玉米自交系选育的PEPPER方法

张 旭，钟国祥，李立公，王占森，魏 春，何光荣，郝学景

（中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100193）

20世纪六七十年代，美国玉米的生产状况和栽培条件发生了较大的改变。种植密度在10年内增加了1万株/hm2，行距缩短了25%。高密度下要求杂交种不空秆，不根倒，不茎折，穗子不下垂，同时要对高密度下的水分短缺和光照不足有很强的耐性。氮肥投入10年中增加了一倍多，联合收割机的使用和对籽粒品质的关注使人们更倾向于种植早熟品种。行距缩短和密度增加也对株型小和生育期短有了较高的要求[1]。这些问题需要育种家在自交系选育过程中去面对解决。Troyer教授针对发生的变化，昼思夜想，认识到追求杂种优势的“高秆大穗晚熟”的育种思路已经过时，对复杂多样的生长环境和不断变化的栽培措施具有广泛的适应性比杂种优势更加重要[2]。通过大胆创新，逐渐形成了一套针对适应性的自交系表型选择方法，即PEPPER方法[3]。

1 PEPPER的含义和特点

PEPPER（Pollinating End Plants Planted at Extreme Rates）意思是自交材料在极端高密度种植的情况下，每行只在靠近走道处套袋、授粉，一般可套袋4株，授粉3株。由于授粉植株靠近走道，所以在高温、高湿或干旱等不利的气候条件下都会改善授粉和结实状况。授粉者只需在走道上行走，而不需要走到行间去，因此授粉时减少了行走的距离。如果以行距76 cm、行长530 cm计算，行走的距离减少了86%。走道上比行间操作起来较为方便。两行之间首尾相接，走道很窄使得高密度的效果非常一致。走道两侧相对的两行都在靠近走道处套袋又减少了操作者一半的行走距离，这样可以大大缓解套袋授粉期间人力的紧张状况。

PEPPER方法减少了套袋和自交的数量，这对于高密度下的选择是可行的。Troyer认为在S2及其以上选择穗行优于在行内选择单株，所以每行授粉三四株就足够了。它能在种植很密的情况下提供较多的小区和多次观察的机会，通过选择较大的穗子从而选择耐密性较好的穗行。

PEPPER方法具有以下特点：

（1）基于穗行的选择。穗行比单个穗子或植株具有较高的遗传力，育种者较容易在下代中获得期望结果。由于目标较少，容易判断，因此选择大大简化。

（2）在多环境下种植穗行选择的材料。首先，在当地10%的玉米播种之前种植一个早播，再在土壤温度超过10℃后种植一个晚播。据我们在美国中西部的经验，播种时土温高，晚播的植株正处在生长发育的早期，10年中有6年使根倒的机会明显增加。另外，在50公里以外，再种植一个早播。

（3）在高密度下种植选择材料，一般是当地生产密度的两倍。在Illinois州北部，接近16万株/hm2的密度在大多数年份都能产生高密度的压力。最有效的选择性状是对高密度的耐性，它可以帮助淘汰生长势差、植株弱小，以及因抽丝延迟而不能受粉的植株，使受粉的效果得到改善。高密度还能使收获期间的一些淘汰性状充分表现，如空秆、瘪粒等。在高密度下空秆、瘪粒导致低产的遗传力大于正常密度下籽粒产量的遗传力。

（4）对有价值、可遗传的表型选择性状进行严格选择。这些性状包括：在冷、热土壤中都能很好地发芽，苗势强，植株健壮，花期合适，株高，穗位高，收获时的籽粒含水量，雌雄协调。其它性状还包括：植株生长整齐一致，对叶片病害、高温、干旱、茎腐的抗性，保绿性，籽粒质地（马齿的等级或硬质淀粉的数量），以及影响收获和脱粒的因素，如苞叶松、容易剥落等。这些性状大部分都可以直观地选择。

2 自交各世代的选择

2.1 BC1和S1世代（50%的同质性）

通常BC1群体种4050 m2，共64000株，采用当地常规密度的两倍。一般有20～30个族群，每个族群种2000～3000株供选择。每个族群中开花早的植株具有较强的生长势。玉米具有特定的生长模式：植株生长快慢和形态上的差异到开花期时结束了。早开花的植株一般生长快，生长势强，而相似背景的晚开花的植株肯定生长慢，生长势弱。自然选择导致了这种联系，因为晚玉米比早玉米遭受较少的春寒的影响。

通常每个BC1和S1群体中只对10%的早开花的植株进行授粉。每个群体的亲本都是开花期相似、亲缘关系较近的优秀自交系。要数出每个系雌穗套袋植株的准确数目，并把它们用铝线标注出来。要在早期雨后用当地病叶碎末对所有植株或开花后用茎腐病残体对授粉植株进行人工接种。64000株中的10%，也就是6400株需要授粉。

