,使试验材料能够及时地充分表现其抗耐性,而获得鉴定结果,这就是诱发鉴定 (evaluation by induction) 。对当地关键性的灾害的抗耐性最后还是依靠自然鉴定,但是在人工控制下的诱发鉴定,可以提高选育工作的效率,保证及时进行。在利用诱发鉴定时,必须适当掌握所诱发的危害程度及全部诱发材料所处条件的一致性,危害的时期,以免发生偏差。
3、根据鉴定的场所及手段可分为当地鉴定和异地鉴定(evaluation in afferent lotion)，田间鉴定和实验室鉴定，当一种灾害在当地试验地上常年以相当的程度发生时,则可以在当地鉴定其抗耐性 ; 如果这种灾害在当地年份间或田区间有较大差异,而且在当地又不易或不便人工诱发,则可以将试验材料送到这种灾害常年严重发生地区进行鉴定其抗耐性,这就是异地鉴定。异地鉴定对个别灾害的抗耐性往往是有效的,但不易同时鉴定其他目标性状。对需要在生产条件下才能表现的性状,则应在具有一定代表性的地块上进行鉴定,如生育期、生长习性、株型、产量及其构成因素等,只有田间鉴定才能得到确切 的结果。品质性状以及其他生理生化性状则需要在实验室内,借助于专门的仪器设备,才能得到精确的鉴定。有些性状需要田间鉴定与实验室鉴定结合进行。
在选择育种中,根据条件和需要,采用合适的鉴定方法,或者同时兼用两三种鉴定方法,以提高选择效率。
4.2.2.2 性状鉴定效率与选择效率的提高性状选择的根据是性状鉴定选择效率的提高主要决定于鉴定效率的提高。随着有关科学技术的发展,性状鉴定技术也得到显著的改进。所鉴定的性状不仅只根据其外观的形态表现,而且还要深入测定有关的生理生化指标。除了在当地自然和耕作栽培条件下进行田间鉴定外,还采用经改进和发展的人工模拟和诱发鉴定方法,以保证对病虫害和环境胁迫因素的抗耐性得到及时、全面、深入的鉴 定。对品质性状、生理生化特性等的鉴定,陆续研制测定的仪器和技术,使鉴定和选择效率不断得到提高。
现代化的性状分析测定已向微量或超微量、精确或高精度、快速和自动化的方向发展,并可同时测定许多样本,这使大量的小样本能够得到快速而精确的鉴定,从而就可以相应地提高选择效率,特别是个体选择效率。此外,在田间鉴定中,为了提高鉴定和选择的准确性,要求试验田地的土壤条件和耕作栽培措施均匀一致,使供鉴定和选择的各材料的性状都能在相对相同的条件下得到表现 ; 还需要设置对照 行 ( 区 ) 和重复,以便比较 ; 并减少误差。
4.2.3 纯系学说与纯系育种
4.2.3.1 纯系学说 (pure line thmry),丹麦植物学家约翰逊 (Johamsen,W.L.) 从 1901 年开始,把市场购买来的自花授粉作物菜豆品种按籽粒大小、轻重,进行了连续选择试验,根据试验结果（表4-1）1903 年首次提出纯系学说。其主要论点是,
1、在自花授粉作物原始品种群体中,通过单株选择繁殖,可以分离出一些不同的纯系,表明原始品种为各个纯系的混合群体,通过个体选择从中分离出各种纯系,这样的选择是有效的。
2、在同一纯系内继续选择是无效的因为同一纯系内各个体的基因型是相同的,同一纯系内,受环境因素影响的性状变异,不影响生殖细胞的不能遗传。
纯系学说是自花授粉作物纯系育种法的理论基础。未经异交的自花授粉作物所产生的后代,即为纯合体自交所产生的后代,按理这种后代的个体间也都属于同一基因型的纯合体,在一般情况下不会出现遗传变异,从中进行选择也就不会有什么效果 ; 而且这个学说还强调通过后代鉴定来判断是否属于遗传变异。这样的结论迄今还是基本正确的,不但对于自花授粉作物的纯系育种、常异花授粉作物的系统育种具有指导意义,而且对于异花授粉作物的自交系选育也具有指导意义。至于复杂的性状在自交后代继续出现分离现象,自然突变和自花授粉作物中异交的发生等,不能因此而贬低或否定纯系学说。
4.2.3.2 纯系育种的历史发展与成就在 20 世纪初,约翰逊提出纯系学说之前,虽然已有人在一些作物群体中进行个体选择并测定其后代,也取得了成效,但还没有作出科学的结论。现代的纯系育种法可以说是在约翰逊的纯系学说的基础上,通过其他有关研究而发展起来的。在纯系学说发表以后,Hutchirmn(1914) 报道,对 6 个小麦品种纯系的植株 高度和产量进行了连续 13 年的选择,所得结果无显著差异。 IAve(1918) 也报道,在燕麦纯系内对植株高度继续选择 4 年,也没有什么效果。这些研究结果都证明了,在纯系内选择无效。纯系学说不仅为纯系育种奠定了理论基础,对区分遗传变异和环境变异也提供 了科学的测验方法。纯系育种是通过个体选择和后代鉴定试验而选育新品种的,故又称单株选择 (individual selection) 育种,或称系统育种。这种育种方法不但已广泛用于各种自 花授粉作物,而且也已广泛用于常异花授粉作物以及元性繁殖作物,并都分别取得了成 效,在具体方法上则有所发展。
中国作物新品种的选育工作也是从纯系育种开始的,所育成的品种数在育种工作早期占优势,即使随着多种途径的相继采用,其所占的比例相对减少,而纯系育种仍不失其应用价值。由于纯系育种更便于专业育种与群众育种相结合,我国在纯系育种上更加得到广 眨采用,并取得了突出的成就。如以水稻地方品种都阳早为基础,首先育成的南特号,曾 经成为我国种植面积最大的早稻良种 ; 又从南特号选育出南特 16 号 ; 从南特 16 号中选育出我国第一个矮秤水稻矮脚南特 ; 以后又从矮脚南特中分别选育出一系列适应于不同生态条件和要求的新品种,在生产上发挥了很大作用。此外,从日本引进的晚梗品种农垦 58书,也分别选出一系列晚梗新品种。从意大利引进的小麦品种阿夫中,先后选育出了扬麦 l 号、扬麦 2 号、扬麦 3 号、武麦 1 号、博爱 7023 等十几个品种,大都得到了大面积推广。
在 20 世纪初,约翰逊提出纯系学说之前,虽然已有人在一些作物群体中进行个体选择并测定其后代,也取得了成效,但还没有作出科学的结论。现代的纯系育种法可以说是在约翰逊的纯系学说的基础上,通过其他有关研究而发展起来的。在纯系学说发表以后,Hutchirmn(1914) 报道,对 6 个小麦品种纯系的植株 高度和产量进行了连续 13 年的选择,所得结果无显著差异。 IAve(1918) 也报道,在燕麦纯系内对植株高度继续选择 4 年,也没有什么效果。这些研究结果都证明了,在纯系内选择无效。纯系学说不仅为纯系育种奠定了理论基础,对区分遗传变异和环境变异也提供 了科学的测验方法。纯系育种是通过个体选择和后代鉴定试验而选育新品种的,故又称单株选择 (individual selection) 育种,或称系统育种。这种育种方法不但已广泛用于各种自 花授粉作物,而且也已广泛用于常异花授粉作物以及元性繁殖作物,并都分别取得了成 效,在具体方法上则有所发展。
4.2.4 混合选择与混合选择育种对品种群体中自然变异的选择,除上述个体选择外,另一种选择的基本方法便是混合选择。
4.2.4.1 混合选择与群体改良，个体选择是从群体中分离出独特的基因型,即分离出纯系 ; 混合选择吐 k selection) 则是从群体中选择目标性状基本上相似的个体 ( 单株、单 穗、单铃等 ) 并加以混合繁殖,使群体得到改良。个体选择的效应是通过其后代的表现,而一般混合选择是不能对所选择各个体的后代分别进行后代测验的,所以这种选择也称为表型混合选择 (phenotypic bulk selection) 。个体选择所产生后代基因型趋于纯合,其群体内的各个体的基因型趋于一致,这种趋势在自花授粉作物中表现尤为明显。混合选择所繁殖的后代群体的基因型并不完全一致,自花授粉作物混合选择的后代群体中可能有较大多数个体基因型趋于纯合化,而常异花授粉作物则仍保持一定比例和一定程度的杂结合性。 通过表型混合选择而改良群体,表现在群体中所经选择的目标性状的平均数得到提高,其变异度趋于缩小,即经改良的群体比原始群体的目标性状有所改良并表现较为一致。常异 花授粉作物的群体改良潜力一般大于自花授粉作物,其群体内优良基因型或基因的频率可 得到较明显的增加。
4.2.4 2 混合选择育种的应用价值混合选择育种首先应用于提高和纯化地方品种,因为地方品种群体中往往含有多种多样的基因型,分别表现在成熟期、株型、抗病性、生产性能等方面的性状有所差异,使其生产应用价值受到限制 ; 通过对目标性状的混合选择,使所改良的群体的这些性状达到优化而一致,就可以作为改良品种很快地取代原始品种。早期的地方品种大都采用这种方法加以改良,并取得了成效。对于常异花授粉作物和异花授粉作物,混合选择育种用于驯化从不同生态地区引进的品种比较适用,也适用于改良那些已渗入外来的或不适应的种质资源。
在良种繁育中主要采用混合选择,从最简单的去杂去劣到通过单株选择、分系比较、混合繁殖生产原种,都是混合选择法的应用。
4.2.5 选择育种的程序选择育种是指根据育种目标，从现有品种群体中选择出一定数量的优良个体，然后按每一个体的后代分系种植，再通过多次试验的选优去劣，从而培育出新品种的一系列过程。
4.2.5.1 纯系育种程序：
纯系育种或称系统育种，是通过个体选择、株行试验和品系比较试验到新品种育成一系列过程(图4—1)。纯系育种的基本工作环节如下：
1、优良变异个体的选择 从种植推广品种群体的大田中选择符合育种目标的变异个体，经室内复选；淘汰不良个体，保留优良个体分别脱粒，并记录其特点和编号，以备检测其后代表现。田间选择应在具有相对较多变异类型的大田中进行，选择个体数量的多少应由这些变异类型的真实遗传程度而定。受主基因控制的或不易受环境影响的明显变异其选择数量可从少；而受多基因控制或易受环境影响的性状其选择数量可从多。
2、株行比较试验 将人选的优良个体，分系单本种植，每隔一定数量的株行设置对照品种以便对比。通过田间和室内鉴定，从中选择优良的株系。当系内植株间目标性状表现整齐一致时，即可进入来年的品系比较试验；若系内植株间还有分离，根据情况还可再进行一次个体选择。
3、品系比较试验 当选品系种成小区，并设置重复，提高试验的精确性。试验环境应接近生产大田的条件，保证试验的代表性。品系比较试验要连续进行两年，并根据田间观察评定和室内考种，选出比对照品种优越的品系1-2个参加区域试验。
4、区城试验和生产试验 在不同的自然区域进行区域试验，测定新品种的适应性和稳定性。并在较大范围内进行生产试验，以确定其适宜推广的地区。
5、品种审定与推广 经过上述程序后综合表现优良的新品种，可报请品种审定委员会审定，审定合格并批准后；定名推广。对表现优异的品系，从品系比较试验阶段开始，就应加速繁殖种子，以便及时大面积推广
4.2.5.2 混合选择育种程序混合选择育种，是从原始品种群体中，按育种目标的统一要求，选择一批个体，混合脱粒，所得的种子下季与原始品种的种子成对种植，从而进行比较鉴定，如经混合选择的群体确比原品种优越，就可以取代原品种，作为改良品种加以繁殖和推广(图4-2)。混合选择育种的基本工作环节如下：
1、从原始品种群体中进行混合选择 按性状改良的标准，在田间选择一批各该性状一致的个体，经室内鉴定，淘汰其中的一些不合格的，然后将选留的各株混合脱粒，以供比较试验。
2、比较试验 将上季选留的种子与原品种的种子分别种植于相邻的试验小区中，通过比较试验，证明其确比原品种优越，则将其收获脱粒的种子提供繁殖。
3、繁殖和推广 经混合选择而改良的群体，加以繁殖，以供大面积推广。首先适于原品种推广的地区范围。
4.2.5.3 集团混合选择育种程序集团混合选择 (group bulk Election) 育种是上述的单向混合选择育种的一种变通方法。就是当原始品种群体中有几种基本上尚符合育种要求而分别具有优点的不同类型时,为了鉴定类型间在生产应用上的潜力,则需要按类型分别混合选择脱粒,即分别组成集团,然后各集团之间及其与原始品种之间进行比较试 验,从而选择其中最优的集团进行繁殖,作为一种新品种加以推广 ( 图 4-3)
当这种育种方法应用于异花授粉作物时,在各集团与原品种进行比较试验的同时,各集团应分别隔离留种,在集团内自由授粉,以避免集团间的互交,对当选的集团则以隔离留种的种子进行繁殖。
4.2.5.4 改良混合选择育种改良混合选择 (improved bulk selection) 育种,是通过个体选择和分系鉴定,淘汰一些 伪劣的系统,然后将选留的各系混合脱粒,再通过与原品种的比较试 验,表现确有优越性时,则加以繁殖推广。简言之,改良混合选择育种是通过个体选择及其后代鉴定的 混合选择育种 ( 图 4-4)
改良混合选择法广泛地应用于自花授粉作物和常异花授粉作物良种繁育中的原种生产。在玉米中所用的穗行法、半分法,有些异花授粉作物中的母系选择法与此法类似。

§5 杂交育种
§5.1 杂交育种的意义
5.1.1 概念：指遗传性状不同的种、类型或品种间进行有性杂交产生杂种，继而对杂种加以选择培育，创造新品种的方法。
根据杂交亲本亲缘关系的远近有性杂交育种可分为：品种间杂交和远缘杂交。品种间杂交是指同一种内不同品种（品系）间的杂交。
5.1.2 原理：通过双亲的基因重新组合，使杂种后代综合双亲的优良性状，而且由于来自双亲的不同显性基因相互作用或互补作用的结果，产生不同于双亲的新的优良性状。
1、基因重组 综合双亲的优良性状。
2、基因互作 产生新性状。
3、基因累加 产生超亲性状。
§5.2 亲本选配
5.2.1 杂交亲本选配的重要性
凡是杂交时选作父，母本的育种材料统称为亲本。
亲本选配――根据育种目标选育适当的材料，配置合理的杂交组合，亲本选配正确与否是杂交育种能否有成效的关键。
5.2.2 杂交亲本选配的原则
5.2.2.1 亲本应是优点多，优良性状突出，缺点少，且双亲主要性状的优缺点互补；
5.2.2.2 亲本中要有一个能适应当地条件的品种；
5.2.2.3 选用生态类型差异大，亲缘关系较远的材料做亲本；
5.2.2.4 选用遗传传递力强，且配合力好的品种（材料）做亲本。
§5.3 杂交方式
1.单交：就是用两个亲本材料进行一次杂交。
特点：①简便易行，省时省工；②F1代表现整齐一致。
应用：①在双亲的优缺点能够互补、性状总体基本符合育种目标时采用：②一般以综合性状好，对当地条件适应性较强的品种作亲本。
2.复交：采用两个以上亲本进行的杂交，又称复交。
三交：两个亲本单交后再与另一个亲本杂交。
注意：三交时一般要求把综合性状最好的亲本（农艺亲本）放在最后（第二次）进行杂交。目的是为了使其他遗传基础占杂种后代遗传组成的一半。假设某农艺亲本（晚熟、不抗病）。那么就应配成：（早熟×抗病）F1×农艺亲本（即丰产亲本）
双交：两个单交后代再行杂交的方式。
三品种双交：是把一个基本亲本品种先分别同其他两个亲本配成单交，然后两个单交再进行杂交。
三品种双交与三交相比，其优点是可以提早一年进行选择，故常用双交。
四品种双交：是选用四个亲本成两组先进行单交，再后将杂交后代进行杂交。
注意：在四品种双交时也应选用综合性较好的材料作亲本，而且对需要改进的主要性状（如抗病性，早熟性等）。也应有两个亲本具有这一性状。
总之：符合杂交的特点是：①可以综合多个亲本的优良性状；②变异类型多、利于选择优良类型；③获得定型品系的时间长；④F1、F2的群体要大费时费工。
回交：是两个品种杂交后，杂交后代再和两个亲本之一进行重复杂交。
轮回亲本：用作重复杂交的亲本品种叫轮回亲本。（农大183 ）
非轮回亲本：只参加一次杂交的亲本品种叫非轮回亲本。（伊利亚能）
这种方法常用于改良某一良种的个别缺点或改良转移某一性状时采用的。
在回交育种时、因注意一下几点；
1、轮回亲本必须是综合性状良好，仅有个别缺点，改良后的有推广前途的品种，非轮回亲本要有突出的目标性状、且传递力强。
2、在回交过程中，一定要选择具有目标性状且其他性状倾向轮回亲本的单株进行回交。
3、目标性状为显性或隐性时的不同回交方法。
聚合杂交：把多个亲本基因综合在一起，使杂种后代具有丰富的遗传基础。
（一）假定A，B，C，D，E，F，G，H为品种代号。要是各个亲本的优良性状在杂种后代的遗传成分相同，则：
第一年：A×B C×D E×F G×H
第二年：（A×B）F1 ×（C×D）F1
（E×F）F1 ×（G×H）F1
第三年：［（A×B） ×（C×D）］F1×
［（E×F） ×（G×H）］F1
（二）以某一亲本为基础，使在杂种后代中基础亲本的遗传成分占1/2：
第一年：A×B A×C A×D A×E
A×F A×G A×H A×I
第二年：（A×B） F1 ×（A×C） F1（A×D） F1×A×E） F1（A×F） F1 ×（A×G） F1（A×H） F1 ×（A×I） F1
第三年：［（A×B）×（A×C）］ F1×［（A×D）×（A×E）］ F1［（A×F） ×（A×G）］ F1×［（A×H）×（A×I）］ F1
（三）采用不完全回交相结合的聚合杂交，
杂交中基础亲本的遗传成分占3/4，保持其综合优良性状：
第一、二年：基础亲本分别与各亲本单交,A×B A×C A×D A×E ……，再分别进行回交（A×B）×A （A×C） ×A （ A×D ） ×A （ A×E） ×A……
第三年：两个回交一代间复交,［（A×B）×A］ B1 ×［（A×C） ×A］ B1 （［ A×D ） ×A］B1 ×［（ A×E） ×A］ B1 ……
§5.4 杂交后代的处理
1.系谱法：
即多次单株选择法，是自花授粉作物和常异花授粉作物杂交育种中最常用的方法。杂交后先按组合进行种植，从杂种第一次分离世代（单交F2，复交F1）开始选株，并分别种植成株行，每个株行成为一个系统（株系）。以后各世代都在优良系统总继续选择优良单株，直至选到整齐一致的优良系统，便不在选株。进而进行鉴定、品比试验，最后育成品种的方法。
2.混合法：
混合选择法，就是在自花授粉作物杂种分离世代，按组合混合种植，不进行选株，只淘汰杂株、劣株，直到估计杂种的遗传性状已趋于稳定，纯合个体达80%的世代（约在F5—F6），才选择一次单株，下一代种成株系，选择表现优异，性状稳定的系统，进行品系试验。
3.派生法：
为了利用系谱法和混合法的优点，克服其缺点，在这两个方法的基础上，派生出许多处理杂种后代的方法。主要有：
派生系统法：
概念：就是采取早代（单交F2，复交F1）和晚代（F5或F6）各进行一次单株选择，中间世代（F3—F4）进行混合条播的方法。
方法：F2按组合点播稀植，从中选择一定数量的优良单株，F3每个单株条播成为一个株系，经过产量和品质比较鉴定，淘汰不良株系，在优良株系中去劣后混合收获。下年分别按派生系统（混合群体）混合条播，如此连续处理两三代，各代根据产量测定结果，淘汰不良的派生系统，到少数入选系统遗传性状稳定之后（F5或F6），再按系统进行一次优良单株的选择，单株后代进行比较，将肯定的新品系进行产量试验，选出新品种。
特点：可以在较早世代针对遗传力较强、可靠性较大的性状进行选择单株，掌握优良材料，又可减少因早代多次单株选择的工作量，和过于严格选择而丢掉一些优良材料的弱点，能够保留多样化类型和高产材料，同时可以减轻在混合选择过程中群体在自然选择作用下某些性状被削弱的程度，且可根据早代测产结果，集中精力在有希望的系统中，提高选择效果，比混合选择法缩短育种年限。
“一粒传”混合法：
概念：一般从F2开始，各世代在淘汰属于简单遗传的不良性状的基础上，按组合自每株采收几粒甚至一粒种子，混合繁殖，直到F5或F6，在变异丰富的F5或F6群体中，选择大量基本达到纯合的单株，于下年种成株系，以后选拔少数优系进行长岭试验。
特点：尽量保持组合内的株间变异量，保留群体的丰富遗传性。
集团混合法：
概念：在F2选株，每组合按类型分为若干个集团，后继时代按集团混合播种。至性状基本稳定以后从各集团中选株，以后进行株系试验和产量试验。
特点：具有混合法的保持丰富的变异性和保留多样化类型的优点，而又减少了混合法的不同类型的互相干扰的缺点。
