大豆雄性不育及雜種優(yōu)勢利用研究進展

曹 芳，李志剛*，李旭新，于德彬

(1.內(nèi)蒙古民族大學農(nóng)學院，內(nèi)蒙古通遼 028000；2.內(nèi)蒙古科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古通遼 028040)

大豆雄性不育及雜種優(yōu)勢利用研究進展

曹 芳1，2，李志剛1，2*，李旭新1，2，于德彬1，2

(1.內(nèi)蒙古民族大學農(nóng)學院，內(nèi)蒙古通遼 028000；2.內(nèi)蒙古科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古通遼 028040)

大豆是典型的自花授粉農(nóng)作物，天然異交結(jié)實率不到1%。大豆雄性不育利用為大豆雜交育種開啟了一扇大門，有效地挖掘了大豆的生產(chǎn)潛力，為大豆產(chǎn)量的提高提供了有效的途徑。大豆雄性不育最早在20世紀20年代被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已挖掘出來的大豆雄性不育材料中，多數(shù)是由細胞核基因控制的，少數(shù)是由細胞質(zhì)控制的。我國在選育大豆細胞質(zhì)雄性不育方面是遙遙領(lǐng)先的。綜述了大豆雄性不育的分類和利用雜種優(yōu)勢上所取得的進展，探討了利用大豆雜種優(yōu)勢中出現(xiàn)的主要問題，展望了大豆雄性不育在雜種優(yōu)勢利用方面的前景。

大豆；雄性不育；雜種優(yōu)勢；研究進展

大豆起源于我國，祖先野生大豆(GlycinesojaSied.et Zucc.)分布在很多地區(qū)[1]。大豆是我國重要的糧油兼用型作物，并且是飼料和化工原料的重要來源。由于我國大豆總產(chǎn)量嚴重不足，特別是國產(chǎn)大豆單產(chǎn)低、成本高，引發(fā)了進口大豆連年猛增[2]。進口大量的大豆不僅抑制了國內(nèi)大豆生產(chǎn)，而且影響了農(nóng)民的利益和生產(chǎn)。目前大豆的雜種優(yōu)勢利用能較大幅度地提高大豆產(chǎn)量。大豆花器官小，人工雜交成活率較低，在育種過程中，配制親本雜交組合的數(shù)量受人力、物力的限制，致使親本的來源有限、遺傳基礎(chǔ)狹窄[3]。由于基因造成的大豆雄性不育，將大豆雄性不育主要分成2類：一類是細胞核造成的雄性不育(Genic male sterility，GMS)，另一類是細胞質(zhì)造成的雄性不育(Cytoplasmic male sterility，CMS)。在已經(jīng)挖掘的大豆雄性不育材料中，大部分是由細胞核基因控制的雄性不育，小部分是由細胞質(zhì)控制的雄性不育。大豆是嚴格的自花授粉農(nóng)作物，對植物本身而言，雄性不育是不利于自身生長的變異性狀，對于育種家而言，卻是非常好的育種材料。大豆雄性不育利用為大豆雜交育種開啟了一扇大門。大豆雜種優(yōu)勢利用需要滿足2個條件：一個是品種間存在很大的雜種優(yōu)勢；另一個是具備經(jīng)濟有效地生產(chǎn)雜種的方法[4]。很多研究表明，大豆雜種F1產(chǎn)量具有超高親優(yōu)勢，一般為13%～20%[5]。培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗作物最主要的途徑是利用雜種優(yōu)勢，而利用雄性不育系進行雜交育種是雜種優(yōu)勢最有效、最經(jīng)濟的途徑之一?！叭捣ā笔鞘褂眉毎|(zhì)雄性不育的材料生產(chǎn)雜交種的常用方法。“三系”是不育系、保持系和恢復系的簡稱，即不育系的材料不能進行自交產(chǎn)生后代；保持系與不育系雜交之后產(chǎn)生的材料還是不育系材料，這種材料作為繁殖不育系的父本；恢復系與不育系雜交產(chǎn)生雜交種，作為父本生產(chǎn)雜交大豆種，雜交種是可育的，恢復了不育系的育性。育種家成功地利用了雜種優(yōu)勢，比如培育出的雜交豆1號、雜交豆2號和雜優(yōu)豆1號。筆者對利用過程中存在的穩(wěn)定性差、結(jié)實率低等問題提出了解決方案，并對以后的大豆育種進行了展望。

