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大豆杂交种研究进展

孙寰，赵丽梅，王曙明，王跃强，李建平

（吉林省农业科学院，吉林省公主岭136100）

杂交种的应用，不仅大幅度提高了产量，加速了农作物遗传改良进度，还促进了种子产业的兴起和繁荣。杂种优势利用所产生的巨大经济和社会效益，是很难用简单的数字来评价的。中国不论在杂交种的应用还是在杂种优势研究方面，在国际上都占有重要地位。杂交玉米面积，占玉米总面积的85%以上，在玉米主产区已达100%。杂交水稻的应用和研究始终处于国际领先地位，杂交稻面积占水稻总面积的55%以上。中国是世界上种植杂交油菜最多的国家，杂交油菜已占40%左右，由我国科学家发现的波里马不育系是目前世界上应用最广的油菜不育细胞质源。近年中国在大豆细胞质雄性不育及杂交种研究上，又有突破。本文以吉林省农科院的研究为基础，重点介绍中国在该领域研究上取得的进展。

在生产上成功应用大豆杂交种，必须具备以下四个条件：1、有可靠的方法避免母本自交。2、杂交种有较强的优势。3、有适当的传粉媒介。4、种子价格农民可以接受。从商业化生产大豆杂交种的角度看，目前在这四个方面均取得实质性进展。

一、 细胞质雄性不育研究

避免母本自交是生产杂种种子的前提条件。在作物杂优利用实践中，一般采用以下三种方式：1、人工或机械去雄。如玉米、棉花等。但大豆花小数量又多，开花前即授粉，除进行小规模科学试验外，这种方法不可行。2、化学杀雄。利用杀配子剂，杀死雄配子。在小麦上已得到成功应用。在大豆上也做过试验，但由于现有杀雄剂药效持续时间较短，而大豆开花期长，需要多次打药，有的杀雄剂对大豆有一定药害，应用不当会造成皱叶及植株矮化，但只要找到适当的杀雄剂，可克服上述缺点，又不污染环境，这一途径是应该探讨的。目前，杀雄剂种类越来越多，应积极开展应用研究。3、遗传控制。主要是利用各种类型的雄性不育系。本文重点讨论可实际应用于杂交种生产的细胞质雄性不育系。

（一）不育系选育

　　目前，有关大豆细胞质雄性不育的研究主要集中在中国。Davis（1985）于17年前在一项专利中声称发现了细胞质雄性不育系。美国大豆品种Elf是不育细胞质的供体。然而，按照专利中公布的遗传模式和试验方法，尚没有人能重演他的试验结果。孙寰等（1993，1994，1997，2000，2001）于1983年启动了一项远缘杂交计划，在全国设六个杂交圃，南起福建泉州，北至吉林省公主岭，横跨19个纬度。目的之一，是选育细胞质雄性不育系。1985年，发现以栽培大豆167（汝南天鹅蛋）为母本，与野生大豆035（5090035）杂交，F1高度不育。正反交试验表明，167含有不育细胞质。经五代核置换回交，1993年育成了细胞质雄性不育系OA及同型保持系OB。由于轮回亲本为野生豆，不育系OA具有典型的一年生野生大豆表现型。以回交早代OABC3为母本与栽培大豆进行测交，很快在栽培大豆“伊川绿大豆”中找到了保持基因，经五代回交，于1995年育成了具有栽培大豆表现型的不育系YA和保持系YB，同时找到了恢复系，实现“三系”配套。为便于区分不同来源的细胞质，源于汝南天鹅蛋的不育细胞质称为RN细胞质。目前，已育成数十个适于不同生态区种植，农艺性状优良、不育度高、育性稳定的不育系和恢复性好的恢复系。第一个细胞质雄性不育系的育成，在一定程度上推动和促进了该领域的研究。李磊等（1993）注意到，以中豆19为母本的一些杂交组合，F1或更高世代出现不育株，并指出这种不育是由遗传原因造成的。彭玉华等（1994）发现中油89B携带不育细胞质，与显性核不育基因结合，产生质核互作雄性不育。中油89B的细胞质来自ZD8319，即中豆19。后来，不同的作者或同一作者在不同场合交互使用中豆19和ZD8319，上述两位作者当时的试验结果虽然不够详实，但对确定中豆19含有不育细胞质提供了足够的遗传信息，为中豆19这一遗传资源的进一步利用打下了基础。以下称中豆19细胞质为ZD细胞质。到了九十年代末，以ZD细胞质为基础，张磊等（1997，1999a，1999b）育成了W931A-948A等五个不育系，赵丽梅等（1998）育成了不育系ZA，许占友等（1999a，1999b）育成了阜CMS1A-3A。赵丽梅等（1998）还发现另一栽培大豆XXT也携带不育细胞质，简称XX细胞质。盖钧镒等（1995，1999）和丁德荣等（1999）发现杂交组合N8855×N2899F1高度不育，经反复验证和正反交试验，确认N8855携带不育细胞质，并育成了不育系NJCMS1A-2A。由于作者未公开不育细胞质供体的真实名称，无法确定是否与上述三种细胞质之一相同。