§5.5 杂交育种程序
1.原始材料圃概念：种植国内外收集到的供育种用的种质资源的地段称原始材料圃。
方法：可按类型种植，采用点播或稀条播。
工作内容：生育期间对主要性状要进行比较系统的观察记载，并根据育种目标的要求，从众多原始材料中选择所需性状的种质供做亲本用。
2.亲本圃概念：从原始材料圃中选出符合育种目标要求的若干做杂交亲本的材料种于亲本圃，以备杂交。
方法：用于杂交的亲本材料按组合父母本相邻种植。如果一个品种与多个品种配制组合，可相近种植。若组合很多，而土地和其它条件限制，不能将全部亲本材料种于亲本圃时，应将全部母本和重点父本播种于亲本圃内，其它父本可在杂交时到原始材料圃中去采集花粉。
3.杂种圃概念：种植杂种的各个世代，直至当选株系的基因型趋于纯合。
（1）杂种一代（F1）杂交得到的种子种下去长出来的植株就是杂种一代。播种时，按组合编号顺序点播稀植，每个组合的杂交种子种成一个小区，单交组合要求10—20株，复交组合要求100~200株，并在杂交组合小区相邻处种植亲本，用以比较判断真假杂种。
（2）杂种二代（F2）F2是性状分离最多的一个世代，个体间差异很大，具有多种多样的变异类型，是杂交育种选择优良单株最关键的一代。因此，按组合种植的F2群体不宜太小，以便使优良变异出现的机会增多。
对F2的选择，首先是确定好的组合，然后在好的组合内选择优良单株。
株系选择圃（选种圃）
选种圃的工作重点是对经一次或多次选择的单株进行株行试验，从中选出优良而稳定的品系。
杂种三代（F3）及其后的世代 从F3开始，按单株分别种成株系。并在以后继续分离的几个世代中，在选择优良株系的基础上选择优良单株。
4.鉴定圃品系鉴定圃：是以较大的小区种植面积，鉴定品系的生产能力和适应性。
5.品种（系）比较试验圃品种比较试验：是育种单位在一系列育种工作中最后的一个重要环节。其任务是对品系鉴定试验选出的优良品系进行最后的筛选和全面评价，从中确定显著优于当地主要推广品种的新品系。
6.区域试验和生产试验区域试验：是对各单位选送的品种在不同的地区或不同条件下进行鉴定，以便客观地鉴定新品种（系）的主要特征特性，对有推广价值的优良品种（系）划定最适宜的推广区域，为品种布局区域化提供依据。
生产试验：将区域试验中选出的最有希望的新品种（系）放在各地接近大田生产的条件下进行大面积试验比较和鉴定，称生产试验。
品种审定,
§5.6 加速育种进程的方法杂交育种由于基因重组导致杂种后代性状分离，要使分离的性状很快稳定下来，必须加速育种进程。
加速世代进程概念：
就是改变一年一代的传统，在一年内种植若干代以加速杂交世代的进程。
方法：
1、异地加代和异季加代：北种南繁，南种北育；
2、利用温室和人工气候室加代。
加速试验进程早期测产；
提早升级；
越级试验；
多项试验并进提高繁殖系数提高繁殖系数：提高繁殖系数最常用的是精量播种法，即用极少量的种子在一次种植中获得大量种子：
加大行株距；
稀植均匀点播；
利用分蘖或蔓、茎扦插；
复习思考题杂交亲本选配的原则是什么？
杂交育种各程序环节的工作重点有那些？
试比较系谱法、混合选择法和派生系统法的优缺点 。
试述庆阳市小麦的育种目标。
远缘杂交都有那些作用？
§6 杂种优势的利用
§6.1 杂种优势利用的简史与现状杂种优势 (heterosis) 是生物界的一种普遍现象,是指两个性状不同的亲本杂交产生的杂种F1,在生长势、生活力、繁殖力、适应性以及产量、品质等性状方面超过其双亲的现象。
中国早在 1400 多年前,后魏贾思艇、著的《齐民要术》中就记载了马和驴杂交产生骤的事实,为人类历史上开辟了观察和利用杂种优势的先例,1637 年出版的《天工开物》中也记载了蚕的杂交事例。
欧洲在产业革命之后,开始了作物杂种优势利用的研究。如法国学者 kdmuter,在 1761-1766 年育成了早熟优良的烟草种间杂种,并提出种植烟草杂交种的建议。 Mendel (1865) 通过豌豆杂交试验,也观察到杂种优势现象,并首先提出了杂种活力 (hybridvigor) 这个术语。 Darwin (1877) 观察并测量了玉米等作物的杂种优势现象后,提出了异花授粉有利和自花授粉有害的观点。其后,许多学者对玉米做了一系列研究,终于导致玉米成为生产中大规模利用杂种优势的第一个代表性作物。beal 大约在 1876 年开始进行玉米品种间杂交研究。 Morrow 和 Gardner(1893) 制定了生产杂交种子的程序,Richey (1922) 进行了大量的品种间杂交种的产量比较试验。他们的研究一致，肯定了玉米品种间杂交种的优势。shamel(1898-1902),shull(1905-1909),East (1908) 和 (blurlS(1910) 等先后进行了玉米自交系选育与杂种优势的研究。 Shull 并首次提出了“杂种优势”这一术语和选育单交种的基本程序,从遗传理论上和育种模式上为玉米自交系间的杂种优势利用奠定了基础。
但因当时的自交系产量低,生产商品杂交种子成本高,致使玉米单交种未能投入生产。到 1918 年 Jones 提出了利用双交种的建议,才使玉米自交系间杂种优势的利用实际可行。在本世纪 20 年代中后期,美国开始创建了一批以生产玉米商品杂交种子为主的科技行业——种子公司,使玉米杂交种得以迅速推广。统计资料表明,1934 年美国玉米杂交种只占玉米种植面积的 0.40%; 到 1944 年玉米杂交种面积已占 56%,在美国玉米带各州所占面积已达 90%; 到 1956 年全美已普及了玉米杂交种。在 1960 年以前,生产上种植的主要是双交种和一部分三交种与品种群体。由于自交系水平的提高,1963 年后开始推广玉米单交种,迄今为止,生产上种植的主要是单交种,还有小部分三交种和品种群体。
中国对玉米杂种优势的研究,始于 20 世纪 30 年代,但因连年内战外患,获得有限的育种成果也未能在生产上推广利用。直到 50 年代,才推广品种间杂交种,60 年代推广双交种,70 年代推广单交种。统计资料表明,1987 年全国种植的玉米杂交种已占玉米总面积的 80% 以上。中国杂交高梁的研究始于 20 世纪 50 年代后期,到 60 年代后期,育成并推广了一批高粱杂交种,现在高粱杂交种也已普及,约占高粱总面积的 70% 。中国杂交水稻的研究始于 1964 年,70 年代前期完成了型和梗型水稻三系配套,70 年代中期开始推广种植杂交水稻,到 1990 年杂交水稻种植面积达 1600 万平方hm,占全国水稻面积的 50%。中国杂交水稻的大面积推广,开创了自花授粉作物杂种优势利用的先例,处于国际领先地位。
杂交小麦的研究始于 1965 年,现已选育出一批强优势组合,正在进行区域试种。油菜杂种优势的研究始于 60 年代中期,经过 20 多年的研究,已育成秦油 2 号、华杂 2 号等几个杂交组合,正在进行示范推广,据初步统计,1990 年秋播杂交油菜面积已超过 40 万平方km,在国际上处于领先地位。中国的棉花杂种优势利用,也进行了大量的研究,但尚未取得重大进展,四川省利用核不育系配制的棉花杂交种,已在生产中利用,每年的推广面积占该省棉田的 25%~30%。
目前世界上已经利用和即将利用杂种优势的植物有：大田作物——玉米、水稻、高梁、黑麦、向日葵、棉花、烟草、小麦、大麦、燕麦、谷子、珍珠粟、大豆、油菜、甜菜以及苜蓿等牧草。
蔬菜作物——甜玉米、番茄、洋葱、茄子、黄瓜、西葫芦、西瓜、笋瓜、南瓜、甘蓝、花椰菜、白菜、萝卜、胡萝卜、菠菜、石刁柏、莴苣、辣椒、葱、芹菜、食荚菜豆、菜豆、豌豆、马铃薯。
还有椰子等果树植物,桉树等林木植物以及秋海棠等观赏植物。利用杂种优势可大幅度提高作物产量和改良作物品质,具有巨大的社会效益和经济效益,是现代农业科学技术的突出成就之一。随着研究的不断深入,预期会取得更大的进 展。
§6.2 杂种优势的概念与表现
6.2.1 杂种优势的概念与度量
在比较研究了杂种与其亲本的表型性状之后,Mende1(1865) 和 Shull(1908) 分别提出了杂种活力和杂种优势这些术语,用来概括杂种活力的提高是由于双亲配子的结合所产生的遗传成分的不相同性的刺激作用的结果。前者着重在杂种优势表型的概括,后者则着重杂种优势遗传基础的概括。发展到现在,两者的区别已经模糊了。大多数的遗传育种工作者都把杂种活力和杂种优势看成同义语,而更多地采用杂种优势这一术语。
杂种优势是指杂交种品种 F1表现出的某些性状或综合性状对其亲本品种 ( 系 )的优越性。杂种优势的表现是多方面的,从作物育种学的观点出发,主要是指以产量性状为主的育种目标性状方面,杂交种品种具有明显的优越性,超过其亲本的相应性状。例如在营养生长方面表现出苗势旺、植株生长势强、枝叶繁茂、营养体增大、持绿期延长; 在生殖生长方面表现出结实器官增大,结实性增强,果实与籽粒产量提高 ; 在品质性状方面表现出某些有效成分含量提高、熟期一致、产品外观品质和整齐度提高 ; 在生理功能方面表现出适应性增强,抗病虫性增强、对不良环境条件耐力增强、光合能力提高和有效光合期延长等。杂种优势的上述各种表现,既有区别,又是互相联系的。当利用杂种优势时,可以偏重某一方面。例如,蔬菜作物,以利用营养体的产量优势为主,粮食作物则以利用籽粒产量优势为主,但同时也不能忽视它们在品质方面和生理功能方面的优势表现。
为了便于研究和利用杂种优势,通常采用下列方法度量杂种优势的强弱。
1,中亲优势 (mid-parent heterosis)指杂交种 (F1) 的产量或某一数量性状的平均值与双亲 (P1与 P2) 同一性状平均值差数的比率。计算公式为,
中亲优势 =［ F1 －(P1+P2)］/2/ (P1+P2)/2 × 100%
2、超亲优势 (over-parent hetemsis) 指杂交种 (F1) 的产量或某一数量性状的平均值与高值亲本 (HP) 同一性状平均值差数的比率。计算公式为,
超亲优势 = （F1 － HP）/ HP × 100%
有些性状在 F1可能表现出超低值亲本 (LP) 的现象,如这些性状也是杂种优势育种的目标时,可称为负向的超亲优势。计算公式为,
负向超亲优势 =（F1 － LP）/LP × 100%
3,超标优势 (over-standard heterosis) 指杂交种 (F1) 的产量或某一数量性状的平均值与当地推广品种 (CK) 同一性状的平均值差数的比率。也有称为竞争优势的。计算公式为,
超标优势 = （F1－CK）/ CK × 100%
4,杂种优势指数 (index of heterosis) 是杂交种某一数量性状的平均值与双亲同一性状的平均值的比值,也用百分率表示。计算公式如下,
杂种优势指数=F1 / (P1+P2)/2×100%
经过上述公式计算后,可将杂种优势归纳为四类,当 F1 值大于HP值时,称为超亲优势 ; 当 F1值小于HP 值而大于双亲平均值 (MR) 时,称为中亲优势或部分优势 ; 当 F1 值小于MP 值而大于LP 值时,称为负向中亲优势或负向部分优势 ; 当 F1值小于LP值时,称为负向超亲优势或负向完全优势。
6.2.2 杂种优势表现的特点杂种优势是生物界的普遍现象,凡是能进行正常有性繁殖的动植物,都能见到这种现象。但杂种优势因受双亲基因互作和与环境条件作用的影响,它们的表现是复杂的,也是有条件的。概括起来有如下特点。
1、复杂多样性，杂种优势的表现因组合不同、性状不同、环境条件不同而呈现复杂多样性。从基因型看,自交系之间的杂种优势往往强于自由授粉品种间的杂种优势 ; 不同自交系组合间的杂种优势,也有很大差异。从性状看也是不一致的,在一些综合性状上往往表现出较强杂种优势 ; 在一些单一性状上,杂种优势相对较低。（表 6-1）
杂种一代的品质性状表现更为复杂,不同性状和不同组合都有较大的差异。如玉米籽粒的淀粉含量和油分含量,绝大多数杂交组合都表现不同程度的杂种优势。玉米籽粒的蛋白质含量则相反,绝大多数杂交组合都表现不同程度的负向优势,甚至低于低值亲本。而玉米籽粒中赖氨酸含量的变幅更大、多数杂交组合呈中间性,接近中亲值。但同时出现少数超高值亲本和超低值亲本的杂交组合 （表 6-2）,据 Sernyk 和 Stefansson(1983) 的研究，玉米品质性状的杂种优势。
2、杂种优势强弱和亲本性状的差异及纯度密切相关，在自然条件下杂交亲和的范围内,双亲的亲缘关系、生态类型、地理距离和性状上差异较大的,某些性状上能互补的,其杂种优势往往较强 ; 反之,则较弱。例如,同一生态类型的高粱品种之间的杂交种和同一生态类型的玉米地方品种之间的杂交种,其杂种优势都不强。而不同生态型的品种 间的杂交高粱以及大多数中国玉米品种（自交系）与美国玉米品种（自交系 ）之间的杂交种都表现较强的杂种优势。双亲性状之间的互补对杂种优势表现影响也很明显。例如穗长而籽粒行数较少的玉米自交系和穗粗而籽粒行数较多的玉米自交系杂交的 F1,常表现出大穗、多行和多籽粒的优势。
在双亲的亲缘关系和性状有一定差异的前提下,基因型的纯度愈高,则杂种优势愈强,因为纯度高的亲本,产生的配子都是同质的,杂交后的 F1是高度一致的杂合基因型,每一个体都能表现较强的杂种优势,而群体又是整齐一致的。如果双亲的纯度不高,基因型是杂合的,势必发生分离,产生多种基因型的配子,其F1必然是多种杂合基因型的混合群体,无论杂种优势和植株整齐度都会降低。如玉米品种间杂交种的杂种优势明显地低于自交系间杂交种。即使同一杂交组合,用纯度高的亲本配制的 F1 其优势也明显地高于用纯度低的亲本配制的 F1。因此,异花授粉作物和常异花授粉作物利用杂种优势时,要首先选育自交系和纯合的品种,在亲本繁殖和制种时,必须采取严格的隔离保纯措施。
3、F1及以后世代杂种优势的衰退 (depression of heterosis) F1群体基因型的高度杂合性和表现型的整齐一致性是构成强杂种优势的基本条件。 F2由于基因分离,会产生多种基因型的个体,其中,既有杂合基因型个体,也有纯合基因型个体,个体间性状发生分离,以一对等位基因为例,P1(aa) × P2(AA) → F1(Aa),F1全部个体的基因型都是 Aa,杂种优势强而且整齐一致。 F2的基因型分离为三种,1/4AA:1/2Aa:1/4 aa,纯合基因型和杂合基因型各占一半,只有杂合基因型个体表现杂种优势,另一半纯合基因型个体的性状趋向双亲,不表现杂种优势。因此,F2群体的杂种优势和整齐度比 F1明显下降,生产上一般只利用F1的杂种优势,F2不宜继续利用。如果 F1的基因型具有两对杂合位 点 AaBb,则 F2具有 9 种基因型,其中有 4 种纯合基因型 AABB,aaBB,AAbb 和 aabb,各占 1/16,即共有 1/4 的双纯合体。其余的基因型均为杂合体,其中双杂合体占 1/4,单杂合体占 2/4 。由此可见,F1基因型的杂合位点越多,则 F2群体中的纯合体越少,杂种优势的下降就较缓和。
F2以后世代杂种优势的变化,则因作物授粉方式而有区别,一般异花授粉作物,F2群体内自由授粉,如不经过选择和不发生遗传漂移,其基因和基因型频率不变,则 F3 基本保持 F2 的优势水平。但如进行自交,或是自花授粉作物,则后代基因型中的纯合体将 逐代增加,杂合体将逐代减少,杂种优势将随自交代数的增加而不断下降,直到分离出许多纯合体为止。
§6.3 杂种优势的遗传基础自 20 世纪 30 年代初开始推广玉米杂交种以来,杂种优势利用已扩大到许多作物,成为当今获得农作物大面积增产的重要遗传手段之一。但关于杂种优势的遗传理论解释,并未取得重大进展,仍基本停留在 20 世纪初提出的假说水平。因间与非等位基间复杂的互作效应。对下列现象和育种方法如双亲亲缘关系的远近和杂种优势的强弱有相关性 ; 一些亲本自交系的产量和单交种的产量没有相关性 ; 特殊配合力轮回选择法,自交衰退以及杂种一代优势难以固定等现象,也做出了较好的解释。
6.3.1 显性假说
显性假说(dominancehypothesis)是1910年由Bruce提出的，受到了Jones等的支持。 这一假说的基本论点是：杂种F1集中了控制双亲有利性状的显性基因，每个基因都能产生完全显性或部分显性效应，由于双亲显性基因的互补作用，从而产生杂种优势。如两个具有不同基因型的亲本自交系杂交AABBccddXaabbCCDD，其P1的基因型为AaBbCcDd，假设纯合的等位基因A对某一数量性状的贡献为12，B的贡献为10，C的贡献为8，D的贡献为6，相应的隐性等位基因的贡献分别为6、5、4、3，则亲本AABBcedd的该性状值为12+10+4+3=29，另一亲本aabbCCDD的值为6+5+8+6=25，F1该性状的表现，要根据基因的效应而定。如果没有显性效应，则杂合的等位基因Aa、Bb、Cc、Dd的贡献值都等于相应的等位显性基因和隐性基因的平均值，即F1：AaBbccDd=1/2(12+6+10+5+8+4+6+3)=27，恰恰是双亲的平均值，没有杂种优势。如果具有部分显性效应，则F1性状的值大于中亲值偏向高值亲本，表现出部分杂种优势，即AaBbCcDd>1／2(12+6+10+5+8+4+6+3)，即>27。如果具有完全显性效应时，则Aa=AA=12，Bb=BB=10，Cc=CC=8，Dd=DD=6，因此，杂种F1AaBbccDd=12+10+8+6=36，由于双亲的显性基因的互补作用而表现出超亲杂种优势。
6.3.2 超显性假说
超显性假说(overdominancehypothesis)是1908年Shull提出的，受到了East和Hull等的支持。这一假说的基本论点是：杂合等位基因的互作胜过纯合等位基因的作用，杂种优势是由双亲杂交的F1的异质性引起的，即由杂合性的等位基因间互作引起的。按照这一假说，杂合等位基因的贡献可能大于纯合显性基因和纯合隐性基因的贡献，即Aa>AA或aa，Bb>BB或bb，所以称为超显性假说，又称等位基因异质结合假说(hypothesisofallelicheterozygosity)。这一假说认为杂合等位基因之间以及非等位基因之间，是复杂的互作关系，而不是显、隐性关系。由于这种复杂的互作效应，才可能超过纯合基因型的效应。这种效应可能是由于等位基因各有本身的功能，分别控制不同的酶和不同的代谢过程，产生不同的产物，从而使杂合体同时产生双亲的功能。
6.3.3 对两种假说的评论
显性假说和超显性假说都有大量的实验依据，都在一定程度上解释了杂种优势产生的原理。
显性假说部分地解释了各类作物杂种优势的强弱，在一定程度上受有利显性基因的互补效应，即显性基因的加性效应所决定，对主要利用有利基因加性效应的一些育种方法。
超显性假说也在一定程度上解释了各类作物杂种优势的强弱，取决于等位基。
两种假说的共同点是都承认杂种优势的产生是来源于杂交种 F1 等位基因和非等位基因间的互作；都认为互作效应的大小和方向是不相同的,从而表现出正向或负向的中亲优势或超亲优势。但认为基因互作的方式是不同的。
显性假说认为杂合的等位基因间是显隐性关系,非等位基因间也是显性基因的互补或累加关系,就一对杂合等位基因讲,只能表现出完全显性和部分显性效应,而不能出现超亲优势,超亲优势只能由双亲显性基因的累加效应而产生。
超显性假说则认为杂合性本身就是产生杂种优势的原因,一对杂合性的等位基因,不是显隐性关系,而是各自产生效应并互作,因此,也可能产生超亲优势。如果再考虑到非等位基因间的互作,即上位性效应。当然,出现超亲优势的可能性就更大了。 由此可见,两种假说是互相补充的,而不是对立的,等位基因间和非等位基因间的互作效应。
两种假说都忽视了细胞质基因和核质互作对杂种优势的作用。而叶绿体遗传、细胞质雄性不育性遗传以及某些性状表现的正反交差异等事例,都证实了细胞质和核质互作的效应,显然是两种假说的不足之处。
§6.4 自交系的选育与改良