1 大豆雄性不育的研究利用

1.1 細胞核雄性不育 在大豆不育系的研究中，核不育系比細胞質(zhì)雄性不育研究利用的早，大豆核不育系分為隱性單基因控制的雄性不育系，核基因控制的部分雄性不育或不完全不育系、光—溫敏感型雄性不育系。

1.1.1 由隱性單基因控制的雄性不育系。Brim[6]最早在大豆中發(fā)現(xiàn)了ms1材料，而ms1材料是指大豆雄蕊不發(fā)育而雌蕊是有育性的核不育系，接著進行大量研究，找到了不少與ms1材料是基因不等位的核不育系列的材料[7-8]。Perez-Sackett等[9]發(fā)現(xiàn)，ms8ms8材料能夠作為母本，生產(chǎn)雜交種。Wiebbecke等[10]研究發(fā)現(xiàn)，ms9不育系材料能夠結(jié)較多的自交莢，而且ms9不育系材料比較特殊，ms9不育系的育性穩(wěn)定性較差，在某些特定的環(huán)境下，ms9不育系材料結(jié)的自交莢很少。更多研究表明，白天氣溫高，促進了不育性的表達。進行夜間溫度調(diào)節(jié)試驗發(fā)現(xiàn)，夜間氣溫對大豆的不育性基本沒有影響?，F(xiàn)在育種家進行育種輪回選擇，廣泛地應用ms0～ms9核不育系列的材料。

1.1.2 核基因引起的部分雄性不育。還有一類不育系，其不育性是由核基因控制發(fā)生的，稱為不完全不育或者部分雄性不育，在光周期和溫度發(fā)生變化時，育性也會隨之發(fā)生變化，即育性很不穩(wěn)定，如p2、msp、Arkansas突變體等[11]。Fehr等[12]進行了很多大豆雄性不育方面的研究，在不同發(fā)育階段進行了外界環(huán)境影響雄性不育的研究，影響植株的自交結(jié)莢是因為生殖生長階段(R1～R8)的環(huán)境溫度對雄性不育的表達有抑制作用。Caviness等[13]發(fā)現(xiàn)開花結(jié)莢期的溫度對雄性不育系的不育度有影響。Stelly等[14]在生長箱和田間同時研究觀測了msp突變體的雄性不育性，研究表明高溫促進雄性不育的表達，當夜間溫度較高時，降低了不育植株上的自交結(jié)莢。Carlson等[15]發(fā)現(xiàn)，大豆mspmsp植株的不育性隨著夜間溫度呈正向反應，即夜間溫度下降，不育性也降低，而可育性呈負向反應，會隨著夜間溫度的下降而增加。

1.1.3 由光—溫控制的雄性不育系。光—溫控制的雄性不育系是由溫敏型和光敏型組成的。溫敏型育性主要是由溫度決定的，而光周期作用很小或者是不起作用。光敏型育性主要是由光周期決定的，光敏型是指處于一定的光敏溫度范圍，如果超過這個光敏溫度范圍，大豆的育性是由溫度控制而失去光敏性。衛(wèi)保國等[16-18]發(fā)現(xiàn)了處于14.5～15.2 h/d的長日照下，植株雄性是可育的；處于13.5～14.0 h/d短日照下，光溫敏型不育系88-428BY-827植株雄性是不可育的。進行短光周期處理出苗后20 d的3.5葉齡的植株，其植株雄性不育表達出來，溫度處于23～30 ℃范圍時，促進雄性不育向高度不育轉(zhuǎn)換。

1.2 細胞質(zhì)雄性不育 雖然大豆細胞質(zhì)雄性不育系的發(fā)現(xiàn)和研究利用比細胞核雄性不育晚，但發(fā)展很快。Owen[19]于1928年發(fā)現(xiàn)并報道了第1個大豆不育系，后來進行研究發(fā)現(xiàn)是由染色體聯(lián)會不正常引起的雌性和雄性均不育，基因符號為St1。孫寰等[20-22]將栽培大豆與野生大豆進行了遠緣雜交，育成了國內(nèi)第1個質(zhì)核互作雄性不育系，即細胞質(zhì)不育系OA和它的同型保持系OB，其中不育的細胞質(zhì)來源于栽培大豆167，而核不育基因來源于野生大豆035；再與栽培大豆進行測交，在1995年培育出栽培大豆不育系YA和保持系YB，并且找到了恢復系，實現(xiàn)了三系配套，該不育細胞質(zhì)被稱為RN胞質(zhì)。