　　目前已发现三个来源不同的不育细胞质RN、ZD、XX和一个来源待定的不育细胞质供体N8855。看来，含有不育细胞质的种质资源在中国广泛存在。中豆19是推广面积较大的优良品种，凡以中豆19为细胞质供体的衍生系，以及中豆19的原始亲本均含有不育细胞质。

（二）遗传

孙寰等（2000，2001）的初步研究表明，源于RN细胞质的不育系属配子体不育。就所研究的具体组合而言，恢复基因为显性单基因RfRf。有可能存在非等位恢复基因和微效修饰基因。以花粉败育率做为育性的标准，其主要遗传特征为：①基因型S(Rfrf)为半不育，花粉败育率接近50%。②上述基因型后代只分离出可育和半不育株，其基因型为S(RfRf)和S(Rfrf)，只出现极少数不育株。③只有S(Rfrf)×N(rfrf)或S(rfrf)×N(Rfrf)的回交后代才能分离出不育株。④产生上述遗传现象的主要原因是在配子体不育中，rf配子只能通过雌性器官传递给后代，亦即雌配子rf有生活力，而雄配子rf无生活力。

产生不育系OA的原始杂交组合（167×035）F1植株高度不育。已查明父本035含有纯合易位染色体，与167杂交后，F1植株为杂合易位，产生50%败育花粉。同时，配子体不育的Rfrf基因型也产生约50%的败育花粉。两者相互作用的结果致使F1高度不育。以167为母本，与携带保持基因的栽培大豆YB杂交，F1花粉败育率为30-40%，是典型的配子体不育，未出现高度不育的F1这一遗传现象。由于未以167为母本和大量栽培大豆测交，是否会在父本无易位的情况下出现F1代高度不育的遗传现象，尚需进一步观察。针对ZD细胞质的遗传研究结果很不一致，李磊等（1993，1995）和彭玉华等（1994）以中豆19为母本测交时，均发现有的组合F1高度不育。他们都认为这是由核不育基因为显性所致。许占友等（1999a，1999b）的试验结果表明，阜CMS1A的核不育基因为显性单基因。阜CMS2A为不完全显性单基因。阜CMS3A为多基因，至少有6个微效基因，同时指出前两者易恢复，后者不易恢复。作者未在控制受粉的情况下做精确的遗传试验，只根据核置换回交过程中不同世代花粉败育百分数的变化推算基因的作用和数目，所得结论值得商榷。一般情况下，核不育基因为显性时，很难找到恢复系，而阜CMS1A和CMS2A却容易恢复，对此作者没有做出解释。细胞质不育中，核不育基因没有主效，而由六个微效基因起作用的遗传现象也极少见。张磊等（1997，1999a,1999b）以ZD细胞质，与三个不同的核供体杂交时，F1均出现大量不育株，与另两个核供体杂交时，F1完全可育。作者并不认为这是由核不育基因为显性所致。而解释为存在一个“修饰抑制”基因，“当RfRf一对可育基因同时存在时，表现可育，当处在杂合基因型Rfrf时，修饰基因的补偿作用就足以抑制其中一个Rf的表达，而使其中另一个不育基因rf得到表现”他认为核不育基因为隐性，而不是显性。这一假设还需由试验证实。