为了充分发挥杂交种的优势,制种所用的亲本必须是高度纯合的。但异花授粉作物的品种,实际上是一个杂合群体,遗传基础较复杂 ; 同时在品种群体中,隐性基因常被显性基因所掩盖,其不良性状不易显现。通过人工自交,不仅可使基因型纯合,而且使性状发 生分离,经过严格选择,可使优良性状得到积累和加强。自交系就是经过多年、多代连续的人工强制自交和单株选择所形成的、基因型纯合的、性状整齐一致的自交后代,它主要为杂交制种提供亲本。
6.4.1 自交系的选育选育自交系是异花授粉作物和常异花授粉作物利用杂种优势的第一步工作。
1,对自交系的基本要求：自交系 (inbred line) 是杂交种的亲本,一般不直接用于生产,而只在生产商品杂交种时使用。对自交系的基本要求如下,
1,1 基因型纯合,表型整齐一致 经过多代自交和严格选择,使基因型达到符合育要求的纯合程度。系内植株的表型,如株型、叶销和叶片色泽、穗形、粒形和色泽等均齐一致,表现本系的特征特性。并能经过自交系内姊妹交或系内混合授粉把本系的特征特性稳定地传递给下代。
1.2 具有较高的一般配合力 自交系的一般配合力高,才能组配成强优势的杂交种，一般配合力受加性遗传效应控制,是可遗传的特性。一般配合力高,表明自交系具有较好的有利基因位点,是产生强优势杂交种的遗传基础。
1.3 具有优良的农艺性状 自交系农艺性状的优劣可以直接影响杂交种的相应性状。 优良的农艺性状是指适合育种目标要求的多种性状,包括植株性状,如植株高度、株型、生长势强弱和叶片持绿性等 ; 产量性状,如穗大小、籽粒数和粒重等以及抗病性和抗倒性等。作为杂交的亲本,还要考虑影响繁殖制种的一些性状,要求自交系的花粉量较大,散粉畅,雌雄花期协调、结实性好,产量较高。这样才易于繁殖制种,降低商品杂交种子的成本。
2,自交系的选育方法
2,1 选育自交系的原始材料 选育自交系的原始材料多种多样,主要有三大类,一类是地方品种和推广品种 ; 一类是各类杂交种 ; 第三类是综合品种或人工合成群体。
地方品种的地区适应性强,还有一些优良的性状,如品质好或对某种病害的抗性,可以从中选育出对当地适应性强和品质好的自交系 ; 但地方品种往往产量不高。玉米的大多数地方品种还有不适应人工自交、自交衰退严重的现象,较难选育出农艺性状好和高产的自交系。
推广品种是经过育种改良的优良品种,具有较高的生产力和优良的农艺性状,可以从中选育出农艺性状好和一般配合力较高的自交系。从上述品种群体和品种间杂交种中选育出的自交系,通称为一环系 (first cycle line) 。
还可从自交系间杂交种中选育自交系。优良的单交种和三交种是选育自交系的良好原始材料,因为它们集中了较多的有利基因位点,具有良好的基因型,而且遗传基础比较简单,所以分离出优良自交系的机率较高。双交种和多系杂交种的遗传基础则比前二者复杂,自交后的性状分离和变异较大,也可选育出优良的自交 系,但机率则低一些,工作量也相应大一些。从自交系间杂交种中选育的自交系,称为二环 系 (second cycle lir ) 。二环系用的基本材料虽然是杂交种,但其亲本的遗传性较纯 ; 而且又结合了亲本自交系的优点,所以育成理想自交系的机会比一环系多。
综合品种和人工合成群体是为不同的育种目的而专门组配的。其基本特点是遗传基础复杂、遗传变异广泛,能适应较长期的育种要求。
但利用这类遗传基础复杂的群体筛选自交系,首先要求群体进行多代的自由授粉,打破基因连锁,达到充分重组和遗传平衡 ; 其次,要求进行大量的单株选择。因此,育种需要较长的时间和较大的工作量。
2,2自交系的选育方法 在自交系的选育过程中,始终要按照:农艺性状优良、一般配合力高和遗传纯合三点基本要求进行选择。从各种原始材料中选育自交系的主要方法,是经过连续多代套袋自交，结合农艺性状选择和配合力测定。即采用系谱法和配合力测交试验相结合的方法,选育过程中形成系谱,最终育成符合要求的自交系。
(1) 人工套袋自交技术无论异花授粉作物或常异花授粉作物,在选育自交系时,都要进行人工套袋自交。人工套袋自交的基本方法是,在开花散粉之前,用适合花序大小的硫酸纳纸袋 ( 或羊皮纸袋 ),把当选植株的花序套上,起隔离保护作用,防止异品种 ( 系 ) 花粉干扰。如属雌雄异花的作物,应将雌花序与雄花序分别套袋隔离,套袋后的第 2 或第3d 散粉时,收集套袋雄花序的花粉授与同株套袋雌花序的柱头上,再迅速套袋隔离,系上标签,注明区号或品种名称、自交符号与授粉日期,即完成了自交过程。
(2) 对自交系农艺性状的选择 自交系性状发生分离的早代和中代 (S1~S4),要注意对农艺性状的选择。
自交系种植在自交系选择圃中,把从每一株收到的自交种子编出序号,装在一个小纸 袋中,再按自交代数 ( 由低世代到高世代 ),亲缘关系 ( 同一来源的系归为一类 ) 和自交株序号分类排列,每一单株的自交种子,种成一个小区 ( 穗行 ) 。在自交系生育过程中,分别在苗期、花期、成熟期和收获后,以及某些性状如病害、倒伏等出现时期,对自交系的农艺性状进行鉴定和严格选择,对性状不良的小区 ( 穗行 ) 和单株要大量淘汰。只有性状优良、符合育种目标要求的小区 ( 穗行 ) 中选，优良的单株继续自交。每个自交世代都按这种方式进行严格的淘汰和选择,直到获得性状优良,表型整齐一致,遗传基础纯合并能稳定遗传的自交系为止。
对自交系农艺性状的选择是多方面的,包括植株性状 ；产量性状 ；品质性状 ；各种抗逆性 ；生育特性 ；开花结实特性 等。在众多的农艺性状中,应根据作物种类不同,育种目标不同,着重对主要农艺性状进行严格的选择。除品质性状必须在生化分析实验室进行,部分产量性状必需在考种实验室进行外,大多数农艺性状都 应在自交系选择圃中进行选择,但为了加大选择压力和鉴定的准确性,对某些性状的选择鉴定还应在特定的环境中进行。如对某种病害抗性的鉴定,应把自交系种植在专设的病圃中,进行人工接种病原菌诱发病害,或种植在重病区,加大选择压力,选出抗病性强的自交系。对耐密植性的选择,则可把自交系种植密度加大,在高密度条件下鉴别自交系的适应能力。鉴定自交系对不同光、温适应能力时,可在人工气候箱中进行。
自交系在连续自交和选择过程中所形成的系谱,其记载方式如下,一般用选系的原始品种的名称 ( 或简称,或字母代号 ) 开头表示起源,用阿拉伯数字表示自交株号,用 " 一 " 表示自交世代的间隔。按系谱记录,可以追溯自交系的起源和世代的演变,进而掌握自交系间的亲缘关系,以便利用和组配杂交种。在选择优良农艺性状的基础上,还需要对自交系进行配合力测定,根据配合力的高低,作进一步选择,最后才能选出农艺性状优良、配合力高、表型整齐一致、能稳定遗传的优系。已经稳定的优系,即另行定名。
6.4.2 自交系的改良
1,改良的目的 选出一个优良的、有突破性的自交系是很不容易的,机率是很低的。但在育种实践中,即使是很优良的自交系,也难免存在个别缺点,如苗期生长势较弱 ; 或对某些病虫害抗性不强 ; 或结实性不好等。这些缺点将影响优系的利用。通过育种改良,可以提高优系的利用价值。因此,自交系改良的目的是在保留优系的全部或大部分优良性状,保持它的高配合力特性的前提下,改良它的个别不良性状,以便更有效地利用。
2,改良的基本方法 回交改良法是自交系改良的基本方法。回交改良法的育种程序是〔 (A × B) × A1-5 〕② 2-5 → A‘ 。 A 代表需要改良的优系,B 代表具有某些优良性状 的供体系。 A1-5 表示用 A 系作轮回亲本回交次数,② 2-5 表示自交次数,AF 表示 A 的改良系。
回交改良法的基本原理是精选一个或几个可以提供某些优良性状以弥补优系某些个别缺点的系,即供体系。以优系为轮回亲本与供体系杂交和回交,通过不同的回交次数控制双方在回交世代中所占的遗传成分比重,再进行严格的选择,保存具有供体系某些优良性状和优系全部或大部优良性状的个体,再经过几次自交使基因型纯合稳定,最后选出的系就是原优系的改良系。
1,供体系的选择 进行回交改良时,选择供体系是个关键。供体系必需具备两个基 本条件,第一,具备明显的、可以弥补被改良系某些缺点的优良性状,并了解这些性状的遗传特点。第二,具有较高的配合力,较多的优良性状,没有严重的、难以克服的缺点。否则,由于基因的连锁即使经过多次回交和严格选择,在进行性状改良的同时,还可能降低改良系的配合力或出现新的不良性状而前功尽弃。
2,适宜的回交次数 进行回交改良时,因改良的目标不同,需要改良性状的遗传特点不同,以及轮回亲本与供体系间的遗传背景差异等因素,用轮回亲本回交的次数是灵活的,不是固定的,主要根据回交后代具体的性状表现决定。如果育种者根据性状鉴定,认 为已符合改良的要求,就可停止继续回交,并通过自交使基因型达到纯合稳定。
一般情况,只在转育近等基因系时,如建立各种主效抗病基因的近等基因系、各种胚乳突变体的近等基因系,需要进行至少 5 代以上的饱和回交,使轮回亲本的遗传比重占绝对优势,达到 98% 以上,使轮回亲本的性状充分表现出来。这类近等基因系之间的遗传背景基本相同,主要差别只存在于抗病基因之间或胚乳突变体基因之间。
当需要改良的性状属于数量性状时,如由微效多基因控制的一些产量性状、品质性状和抗病性等,在进行自交系改良时,应采用非饱和回交,回交次数不宜超过 3~4 次,使 回交后代中同时保存轮回亲本的大部分遗传成分 ( 约 75%~95%) 和小部分供体系的遗传成分 ( 约 5%~25%),通过选择使供体的某些优良性状充分显示出来,获得改良的效果。如果继续增加回交次数,由于供体系在回交后代中所占的遗传比重过少,受多基因控置的这类性状就会被削弱或排除,而达不到改良的目的。
§6.5 配合力及其测定
6.5.1 配合力的概念配合力是自交系的一种内在属性,受多种基因效应支配,农艺性状好的自交系不一定配合力高,只有配合力高的自交系才能产生强优势的杂交种,所以可把配合力理解为自交系组配杂交种的一种潜在能力。它不是由自交系自身的性状表现出来的,而是通过由自交系组配的杂交种的产量 ( 或其他数量性状 ) 的平均值估算出来的。在自交系的选育中,不仅要对自交系的农艺性状进行直观选择,还必需测定自交系的配合力,以选育出农艺性状优良、配合力又高的自交系作为杂交亲本。
1,一般配合力 (GCA) 一般配合力是指一个被测自交系和其他自交系组配的一系列杂交组合的产量 ( 或其他数量性状 ) 的平均表现。一般配合力是由基因的加性效应决定的,是可以遗传的部分。因此,一般配合力的高低是由自交系所含的有利基因位点的多少决定的,一个自交系所含的有利基因位点越多,其一般配合力越高,否则,一般配合力越低。一般配合力的度量方法,通常是在一组专门设计的试验中,用某一自交系组配的一系列杂交组合的平均产量与试验中全部杂交组合的平均产量的差值来表示。
2,特殊配合力 (SCA) 是指两个特定亲本系所组配的杂交种的产量水平。特殊配合力是由基因的非加性效应决定,即受基因间的显性、超显性和上位性效应所控制,只能在特定的组合中由双亲的等位基因间或非等位基因间的互作而反映出来,是不能遗传的部分。特殊配合力是在特定组合中的产量数值与双亲的一般配合力平均数值的偏差,它的度量方法是特定组合的实际产量与按双亲的一般配合力换算的理论产量的差值。某一 特定组合 F1 的理论产量 = 全部组合的总平均产量 + 双亲的 GCA 值。
6.5.2 配合力的测定
6.5.2.1 测定配合力的时间 配合力测定，常分为：早代测定、晚代测定和中代测定。
1,早代测定是在自交系分离的早期世代测定自交系的配合力，早代测定的依据是一般配合力受基因加性效应控制，是可遗传的，早代配合力与晚代配合力呈正相关。但自交早代处在分离状态，性状不稳定，早代测定的结果，只能反映该组合的配合力趋势，并不能代替晚代测定。现在只在以提高一般配合力为主的、用轮回选择法改良品种群体时采用早代测定，选育自交系一般很少采用。
2,中代测定是在自交系选育的中期世代测定自交系的配合力。此时是自交系从分离向稳定过渡的世代，系内的特性基本形成,测出的配合力比早代测定更为可靠，并且配合力的测定过程与自交系的稳定过程同步进行，当完成测定时，自交系也已稳定，即可用以繁殖、制种，缩短了育种时间。
3,晚代测定是在自交系选育的后期，即代时测定自交系的配合力。此时自交系已稳定、基因型已基本纯合，所以测出的配合力是可靠的。但其缺点是一些低配合力的系不能及时淘汰，增加了工作量，并延缓了自交系选育利用的时间。
6.5.2.2 测验种的选择 测定自交系配合力所进行的杂交称为测交,测交所用的共同亲本称为测验种 (tester) 或测验亲本；测交所得后代称为测交种。被测系和同一测验种杂交后，其测交种在产量和其他数量性状上表现的数值差异，即为这些被测系间的配合力差异。所以，测验种是否选择得当，直接关系到配合力测定的准确性。
测交时，如用普通品种、品种间杂交种或综合杂交种作测验种与被测系杂交后，由于基因的显性、上位性和互作效应所导致的非加性变量的差异，一般不易区分，其所出现的差别主要反映了基因的加性效应，故能测出被测系的一般配合力。如用单交种和自交系作测验种时，因其遗传基础比较简单，基因的纯合性高，测交后，较易反映出基因的显性、上位性和互作所致的非加性效应，因而可测出被测系的特殊配合力。
另外，测验种本身的配合力以及测验种与被测系间的亲缘关系也影响测交结果的准确 性。当测验种本身的配合力低或与被测系的亲缘关系近时，所测配合力往往偏低；反之，其测定结果往往偏高，难以准确反映自交系的优劣。因此在测定具有两种类型的被测系时，以采用中间型的测验种为好。
6.5.2.3 测定配合力的方法 常用的配合力测定方法有,
1,顶交法 (top--croes method) 是选育一个遗传基础广泛的品种群体作为测验种用来测定自交系的配合力。最初是用地方品种群体作测验种,现在一般选用综合品种群体作测验种。由于选用了广泛遗传基础的测验种,可以把它看成包含着多个纯系的基因成分,因而测出的配合力相似于该系和多个自交系测交的平均值,即一般配合力。
具体的测交方法是以 A 群体为共同测验种,1,2,3,4,5 …… n 个自交系为被测系。 用套袋杂交方法或在隔离区中以 A 作父本授粉,被测系作母本去雄获得测交组合,1 × A,2 × A,3 × A · U · --n × A 等或相应的反交组合,A × 1,A × 2,A × 3 …… A × n 等,下一代作测交组合的产量比较试验,根据产量结果计算出各被测系的一般配合力。在顶交法中采用了一个共同的测验种,因此认为各测交组合间的产量差异是由被测系的配合力不同引起 的,如果一个测交组合的产量高,就表明该组合中相应的自交系的配合力高。
2,双列杂交法也称轮交法 是用一组待测自交系相互轮交,配成可能的杂交组合,进行后代测定。为了减少试验工作量,通常采用部分双列杂交法,例如有n个自交系待测,可配成 n(n -1) 个杂交组合 ( 含正交和反交 ),或配成 1/2n(n-1) 个杂交组合 ( 只含正交 ),下一代把测交组合按随机区组设计进行田间产量比较试 验,取得各测交组合产量 ( 或其他数量性状 ) 的平均值后,计算出一般配合力和特殊配合力。配合力的分析计算方法,可参考马育华 (1982) 著《植物育种的数量遗传学基础》,刘来福等 (1984) 著《作物数量遗传学》和高 之仁 (1986) 著《数量遗传学》的有关章节。
轮交法的优点是能同时测定一般配合力和特殊配合力,缺点是当被测系数多时,杂交组合数过多,试验不易安排。因此,只适于育种后期阶段,在精选出少数优良自交系和骨干系时采用。以确定最优亲本系和最优杂交组合,或用于遗传研究
3,多系测交法 多系测交法是用几个优系或骨干系作测验种与一系列被测系测交,例如用 A,B,C,D 四个系作测验种,分别和 300 份被测系测交,可配成 1200 个单交组合,下一代按顺序排列、间比法设计进行比较试验,取得各组合的平均产量,也可计算出一般配合力和特殊配合力。
多系测交法是一种测定配合力和选择优良杂交种相结合的方法,选出的优良杂交种可及时作为商品杂交种投入生产利用。如玉米以利用单交种为主,选用几个优系作为测验种 ; 利用雄性不育系制种的作物,如水稻、高梁、甘蓝型油菜和玉米等,就可选用几个优良的雄性不育系作测验种 ; 甜菜以利用三交种为主,可选用几个优良单交种作测验种。一方面测定配合力,同时选出优良的组合作为商品杂交种利用。所以多系测交法是当前国内外许多作物育种者经常采用的一种方法。
§6.6 杂交种的类别在配制杂交种时,因亲本类型不同,可把杂交种分为下列类别。
6.6.1 品种间杂交种
品种间杂交种是用两个亲本品种组配的杂交种,如品种甲×品种乙,在生产中利用 F1,中国在 50 年代中期曾广泛利用玉米的品种间杂交种 (intervarietal hybrid),比一般自由授粉品种增产 5%~10%。品种间杂交种增产有限,性状不整齐,现在已不再利用。在自花授粉作物中,利用杂种优势时仍以品种间杂交种为主,因自花授粉作物的品种实际上是自交的后代,遗传是纯合的,和异花授粉作物的品种本质上是不同的。
6.6.2 品种——自交系间杂交种品种——自交系间杂交种 (variety-line hybrid) 是用自由授粉品种和自交系组配的杂交 种，又称顶交种 (top-cross variety)。 如品种甲×自交系 A。品种一自交系间杂交种比一 般自由授粉品种增产 10% 左右,增产幅度不大、性状不整齐。现在中国西南部高寒山区,仍有少数玉米顶交种种植。
6.6.3 自交系间杂交种自交系间杂交种 (interlineai hybrid) 是用自交系作亲本组配的杂交种。因亲本数目、组配方式不同,又可分为下列 4 种,
1,单交种 (single crms hybrid) 是用两个自交系组配而成,例如 A × B 。单交种增产幅度大,性状整齐,制种程序比较简单,是当前利用玉米杂种优势的主要类型。但单 交种的制种产量低,为解决这一问题,可用近亲姊妹系配制改良单交种,如 (A1 × A2)× B,既可保持原单交种 A × B 的增产能力和农艺性状,又能相对提高制种产量,降低种子成本。
2,三交种 (three way cross hybrid) 用三个自交系组配而成,组合方式为 (A × B) × C 。三交种增产幅度较大,产量接近或稍低于单交种。但制种产量比单交种高。
3,双交种 (double cross hybrid) 用 4 个自交系组配而成,先配成两个单交种,再配成双交种。组合方式为 (A × B) × (C × D) 。双交种增产幅度大,但产量和整齐度 都不及单交种。制种产量比单交种高,但制种程序比较复杂。中国在 20 世纪 60 年代中,主要种植玉米双交种,现在基本上被单交种所代替。
4,综合杂交种 (synthetic hybrid) 用多个自交系组配而成。亲本自交系一般不少于 8 个,多至 10 余个不等。组配方式如下,
4.1 用亲本自交系直接组配,具体方法是从各亲本系中取等量种子混合均匀,种在隔离区内,任其自由授粉,后代继续种在隔离区中自由授粉 3~5 代,达到形成遗传平衡的 群体。
4.2先将亲本自交系按部分双列杂交法套袋杂交,组配成 1/2n(n-1) 个单交种,从所有单交种中各取等量种子混合均匀后,种在隔离区中,任其自由授粉,连续 3~5 代,达到充分重组遗传平衡。
综合杂交种是人工合成的、遗传基础广泛的群体,F2 后的杂种优势衰退不显著,一次制种后可在生产中连续使用多代,不需每年制种,适应性较强,并有一定的生产能力,在一些发展中国家和中国西南部山区,都种植有较大面积的玉米综合杂交种。
6.6.4 雄性不育杂交种
雄性不育杂交种 (hybrid with male sterility )是用各种雄性不育系作母本配制而成。