隨后，大豆CMS三系配套及相關(guān)工作在我國得到了迅速發(fā)展。趙麗梅等育成了細胞質(zhì)雄性不育系JLCMS9A、JLCMS47A、JLCMS8A和ZA，同時確定ZD8319、167和XXT含有不育細胞質(zhì)[23-26]。許占友等[27]以栽培大豆ZD8319為母本，選育出質(zhì)核互作不育系阜CMS1A、阜CMS2A和阜CMS3A。張磊等先后用栽培大豆中油89B作為母本，分別與W203、W206、W207、W210、W212等5個品種雜交后，獲得M型細胞質(zhì)雄性不育系W948A、W945A、W936A、W933A、W931A[28-30]。大豆雄性不育三系配套實現(xiàn)后，尋找批量生產(chǎn)大豆雜交種的經(jīng)濟有效的方法成為科學工作者的又一研究方向[31]。趙麗梅等[32]通過多年的探索和研究，建立了“昆蟲—環(huán)境—作物三位一體綜合調(diào)控”的高效制種技術(shù)體系，認為制種環(huán)境、昆蟲和三系的基因型是影響不育系結(jié)實的主要因素。張連發(fā)等[33]則建立了雜交大豆的“四級種子生產(chǎn)程序”，對各級種子的純度、發(fā)芽率、制種隔離區(qū)設(shè)置等提出了嚴格的要求。李杰坤等[34-35]在大豆恢復系篩選及雜種優(yōu)勢利用研究中發(fā)現(xiàn)了包括HS05009、HS05060、HS06027和HS06058在內(nèi)的多個雜交組合具有潛在應用價值。利用強優(yōu)勢組合現(xiàn)在已經(jīng)育成了多個雜交大豆品種。

我國在大豆雜種優(yōu)勢利用研究上一直處于國際領(lǐng)先地位，不但育成了世界上第1個大豆細胞質(zhì)雄性不育系，而且也育成并審定了世界上第1批大豆雜交種[24，36]。 吉林省農(nóng)業(yè)科學院育成的雜交豆1號、2號、3號已經(jīng)在生產(chǎn)上推廣種植，推廣面積累計達800 hm2，比當?shù)刂魍破贩N增產(chǎn)16.6%～29.9%[32]。

2 存在的主要問題

2.1 雄性不育系穩(wěn)定性差 在使用雜交大豆過程中尤其要注意雜交種F1的育性是否穩(wěn)定，很多的雜交組合F1有50%可育的花粉，50%不可育花粉，在某些情況下，可育花粉數(shù)量降低，造成F1雜交種空莢。 經(jīng)過多年研究，發(fā)現(xiàn)有些組合的育性不穩(wěn)定，有些組合育性穩(wěn)定[37]。

2.2 雄性不育系的異交結(jié)實率低 不育系的異交結(jié)實率低，制種產(chǎn)量低，制種成本高，所以不能大量繁殖和生產(chǎn)雜交種。雖然ms不育系已用于輪回選擇的群體合成及育種計劃，但很難用于雜交種生產(chǎn)。

2.3 育種單位間缺乏有效的種質(zhì)交流 國內(nèi)育種單位之間缺乏必要和有效的種質(zhì)交流，各個單位主要以自己的不育系為研究材料，導致研究材料單一、內(nèi)容受限，這在一定程度上影響了對大豆質(zhì)核互作雄性不育機理的研究進程，對其機理的研究遠落后于水稻、玉米等作物，極大地影響了大豆雜種優(yōu)勢育種潛力的發(fā)揮。

2.4 制種技術(shù)落后，純度不高 核基因控制的核不育系，在理論上難以找到完全的保持系，在實踐中也沒有找到保持系，這種不育性不穩(wěn)定，在大豆雜交制種時，在大田間容易出現(xiàn)可育株和不育株混淆，不容易鑒別可育株和不育株，雜交種純度低等問題，嚴重制約了大豆核不育的應用，同時也影響了大豆雜種優(yōu)勢的廣泛應用。