（三）育性稳定性

作物细胞质雄性不育系在一定条件下都存在育性发生转换的问题。育性是否稳定，不仅对不育系和杂交种的纯度有很大影响，决定一个不育系能否用于配制杂交种。孙寰等（2000，2001）利用人工气候箱，对野生型大豆细胞质雄性不育系和保持系OA、OB进行了严格的控光、控温试验。在昼夜温差分别为25℃/15℃、30℃/20℃和35℃/25℃时，不育系OA均表现高度不育，花粉败育率为100%。光照时间分别为12.5、14.0和15.5小时时，不育性也极为稳定，花粉败育率为99.65%-99.96%。保持系OB在不同的光照和昼夜温度处理下，均表现高度可育。Smith等（2001）的试验证实了这一点。然而，不同栽培大豆不育系间育性稳定性有很大差异。有些不育系育性不稳定，在不同年份，不同地点，育性变化较大。甚至在同一年份，植株的不同部位（如主茎与分枝，主茎的不同节位等），花粉育性亦有差异。但多数不育系高度稳定，经多年在不同环境下种植，均保持很高的不育度。JLCMS29A和JICMS4A在我国吉林省和美国印地安那州种植，花粉败育率均高达100%。不育系育性是否稳定，主要取决于保持系。在不育系选育初期就应该注意育性稳定性问题。与不育系的稳定性相比，杂种F1的育性稳定性更为重要。它在很大程度上决定一个杂交种能否大面积应用于生产。尤其是配子体不育，多数组合F1只有50%可育花粉，在一定条件下，可育花粉百分数可能大幅度减少，造成F1不结实。大量的多年多点F1测产结果表明，有些组合育性稳定，而有些组合不稳定。可育花粉百分数可在低于50%到接近100%之间变化。F1杂种的育性稳定性与双亲都有关系，而恢复系的恢复能力如何，起主导作用。初步观察表明，极端环境条件，如高温、干旱可诱发不育，而土壤干旱的影响似乎更为明显。在无条件做精确控温、控水试验的情况下，多年、多点试验是育性稳定性鉴定可行而有效的方法。尤其应注意高温、干旱地点的选择与应用。加大鉴定的选择压力，对目前已有的四个不育细胞质源RN、ZD、XX和N8855进行不育系和F1育性稳定性比较试验和寻找新的不育细胞质，是提高育性稳定性应优先考虑的几个途径。野生型不育系OA的育性高度稳定有些出乎意料，其生物意义是什么？是否与染色体易位有关？有待进一步研究。

二、制种技术研究

有了强优势组合，能否生产出大量低成本的杂种种子，就成了杂交种产业化的关键。有关这方面的研究和报导很少，Palmer（2001）介绍了已发表的大部分文献资料。利用不育系生产杂交种，制种技术的核心问题是如何有效地将父本花粉传递给母本，并确保有足够高的结实率。目前，作物杂交种生产中实际应用的传粉媒介有三种：风媒、虫媒和人工授粉。由于大豆花小，数量多，每个花人工授粉后平均只能产生1.5粒种子，人工授粉效率极低，成本高。除遗传育种研究采用人工授粉外，无法用于商用杂交种生产。从理论上说，风也可以为大豆传粉，但由于大豆花粉数量少、粘重，花药与柱头不外露，柱头可接受花粉的相对面积小，在花中处于不利于接受风力传粉的位置。同时，密集分布的大豆叶片，也在某种程度上阻碍了花粉的传播。利用风力传粉生产杂交种的可能性似乎很小。在不育系的异交结实种子中，风力授粉占多大比例，尚无人研究。赵丽梅（未发表）在田间做了花粉截获量研究，以研究风力传粉的可能性。从8：50到13：45，三天截获花粉的累计时间为5.8小时，于母本行（不育系）开花部位截获的花粉平均数量为2.29个/平方厘米。落到柱头上的花粉数量就微乎其微了。由于风力传粉成本最低，在这方面的探索仍在进行。李磊等（2001）在田间利用吹风机做了传粉试验，结果表明，风不能为大豆传粉。有人试图通过改变花的形态性状，如花药外露、无花瓣或龙骨瓣开度大等基因型，以利于风媒传粉。白羊年等（2002）认为利用虫媒传粉前景不乐观，主张利用风媒或以风媒为主传粉。作者着重研究了不育系和品种资源中可能与风媒传粉有关的性状，如花瓣大小、龙骨瓣开张角度、散粉性、花粉数量、雌性育性等。多数性状在不同基因型间都有明显差异，有进一步改良的空间。作者也发现不同不育系间天然异交率有明显差异，对于至关重要的异交率与上述性状之间有什么直接联系，未能得出肯定的结论。作者观察到不同基因型间花蓟马数量有差异，而不育株与其相应可育株在蓟马数量上，差异不显著。大豆花具有典型的虫媒花特征，有完整的蜜腺，开花时泌蜜。利用昆虫传粉，一直是研究的热点。自1993年育成大豆细胞质雄性不育系起，我们就集中力量研究利用蜂类传粉，已取得可喜进展。恢保关系的测验、不育系和保持系提纯、小批量高纯度不育系生产以及初级产量鉴定和区域试验用种的生产已完全通过昆虫传粉在网室内进行，免除了人工杂交。大大提高了杂种优势利用研究的效率。在田间开放条件下大量繁殖不育系和生产杂交种，结荚率也稳定达到60%以上，有的高异交率不育系繁殖，结荚率高达80-90%。2002年内蒙古大面积制种，制种产量达到700-1003.3公斤／公顷。总结多年的研究与实践经验，所谓高效制种技术，概括起来，就是处理好植物-昆虫-环境三者关系。