1,细胞质雄性不育杂交种 (hybrid with cytoplasmic male sterility) 用各种类型的细胞质雄性不育系作母本,用相对应的恢复系作父本组成。组合方式为 A × B,例如：水稻、高梁、玉米的恢复型雄性不育胞质杂交种都属于这种类型。
2,细胞核雄性不育杂交种 (hybrid with nuclear male stedity)
2.1 隐性核雄性不育杂交种在具有隐性核不育基因的系中选纯合核不育株作母本与正常品种 ( 系 ) 配制而成。组合方式为 A(ms/ms) × B (MsMs)。
2,2 水稻光敏核雄性不育杂交种用纯合的光敏核雄性不育系作母本与正常品种 ( 系 ) 杂交而成,例如湖北水稻光敏核不育系杂交种。
6.6.5 自交不亲和系杂交种自交不亲和系杂交种 (hybrid with self-incompatibility) 是用自交不亲和系做母本与正 常品种 ( 系 ) 杂交而成,如十字花科蔬菜 ( 甘蓝、大白菜、萝卜等 ) 和甘蓝型油菜的自交不亲和系杂交种。
6.6.6 种间与亚种间杂交种有些作物不同种间和不同亚种间杂交能正常结实,就可配制种间杂交种 (interpecific hybdd) 和亚种间杂交种 (intersubspecific hybdd),利用其 F1 优势。如棉花中的陆地棉和 海岛棉配制成陆海杂交种,其 F1兼有产量高和纤维品质好的特性。在水稻中,由于光敏核不育性和广亲和性的发现,为用两系法配制和梗亚种间杂交种,开拓了广阔的前景。
§6.7 利用杂种优势的方法
6.7.1 利用杂种优势必需的基本条件利用杂种优势时,必需具备下列基本条件,
6.7.1.1 有纯度高的优良亲本品种或自交系 优良的亲本品种或自交系是组配强优势杂交种的基础材料。要求亲本系都具有良好的和整齐一致的农艺性状,高配合力和抗病性等,同时要求具有不同的亲缘关系而且性状互补,才能配制成强优势的杂交种。亲本的一切优良性状都是受基因控制的。因此,基因型的纯合程度直接影响亲本系优良性状的遗传与表现。所以保持亲本品种和自交系的纯度,保持其遗传稳定性,是持续利用杂种优势的首 要条件。为此,必须建立与作物特性相适应的亲本种子繁殖体系,采取严格的种子防杂保纯措施与管理制度。
6.7.1.2 有强优势的杂交组合 这里所指的强优势是广义的,既包括产量优势,也包括其他性状的优势,诸如抗性优势; 品质优势; 适应性优势; 生育期优势; 株型优势等。凡只是产量方面具有强优势而其他性状不具优势的杂交组合,往往不能稳产高产,风险性较大,不宜推广利用。强优势的杂交组合,除产量优势外,必需具有优良的综合农艺性状,具有较好的稳产性和适应性。这类杂交组合的出现机率很低,可能是几百分之一甚至几千分之一。必需在育种过程中经过大量组合筛选,并经过多年、多点的试验比较和生产示范,才能作出正确的结论。
6.7.1.3 繁殖与制种工序简单易行,种子生产成本低 在生产上大面积种植杂交种时,必须建立相应的种子生产体系。这一体系包括亲本种子的繁殖和 F1种子的制种两个方面,以保证每年有足够的亲本种子用来制种,有足够的 F1商品种子供生产使用,所以必须,
1,有简单易行的亲本品种 ( 系 ) 的自交授粉繁殖方法,以保持亲本纯度,提高亲本种子产量。
2,有简单易行的配制大量杂交种子的方法,保证杂交种子质量,提高制种产量,降低生产成本。 3,有健全的体系和制度,如亲本繁殖与制种的种子生产体系 ; 与之配套的技术措施与管理制度 ; 杂交种子推广销售网络等。
6.7.2 利用杂种优势的途径
6.7.2.1 人工去雄 杂交制种雌雄同株异花的作物如玉米 ; 花器较大的作物如棉花、瓜类 ; 种子繁殖系数大而用种量少的作物如烟草、番茄等都可以采用人工去雄、授粉的方法生产大量杂交种子。玉米的花器大,雌雄异花,又是风媒花,繁殖系数较大。由于上述特点,可以设置制种隔离区,将父、母本调好播期,按比例种植,当母本授粉之前,把母本株上的雄花序全部拔除,母本雌花自然接受父本花粉受精结实,获得大量杂交种子。至于烟草、棉花和瓜类作物等,则可采取人工去雄、人工授粉方法,获得大量杂交种子。这类作物虽然人工去雄,授粉难度较大,成本较高,但因种植同时种子用量不大,收益较高,因此是可行的。据报1990 年印度己种植杂交棉达 213 万 km,已占该国植棉面积的 283%,基本上都是人工授粉配制的杂交种子。
6.7.2.2 化学杀雄 选用一些内吸性的化学药剂,在花粉发育前的适当时期,用适当浓度的溶液喷洒植株,可以抑制花粉的正常发育过程,使花粉败育,达到杀雄的目的。据各地试验,乙烯利,232 和二氯异丁酸钠、稻脚青和杀雄剂一号,分别对小麦,棉花、水稻和油菜有较高的杀雄效果。但化学杀雄还存在一些问题,如各种作物植株间和 不同部位的花朵间小抱子发育的不同步性,各种气候因素对花期发育和施药效果的影响等,难以保证化学杀雄效果的稳定性 ; 药液与残毒的影响以及经济效益等。在上述问题获得解决之前,化学杀雄只能作为一种补助手段,难以广泛采用。
6.7.2.3 利用自交不亲和性
1,自交不亲和性的机理 同一植株上机能正常的雌、雄两性器官和配子,因受自交不亲和基因的控制,不能进行正常交配的特性,称为自交不亲和性。这种特性是在长期进化过程中形成的。
自交不亲和性广泛存在于十字花科、禾本科、豆科、茄科等许多植物,而在十字花科中自交不亲和性尤为普遍。自交不亲和性可能受单一位点或多位点的自交不亲和基因控制。
自交不亲和性可分两类,一类是配子体自交不亲和性 —— 它是受配子体的基因型控制,表现在雌雄配子间的相互抑制作用。配子体不亲和花粉能正常发芽,并能进入柱头,但花粉进入花柱组织或胚囊后,遇到卵细胞产生的某些物质,才表现相互抑制作用；另一类是抱子体自交不亲和性 —— 它是受花粉亲本的基因型控制,表现在花粉粒及花粉壁成分与雌恋柱头上的柱头毛或乳突细胞之间,即雌雄二倍体细胞之间的相互抑制作用,因而花粉管不能进入柱头。经过大量的研究发现,十字花科的油菜在开花前 1~4d,柱头表面形成一层由特异蛋白质构成的隔离层,它能阻止自花花粉管进入柱头而表现不亲和。
2,自交不亲和性在杂种优势中的利用 虽然自交不亲和性是植物界普遍存在的一种特性,但作为利用杂种优势的一种途径,现在只在十字花科作物中获得成功。早在 40 年代末已在十字花科的蔬菜作物 ( 如甘蓝、大白菜、萝卜等 ) 中利用自交不亲和系配制杂交种,而在同属十字花科的各种类型的油菜中研究利用自交不亲和系杂交种,则是 60 年代以后的事。国内一些育种单位在 70 年代中期,曾育成一批甘蓝型油菜自交不亲和系,并配制出杂交种进行生产试验,取得一定的生产效果,但未能推广。因人工剥蕾自交的繁殖任务重,而且由于自交不亲和基因间互作效应引起结实率下降,均待研究解决。
(1) 自交不亲和系的选育 甘蓝型油菜是生产中种植的主要类型,白菜型油菜中常具 有自交不亲和性,如果直接用甘蓝型油菜作为选系材料,出现自交不亲和性的机率较低,而用甘蓝型和白菜型油菜的种间杂交种作为选系材料,把白菜型油菜的自交不亲和性转移 到甘蓝型油菜中去,容易选出甘蓝型油菜的自交不亲和系。
选育自交不亲和系的具体方法如下,
第一步,大量套袋自交。在选系用的亲本杂交种或品种中,大量选择单株,在开花前将主花序用硫酸钠纸袋套上,进行隔离,以免异花传粉。当袋内开花 10~20 朵时,从中 摘取 2~3 朵花,对其他花朵的雌恋进行人工辅助自交,授粉后仍套袋隔离,系上标签。 待 15d 左右,初步检查自交结实率,选结实率很低的植株,在下部分枝套袋剥蕾自交,注明授粉花朵数 。
第二步,定向选择,即按自交亲和指数选择单株。种子成熟后,把所有单株套袋自交的种子分株收下,分别按下式计算自交亲和指数:
收获种子数
自交亲和指数=
辅助自交花朵数
凡自交亲和指数小于 1.0 的,就是自交不亲和株,可以当选。选出的单株以后种成株系,继续套袋自交和定向选择 3~5 代,使性状稳定,便育成了自交不亲和系。在继续套袋自交的同时,要在同株的分枝上进行剥蕾自交。剥蕾自交是繁殖甘蓝型油菜自交不亲和系的一种方法。即在开花前雌蕊柱头尚未形成特异蛋白质隔离层时,剥去花蕾,进行人工自交授粉,再将剥蕾自交的花朵套袋,以便成熟时收取自交种子繁殖后代。
对自交不亲和系的选择,除按自交亲和指数选择外,也和自交系一样,要注意对农艺性状和配合力的选择,只有农艺性状优良和配合力高的自交不亲和系才有利用价值。
(2) 自交不亲和系的繁殖方法 为了破除自交不亲和性,保存和繁殖自交不亲和系,近 10 多年来,国内外试验了各种方法,如热助授粉法,电助授粉法、钢刷授粉法,各种化学试剂处理法等,经过比较,以下列 3 种方法效果较好：
a,蕾期授粉法 在开花前 1~3d,用镊子把花蕾剥开,并进行人工授粉自交,此时因雌蕊柱头表面尚未形成特异蛋白质隔离层,可以获得一定数量的自交种子。但蕾期授粉法费工费时,成本较高,技术要求也较严,只适于经济效益高的蔬菜和早期选育自交不亲和系时使用。
b,花期盐水喷雾法 近 10 年来,中国许多单位的研究表明,在花期用 5%~8%浓度的盐水喷雾,可以提高自交结实率,效果与蕾期授粉相当,方法简便,成本低,可普遍采用。
c,利用保持系繁殖自交不亲和系 华中农学院 (1976 起 ) 和湖北荆州地区农科所 (1980,1981) 采用测交的方法,发现可从甘蓝型油菜普通品种中和自交不亲和系中筛选出自 交不亲和系的保持系,保持自交不亲和性,不论正交或反交,自交不亲和系的保持效果是一致的,多年多点试验表明,亲和指数都小于 1 。
(3) 利用自交不亲和系配制杂交种的方式 当前较广泛利用的主要有两类杂交种,
a,单交种 即用自交不亲和系×自交亲和系。单交种杂种优势强,亲本繁殖和制种比较简便。
b,三交种 即 ( 自交不亲和系A×自交不亲和系 B) ×自交亲和系C。其中自交不亲和系A与B的S等位基因位于不同染色体组,互为保持系,A×B的F1为自交不亲和杂种种子,自交亲和系C具有显性自交亲和基因,组配成可以正常自交结实的三交种,作为商品杂交种利用,也可利用自交不亲和系及其保持系、恢复系实现三系化制种,配制方式如下,
三交种利用,可以提高杂交种子产量,降低种子成本。

§7 诱变育种
§7.1 诱变育种的概念和特
7.1.1 诱变育种的概念诱变育种（induced mutation breeding） 是指用物理或化学因素诱发染色体畸变、基因突变、组跑质突变等改良小麦品种。
诱变育种特别适宜改良作物的某些单一性状,例如变高秆为矮秆,提早成熟期,提高抗病性和蛋白质含量等。
除了诱发和鉴定筛选有利用价值的突变体外，作物诱变育种的其他方法程序基本上与常规育种相同。诱变育种技术包括诱变因素的利用、供诱变育种材抖的选择、诱变剂量的大小,M1及 M2 群体大小、突变体的筛选等环节。
7.1.2 诱变育种的特点
（1）突变频率高,变异谱广
（2）可有效的改良作物的个别单一性状
（3）能打破性状间的紧密连锁,促进基因重组
(4) 后代性状稳定快,可以缩短育种年限
(5) 诱变育种的不足之处是突变的方向和性质目前无法控制,有益突变的频率低
§7.2 物理诱变剂及其处理方法
7.2.1 物理诱变剂的种类
用来诱发植物产生遗传变异的物质叫诱变剂（mutagen ）。在自然条件下产生的的突变称为自然突变，利用诱变剂诱发的突变称为人工突变。
诱变剂通常分为物理诱变剂和化学诱变剂两大类,物理诱变剂主要是各种射线（如 X 射线、γ射线、β射线、中子、紫外线等）、微波、激光等（表7-1）。育种工作者常用的是X 射线、γ射线、β射线、中子。
7.2.2 诱变处理的剂量单位
①吸收剂量（D） 定义为在受照射物体某一点上单位质量中吸收的能量。吸收剂量的国际专用单位为戈瑞（Gy）
②辐射剂量 (X ) 定义为 X 或γ射线在标准条件下单位质量的干燥空气中所产生的电荷（同一符号的）。辐射剂量的国际专用单位是库仑 / 公斤〈 C/kg〉
③剂量率有吸收剂量率 (D )和照射剂量率 (X)之分。吸收剂量率是指单位时间内受照射物体所吸收的剂量,单位有戈/小时、戈/分和戈/秒。照射剂量率是指单位时间内所测干燥空气受照射的剂量,单位是库伦/千克·秒等
④放射性强度 指放射性同位素单位时间内的核衰变次数,现国际制专用单位为贝可 (Bg),原单位为居里（Ci ）
⑤积分通量 又称中子通量,指每平方厘米的中子数 ( 中子数/厘米2)
7.2.3 作物对辐射的敏感性
作物对辐射的敏感性是指生物体、组织、细胞或细胞内含物在一定剂量的射线照射下，在形态和机能上发生相应变化的大小。
目前常用来测定辐照敏感性的指标有：①生长受抑制的程度。辐照后植株生长受到抑制,苗高降低,根长缩短。常以苗高降低到对照的一半所需的剂量，即半致矮剂量（D50）表示，这是目前广泛应用的可靠指标之一；②植株成活率。辐照后能达到开花结实完成生命周期植株的百分数,以植株存活一半的剂量,即半致死剂量 (LD50) 表示；③植株不育程度。一般以花粉败育或结实率的高低和不育株所占百分率表示；④幼苗根尖和幼芽细胞分裂时染色体畸变率，常用微核细胞率作指标；⑤以细胞分裂期间细胞核体积、染色体体积作指标。
作物对辐射的敏感性的大小顺序是：
①不同科、属、种和品种的辐射敏感性差异很大
②作物的不同器官、组织以及发育时间和生理状况，其敏感性也不同
③处理前后的环境条件影响诱变效果 ⅰ种子含水量是影响诱变效果的主要因素之一 ⅱ辐射处理时的外界条件（如氧气、温度、光照）以及处理后的贮存时间条件对诱变效应均有影响 ⅲ照射后种子贮存时间的长短会影响种子的生活力，所以一般都在处理后尽早播种 ⅳ在照射处理时所应用的照射剂量因作物种类、处理材料（种子、植株或花粉）均有所不同
7.2.4 诱变处理的材料诱变处理的材料通常选用本地区大面积推广应用的适应性和综合性状良好,而某些性状需要改良的品种。但是为了同时改良多种性状则以杂交后代为材料的效果好,用诱变因素处理杂种,不仅可以提高突变频率,扩大其后代的变异幅度,而且能够打破不利的基因连锁,促进基因重组。
诱变处理的对象一般为种子,但突变率较低,为了提高诱变频率还可处理萌动的种子、幼苗、孕穗期植株、雌雄配子、合子等。其中以处理配子和合子的效果较好,特别是配子处理最有采用价值。
7.2.5 物理诱变处理的方法
物理诱变处理的方法分外照射和内照射两种。
外照射指种子等所受的辐射来自外部的辐射源。
内照射是利用放射性同位素32P、35S,14C 的化合物,配成溶液浸渍种子或使作物吸收,或注射茎部。
7.2.6 诱变处理的剂量
各种诱变处理以采用中等到低的剂量为好。对于多倍体的小麦应该避免采用高剂量的诱变，以使处理后代中有更多的单一位点突变体,各种诱变因素的适宜诱变剂量如表7-2、表7-3
§7.3 化学诱变剂及其处理方法
7.3.1 化学诱变剂的类别
①烷化剂 指具有烷化功能的化合物
②叠氮化物 是一种动植物的呼吸抑制剂，它可使复制中的DNA碱基发生替换，是目前诱变率高而安全的一种诱变剂。
③碱基类似物 是与DNA碱基的化学结构相类似的一种物质，切能与DNA结合，又不妨碍DNA的复制。
化学诱变剂的特点有：①诱发突变率较高，而染色体畸变较少。②对处理材料损伤轻，有的化学诱变剂只限于DNA的某些特定部位。③大部分有效的化学诱变剂较物理诱变剂的生物损伤大，容易引起生活力和可育性下降。
§7.3.2 化学诱变剂处理方法
处理种子时：浸泡种子 处理的种子 冲洗种子 播种处理小麦花粉,可采用在开花前将穗头剪下,投入诱变剂溶液中,使其吸收一定量的诱变剂,待其开花时收集花粉,供授粉用。
化学诱变的效应与其浓度、温度、处理的持续时间有关。通常用低温度、低浓度、长时间处理,药物对细胞的伤害轻,可以提高存活率和突变率,且低温可以使药物保持稳定性。
§7.4 诱变处理后代选育
lM1 经诱变处理后的种子长成的植株或直接处理的植株等称诱变一代，用M1 表示。M1可按处理剂量分别播种 ( 密播 )。精心培育和管理以提高存活率。M1 代的变异除了可遗传的基因突变和染色体畸变外,主要为生理损伤,因此一般不加选择。单株或单穗收获。
lM2 按照M1代收获种子的方式 ( 单株、单穗 )以及处理材料和剂量的不同顺序种成株行或穗行。M2代是诱变处理后分离最大、变异类型最多的一个世代,为使突变体得到充分表现,应有一定的行距和株距，并要求地力均匀、精细管理。M2 代应具有较大的群体。M2代是选择的关键世代,这一世代即可出现大突变 ( 如早熟性、矮杆性),又可出现微突变（如产量、品质等）。但以对大突变的选择为主,大突变表现明显,可在单株水平上察觉。对大突变在M2代要进行严格的单株选择。小突变一般在单株水平上不易识别,因此M2代不特别运择,只注意选留那些与原品种性状差异小,长势旺的单株或群体,以后世代再决定取舍。
lM3以及以后世代 M3 仍按材料、处理剂量等顺序排列种植株行。M3代分离以微突变为主,是选择微突变的关键世代。M3的选择转向以群体选择为主,凡表现稳定突变系可混收留种,而仍有分离的系统则可选留单株,下代继续选择和鉴定。M3以后的选育方法以及试验程序与杂交育种相同。

§8 远缘杂交和倍性育种
§8.1 远缘杂交育种
8.1.1 远缘杂交及其作用
1 远缘杂交的概念
通常将植物分类学上属于不同种 (species)、属 (genus)或亲缘关系更远的植物类型间所进行的杂交，称为远缘杂交 (wide cross或distant hybridization)。所产生的杂种称远缘杂种。
远缘杂交又可区分为：①种间杂交 ②属间杂交 ③亚远缘杂交
2 远缘杂交的作用
①将异种 ( 属 )植物的有利性状引入栽培品种
②创造新物种
③创造异染色体体系
④诱导单倍体
⑤有效地利用杂种优势
⑥用于研究生物的进化
8.1.2 远缘杂交不亲和性的原因及其克服方法
1 远缘杂交的不亲和性及其原因远缘杂交时，由于双亲的亲缘关系较远，遗传差异大，染色体数目或结构也不同，生理上也常不协调，这些都会影响受精过程。常见的现象有：花粉不能在异种柱头上萌发；花粉虽能萌发，但花粉管不能伸入柱头；或花粉管进入柱头后，生长缓慢，甚至破裂；或花粉管虽生长正常，但长度不够等原因而不能达到子房；花粉管即使达到了子房，雌、雄配子不能结合、受精而形成合子。这就是远缘杂交的不亲和性 (incompatibility),或不可交配性 (noncrossability)。
（1）亲缘关系较远的两亲性因素在结构上、生理上的差异，不能完成正常的受精作用
（2）远缘杂交的亲和性与双亲的基因组成有关
2 克服远缘杂交不亲和性的方法
（1） 注意亲本的选择与组配 同种植物不同的变种或品种，由于其细胞、遗传、生理等的差异，会影响其接受另一种花粉进行受精的能力，即配子间的亲和力有很大差异。所以，为了提高远缘杂交的成功率，必须注意亲本的选配。研究和实践表明：在亲本选配上应注意：① 在栽培种和野生种杂交时，应以栽培种为母本 ② 在染色体数目不同的远缘杂交中，一般以染色体数目多的作母本，容易成功 ③ 以杂种为母本的效果好 ④ 广泛测交
（2）染色体预先加倍法 在用染色体数目不同的亲本杂交时，先将杂色体数目少的亲本人工加倍后再杂交，可提高杂交结实率。
（3）桥梁 ( 媒介 ) 法 (bridging method) 如果两个种直接杂交有困难时，可先通过第三者作为桥梁，以亲本之一与桥梁品种杂交，将其杂种人工加倍后，再和另一亲本杂交，便可获得成功。
（4）采用特殊的授粉方法
① 用混合花粉授粉
② 重复授粉
③ 提前或延迟授粉
④ 射线处理法
（5） 补施植物激素法
此外,随着组织培养等生物技术的不断发展，已创造出一些可用来克服远缘杂交不亲和性的方法，如柱头手术、子房受精、试管受精、体细胞融合等。
8.1.3 远缘杂种夭亡、不育的原因及其克服方法
1 远缘杂种的夭亡和不育现象 不同种、属植物间杂交，有时虽能完成受精作用，形成合子，但受精不完全。如精子虽能与卵核结合，但不能和极核结合形成胚乳；或胚乳发育不正常； 或胚和胚乳发育不同步，因而不能获得杂交种子；或虽有杂交种子，但幼苗在生育过程中死亡而不能获得杂种植株；或虽能长成植株，但不能受精结实获得杂种后代，即出现杂种夭亡和不育。