2.5 利用光溫敏型雄性不育增加大豆雜交成本 現(xiàn)在利用光溫敏型雄性不育系進行兩系雜交大豆的選育已經(jīng)取得很大成果，但是由于該不育系對光(溫)反應特性，通過自然光溫條件控制，受環(huán)境因素的影響太大，較難控制。如果采取人工減光或增光措施，或者是利用南北不同光溫條件進行繁殖制種，又會加大制種成本，使得光溫敏型不育系的利用較難廣泛地推廣利用[38]。

3 建議與展望

張磊等[39]認為，商業(yè)化生產(chǎn)雜交種，配合雄性不育的技術(shù)，利用風媒進行傳粉，比較節(jié)省資源。盡管大豆已經(jīng)使用蟲媒傳粉，但是成本較高，不適宜大面積推廣，只有成本低，才能有推廣應用的價值[37]。對于隱形核不育ms系列，可以通過花期的育性鑒定拔除可育株以獲得較純的不育系，再用于不同材料間配合力的研究。我國的大豆育種家應充分利用資源優(yōu)勢，發(fā)掘現(xiàn)有的核不育材料在種胚世代及生育前期肉眼可見的連鎖標記，或發(fā)現(xiàn)新的有外觀標記性狀的核不育材料[40]。研究利用基因工程創(chuàng)造雄性不育系，將不育基因和抗除草劑基因串聯(lián)在一起，這樣對獲得的轉(zhuǎn)基因植株施用除草劑，就可以選擇性地殺死對除草劑敏感的可育株，只保留不育株。對于配子體育性的穩(wěn)定性，要選擇組合穩(wěn)定的F1。育種單位應加強合作，建議在申請專利和保護知識產(chǎn)權(quán)的框架下，開展全國性的相關(guān)材料交換和技術(shù)交流，爭取盡快實現(xiàn)大豆雜種優(yōu)勢在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用[40]。

國外對大豆優(yōu)勢利用研究雖然起步早，但是沒有顯著的成果。我國雖然起步晚，但是發(fā)展很快，已經(jīng)形成了群體優(yōu)勢，尤其在細胞質(zhì)雄性不育性恢復基因定位方面已經(jīng)取得了較好的研究成果，今后通過大豆基因組序列數(shù)據(jù)，研究和克隆大豆功能基因，將為徹底解決雄性不育的形成機理奠定基礎(chǔ)[31]。雄性不育既可用于提高植物品質(zhì)，又能提供優(yōu)良種源，為人類帶來物質(zhì)效益，節(jié)省大量人工去雄環(huán)節(jié)[41]。隨著育種家進行更深入的研究，大豆田間制種技術(shù)的進步，人們將最終解決雜交種生產(chǎn)成本高、制種產(chǎn)量低等難題，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中體現(xiàn)出雜交大豆種的優(yōu)勢。

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Research Progress of Soybean Male-sterility and Utilizing Heterosis

CAO Fang1,2，LI Zhi-gang1,2*，LI Xu-xin1,2et al

(1.Agricultural College，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao，Inner Mongolia 028000；2. Keerqin District Agriculture Technology and Popularization Center，Tongliao，Inner Mongolia 028040)

Soybean is a typical self-pollination crop, the rate of natural cross pollination is less than 1%.Soybean male-sterility is used to open a door for soybean cross breeding, the productive potential of soybean is effectively excavated, it provides an effective way to increase the yield of soybean. The very earliest soybean male-sterility was discovered in the 1920s.Among the discovered material, most of the male-sterility is controlled by nuclear genes,the small part is cytoplasmic male-sterility.Under the aspect of selecting and breeding cytoplasmic male-sterility materials, China is in the leading position in the world .This paper summarized the latest progress in the development of male-sterility and hybrid utilization of soybean, it analyzed some main problems in the utilization of soybean heterosis and put forward the prospect of discovered male-sterility in utilizing soybean heterosis in future.

Soybean；Male-sterility；Heterosis；Research progress

國家自然科學基金項目(31260310)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))專項(201503001)。

曹芳(1990- )，女，江蘇徐州人，在讀碩士，研究方向：大豆雄性不育。*通訊作者，教授，博士后，從事作物遺傳育種研究。

2016-09-28

S 565.1

A

0517-6611(2016)34-0023-03