1、传粉昆虫：

讨论传粉昆虫应区别两个不同的概念，一是在自然条件下有可能为大豆传粉的昆虫，一是在科学研究和商业化生产杂交种过程中，进行辅助授粉时，人工释放的传粉昆虫。在豆田活动的昆虫，只要能接触到花，都有可能传粉。赵丽梅等（1999）利用网捕法，在吉林省公主岭地区于大豆开花期间捕捉到多达10个目，39个种的昆虫，可能与传粉有关的昆虫有蝇类（11科），蜂类（9科）和蓟马。丁德荣（2000）在南京地区观察到6种昆虫造访大豆花，主要传粉昆虫为蓟马。不论是核不育系，还是细胞质雄性不育系，在一定条件下，天然异交率都可能达到50%以上，表明豆田的天然昆虫群体是极有利用价值的传粉媒介。不同生态条件下，主要的传粉昆虫种类可能不同。蓟马普遍存在于豆田。卫保国等（1997）认为蓟马是主要传粉媒介。多数研究者未能把蓟马与其它昆虫的传粉活动区别开来，很难确定蓟马传粉占多大比例。丁德荣虽然把蓟马与其它体形较大的昆虫隔离开来，但每朵花只有0.6个蓟马，每株只结2-3个荚，不到相应正常可育株的5%。通过人工释放昆虫进行辅助授粉，使用哪种昆虫，主要考虑昆虫的传粉效率、成本，昆虫群体是否容易管理与调控，以及是否会对大豆和环境造成危害等。目前应用最多的是蜂类，主要是蜜蜂和切叶蜂。在封闭网室内，两者均有效，切叶蜂效率较高。在4×6×2的网室内放10头左右雌蜂即可。分批投放比一次投放效果好。在网室内利用蜜蜂传粉，对管理与控制的技术要求较高。成年蜂不适应网室环境，传粉效率低，在网室内孵出的幼蜂，容易诱导，在植株上喷洒适当引诱剂，可提高蜜蜂造访大豆花的频率。选用性情温顺的蜜蜂，避免使用高度过低的大棚和白色纱网，亦很必要。蓟马可穿越纱网，在封闭大棚内做传粉媒介，无法保证不同育种材料间的有效隔离。在开放条件下，也以苜蓿切叶蜂传粉效果最佳。切叶蜂不是社会性昆虫，传粉是个体的独立行为，不受其它个体的影响。同时，切叶蜂飞翔能力比蜜蜂差，不会从豆田逃逸太远。笔者于2001年和2002年分别在吉林省和内蒙古地区繁殖不育系和配制杂交种。每块制种田的面积为0.5-1.0公顷。高异交结实率的不育系繁殖田，不育系结荚平均达到80%以上，一般不育系繁殖田和杂交种制种田，结荚率也达到了60%以上。不育系与保持系或恢复系种植比例以2：1为佳，单位面积产种量较高。蜂群也需根据开花情况分批释放。在开放条件下，蜜蜂传粉效果不如切叶蜂。喷洒引诱剂可在一定程度上吸引蜜蜂，但成本较高。由于蜜蜂蜂源充足，成本低，利用蜜蜂传粉仍是选择之一，研究工作仍在继续。