其具体表现是：受精后幼胚不能发育，或中途停止发育；能形成幼胚，但幼胚畸形、不完整；幼胚完整，但没有胚乳或极少胚乳；胚和胚乳虽发育正常，但胚和胚乳间形成糊粉层似的细胞层，妨碍了营养物质从胚乳进入胚；由于胚、胚乳和母体组织间不协调，虽能形成皱缩的种子，但不能发芽或发芽后死亡；F1 植株在不同发育时期出现生育停滞或死亡；由于生育失调,营养体虽生长繁茂，但不能形成结实器官；虽能形成结实器官，但其构造、功能不正常，不能产生有生活力的雌、雄配子；或因双亲染色体数目不同；或缺少同源染色体，在减数分裂时，染色体不能正常配对与平衡分配，形成大量不育配子等等。
2 杂种夭亡、不育的原因远缘杂交后，打破了各个物种原有的遗传系统，必然会影响其后代个体的生长发育，甚至导致其死亡或不育。所以，远缘杂种夭亡和不育的根本原因是由于其遗传系统的破坏。（1）核质互作不平衡 （2）染色体不平衡 （3）基因不平衡。 另外胚、胚乳及母体组织 ( 珠心、珠被等 ) 间的生理代谢失调或发育不良，也会导致胚乳败育及杂种幼胚夭亡。
3 克服的方法
（1）幼胚的离体培养 将杂种幼胚进行人工离体培养，以调整杂种胚发育的外界条件，改善杂种胚、胚乳和母体组织间的生理不协调性，可获得杂种并大大提高结实率。
（2）杂种染色体加倍法 当远缘杂交的双亲染色体组或染色体数目不同而缺少同源性,致使 F1 在减数分裂时，染色体不能联合或很少联合，不能形成足够数量的、具有生活力的配子而造成不育时，通过杂种染色体加倍获得双二倍体，便可有效地恢复其育性。
（3）回交法 染色体数目不同的两亲杂交所得的杂种，其产生的雌、雄配子并不都是完全无效的。其中有些雌配子可接受正常花粉受精结实；或能产生有生活力的少数花粉。 所以用亲本之一对杂种回交，可获得少量杂种种子。
（4）延长杂种的生育期 远缘杂种的育性有时也受外界条件的影响，延长杂种生育期，可促使其生理机能逐步趋向协调，生殖机能及育性得到一定程度的恢复。
除采用上述方法克服远缘杂种夭亡或不育外，还可用嫁接法或利用特殊基因等。
8.1.4 远缘杂种后代的分离与选择
1 远缘杂种后代性状分离的特点
（1）分离无规律性 远缘杂交时，来自双亲的异源染色体缺乏同源性，导致减数分裂过程紊乱，形成具有不同染色体数目和质量的各种配子。因此，其后代具有极复杂的遗传性，性状分离复杂且不规律，上下代之间的性状关系也难于预测和估计。
（2）分离类型丰富、并有向两亲分化的倾向 远缘杂种后代，不仅会分离出各种中间类型,而且还出现大量的亲本类型、亲本祖先的类型、超亲类型以及某些特殊类型等，变异极其丰富。
（3）分离世代长、稳定慢 远缘杂种的性状分离并不完全出现在F2,有的要在 F3 或以后世代才有明显表现。同时，在某些远缘杂交中，由于杂种染色体消失、无融合生殖、染色体自然加倍等原因，常出现母本或父本的单倍体、二倍体或多倍体；在整倍体的杂种后代中，也还会出现非整倍体等。这样，性状分离会延续多代而不易稳定。
2 远缘杂种后代分离的控制 为了加速远缘杂种后代的稳定，缩短育种年限，必须设法控制其分离。常用的方法有：
（1）F1 染色体加倍
（2）回交
（3）诱导单倍体
（4）诱导染色体易位
3 远缘杂种后代的处理特点
（1）杂种早代应有较大的群体
（2）放宽早代选择的标准
（3）灵活地应用选择方法
§8.2 多倍体育种
8.2.1 植物的多倍体及其育种意义
1、多倍体的概念
一个属内各个种所特有的、维持其生活机能的最低限度数目的一组染色体，叫染色体组。一个染色体组是用以描述一个个体的染色体组成的基本单位，常用英文大写字母 ( 如 AABB) 表示。每个染色体组所含有的染色体数目称染色体基数 (x)。
凡体细胞中具有 2 个以上染色体组的植物便称为多倍体 (polyploid) 。如三倍体 3x、四倍体 4x、五倍体 5x,六倍体 6x等等。
2,多倍体的种类 根据染色体的来源，多倍体一般可分为两大类：
（1）同源多倍体 (autopolyploid) 含有 2 组以上同一染色体组的个体，称同源多倍体。 同源多倍体常具有下列特征,
①大多数同源多倍体是无性繁殖的、多年生的。
②同源多倍体的基因型种类比二倍体多
③ 同源多倍体的育性差，结实率低
④同源多倍体达到遗传平衡的时间长
⑤器官的巨型性
（2）异源多倍体 (allopolyploid) 凡由 2 个或 2 个以上不同染色体组所形成的多倍体，称异源多倍体。
多倍体除上述二种主要类型外，由于染色体组的分化，还有区段异源多倍体 (seg-mental allopolyploid),同源异源多倍体 (auto-allopolyploid),倍半二倍体 (sesquidiploid) 等一系列的过渡类型 ( 图 8-1)
3、植物界的天然多倍体
自然界广泛生存着多倍体植物,如被子植物中约有一半以上的物种是多倍体。据 FAO (1962) 对 268 个植物属的统计，大约有 70% 的属都带有某种程度的天然多倍性特征，其中异源多倍体比同源多倍体更为普遍。
4、多倍体的育种意义 国内外的研究表明：在作物遗传育种中，诱导多倍体的作用在于：
（1）通过增加一个现存物种的染色体数目，产生同源多倍体
（2）通过远缘亲本或种间不育杂种的染色体加倍，克服远缘杂交的困难
（3）诱导多倍体作为不同倍数性间或种间的遗传桥梁 (genetic bridge)
8.2.2 多倍体的诱导与育种
1、诱导材料的选择 为了有效地获得多倍体，用作诱导的材料最好是：
（1）天然多倍体物种比重较高的科、族植物
（2）综合性状较好、染色体数目少的材料
（3）杂合性高的材料
（4）以收获营养器官为目的的植物
（5）远缘杂种后代
（6）选择生育周期短的作物
2、获得多倍体的途径与方法 染色体加倍是获得多倍体的基本环节 染色体加倍 可分为自然的和人工的二种。自然加倍过去认为主要是通过体细胞来实现的，此外，通过配子未减数的途径，也可产生各种多倍体。但是，染色体自然加倍的频率是很低的，难以完全满足育种的需要。所以,必须用人工的方法来诱导多倍体。染色体的人工加倍方法有物理的 ( 如温度骤变、机械损伤、电离和非电离辐射、离心力等 ) 和化学的 ( 如秋水仙素、荼嵌戊烷、吲哚乙酸、氧化亚氮 (N20) 等 ) 处理。但应用最普遍而有效的方法是用秋水仙素处理。
秋水仙素是从原产地中海一带的百合科植物秋水仙 (Colchicum autummale) 植株中提取出来的一种化合物，分子式为C22H25NO6·1.5H2O。纯的秋水仙素为针状结晶体，性毒，易溶于水、酒精而不溶于乙醚和苯。商品秋水仙素为淡黄色粉末。应用秋水仙素进行染色体加倍时，一般是将其配成 0.01%-0.4% 的水溶液、酒精溶液、甘油溶液或制成羊毛脂膏、琼脂、凡士林等制剂。用溶液 ( 最常用的是 0.2% 的水溶液 ) 浸渍种子、枝条或幼苗和根尖的生长点；或将秋水仙素溶液滴在植株顶芽或腋芽的生长点上；或将溶液注射到幼株分蘖的生长点上方；或用 0.2% 的秋水仙素脂膏涂抹顶芽等。如在溶液中加人 1%-3% 的二甲基亚枫 (DMSO) 作为辅助剂，可显著提高诱导效果。
用秋水仙素加倍时所用溶液的有效浓度、处理时的温度、处理时间和方法,因作物种类、部位及其生育时期等而异。一般采用低浓度、长时间 (0.025%-0.05%,几天到十几天 ) 或高浓度、短时间 (0.2%,几小时 ) 的处理方法。材料处理完后，应及时冲洗干净，以防药害。处理过的材料，应在低温 (15 ℃ ),高湿条件下精心培育,以迅速恢复其生长机能。
秋水仙素的作用在于：它能使正处在分裂盛期的细胞纺锤丝的形成受到抑制，染色体的长度收缩；但不影响染色体的纵裂。由此使细胞停顿在分裂中期，染色体虽能复制，但不能分向两极，造成染色体数目加倍而成多倍体。当药剂洗净后，细胞便可恢复正常的分裂。
3、诱变材料的倍性鉴定 鉴别多倍体时，常用的方法有：
（1）间接鉴定法 可根据育性、植株的形态特征或生理特性鉴别其倍性。同源多倍体的植株常呈“巨大型”,花器和气孔保卫细胞等都会变大。由此便不难区分诱导后代是否为多倍体。一般检测花粉粒和细胞尤其是气孔保卫细胞的大小，是区分二倍体和多倍体的经典方法
（2）直接鉴定法 即对加倍后代的花粉母细胞或根尖细胞进行染色体数目的检定，凡 染色体数目比原始数目倍增了的即为多倍体。
4、多倍体材料的加工和选育人工诱导的多倍体材料，往往各具不同的优缺点，因此，必须进行多倍体品系间的杂交，在众多后代群体中，进行严格选择，逐步克服所存在的缺点，才有可能培育出具有生产效益的新品种、新作物。
5、人工诱导多倍体的成功实例 人工诱导多倍体以培育新品种或新物种的研究取得了长足的进展。主要有：
（1）异源多倍体小黑麦 用小麦属中的四倍体硬粒小麦、波兰小麦和六倍体的普通小麦等与二倍体 的黑麦杂交，经染色体加倍和反复选育而合成的异源多倍体小黑麦，是多倍体育种的突出成果。
（2）三倍体甜菜 由二倍体甜莱加倍成四倍体后与二倍体杂交育成的三倍体甜菜。
（3）同源四倍体
此外,中国还育成了四倍体的饲料玉米、同源四倍体的亚洲 棉,同源四倍体高粱
§8.3 单倍体及其在育种中的应用
8.3.1 单倍体的起源及其类型
1、植物的单倍体及其起源
高等植物的单倍体 (haploid) 是指含有配子染色体数目的孢子体,即只含有其双亲的一套染色体组的类型。它一般是由不正常的受精过程和孤雌生殖、孤雄生殖、无配子生殖 (apogamy) 等而产生的。单倍体可自然发生或人工诱导,但单倍体的自然发生频率是很低的 。
2、单倍体的类型 根据染色体的平衡与否，把单倍体分为两大类型：
（1）整倍单倍体 其染色体是平衡的。根据其物种的倍性水平又可分为一倍体或单元单倍体,它是由二倍体物种产生的。凡由多倍体物种产生的单倍体，称为多倍 ( 元 ) 单倍体。由同源多倍体和异源多倍体产生的多倍单倍体，分别称为同源多倍单倍体 和异源多倍单倍体 。
（2）非整倍单倍体 与整倍单倍体不同，其染色体数目可能额外增加或减少，而并非染色体数目的精确减半，所以是不平衡的。
8.3.2 获得单倍体的途径和方法
1、利用单性生殖获得单倍体
（1）从双生苗中选择
（2）利用半配合
（3）利用远缘花粉授粉
（4）利用延迟授粉
（5）利用诱发 ( 单倍体 ) 基因及核质互作
（6）利用理化因素诱变
此外，利用异种、属细胞质和核的异质作用，也可获得单倍体
2、利用合子发育过程中,体细胞染色体有选择的消失
3、组织和细胞的离体培养
（1）花药 ( 粉 ) 培养花药培养产生单倍体的途径有二,一是花粉经历去分化和胚胎发生过程，通过胚状体而形成单倍体的胚，以后便直接发育成单倍体植株，如烟草、曼陀罗等；一是花粉多细胞团增殖，形成愈伤组织，以后再诱导分化成再生植株，如水稻、小麦等。
（2）未授粉的子房、胚珠培养。
8.3.3 单倍体的鉴定与二倍化
单倍体后代的鉴定方法除可采用根据形态特征的间接鉴定和镜检染色体数目的直接鉴定，还可应用遗传标志法。单倍体植株只有一套染色体,在减数分裂后期 I,染色体将无规则地分配到子细胞中去,因之很少产生有效配子，育性很低。所以，单倍体本身没有直接利用价值。必须在其转入有性世代之前，使其染色体二倍化，恢复育性，产生纯合的二倍体种子。
单倍体的染色体可以自然加倍,但自然加倍的频率是较低的。只有采用人工加倍，获得量纯合的二倍体时，才能真正发挥单倍体的潜力。在众多加倍方法中，简便、有效、安全、无遗传损伤的方法是用秋水仙素加 DMS。处理在细胞分裂中的分生组织，使其新生器官的染色体加倍。
8.3.4 单倍体在育种上的应用
应用单倍体技术于育种工作有如下优点：
1 加速育种材料的纯合 应用常规的杂交育种时，其杂种后代必须经过 4-5 代以上的基因分离和人工选择，才能获得纯合的基因型；而获得单倍体后进行人工加倍，只须一个世代便可获得纯合的二倍体。
2 提高选择效果 加倍单倍体的轮回选择效果比用二倍体选择高5倍；其混合选择的效果比常用的混合选择快14倍
3 缩短青种年限，节省人力、物力 由于加倍单倍体容易获得纯合的基因型，选择效果高； 只要发现了理想的基因型便可繁殖推广，这样从杂交到纯合品种的获得，只需 3-4 年。而应用杂交育种时，须经多年的基因分离、重组和纯化，故一般要 7-8 年才能获得纯合的新品种。在选育玉米自交系时，将获得的单倍体加倍，一般一年便可纯化，不必经多年的自交和选择。因而大大缩短了育种年限，节省了大力、物力。
与常规育种相比，单倍体育种也有不足之处 首先，因产生单倍体是一种随机的、未经选择的基因型样品；单倍体试管苗，一般是由 F1 植株得到的，其基因重组的机会只有一次，又缺少常规杂交育种各个分离世代的基因交换与重组的机会，后代不能积累更多的优良基因型,尤其是存在基因连锁时，杂种所潜在的变异，不一定都能表现出来。因此，只能出现较少的理想基因型。对于异花授粉植物来说，由于有害的隐性基因一般是致死的，难以获得单倍体。再者，育种者不能像常规方法一样，有较长世代对各种材料进行田间观察和评定。在一个群体中，单倍体的频率也无法预测，难以象常规方法那样来控制群体规模。另外，目前的诱导技术尚不完善，花培时出愈率和绿苗率均较低。
§9 抗病虫育种
§9.1 抗病育种的病理学基础
抗病育种是以选育对某些病害具有抵抗能力的优良品种为主要目标的育种工作。当前，抗病育种的主要对象是流行性强的气传病害，如小麦条锈病、自粉病，水稻稻瘟病、白叶枯病，玉米大小斑病等；顽固的土传病,如小麦赤霉病、根腐病、全蚀病，棉花枯、黄萎病、玉米丝黑穗病，以及用其它方法很难防治的病害，如小麦红、黄矮病，马铃薯各种病毒病等。
9.1.1 病原物的致病性
病原物对一定的植物属、种或品种的适应性,称为专化性或特异性。如侵害小麦的白粉病不能侵害棉花，侵害棉花的炭疽病不能危害小麦，即各个病原物均有其固有的寄主范围。有些专化性强的病原物还会进一步分化，在种之下又分化为若干生理小种。生理小种间的差异主要是病原菌对品种专化致病性的差异。
病原物的致病性是一种病原物能在一定寄主作物的某一品种上引起病害的能力。病原物的致病住经常发生两个方面的变异，即毒性和侵袭力的变异。病原物对特定品种能致病叫有毒性,对另一特定品种不能致病叫无毒性。,毒性” 是指病原物克服某一专化抗病基因而能侵染该寄主品种的特殊能力，它决定着能否侵染那一个或那一些品种，是质量性状。“侵袭力”是指病原物在能侵染寄主的前提下，病原物在寄主体内生长、繁殖的速度、强度等特性，它决定着侵染寄主的难易和生长旺盛的程度，是一种数量性状。
9.1.2 作物的抗病性
从广义上讲，凡某一植物不感染或不发生某一病害，或虽然发生但程度较轻，或产量损失较少，都可以叫抗病性。狭义的抗病性是指当植物遭到病原物侵袭后，能够产生一种能动的反应来战胜病菌或减轻其危害的能力。
作物的抗病住可根据性状类别、表现形式、抗病程度、寄主与病原物的关系、遗传方式等分许多类型。现将其中在育种工作中常用的若干类别叙述如下：
避病〈抗接触 〉、耐病,抗病,垂直抗病性和水平抗病性
1、避病〈抗接触 〉 感病品种由于种种原因没有受到侵染而未能发病，称为避病。避病性不一定具备真正的抗病性，当条件变化时,往往仍然感病。
2、耐病 当某一品种对某一病害充分感病，但对产量、籽粒饱满度影响较小时，即称为耐病。耐病性广泛地存在于对真菌、病毒病惑染的品种中。
3、抗病 抗病性包括抗侵入、抗扩展、过敏性坏死反应等。
抗侵入类型的植物是指当病原物侵入寄主前和侵入后，寄主植物可以凭借原有的或诱发产生的组织上或生理、生化方面的障碍，来阻止病原物的侵入。及侵入后建立寄生关系。
抗扩展类型是当病原菌侵入寄主后在寄主体内扩展时，会遇到一系列组织结构或生理生化特性方面的抵抗。
过敏性坏死反应是当病原物侵入具有这种抗性的植物体内时又受侵细胞及其邻近细胞过度敏感，原生质迅速坏死，病原菌被封锁或杀死于枯死组织中。这是一种“细胞高度感病，而组织或全株高度抗病”的类型。通常在病害鉴定中称为,兔疫”或“高抗”类型。
4、垂直抗病性和水平抗病性 从病原菌与寄主的相互关系上，将抗病性分为垂直抗性和水平抗性。
（1）垂直抗性 又叫“小种特异性抗病性” 或,专化性抗病住”。垂直抗性的特点是，寄主（品种）对某些病菌生理小种具有免疫或高度抵抗性，而对另一些生理小种则高度感染，即同一品种对同一病菌的各个生理小种具有“特异”反应或“专化”反应。如果把具有这种抗病性的品种对某一病原菌不同生理小种的抗性反应画成柱形图时，可以看到各柱顶端高低相差悬殊，所以称作垂直抗性（图 9-2）。
（2）水平抗性 又叫,非小种特异性抗性” 或“非专化性抗病性”。水平抗病性的特点是寄主品种对各小种的抗病性反应性大体上接近同一水平。即对病原物不同生理小种不具有,特异”反应或“专化”反应。若把具有这种抗性的品种对某一病原物不同小种的抗性反应画成一柱形图时，可看到各柱顶端相差无几，所以叫做水平抗性 ( 图 9-2) 。
在抗病育种工作中，人们往往注意对过敏性坏死抗性的选择，使该品种的水平抗性降低或,丢失”,所以一旦该品种的垂直抗性被新小种克服，就会严重感病，反而比一般没有垂直抗性的材料损失大。从这一点出发，近年来人们愈来愈重视选育具有一定水平抗性的高抗 ——中抗类型。
9.1.3 作物抗病性与病原物致病性的关系
针对寄主方面每一个垂直抗病基因，在病原菌方面或迟或早也会发现一个相对应的毒性基因。毒性基因只能克服相对应的抗性基因,而产生毒性（致病）效应。寄主植物一一寄生物系统中，任何一方的上述基因，都只有在对方相对应基因的作用下才能被鉴定出来。这就是基因对基因学说的基本内容。
§9.2 小麦抗病育种的基本步聚
9.2.1 抗源的搜集和筛选
优良抗源的标准是：
（l）在作物推广区对病害表现高度或中度抗病性。
（2）用目测法易评出抗性强弱 。
（3）抗病性具有优良的遗传背景，利用这种材料易得到理想品种。
搜集工作应从本地区、本国开始，并从作物初生起源中心和次生起源中心，以及育种基础好的国家或地区搜集。搜集时既要当地的生产品种 ( 系)，也要野生近缘植物及野生植物。搜集来的材料通过多年多地或人工诱发鉴定，将抗病材料筛选出来。
9.2.2 抗病性的鉴定
（1）抗病性鉴定的方式与方法 抗病性鉴定方法虽多，但都应以发病条件适宜，结果可靠为准。常用的方法有：
①田间鉴定与室内鉴定
自然条件下的田间鉴定是最基本的鉴定方法，尤其是多年多点的联合鉴定更全面更真实。但因易受气候等条件的影响，有时需要人为地控制或调节。田间鉴定一般需设病圃,病圃中要均匀地种植感病材料作诱发行。
室内鉴定受自然条件限制少，并利于控制特定小种和防止危险性病原菌的扩散。室内鉴定也要进行人工接种，同时要注意光照、温度、湿度的调节。接种方法以喷粉、喷雾较好，此法避免了对抗接触、抗侵入等抗病机制的破坏。
②成株期鉴定和苗期鉴定 成株期鉴定和苗期鉴定均可在田间或温室进行。苗期鉴定有利于对大量供试材料的初步筛选，尤其对苗期病害更为有效。由于许多品种苗期与成株期抗病性表现不一致 ( 如小麦锈病 )，所以往往需分别进行。
③离体鉴定 采集植株的叶、分蘖等进行离体培养，人工接种鉴定。此方法鉴定速度快，可同时分别测定同一材料对不同病原物或不同小种的抗病性，尤其可对正在生长的任一单株进行测定，且不妨碍它的结实。
(2) 鉴定标准与记载方法
①定性方法 根据植物受侵染部位坏死反应的有无、强弱和孢子堆发育程度的侵染型（即反应型 ）来分级的方法。过敏性坏死反应类的抗病性多用此法鉴定。例如小麦秆锈病侵染型的分级如 ( 表 )。
②定量方法 受病害侵染的植株或叶片的百分率叫普遍率；平均每一病叶或每一病株上病斑占体表的百分率或病斑密集程度叫严重度。将病害的普遍率及严重度综合成一个数值叫病情指数，作为区分植物相对抗病、感病的定量标志。病情指数值永远在 0-100% 之间。
9.2.3 小麦抗病育种途径
（1）引种
(2) 选择育种法
（3）杂交育种
(4) 远缘杂交
(5) 回交法
§9.3 小麦抗病育种中的若干问题
9.3.1 品种抗病性与丰产优质性状的结合问题
9.3.2 品种的多抗问题
9.3.3 品种抗病性的保持问题
1 抗源轮换
2 抗源积累
3 培育多系品种
4 抗源的合理布署 ( 或叫基因布署 )

§10 抗逆性育种
§10.1 抗逆性育种的意义与基本方法
10.1.1 作物逆境的种类
作物的逆境可以归纳为三大类,
温度胁迫:有低温和高温的危害，低温危害中又有冻害 和冷害 之别。
水分胁迫:有干旱和湿害、渍害,干旱又有大气干旱与土壤干旱之别。
矿物质胁迫:主要的有盐碱害和酸性土、铝害 ( 表 10- 1) 。
10.1.2 抗逆性育种方法
1、对胁迫环境因素抗耐性的间接育种 在胁迫因素存在的地块上进行生产性能试验,根据产量和品质的表现选育对该胁迫因素的抗耐性。另外一种间接育种方法是，根据与该抗耐性有密切相关的性状、特性进行选育。
2、对胁迫因素抗耐性的直接育种
（1）审慎选择具有足以代表所着重的胁迫环境的试验点，并在这样点上进行抗耐性的 选育；在所选用的试验地块上的胁迫程度应该稳定而一致，使供选材料不同程度的抗感性都能得到表现而易于识别。
（2）在人工模拟相应的危害环境或仪器设备中进行抗耐性的鉴定，这种方法特别适应于种质资源和育种早期材料的筛选。
3、针对抗逆性的基础特性的育种 这种方法不是直接针对抗逆性的最后表现，而是根据形成各该抗逆性的生理生化过程中最关键环节的指标的测定结果进行选育。这种方法也不一定可靠，但往往较便利，在不同程度上取得功效。
§10.2 抗寒育种
10.2.1 抗寒性的含义
寒害泛指低温对作物所引起的损害，根据低温的程度，分为冻害和冷害两种。前者指 气温下降到冰点以下使作物体内结冰而受害的现象；后者则指 O ℃以上的低温影响作物正 常生长发育的现象。
作物的抗冻性是指其在 0 ℃以下低温条件下具有延迟或避免细胞间隙 或原生质结冰的一种特性；
作物的抗冷性则指其在 O ℃以上的低温度下能维持正常生长发 育到成熟的特性。
越冬作物的越冬性 是指对冻害及越冬过程的冬春季复杂逆境的抗耐性。
抗雪性 则指越冬作物在雪下对低温和光线不足及雪腐病的综合抗性。
抗霜性 则指作物在晚秋或春季温度突然下降到冰点的伤害的抗耐性。
10.2.2 抗寒性的鉴定与选育
对抗寒性的鉴定和选择，一般以在田间自然条件下进行为主，以人工冷冻技术为补充。后者主要是在人工模拟本地区所发生的寒害条件下进行鉴定和选择。国内外许多学者对抗寒性的生物物理和生物化学的鉴定方法进行了探索，并有所进展。其中有的方法可能较有应用价值，如根据植株受到低温胁迫时，细胞膜受损,透性增大、外渗量增加、导电率增大，抗性较强的导电率增长较小的原理，用电导法进行抗寒性的测定。此法快速简便、不破坏样本、可重复测定，适于种质资源大量材料抗性的筛选。此法也适用于测定抗旱性、抗盐碱性等。又如叶绿素荧光法，也是非破坏性的快速测定法，也适于对大量材料的抗性的筛选。
§10.3 抗旱性育种
10.3.1 抗旱性的含义
作物所受的干旱有大气干旱、土壤干旱及混合干旱三种类型。作物对干旱的广义抗性包括避旱、免旱和耐旱三种类型。
作物的避旱性是通过早熟或发育的可塑性，在时间上避开干旱的危害，避旱性实质上不属于抗旱性。
免旱性和耐早性则属于真正的抗旱性。
免旱性是指在生长环境中水分不足 时植物体内仍能保持一部分水分而免受伤害，以至能进行正常生长的性能，包括保持水分的吸收和减少水分的损失。
耐旱性则指作物忍受组织水势低的能力，在其内部结构可与水分胁迫达到热力学平衡，而不受伤害或减轻损害。免旱性的主要特点大都表现在形态结构上，而耐旱性的主要特点则大都表现在生理上。
10.3.2 抗旱性的鉴定与选育
抗旱性育种主要还是在田间进行的。在常年干旱地区一般都在具有这样胁迫条件的田间直接按受害表现程度进行选择，或者通过产量的选择以间接选择抗旱性；而在干旱偶发地区,则着重正常田间条件下的产量表现，适当注意有关抗旱性能。根据条件和需要，可以同时设置旱地和水浇地的对比试验，或用可控制土壤水分含量的盆钵试验。用反复干旱法，以成活率判断抗旱性的强弱；此法用于小麦抗旱性的筛选是较简易而较可靠的。
根据与抗旱性有密切关系的形态和生理生化性状进行抗旱性的间接鉴定没，对抗旱性的 选育有一定的参考价值。如形态性状、生理指标,生化指标。
常规杂交育种仍然是选育抗旱品种的主要方法。通过远缘杂交、遗传工程等手段可以增进抗旱性的基因。在选育过程中，将育种材料进行多点重复的产量试验，较能保证育成抗旱性与丰产性相结合的品种。
§10.4 耐湿性育种
所谓湿害,就是由于土壤中水分过剩,造成土壤中的空气不足而引起作物生育障碍的现象。
10.4.1 耐湿性的含义根据引起土壤水分过多的原因，可将湿害分为两类：一是气象原因造成的，二是非气象原因造成的。前者指作物整个生育期间雨量过多或者在其某段生育期雨量过于集中；后者则指由于作物布局不当，如水旱作物穿插种植，或者排水不良。两者联合作用，则加剧湿害。湿害也可以根据其发生的时期来分：一类是秋冬湿害，使越冬作物幼苗损伤；一类是春季或夏季湿害，此时麦类作物正处于拔节到成熟的阶段，对产量影响很大，其中孕穗期受湿危害最大。
耐湿性，是指在土壤渍水条件下，作物根部受到缺氧和其他因素的胁迫而具有减免受害的能力。耐湿性较强的品种类型往往具有以下的主要形态生理特点：根部需氧量较少；由于通气组织的形成而增大根中空隙度；根部皮层及根毛有木质化或易于木质化；发根力较强，较易发新根；根系对土壤处于还原状态而生成的有毒物质具有一定的耐性，并在胁迫解除后有较强的恢复生长能力等。
10.4.2 耐湿性的鉴定与选青
耐湿性的一般鉴定方法有两种：场圃鉴定法和盆钵鉴定法。前者就是田间鉴定双重比较法，就是将供试材料和对照品种同时分别种植于人为湿害处理的试验田区和土壤湿度正常而其他条件基本相同的对照区，两区各设两个重复；通过各材料间及其与对照品种间在处理区有关性状表现的对比，和各该材料分别在处理区与对照区有关性状表现的对比，使供试材料的耐湿性差异得到较准确的鉴定；
盆钵鉴定法，就是将各供试材料种子分为两份，一份在正常条件下盆栽，另一份则在种子萌动时播于底部钻孔的装土盆钵内，到关键的生育期将盆钵浸于盛水的水箱或水泥池内，以分别鉴定对过湿的反应。此外，还有幼苗鉴定法,包括组织性状、生理性状及生态性状鉴定法；
通过各种育种途径和方法所创造的遗传变异，并通过耐湿性鉴定都有可能选育出 具有较强耐湿性的品种类型。较可靠的还是适当利用耐湿性强的资源材料为亲本，通过杂 交，可以将耐湿性导人综合性状优良的品种中。在选育过程中，同时在旱地和湿地试验，可以提高选育成效。
§10.5 耐盐性育种
10.5.1 耐盐性的含义
由于土壤中可溶性盐类过量对作物造成损害称为盐害，作物对盐害的耐性称为耐盐性。虽然在习惯上把碳酸纳与碳酸氢纳为主的土壤称为碱土，把氯化钠与硫酸纳为主的土壤称为盐土；但是两者常同时存在，难以绝对划分，实际上把盐分过多的土壤统称为盐碱土，简称为盐土。相应地对耐盐碱性简称为耐盐性。
不同植物、不同作物以及同一作物不同品种类型的耐盐性都有明显的差异。作物的耐盐性基本上有两种类型,一为避盐性，一为耐盐性。
避盐性又有几种不同的性能：如玉米、高粱等作物是通过泌盐以避盐害的；又如大麦则能通过吸水与加速生长以稀释吸进的盐分，而有的大麦则通过选择吸收作用以避免盐害。
耐盐性则是通过生理的适应，忍受已进入细胞的盐类，常见的方式是通过细胞渗透调节以适应因盐渍而产生的水分胁迫；另一种方式是消除盐对酶和代谢产生的毒害作用；还有通过代谢产物与盐类结合，减少游离离子对原生质的破坏作用。
10.5.2 耐盐性的鉴定与选青
作物耐盐性的鉴定筛选方法主要有以下三种,
1 营养液栽培法
2 萌发试验法
3 田间产量试验法
§10.6 耐铝性育种
10.6.1 耐铝性的含义
作物的铝害是由于土壤中可溶性铝含量过多而引起的对作物生长的抑制。
不同植物和不同作物间的耐铝性差异很大。
10.6.2 耐铝性的鉴定与选青
一般多采用幼苗营养液培养法，溶液 pH 控制在 4.O-5.0,用 AlC13 按所需要的浓度加到溶液中，此法比较简便准确。在含铝的营养液中生长的根长度可作为耐铝性的指标
§11 群体改良和轮回选择
§11.1 群体改良的意义作物群体改良(Population Improvement)是20世纪60年代以后由美国玉米遗传育种学家针对玉米生产对新品种提出的新要求、玉米育种存在的瓶颈因素，发展完善的一种新的育种体系。它通过鉴定选择、人工控制下的自由交配等一系列育种手段，改变基因、基因型频率，增加优良基因的重组，从而达到提高有利基因和基因型的频率，40多年的遗传理论研究与作物育种实践均已证明,群体改良是创造优良种质的重要方法。它不仅可以改良群体自身的性状，而且能改变群体间的配合力和杂种优势，并能将不同种质的有利基因集中于一些个体内，提高有利基因和基因型频率；同时，还可以改良外来种质的适应性，使之适应当地的环境条件，成为新的种质资源。因此，随着作物育种工作的发展和育种水平的提高，作物群体改良越来越受到国内外作物育种工作 者的重视。
11.1.2 群体改良的原理在阐述群体改良的基本原理前，首先应了解群体的概念和群体基因、基因型频率变化的基本规律。Ebbzharmky(1955)指出，遗传学上的群体指的是该群体内个体间随机交配形成的遗传平衡群体。根据群体遗传学的理论，一个容量足够大的随机交配群体，其基因、基因型频率的变化遵从Hardy-Weinberg定律。
一,Hardy-Weinberg 定律 ( 基因平衡定律 )
二、选择和重组是群体进化主要动力
从育种的角度来看，选择和基因重组是群体基因和基因型频率改变的主要因素和动力。作物的许多经济性状如产量等都是数量遗传的性状，它们都具有复杂的遗传基础，由大量彼此相互联系、相互制约，作用性质和方向彼此相同或相异的多个基因共同作用的结果。性状遗传基础的复杂性就意味着性状重组的丰富潜在性和巨大的可选择性。将不同种质具有的潜在有利基因充分聚合和集中，并加以不断地提高，这就是作物育种家所追求的目标。
从生物进化的观点，一般认为有利基因是显性基因，但从作物育种上，并不排除存在有隐性有利基因。即便是有利基因都为显性基因，要获得许多显性基因都是纯合的个体也是十分困难的。因此，群体改良的原理是利用群体进化的法则，通过异源种质的合成，自由交配、鉴定选择等一系列育种手段和方法，促使基因重组，不断打破优良基因与不良基因的连锁，从而提高群体优良基因的频率。群体优良基因频率的提高，必然导致后代中出现优良基因重组体可能性增大，即优良基因型的频率就必然增大。因而，通过作物群体改良，可以提高育种效率和育种水平。
§11.2 群体改良的轮回选择迄今为止，不同学者从不同角度、针对不同的作物和不同育种目标，提出了许多不同的群体改良方法。并且，近年来还有一些学 者根据群体遗传改良的原理，提出了一些从经典群体改良方法中衍生出来的方法，以适应育种家的实际需要。显然，在实际中选用何种群体改良方法，则要根据育种目标、选择性状遗传率大小以及杂 种优势的重要性来决定。但不论哪种群体改良方案，都包括从被改良群体中选株产生后代，对后代进行选择鉴定，优良后代自由授粉、基因充分重组形成新一轮群体等基本程序(图14-3)。
11.2.1 群体内遗传改良方法
( 一 ) 混合选择法 (mixed bulk selection)。
( 二 ) 改良穗行选择法 (modified r-row selection)。
( 三 ) 自交后代选择 (S1Or selection)。
( 四 ) 轮回选择 (recurrent selection)
1,半同胞轮回选择 (hdf-Sib recurrent seieCHon,简记为 SRS 或 HS)。
2,全同胞轮回选择 (full-sib recurrem selection,简记为 FRS 或 FS)。
混合选择法，改良穗行选择法，自交后代选择，半同胞轮回选择和全同胞轮回选择均属在同一群体内进行，一次只能改良一个群体，因此，上述方法又称为群体内改良。
11.2.2 群体间遗传改良方法
群体间轮回选择是能同时进行两个群体遗传改良的轮回选择方法，这是由美国北卡罗来纳州立大学的著名玉米遗传育种学家Gmstock等人(1949)根据玉米遗传育种的实际需要提出的，他们把这类轮回选择方法统称为相互轮回选择(Reciprocal Recment Selection,简记为 RRS)二相互轮回选择的主要目的是，通过两基础群体的改良，使它们的优点能够相互补充，从而提高两个群体间的杂种优势。
相互轮回选择通常用于在育种中主要是利用杂种优势的异花授粉作物，这种方法可以同时改良两个群体的GCA和SCA。因此，当决定某一性状的许多基因位点上既存在加性基因效应，又存在显性、上位性和超显性基因效应，以及要进行成对群体的改良时，适宜采用这一育种方案。
11.2.3 复合选择方案上述群体改良方法都是按正规模式来讲的。事实上，目前不少育种者在进行群体改良时，采用开放式的群体改良方案。一方面主张一旦发现群体有不足之处，如经改良后的群体遗传变异显著减少，或当产量性状的改进较大但某些农艺性状表现较差，就适当渗入异源种质或所需基因，以进一步增加群体的遗传变异性，使新群体具有更多的优良基因，从而有利于在进一步改良时获得更大的选择响应；另一方面，在群体改良的方法上，育种者完全可以根据群体改良的原理，针对被改良的具体对象和性状的遗传特点，对上述正规的轮回选择模式加以改进和补充，从而提高选择改良的效率。例如，为了充分利用群体的各种遗传分量，获得最大的遗传增益，可以采用半同胞轮回选择(HS)+S1(或乌)选择、全同胞轮回选择(FS)+S1(Eb)选择，或相互轮回选择(RRS)+S1(乌)等复合选择方案；并在HS+S1(Eb)选择过程中，有计划地、周期性地更换测验种或同一轮中，应用多个测验种，对群体内的基因位点进行更全面的测定，更充分地表现群体的遗传潜力，从而达到更好地提高改良效果的目的。
§11.3 雄性不育性在轮回选择中的应用作物群体改良最早是在异花授粉作物中应用，而且主要是玉米，在自花授粉作物和常异花授粉作物中，由于去雄授粉比较困难，因而限制了群体改良方法的应用。近20年来，由于一些自花授粉作物和常异花授粉作物中发现了隐性核基因控制的雄性不育遗传特性，解决了去雄授粉困难和结实少等问题，从而为它们的群体改良方法利用开辟了广阔的前景，换言之，在自花和常异
§11.4 杂种群体改良的其他途径群体改良的实质是提高优良基因、基因型的频率，在特定的群体下，优良基因和基因型频率 增加的基础在于选择和基因重组。因此，作物群体改良的方案应有助于选择和基因重组，但任何一个群体改良方案是不可能提供优良基因来源的，这就必须依赖于基础群体的选择与合成。
11.4.1 基础群体的选择 研究表明，群体改良的有效性，在特定的群体改良方法下，乃取决于群体的遗传变异的大小及加性遗传效应的高低。为此，在选择基础群体时，除应注意目标性状遗传变异的大小，还应考虑其平均数值的高低，加性遗传方差的大小及杂种优势等问题，只有这样，群体改良的效果才明显。根据以上要求，像玉米这一类异花授粉作物，可以选择以下材料作为群体改良的基础群体。
( 一 ) 开放授粉品种 (open-pollination variety)
开放授粉品种包括地方品种和外来品种。地方品种具有对当地生态环境最大适应性，所以在一定地区的育种工作中是十分重要的和必不可少的育种资源材料，自然它也是群体改良的重要的基础材料。但地方品种受制于历史上长期较低栽培水平的影响 存在着丰产性较差的局限性。
外来品种指的是来自国内外其他地区的一类品种群体，这些品种代表着适应特殊区域不同纬度、不同海拔高度的一系列广泛类型的品种。来自国外的品种群体，特别是来自不同纬度地区的品种，一般不适应本地的生态条件，故一些人将其称为非适应型。这类品种群体的最大特点是来源广泛，遗传变异丰富，常常具有地方品种不具有的优良特性。因此，它们在丰富作物种质的遗传基础，增加遗传异质性，输入优良特异基因等方面，均具有十分重要的意义。
综上所述，我们可以清楚看到，地方品种和外来品种均具有各自的优良特性，但又各有其较明显的缺陷。所以，直接利用它们作为群体改良的基础材料，显然存在不足之处，特别是在育种水平已经大大提高的今天，这种不足更为突出。IAnquist等早在1974年就提出应用具有不同特性的品种杂交后代作为群体改良的基础群体，其效果将优于单个品种群体。
（二)复合品种(composite vadety)复合品种简称为复合种。这是一种利用多个各具有特点的优良品系(或自交系)采用复合杂交的方法有计划地组配成的杂交种。因而其遗传基础较为丰富，群体的综合性状也较为优良，经过几次自由授粉后，可用作遗传改良的基础群体。现在CIYYMT向世界各国发放的群体大都属于该类群体。该类群体适宜作为中期育种工作的基础或中间群体。
( 三 ) 综合品种 (synthesis variety)
综合品种又称之为综合种。育种家按照一定的育种目标，选用优良的品系，根据一定的遗传交配方案有计划地人工合成的群体。所以，综合种具有丰富的遗传变异，群体内包含有育种目标所希望的优良基因,综合性状优良，平均数高，是进行遗传改良的理想群体。目前国内外育种学家大都利用这类材料作为遗传改良的基础群体。四川农业大学玉米研究所荣廷昭等在 20 世纪 80年代的中后期，根据四川玉米育种的要求,人工合成了“玉米育种用群体”，应用三重测交遗传交配设计(Triple Test Cr Design) 探测群体性状遗传模型，估计遗传效应,制定群体遗传改良方案，进行群体的遗传改良；选育优良自交系和选配优良杂交组合，实现了玉米群体合成、性状遗传结构的探测、群体遗传改良与自交系、杂交种选育同步进行的玉米育种新方法。
11.4.2 基础群体的合成
国内外育种实践证明，在单一品种中很难同时含有人们所需要的众多有利基因，随着作物生 产水平的提高，这种情况将越来越严重。但这些有利基因分别存在于各个种质资源中，所以单纯 利用某一自然授粉品种或其他品种群体作为遗传改良的基础群体，显然难以满足育种实际的迫切 需要。因此，有计划地把某些外来血缘或野生血缘渗进种质库，必然大大地增加可利用的遗传变 异，如果再继之以适度的选择，就可能逐步改良外来种质对特殊环境的适应性，并有希望产生育 种家认为合乎需要的优良基因重组体。
（ 一 ） 基本材料的选择选择基本材料时应注意：
(1) 在群体改良中，育种者是利用自然界存在有利基因并使之重组，而不是直接创造有利基因。目此，同时合成部鹉睦群体的基础材料自身性状必须优良，且还应具有较大的遗传变异，这样才有利于新种质群体中优良基因的积累。
(2) 用于合成新种质群体的基础材料应当广泛一些，即类型和性状的多样性要大，以利于在新的种质群体中形成丰富的遗传变异。
(3) 用于合成新种质群体的基础材料要求亲缘关系远一些，以进一步增加新种质群体的遗传异质性。
（二）合成种质群体的方式合成新种质群体时，常用“一父多母”或“一母多父,授粉法，也可将入选基本材料各取等量种子混合均匀后，在隔离区播种，进行自由授粉合成。但最好用轮交法，即首先组配组合，经比较试验后，再选优进行综合，以利于集中最优良的基因或基因型。如美国有名的种质群体坚秤综合种 (mss)，就是利用16个自交系通过双列杂交合成的。另外，用本地品种和外来品种人工合成新的种质群体也较为适宜，因为用这种组合方式合成的种质群体，能把地方品种的适应性 和外来品种的特异性有机地给合起来。因而，这样的种质群体也就更符合育种目标的要求。至于外来品种与地方品种的比例，国外研究结果(Albrecht&UIdley,1986)和四川农业大学的育种实践均表明，外来种质以占25%左右为宜。