2、环境选择与控制：

任何作物杂种的生产都有最适宜的环境。由于大豆异交率低，又需昆虫传粉，对环境的要求更为苛刻。概括地说，适宜的制种环境为开花期干旱少雨，有灌溉。在这种环境下，大豆花完全开放，散粉好、泌蜜多，传粉昆虫活跃。Davis（1987）强调，整个夏季降雨量低于50mm或100mm有利于制种。这个条件过于苛刻。我们的实践表明，在东北和内蒙古地区，七月份降水量低于100mm即可获得满意的传粉效果。干旱地区农业生产条件一般较差，往往受风沙、盐碱的危害，病虫害亦较重，特别是大豆孢囊线虫、蚜虫和红蜘蛛频频发生。放蜂期间不能使用可杀死传粉昆虫的农药，蚜虫和红蜘蛛应在放蜂前彻底防治。大豆对隔离区要求不严，制种田周围100米内无其它大豆即可。不论用何种昆虫传粉，制种田块越大越好。大规模连片种植可减少蜂类选择其它蜜源的机会。适时灌溉，制种田附近有水源，可提高异交率。环境选择的另一个重要内容，是寻找天然传粉昆虫种类多、数量大的生态区。笔者曾在美国北卡来罗那州立大学的大豆试验田，观察到大量的蜂类和蝇类，能不时听到它们飞翔时发出的嗡嗡声，甚至随手即可捕到蜂或蝇。那里种植的大豆核不育系天然异交率非常高。可以肯定地说，在类似这样的生态环境下制种，即使不放蜂，也有可能生产商用杂交种。究竟是什么因素造就如此大的天然昆虫群体尚不清楚。寻找和发现这类生态环境的最直接而有效的办法是在大豆开花期，观察豆田昆虫活动情况，调查与传粉有关的昆虫数量，另一个方法是在不同地点种植不育系，调查天然异交率。

3、大豆基因型：

这里讨论的基因型问题，主要指不同不育系间天然异交率的差异。关于不同大豆品种以及不同ms型核不育系间天然异交率有很大差异的报导已有很多。到目前为止，尚没有精确的试验表明哪个或哪些性状与异交率有直接关系。从育种实践的实际需求出发，近年来我们在三个生态条件差异较大的地点有重复的种植不同的不育系和保持系，花期检查不育系花粉育性，剔除可育株，成熟时统计单株平均结荚数和粒数，以保持系为对照，计算异交率。一个材料连续种植两年。利用这种方法鉴定出两个高异交率不育系。为这一重要性状的遗传研究以及通过遗传改良进一步提高不育系的异交率打下了基础。对花器构造的初步观察表明，花器的大部分形态性状似乎与异交率高低无直接关系。花的大小、花药和柱头是否外露、龙骨瓣是否开张等，对昆虫传粉意义不大。传粉昆虫在采集花蜜和花粉时，只要接触到花粉，就能起到传粉作用。特别是切叶蜂，以采集花粉为主，其腹部碰到龙骨瓣时，在压力和震动摩擦的作用下，龙骨瓣会迅速打开，腹部接触到花粉。与形态性状不同，能吸引传粉昆虫的花器分泌物，如花蜜或某些挥发物质可能与异交率有关。从理论上说，不管风媒还是虫媒，保持系和恢复系的花粉数量对异交率都可能有影响，而不同大豆基因型间花药的大小、花粉数量存在明显差异。选育花粉量大的基因型是值得探讨的。

三、杂种优势测验及第一个大豆杂交种的育成

杂种优势大小，是决定大豆杂交种能否商业化的关键因素之一。由于难于产生大量F1种子，对大豆杂种优势大小的研究多数都不是在多年、多点、多重复、多行小区的试验条件下进行的。虽然试验不能精确的反映杂种优势大小，但已有的研究结果足以证明大豆有较强的杂种优势。吉林省农科院于1996-2000年期间，组织全国六省七单位开展了大规模的杂种优势测验研究。孙寰等（1998,1999）初步总结了部分试验结果。王曙明等（2002）做了详细总结。本试验共使用715个亲本，配制了1326个组合。第一次产量鉴定采用单行或双行区，测产小区面积不小于2.5m²。结果表明超高亲优势率平均为6.8%，超对照优势平均为11.9%，超高亲优势率超过30%以上的组合占19.8%超对照优势率超过30%以上的组合占25.3%，超高亲与超对照优势率同时超过20%以上的组合占18.3%。从第一次测产中选出176个高优势组合，在两个地点进行第二次测产。超高亲与超对照优势率同时超过20%以上的组合占22.1%，筛选出39个高优势组合。本试验中高优势组合的绝对产量值并不重要，最有价值的是证明了在大豆杂交组合中，同时超高亲又超对照的组合占相当高的比例。试验也表明，多数高优势组合的亲本亲缘关系较远，其中中国×外国的组合优势突出。

以细胞质雄性不育系为母本，以恢复系为父本配制的第一个高优势组合H99-54，两年区域试验平均比对照品种增产21.9％，一年生产试验比对照增产20.8%，已于2002年通过吉林省品种审定委员会审定，命名为“杂交豆1号”。该品种抗病性强，品质优良，有较好的应用前景。

参考文献（略）

国家作物委员会大豆专业委员会 黑龙江省农业信息中心

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