（ 三）充分重组,提高最优良基因重组体出现的频率由于任何外来的有利基因或基因复合体在另一环境中容易被本地品种的主效基因所掩盖,因此,对人工合成的新种质群体,只能采用缓慢选择,尽量提供基因重组的机会。这种缓慢选择过程,促进基因间的多次重组,有利于打破有利基因与不利基因的连锁,导致新的基因型的出现,这就要求作物育种者一定要具有耐心。国外育种实践的经验 (IAnnqllist et al,1974) 告诉我们,希望出现有实用价值的基因重组体,至少需要 5 个世代的随机交配,然后才开始选株、进行合成 种质群体的改良工作。四川农业大学所做的玉米群体改良效果研究的结果也表明 (1990),基础 群体的重组次数对玉米群体自身产量和产量组成性状以及它们配合力的改良效果均有明显的影 响。其表现趋势为,经 4 次重组的基础群体,其产量及产量组成性状 ( 行粒数除外 ) 的改良效果 优于经两次重组的基础群体,多数性状的遗传进展,前者约为后者的 2 倍。其主要经济性状一般 配合力 (GCA) 的改良进展,经 4 次重组的基础群体的改良后代,也明显大于经 2 次重组的基础 群体的改良后代。这就充分说明建立用于遗传改良的基础群体时,必须进行多次重组后,才能进 行有效的遗传改良利用。
( 四 ) 自花授粉作物的异交化问题对自花授粉作物或常异花授粉作物进行群体改良工作的关键在于实行生殖控制，即将自花授粉作物异交化，或提高常异花授粉作物的异交程度。要实现上述目的，则必须在合成基础群体时导人雄性核不育基因，建立异交群体。根据现有的研究结果，获得异交群体的方法是，首先用杂交、回交法把隐性雄性核不育基因导人包括在群体中的每个品系，然后再把回交获得的品系的种子等量混合在隔离区种植。于是分离产生的雄性不育株将大量随机地接受来自混合群体内雄性可育株的花粉。由于只收获雄性不育株的种子，因此高水平的隐性雄性不育特性继续保留在群体 中。合成的原始群体，一般也要求在隔离区种植，随机交配4-5个世代。并且，在此过程中，除淘汰弱株、病株外，只进行最低限度的选择，从而达到最大限度的基因重组，合成优良基因型频率较高、用作遗传改良的异交基础群体。

§12 生物技术在植物育种中的应用
§12.1 细胞和组织培养在植物育种中的应用生物技术又叫植物细胞工程 是以植物组织和细胞培养技术为基础发展起来的一门学科。它以细胞为基本单位,在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿生产某种物质的过程。细胞工程与作物遗传改良有着密切关系，利用细胞工程技术已培育出一些大面积推广的品种,
植物细胞全能性是植物细胞工程的理论基础。细胞全能性是指细胞所具有的形成各种细胞类型的潜在能力,也包括植物细胞经脱分化 再形成植株的能力
12.1.1 培养基及其组成
1、培养基 (medium) 的种类和特点：常用的培养基有 MS、B5、White、N6、KM -8p,SH 等，它们的成分见表 15-1 。这些培养基各有特点，MS 培养基的无机盐和离子浓度较高，养分平衡，是目前使用最多的培养基。B5含有较低的钱离子,这个成分可能对很多培养物的生长有抑制作用。White 的无机盐含量较低,适于生根培养。 KM-8p 主要用于原生质体培养,其特点是有机成分较复杂,它包括了几乎所有的单糖和维生素、呼吸代谢中的主要有机酸。凡是花药培养中常用的培养基,其成分较简单,且 KN03 和（NH）2 N0 4 含高。
2、培养基的成分培养基中都应包括植物生长必需的 16 种营养元素和某些生理活性物质,通常将这些物质分为三大类,即无机营养物、有机物质和植物生长调节物质( 表 15-2) 。
12.1.2 培养基的配制
1,母液的配制
2,培养基的配制
12.1.3 无菌操作方法
1、消毒剂：
在接种前,必须使材料完全无菌,这是取得植物组织培养成功的基本保证。要保证这一点,取材时应选取植物组织内部元菌的材料。从健壮植株上取材,不要有伤口 ; 严格防止病虫 ; 应在 晴天取材,最好中午或下午取材。最好避免选用田间材料,选用无茵茵较好。非要用田间材料 时,为避免消毒困难,可将材料种在大棚或生长箱里。常用的消毒剂见表 15-30
2、无菌操作：准备好接种材料用的培养基、待消毒的材料、无菌水、元菌烧杯及其他必需玻璃器皿、无菌操作工具 ( 如剪刀、镀子、解剖刀等,这些工具可用高温消毒,也可用高压高温灭菌,也可随用。
无菌操作时应注意下面几个问题,整个操作过程一切用具必须始终保持元菌状态 ; 无菌操作 前必须用肥皂洗手,然后用 70% 酒精擦洗手 ; 操作时无菌器皿一旦打开,应尽量避免于再从其 上横过 ; 避免强呼吸,强呼吸时应将脸移开超净台 ; 每次重新操作都要把工具在火焰上消毒,避 免交叉污染。
3,无菌培养：材料接种后移人培养室培养,一般培养室要求非常卫生,恒温,有理想的光照控制系统,一般材料要求 25 ℃左右,晚上一般不应低于 20 ℃ 。
植物原生质体 (protoplast) 是一个没有壁的细胞。由于没有壁，质膜暴露在外界环境下，使原生质体的结构变得很脆弱，在没有一定的渗透剂和稳定剂的情况下，很快会破裂。由于上述特点，使得原生质体的操作难度较大，可一旦再生了壁就恢复了细胞的全能性，具有了同正常细胞 一样的特性。
§12.2 植物原生质体培养和体细胞杂交
12.2.1 原生质体的分离
原生质体分离的最基本原则是保证原生质体不受伤害及不损害它的再生能力，其先决条件是要有一个合适的渗透压。
（一） 分离方法 分离原生质体的方法一般有机械法分离和酶法分离两种。机械法分离是早期采用的分离方法，先对材料进行质壁分离处理，然后切割，这一过程中会释放出少量的不受损伤的原生质体。 用这一方法仅能从液泡很大的材料获得原生质体，而不能应用于分生细胞。酶法分离原生质体是目前常用的方法，可分为一步法和二步法。一步法是将果胶酶 (pecti- Ilase) 和纤维素酶 (celluluse) 等混合处理材料，直接分离获得原生质体；二步法是先用果胶酶处理材料，降解细胞间层使细胞分离，再用纤维素酶水解胞壁释放原生质体。目前多用一步法。
（二） 影晌原生质体分离的因素
1、材料来源：叶肉细胞是常用的材抖,其次为愈精练胞或细胞悬浮培养物。此外,从根、茎、叶、花、果实、胚芽销、子叶、花粉、四分体等均能分离原生质体。
2、渗透压原生质体分离之前必须确定一个适合的渗透压。
3,酶 植物细胞壁结构复杂,由纤维素和半纤维素组成,需要一定的酶组成才能降解它。
4、分离培养基。
5、培养条件酶处理时的温度和 pH 最重要。
6、组织前处理高渗前处理、激素处理、低温处理、激素与低温结合前处理等对不同植物原生质体分离可能有较好的效果。
（三） 原生质体的收集、纯化和活力测定：
原生质体酶解完成后，将其用 200 目筛过滤，滤液再用 400 目过滤，收集滤液，低速离心,去上清液。用含有酶解液同样渗透剂的元酶 CPW 液将原生质体悬起，再离心，去上清，反复几 次，便完成原生质体的洗涤工作。原生质体的纯化可采用庶糖悬浮法、梯度离心法或二相界面 法，具体操作方法可参考专业书籍。用 Evan‘sblue 或 FDA 测定原生质体活力，以确定原生质体的分离效果。
12.2.2 原生质体培养
原生质体培养前必须调到一定密度，一般 103-105/ml 的密度比较适合原生质体培养。原生质体的培养方法各种各样，依作物和材料来源而异。平板培养、液体浅层培养、悬滴培养、液、固双层培养、琼脂糖包埋、看护培养等是原生质体培养常用的方法。但不管哪种培养方法，在培养过程中，都应根据细胞生长情况不断降低渗透压。待肉眼可见的细胞团形成后，便可转移到普通细胞培养基上进行细胞繁殖和分化工作。影响原生质体培养的因素很多，物理条件如密度、光照和温度等都会影响培养效果。低于一定密度原生质体不能分裂，一般认为大群体的原生质体有利于将培养基中原生质体在培养过程中释放的有害物质脱毒。原生质体培养一般在暗处进行，有利于壁形成和细胞再生，有的物种一直在暗处直到形成愈伤组织，有的一周后移到光下。照光与否以及什么时候照光，光强如何，均直接影响着植板率，植板率的计算公式如下：
植板率=形成小愈伤块个数/接种时细胞总数×100%
12.2.3 细胞融合 ( 体细胞杂交 )
物种间生殖隔离阻碍了物种间的基因交流，从而给作物育种带来很大的局限性。原生质体融合(pmtopiast fusion)技术是实现基因重组的一条途径，目前利用细胞融合已从很多作物种、属间，甚至科间获得体细胞杂种，创造了一些自然界不存在的植物类型，有效地拓宽了植物育种的资源。
( 一 ) 融合方法分离的原生质体不带电荷，它们相互排斥，所以一般要在诱发条件下才能发生融合。异种原生质体首先发生膜接触,然后两个原生质体形成细胞质桥，最后两种细胞质将两个核包围起来而完成融合。常用的融合方法简单介绍如下:
1.N 剧 03 处理诱发融合由 NaN03 诱导的可重复、控制的离体原生质体融合是由 Power 等 (1970) 报道的。利用这一融合剂，earlson 等 (1972) 虽然在植物中获得了第一个体细胞杂种，但这种方法存在的严重缺陷就是融合频率低，而且对于来源于叶肉的高度液泡化的原生质体有害。这种融合的机制一般认为是 Na+ 造成了膜电位的改变。
2.高pH一高浓度钙离子处理烟草叶肉原生质体在高 Ca2+(0.05M CaCi2)和高pH(10.5)条件下能很快诱发融合(37℃)，但融合频率不很高，高pH也影响原生质体的存活率，且易诱发多个原生质体融合。高Ca2+高pH诱发融合的机制尚不很清楚，一般认为是改变了膜电 位及膜的物理结构。
3.PEG ( 聚乙二醇 ) 处理 PEG 诱导不仅融合率高，而且使二核融合体频率增加且无特异性。 PEG 是一个高分子量的多聚体 (1500~6000),25%~50%PEG 可立刻刺激原生质体引起 收缩，随后发生聚集。 PEG 诱发融合后应逐步去除。影响原生质体聚集及随后的融合的因子很多,如 PEG 的分子量及浓度、原生质体的材料来源、分离原生质体时使用的酶制剂、离子的种 类和浓度、融合温度等。
4,电融合当两个原生质体处于接触状态时，给一个 5~12缸叩的电流持续，原生质体首先受刺激，然后马上融合。应用电融合时，原生质体轻微收缩，表明其膜状态有一个短暂 的变化。电融合包括两个步骤,①电泳,在电极的作用下,原生质体泳到一起,建立一个膜接触 状态,形成念珠链。②融合,由于膜的可逆性电激穿,使原生质体发生融合。原生质体电融合很 受重视,因为它避免了化学物质的潜在毒害。融合率与原生质体来源、体积、念珠链的长度、脉 冲持续时间及电压等因素有关。在融合时应注意一个问题,即电刺激会造成液泡中一些毒性物质 的渗漏,影响原生质体活力。如果能用一种方法将液泡分离出来,再诱导融合较好。
( 二 ) 融合方式原生质体融合有两种融合方式即对称融合和非对称融合。这两种融合方式都能产生三种类型的杂种,综合了双亲全部遗传物质的对称杂种 ; 部分遗传物质发生丢失的非对称杂种 ; 只具有 融合双亲一方核遗传物质的胞质杂种。对称融合即双亲的核质组装在一起的融合。非对称融合指 在融合前对一方亲本原生质体施加一定的处理,钝化其细胞质,再和另一方原生质体融合,从而 得到非对称杂种或胞质杂种。对称融合也可获得这两种杂种,因为一方的染色体会发生丢失。在 进行非对称融合前,需要对供体和受体进行处理。对供体进行处理的目的主要是造成染色体的断 裂和片段化,从而使供体染色体进入受体后部分或全部丢失,达到转移部分遗传物质或只转移胞 质基因组的目的。对供体进行处理的方法有多种,射线 (X,γ和紫外线 ) 辐射原生质体 ; 限制 性内切酶处理原生质体 ; 纺锤体毒素、染色体浓缩剂处理原生质体,其中射线的作用最好。
( 三 ) 杂种细胞的筛选原生质体融合后,必须有一个可行的办法分离出融合的杂种,如果培养条件只允许杂种细胞生长,而不允许亲本细胞生长当然最好。杂种细胞的筛选很重要,因为原生质体密度很高,亲本原生质体的生长很快掩盖杂种细胞的生长,除非杂种细胞具有生长优势。常用的杂种细胞的筛选体系有如下几种,
1,形态互补利用两种原生质体形态色泽上的差异,在融合处理后,分别接种在带有小格的培养皿中,每个小格中约有 2~3 个原生质体。在显微镜下可以找出异源融合体并标定位置。
2,遗传互补利用两个自化突变互补可以进行筛选。单个隐性突变性状 ( 如白化 ) 可以与 某一形态性状结合起来用于筛选。将上述两种原生质体融合后,绿色愈伤组织多为杂种细胞形成。然后再结合形态及染 色体数目的检查就可进一步证实。
3,代谢互补利用两种营养缺陷型或两种抗性突变体的原生质体进行融合,在同时缺陷两 种物质或同时含有两种有害物质的培养基上筛选杂种细胞,能生长的细胞团可以初步认为由杂种 细胞形成。
4,生长互补 earlson 等 (1972) 发现,双亲原生质体的生长需要外源生长激素俨而由双亲 原生质体融合后形成对生长激素自主的杂种细胞,能在无外源生长激素的培养基上生长。用这一 特点选出了粉蓝烟草与郎氏烟草的体细胞杂种。
( 四 ) 杂种的鉴定通过杂种细胞筛选获得的再生植株不一定是杂种植株,应经过进一步验证才能确定。有多种鉴定杂种方法。根据形态性状判定是最简单的方法,杂种植株的叶形通常介于双亲之间,叶面积 居中,花器官 ( 花冠长度、颜色、形态等 ) 带有双亲性状。染色体计数是细胞学鉴定体细胞杂种的基本方法,但杂种染色体数目不一定正好是双亲染色体数目之和,常出现混倍体。染色体数目 的变化可能来自多细胞融合、培养过程中的细胞学变异和核与质基因融合后的不亲和。常用的生 化鉴定方法是同工酶,融合后形成的杂种应该表现出双亲的同工酶带型。分子标记鉴定可以较准确地反映融合是否成功,RAPD,盯 LR AFLP 是常用的鉴定杂种的分子标记。
( 五 ) 细胞融合与作物育种利用细胞融合可以克服远缘杂交的不亲和性,创造种间、属间杂种,为作物育种提供新材料。利用细胞融合创造了多个油菜的属间杂种,如,Brassicampus+Raphanussautytth B,campedris+R-mtiuus 等。 shermf 等 (1994) 利用融合成功地将 L -Fmdlii 的耐盐基因转入大 豆,杂种植株表现出明显的耐盐性。日本人试图将卷心菜的耐热基因转入中国的大白菜,以使大 白菜能在热带种植 (Yamagishi 等,1994) 。在十字花科植物中,lLdoricuzdiaamend 是一种介于 G 一宅 4 之间的植物,光合能力强,α马补偿点低,而且水分利用率高,又抗病。为了改良栽培 油菜的这些特性,Kirti 等 (1992) 将 lLdoricuzdiaamend 与 Bmssic α jzmcm 融合,成功地获得了 杂种植株。远缘种之间融合容易出现染色体排斥现象,某个亲本的染色体会逐渐丢失。
利用对称或不对称融合创造胞质杂种，把不育细胞质转移到另一亲本中，可以创建新的核质不育系，而且和大田有性杂交转育相比，所需的时间短。
细胞融合也可实现抗病性的转移，将N.tabacum与N.gJMinosa融合，杂种表现出对烟草花叶病毒的抗性。Grms町等(1990)将有性杂交不亲和的非洲樱桃桔与印度酸桔融合，成功地将非洲樱桃桔的抗枯萎病、抗线虫性转移到印度酸桔中。
总的来说，细胞融合获得的杂种一般在生产上难以直接利用，但这一技术可以为作物育种创造自然界不存在的新资源，对作物育种种质资源的拓展有十分重要的意义。
§12.3 重组DNA技术在植物育种中的应用
12.3.1 体细胞克隆变异及其育种利用
在过去 5000 年的历史中,植物育种从野生种的驯化开始,然后这些驯化种不断扩散蔓延。 这个过程是在很少的病理学、生物化学和植物生理学的知识下完成的。在最近的 100 年中,随着 我们对生物学知识的急剧增长,很多作物的稳产高产品种的培育,人类定向选择起主要作用。在 近 50 年中,以植物组织培养为基础的生物技术的研究与发展为植物育种提供了一些新的实验方 法和手段,并且亦培养出一些生产上有利用价值的品种。
12.3.2 体细胞克隆变异的遗传基础染色体数目变异最多见的是多倍体,主要是培养基中使用了细胞 分裂素。从大麦 (HCrdmm wlgare),异源四倍体近缘种 (H.jubatzmz) 及 种间杂种 (HV × HJ) 的未成熟胚珠 形成的愈伤组织及悬浮培养物,均产 生了多倍性、非整倍体及染色体重排。 变异的大小与培养状态、年龄、原始 材料的倍性及培养时期有关。在研究 Stylosanthes 的体细胞克隆变异时发现,二倍体变异的频率随培养时间的延长 而降低,四倍体变异的频率却随培养时间的延长而增加。
突变体的筛选：为了增加突变频率,需要进行诱变处理。将外植体、愈伤或悬浮系用诱变剂处理,如使用化学诱变剂,要充分洗涤后再进入下一步的工作。使用多大剂量和处理多长时间才能达到较好诱变 效果,应根据具体材料试验确定。在进行突变体筛选之前,首先应确定抑制剂的浓度,即利用多大剂量的筛选剂较合适。所以 必须做一个剂量实验。多数筛选是利用悬浮培养进行的,所以以悬浮培养为例说明筛选压的确 定。具体做法是,每瓶接种一定重量的愈伤组织 ( 如,0.25g),不同浓度抑制剂处理和对照均 培养一定时期 ( 如 1Od),
在作物改良上的应用利用上述方法便可筛选体细胞克隆变异,将这一技术应用于作物改良的技术路线见图 15-40
a、抗病利用病菌毒素作为筛选剂进行 抗病突变体的筛选是一种有效的抗病育种方 法。 cdson(1973) 在这方面做了开拓性的工 作,他用烟草花药培养的愈伤组织得到细胞悬 浮系,从单倍体植株的叶肉得到原生质体,经 EMS 诱变后,在含有野火病菌致病毒素类似物 氧化亚胶蛋氨酸 (MS 〉 ) 的培养基上进行筛 选,获得抗病细胞系并再生了植株。 Heinz 等 (1977) 在含有甘煎眼斑病菌 (H.&CChari) 毒素的培养基上筛选到抗病细胞系,其再生植 株 15%~20% 抗病。
b、抗除草剂该方面研究的主要目的是使作物抗除草剂,便于除草剂在田间的应用。Chaleff 等 (1984) 以烟草单倍体愈伤组织为材料,获得抗 chlorsulfuron 和 sulfomet1Iron methyl 的 烟草突变体植株 o Andex-- 皿 n 等 (1986) 从玉米体细胞元性系中筛选到一耐咪睡琳朋类除草剂的 突变体,对该除草剂的耐性提高 100 倍,再生植株及其后代在田间条件下对该除草剂均具有较好 的耐受性。
c、抗氨基酸或氨基酸类似物氨基酸代谢受末端产物的反馈抑制调控,筛选出对某种氨基酸的反馈抑制不敏感的突变体,其体内这种氨基酸的含量便有可能提高。 cdmn(1973) 首次证明了这种可能性,他筛选出的抗蛋氨酸类似物的烟草突变体,其蛋氨酸含量比对照高 5 倍。利用不同的植物为材料,分别进行了抗缴氨酸、苏氨酸等氨基酸以及抗赖氨酸、蛋氨酸、脯氨酸、苯 丙氨酸与色氨酸等氨基酸类似物的筛选。
d,耐盐以 NaCl 或海水为选择剂,对细胞或诱变细胞进行筛选,多数突变体的抗性能延 续多代,但遗传似乎不符合孟德尔规律 (Nabors 等,1980) 。 G 臼 sett 等 (1994) 筛选出能忍耐 200mmol/L NaCl 的细胞系,与抗盐有关的生化指标明显高于对照。耐盐突变体的遗传较复杂,虽获得一些结果,也有些突变体在无盐条件下一段时间后又失去耐盐性。
e,耐早人们早就认识到节水是未来农业发展中的一大要求,抗旱育种也显得十分重要。 通过细胞筛选从事耐旱的研究很少。 Smith 等 (1982) 从高粱种子诱发的愈伤组织获得了耐旱的 再生植株及种子,与对照比,耐热性、耐早性均有显著差异。此外,在耐低温 (Chen 等,1982),抗重金属 (K,1982) 等突变体筛选方面也开展了工 作。离体筛选有用突变体的工作虽有较多报道,但真正能应用的事例还很少,今后要加强突变体 的遗传规律研究、育种利用研究和变异的分子遗传研究,在理论和实践上推动该方面研究的发展。
12.3.3 单倍体细胞培养及育种利用
单倍体细胞培养在遗传和育种中的应用价值花药培养 (anther culture) 是指在获得单倍体的一种技术,之后,花粉和小子包子培养逐渐获得成功,从而使单倍体细胞培养体系更加完善。水稻的花药培养产生的愈伤组织,再生的单倍体 植株见图 15-5 。单倍体在遗传和育种研究中有如下优点,
(1)、后代的快速纯合。
(2)、提高选择效率。
(3)、排除杂种优势对后代选择的干扰。
(4),遗传研究的良好实验材料体系。
(5)、突变体的筛选。
1、离体培养条件下的细胞发育
营养细胞发育途径。
生殖细胞发育途径。
营养细胞和生殖细胞并进发育途径 。
花粉均等分裂途径 。
2,影晌花药培养的因素供体植株的生长条件供体植株的生长条件对培养效果有重要影响。
供体植株的年龄供体植株的年龄对培养效果也有一定影响 。
花粉发育时期用于培养的花蕾,其花药内小子包子发育时期对培养效果有较大影响
花蕾和花药的预处理对于有些物种,培养前对花药和花蕾进行预处理,能显著提高培 养效果。
培养基究竟是使用固体培养基还是液体培养基应根据培养材料的要求定
培养条件多数植物在 25 ℃下培养能诱导愈伤组织
3、花粉 ( 小包子 ) 培养花粉培养是指把花粉从花药中分离出来,以单个花粉粒作为外植体进行离体培养的技术。其优点在于花粉已是单倍体细胞,诱发后经愈伤组织或胚状体发育成的小植株都是单倍体植株或双 单倍体,不含有因药壁、花丝、药隔等体细胞组织的干扰而形成的体细胞植株,但它的培养难度大。
4,单倍体诱导中存在的问题对于多数植物来讲,能形成有活力胚的花药百分率很低,除此之外,还有很多问题存在。通 常花药或花粉离体培养时没有生长和发育迹象,或刚开始生长便导致胚败育 ; 在产生单倍体的同 时也产生二倍体或四倍体 ; 培养中我们需要小抱子分裂,而二倍体组织不分裂,但这种情况往往 难以办到 ; 白化苗难以避免,尤其是在禾本科作物中 ; 在混倍性的材料中很难分离出单倍体,
为单倍体细胞的生长很易被生长旺盛的多倍体细胞所掩盖 。
5,单倍体细胞培养与植物育种单倍体是高度不育的,需要进行加倍处理才能应用。秋水仙素是常用的染色体加倍药剂,可以用 1% 的秋水仙素对正处于对数生长期的悬浮细胞进行处理,一般处理 24h 左右。也可在固体 培养基中加适当浓度的秋水仙蒙 D 花粉植株在培养过程中可以自然加倍,但频率较低。将单倍体 的组织或器官用作外植体,重新诱导愈伤组织,让培养细胞在培养过程中自然加倍也是一种方法。
12.3.4 幼胚培养与远缘杂交育种
植物胚胎培养 (embryo cuKure) 是指使胚及具胚器官 ( 如子房、胚珠 ) 在离体无菌培养条 件下发育成幼苗的技术。植物幼胚和胚珠培养是植物远缘杂交育种的重要辅助手段。远缘杂交过 程中,由于亲缘关系较远,常出现不能授粉、不能受精、胚早期败育等现象。这时,利用离体受 精、幼胚培养〔胚抢救 (embryo rescue) 〕,可以获得杂种植株。胚胎培养有如下重要用途,
1、克服远缘杂种胚的早期败育现象。
2、提高远缘杂种的成苗率。
3、使种子无生活力的植株获得后代。
4、使胚发育不全的植物获得后代。
5、克服种子休眠,提早结实,缩短育种周期。
6、克服柑桶类合子胚不能生长现象。
12.3.5 种质的长期保存
种质资源是植物育种的基础，保存种质，包括我们目前尚未认识到其价值的野生种、近缘种等，对于未来植物遗传育种十分重要。传统的种质保存方式是种子繁殖和保存。但种子保存有一定缺陷：储藏年限过长，种子生活力下降，并易受病虫害侵袭，人工繁殖时需要大量的人力、物力，而且容易造成异交、混杂等；对于无性系，无法采用种子保存。细胞培养和茎尖培养再生植株技术的实现为离体试管保存种质提供了条件，这种方法只需要较少的空间就能保存大量的无性系，而且保存过程中可避免病虫害的侵袭，在特定的条件下可以长期保存，需要的时候只需将材料取出来迅速繁殖便可保存的材料是多种类型依植物材料的性质和需要定。材料可以是愈伤组织、茎尖、幼 胚、花粉形成的单倍体愈伤组织等 。
保存的方法主要有缓慢生长保存法和超低温保存法。对于生长缓慢的材料，在常规培养条件下就能保存很长时间，但大多数植物离体培养时需要频繁继代，需要通过降低生长速度来延长继代间隔。缓慢生长法主要是基于改变培养环境和修改培养基来实现对种质资源进行短期和中期保存。缓慢生长法的保存技术包括降低培养温度、减少氧气含量、将组培材料脱水干燥等。超低温保存法可以长期保存植物材料，不需要继代，其原理是在超低温情况下，使生物的代谢和衰老过程大大减慢甚至完全停止。超低温通常指低于一 80 ℃的低温，保存介质或容器有干冰(一 79℃)、超低温冰箱(-80-150 ℃)、液氮(-196℃)和液氮蒸气相(-140℃)等，其中液氮最常用。超低温保存与缓慢生长保存法相比，具有一定的技术复杂性，使用时应根据具体的材料和相关文献确定技术方案。
12.3.6 脱毒及繁殖重要晶种或材料
多数作物，尤其是无性繁殖作物，由于病毒或其他病原菌的侵染，有一个产量和品质下降的过程，常常需要对受病毒侵染的材料进行脱毒处理。病毒在植物体内的分布是不均匀的，在受侵染的植株中，顶端分生组织一般不带毒，或只携带浓度很低的病毒。由于存在这一规律，我们便可利用茎尖培养的方法使植物脱去病毒。植物茎尖脱毒在无性繁殖作物的提纯复壮中有很重要的应用价值，如马铃薯、甘薯、果树、多年生花卉等。
组织培养在植物快速繁殖中有很好用途。大多数果树和观赏植物是高度杂合的，它们的种子后代无法与原品种相同，在这种情况下，如要保持原种特性，需利用茎尖培养快速繁殖。此外，茎尖培养在保存稀有野生资源、繁殖不育远缘杂种等方面具有优势。植物材料的快速繁殖主要是 通过诱导茎芽形成实现的，可以通过两种途径使茎芽增殖。一种是通过愈伤组织诱导丛生芽形成，然后分株培养，便可获得大量遗传上基本一致的元性系；另一种是诱导茎尖或不定芽萌发或形成丛生芽也可达到快速繁殖的目的。一些腋芽、植物器官或节段起源的芽，一般处于休眠状态，通过离体培养可解除休眠而萌发。植物的脱毒与快繁技术很易使某些作物，如甘薯、果树,经济林木等形成产业化，创造显著的经济价值。
12.3.7 人工种子的生产
人工种子(artificial seeds)是指将细胞培养所产生的体细胞胚或其类似物，经过有机化合物 的包埋而形成的能在适宜条件下发芽的类似于天然植物种子的颗粒体。它通常由三部分组成：体细胞胚、人工胚乳、人工种皮。人工种子的研究在农业生产上有重要意义，它在固定杂种优势,快速繁殖良种和不育材料、节约用种、工厂化生产种子方面都有潜在价值。对术本植物来说，用人工种子可不必等待漫长的有性世代，即可以快速繁殖优良性状的转基因植物推广到生产上去。 此外，人工种子体积小，便于运输。

§13 品种审定和推广
§13.1 品种审定
13.1.1 组织体制
省级品种审定委员会一般由各有关行政、科研、教学单位的代表组成，负责该省 ( 市、区 ) 的品种审定工作。
全国农作物品种审定委员会 ( 简称全国品审会 )，由农业部聘请从事品种管理、育种、区域试验、生产试验、审定、繁育推广等工作的专家担任。负责审定适合于跨省、自治区、直辖市推广的国家级新品种；并指导、协调省级品审会的工作。
各级品种审定委员会的任务是根据品种区域试验结果和品种示范、生产的情况，公正而合理地评定新育成的或新引进的品种在农业生产上的应用价值、经济效益； 确定是否可以推广及其适应地区和相应的栽培技术。并对其示范、繁殖、推广工作提出建议。
13.1.2 审定程序
向全国品审会申报审定的品种必须具备下列条件之一：
(1) 参加全国农作物品种区域试验和生产试验，在多数试点连续两年表现优异，并经过一个省级农作物品种审定委员会审定通过的品种。
(2) 经两个省级品种审定委员会审定通过的品种。而各省、市、区的品种审定暂行条例中大多规定有：新品种须经一定年限的省 ( 市、区 ) 的区域试验，证明综合性状优良、稳定、产量高于当地同类型主要推广品种的原种 10% 以上；或者品质、成熟期、抗逆性等一项乃至数项性状有突出表现者，方可报审。
全国的申报程序,
(1) 育(引)种者提出申请并签章。
(2) 育种者所在单位审核签章。
(3) 主持区域试验、生产试验单位推荐并签章。
(4) 育种者所在省或品种最适宜种植的省级品种审定委员会签署意见。
申报的材料要附有品种来源、选育经过及完整的区域试验和生产试验资料；品种特征、特性及品质分析鉴定资料；品种植株、果穗、果实和籽粒的照片；栽培技术要点说明。还规定审定通过的品种，由育种者提供一定数量的原种交给种子部门，以便加速繁殖推广。
经各省、市、区审定通过的品种，其命名由选育单位或个人提出建议，品种审定委员会审议决定，然后统一编号、登记、正式公布，发给品种审定合格证书。而向全国品种审定委员会报审的品种通过各专业委员会审定后，整理好品种评语，提交全国品种审定委员会正副主任办公会议审核后，统一编号命名，登记，由农业部签发审定合格证书。凡全国品种审定委员会审定通过的品种名称前面加,国”的第一个拼音字母“G”和“审,的第一个拼音字母“S”，即加“GS”以示为国家审定通过的品种,如“GS中棉 12 号” 。
凡是未经审定或审定不合格的品种按规定不得繁殖，不得经营、推广，不得宣传，不得报奖，更不得以成果转让的名义高价出售。违者，全国品种审定委员会建议有关部门按“中华人民共和国种子法”进行惩处。
§13.2 品种推广
13.2.1 品种推广的方式
1 分片式
2 波浪式
3 多点式
也有采用集中繁殖、推广和分散繁殖、推广的。不管采用什么方式，都应有计划地安排，使有限的新品种种子，及早地在生产上发挥作用。
13.2.2 品种区域化和良种的合理布局
在推广良种时，必须按照不同品种的特征、特性及其适用范围，划定最适宜的栽培、推广地区，以充分发挥良种本身的增产潜力；另一方面要根据本地自然、栽培条件的特点，选用最合适的良种，以充分挖掘和发挥当地自然资源的优势。这样因地制宜、因种制宜地选用、推广良种，才能使品种得到合理布局并实现区域化品种区域化 就是根据品种区域试验结果和品种审定意见，使一定的品种在其相应的适应地区范围内推广的措施。在一个较大的地区范围内，选用、配置具有不同特点的品种，使之能保证丰产、稳产的作法，便是品种的合理布局。
13.2.3 良种必须合理搭配
在一个生产单位或一个生产条件大体相似的较小地区内 ( 如一个乡、村或一个农场 )，虽然气候条件基本相似，但由于地形、土质、茬口和其他生产条件 ( 如肥料,劳、畜力，机具等 ) 的不同，在推广良种时，每个作物应有主次地搭配种植各具一定特点的几个良 种，使之地尽其利，种尽其能，这就是品种的合理搭配 。
为防止生产过程中，发生品种混杂，一个生产单位，同一作物一般可搭配种植 2-3 个品种； 而像棉花那样容易混杂的经济作物,一个生产单位，甚至一个县，还是以一地一种为好。
13.2.4 良种良法相配套
不同良种具有不同的遗传性，具体表现在不同良种的生长发育特点及其对外界条件的要求是不同的。为了充分发挥良种的作用，还必须熟悉和掌握每个良种的生长发育特点 ( 如适宜的群体结构、发育早晚、肥水要求等 )，以便在推广时，能有针对性地采取相应的栽培措施，创造适合于每个品种生长发育所需要的条件，促使其正常的生长发育，最大限度地获得高产、稳产及最大的经济效益。即推广良种时，只有良种良法配套，才能真正发挥良种在生产中的作用。
§13.3 种子生产
一个新品种经审定被批准推广后，就要不断地进行繁殖，并在繁殖过程中，保持其原有的优良种性，以不断地生产出数量多，质量好，成本低的种子，供大田生产用。这种繁殖、生产良种的过程就叫种子生产 (seed production) 或种子繁殖 (seed increase)，也有叫良种繁育的。
一个品种按繁殖阶段的先后、世代的高低所形成的过程，叫种子生产程序。这种程序各国不完全相同。如美国由育种者亲自掌握、繁殖和供应的高纯度种子称育种者种子 ；由育种者种子直接繁殖，并经严格选择的种子称基础种子,一般由育种单位自己或州农业试验站繁殖；育种机构将基础种子配给专门的农场或将基础种子作为专利转让给各公司繁殖出来的、并经种子检验机构检定认可的种子称登记种子 。由登记种子繁殖，保持一定纯度，并经检验机构认可的种子称检定种子 。因为登记种子或检定种子只要经检验合格，都可作大田播种用，所以也统称为合格种子。
种子由种子公司分等、分级销售。检定种子的后代，一般不许再作种用。
在中国，一般将种子生产程序划分为原原种，原种和良种三个阶段。由原原种 产生原种，由原种 产生良种。
原原种是由育种单位所提供的该品种纯度最高、最原始的优良种子，也有叫超级原种的，相当于国外的育种者种子。
用原原种直接繁殖出来的；或由正在生产上推广应用的品种经过提纯更新后，达到国家规定的原种质量标准的种子,称为原种，相当于国外的基础种子。
原种再繁殖若干代后，符合质量标准，供应大田生产播种用的种子，称为良种，相当于国外的检定种子或合格种子。但也有将新品种开始生产和推广时的最原始的高质量种子，称为原种的。
国家标准局所颁布的中国农作物种子分级标准中,除将棉花种子分为原种及原种一代、二代、三代外，其他作物种子均分为原种、一级良种、二级良种和三级良种等 4 级。它主要是按品种纯度、净度、发芽率等定级，而不是按种子生产程序或世代来划分的。
中国的种子生产体系，是随不同历史时期的社会、经济发展而发展的。如在 50 年代后期，中央提出了,主要依靠生产队自选、自繁、自留、自用，辅之以国家调剂” 的“四自一辅” 种子工作方针，要求集体生产单位，自留大田生产用种，国家只进行必要的调剂。
以后，各地逐步形成了以县良 ( 原 ) 种场为核心，生产原种；公社或大队良种场 ( 队 ) 为桥梁繁殖良种；生产队设置种子田就地繁殖种子，供应大田播种用的三级良种繁育体系。这主要适应于三级所有、队为基础的农业生产体制。
70 年代也有采用以大队为单位，建立专业队，统一繁殖、统一保管、统一供应种子的,三统一”供种的作法；有的由公社统一配制玉米、高梁、水稻杂交种，目的在于解决生产队兼顾大田生产和自繁种子的矛盾，同时这种做法也有利于防杂保纯。
1978 年以后，为了适应农业现代化的发展，农业部提出了“品种布局区域化，种子生产专业化，加工机械化，质量标准化，以县为单位有计划地供应良种”的“四化一供”任务。
1989 年国务院颁布的“种子管理条例” 指出：国家有计划地建立种子生产基地，实行专业化生产的同时，也鼓励具有一定技术力量和生产条件，并经农业部门核准的乡、村集体经济组织和个人，按有关技术操作规程生产自用的良种。
品种更换〔 就是用新选育出的优良品种，替换生产上表现不良的另一品种。
品种更新是用各种提纯方法生产出产量、品质和纯度更高的原种或贮藏的原种，去定期地更换生产上已经混杂,退化了的同一品种。
13.3.1 种子生产的程序和体系目前，中国主要作物的种子生产体系大致是：
1、稻、麦等自花授粉作物和棉花等常异花授粉作物的常规品种，经审定通过后，可由原育种单位提供原原种，省 ( 地、县 ) 良 ( 原 ) 种场繁殖出原种；对生产上正在应用的品种，可由县原 ( 良 ) 种场，采用三圃制或二圃制等方法提纯后，生产出原种，然后交由特约种子生产基地或各种专业村 ( 户 ),繁殖出原种一、二代，供生产应用。
2、对于玉米、高梁、水稻等的杂交制种，因要求有严格的隔离条件和技术性强等特点，可实行“省提、地繁、县制”的种子生产体系。即由省种子部门用育种单位提供的,三系”或自交系的原原种繁殖出原种；或经省统一提纯后产生的原种；有计划地向各地、市提供扩大繁殖用种。地、市种子部门用省提供的三系或自交系原种，在隔离区内繁殖出规定世代的原种后代。县种子部门用地、市提供的亲本，集中精力配制大田用的杂交种。
13.3.2 品种的混杂、退化及其防止
品种混杂是指在某一个品种群体中，混有其他作物、杂草或同一作物其他品种的种子或植株，也称机械混杂。
品种退化是指作物品种群体经济性状发生劣变的现象。品种的混杂、退化虽是两个不同的概念,但它们之间常有共同的表现和内在联系。
引起品种混杂、退化的原因很多主要有：
非遗传原因 ( 间接原因 )
机械混杂
生理影响
过大种子、过熟种子、早抽茎种子、未熟种子等
成熟期遇低温或高温环境影响、混入恶性杂草种子遗传原因 ( 直接原因 )
天然杂交 ( 生物学混杂 )
突变
近交衰退
随机漂移 ( 采种个体数较少，发生随机漂移，改变群体遗传组成 )
逆选择或逆淘汰 ( 包括自然选择和人工选择 )
微效基因的继续分离
倒退：如诱变育种育成的品种发生回复突变等。
防止品种混杂退化的措施：
1、机械混杂：防止的办法是严格执行防杂保纯措施和规章制度。
2、天然杂交：防止办法，主要是采取合适的隔离措施。不但不同品种的种子田要彼此隔离，就是与同一品种而级别较低的种子田和可能发生天然杂交的异种植物也要隔离。
3、选择作用,防止措施是尽量减少长期的自然选择，保持品种的原有遗传平衡状态，或者加强人工选择。
4、遗传基因的继续分离,防止措施，在尚未稳定的群体中继续选株自交，使之达到纯合，增加品种群体中个体的遗传稳定性。然后从自交株系中选株混合,建立一个优良而整齐一致的基础群体,同时从中选择多个自交株系，混合繁殖。
5、不良环境条件的影晌
13.3.3 我国现行的种子生产方法
1、重复繁殖的种子生产法 当新品种审定通过后，育种单位便应向有关省 ( 地,县 ) 种子部门提供一定数量的原原种或原种。由他们组织有关的良 ( 原 ) 种场扩大繁殖出供生产应用的良种。
2、原种生产 在种子生产程序中，一般都由原种产生良种。所以，搞好原种生产是良种繁育工作及种子生产程序中最基本的环节，是影响整个种子生产成效的关键。目前，我国主要作物原种生产的方法有：
（1）自花授粉、常异花授粉作物的原种生产目前，中国对水稻、小麦等自花授粉作物和棉花、甘蓝型油菜等常异花授粉作物常规品种的提纯、生产原种的方法主要是采用“单株选择，分系比较，混合繁殖”的循环选择法。即从某一品种的原种群体或其他繁殖田中选择单株，通过个体选择、分系比较、混系繁殖，生产原种种子。原种种子再繁殖一二代，产生良种,供大田播种用。这种方法，实际上是一种改良混合选择法。因为选择、比较、混系过程的长短不同，而有二年二圃制和三年三圃制的区别。
（2）水稻三系的原种生产亲本纯度的高低，直接影响杂种优势的大小。为了在生产上利用高优势的杂交种，便必须不断地对亲本进行提纯。水稻三系提纯的基本方法是“单株选择，成对回交和测交，分系鉴定，混系繁殖” 。近年来，各地为了简化三系的提纯方法，对上述方法进行了改进。如四川、江西采用了“三系配套”法，江苏推广了“三系七圃”法，浙江金华地区建议用“改良提纯复壮”法等。
（3）玉米自交系的原种生产自交和选择是提纯玉米自交系，生产原种的基本措施。 因为自交能使混杂的玉米自交系的性状发生分离、纯合。通过连续几代自交和选择，可获得遗传性较纯合、性状整齐一致的自交系。对混杂不太严重的自交系可采用选株自交，穗行鉴定的穗行鉴定提纯法生产原种。对混杂比较严重的自交系，可采取选株自交，穗行鉴定，测定配合力的穗行测交法生产原种。这样使提纯后的自交系，既能保持其原有的典型性,又不降低配合力。
3 杂交种的生产 要在生产上利用杂交种，必须搞好亲本繁殖和制种工作，以生产出数量多、质量好，成本低的杂交种子，供生产应用。杂交种的生产比一般种子生产要复杂得多。其主要的技术环节有：
（1）选好制种区
（2）规格播种
（3）精细管理
（4）去杂去劣
（5）及时去雄授粉
（6）分收分藏
（7）质量检查
13.3.4 良种的加速繁殖
常用的措施是提高繁殖系数和采用一年多代繁殖。
种子繁殖的倍数叫繁殖系数,它是产量为播种量的倍数。 提高繁殖系数的主要途径是节约单位面积的播种量；同时提高单位面积产量。
一年多代繁殖的主要方式是异地或异季繁殖。即选择光、热条件可以满足作物生长,发育所需要的某些地区，进行冬繁或夏繁加代。