这些植株要尽可能晚收获，选择那些保绿性好的完整植株。整个秋天要每隔5～7天用不同的颜料对活着的植株在授粉袋上标记，以确定哪些植株成活时间最长。成活的植株对茎腐的抗性较好，选择那些植株完整、成活时间长、茎秆好的植株。穗位以上折断、顶部脱落的植株要淘汰，它们通常是茎腐病或第二代欧洲玉米螟危害的信号。通过踢、推、拉、摇来检测茎秆的质量。在美国玉米带选择14行以上的穗子，北欧则选择12行以上的穗子。通常选择半马齿质地的籽粒，一般收获1500～1800个穗子。

2.2 S2世代（75%的同质性）

在S2及其以上，以单个穗行为基础进行选择。在南繁地以常规两倍的密度种植1500～1800个S2穗子。如果空间与财力允许，利用南繁进行一次穗行观察是很有用的。根据室内低温发芽率、出苗率、发芽势、苗势和冬季观察的整齐度淘汰30%的穗行。淘汰的穗行在末端的植株做上标记。每行一般套袋4株，授粉3株（PEPPER），对于较好的行可授粉4株，最好的行可套袋和授粉更多株。接近收获时，根据保绿性、植株完整性和空秆率选择50%的穗行。选择1500～1800个S3大穗，这和种植的S2穗子数量是一样的。仅从有2个或2个以上大穗的行中选穗。在最好的行中要保留2个以上的穗子，而在一般的行中仅保留2个大穗中的一个。

2.3 S3世代（87.5%的同质性）

夏季在三种环境下种植S3，当地的早播和晚播，加上一个异地的早播。种植1500～1800个S3穗行。对室内低温发芽率以及每个播期的出苗率、出苗势、苗期长势和行内整齐度等的每个指标进行二三次打分，根据三个播期的6～9次打分在授粉之前淘汰30%的穗行，选择发芽快、长势强、生长整齐的穗行。在当地的早播中进行授粉，遇到意外情况时也可在另外两个播期授粉。根据全部三个播期的农艺表现，收获时仅选择50%穗行，直到冬季播种前才收获。晚收可以检测好的茎秆和穗柄，剥皮后观察穗子的外观。完全干燥的穗子能更好地看出它们的缺陷。

2.4 S4（92.5%的同质性）及更高世代

在正常密度下种植S4、S5及更高世代的穗行，这时更注重种子量的增加和正常密度下的籽粒产量，而不再是高密度下的附加选择。在S5及以后世代，看起来差别不明显的姊妹穗行的种子可以混合起来，大多数S6的种子可以混合。一个S3穗行的家系提供的新自交系不多于一个。

3 测交世代的确定

在S0～S2的测验为早代测验。早代测验是额外的测验，因为一个新自交系纯合后还要进行重新测验。育种者的选择是晚代测验或者是早代加晚代测验。早代测验可以帮助育种者了解一些性状的遗传特点，以便及时淘汰不好的穗行。如果你在早代测验中淘汰了一半，那么晚代测验时用同样的代价可以测两倍的自交系。如果淘汰了75%，则可测四倍的自交系。但早代测验常常出现偏差，因为它们的亲本还有25%或更多的遗传差异。当自交系更加纯合时，它们的表现必然要改变。

最佳的测验世代是S4种子，代表着在三种不同环境下选出的最好的S3穗行，这时它的遗传力很高。一般在冬季测交，在次年夏季种植单交种进行快速反馈。如果改在S2测交，穗行在低温发芽率、早期出苗率、发芽势、苗期长势和行内整齐度等方面改进就会很少。仅根据S1单株的表现进行S2测验似乎效率不高。

如果能在冬季隔离区测交，每个S3家系可以与2个测验种杂交。通常一些测交到次年夏季在隔离区或父母本隔行种植的形式进行。因为冬季选择又有了新的数据，可以淘汰更多的选系。在20～30个选系中，每个系大约有30～45个S3家系进行测交，共有900～1000个测交的家系。大约2000个测交种用完全随机区组的办法，种在生育期适合的四五个试验点，每个点种一个重复，用四五个合适的商品杂交种作对照。随着自交代数的增加，入选家系的数量会逐渐减少。很少S3家系或其后代会在测交中扩大规模，以免增加产量测验的费用。期望的是更多的行间差异而不是行内差异。再强调一下，一个S3穗行一般只产生一个成品自交系，这样花同样的代价可以测验最多的不同S3家系。

4 生产杂交种子的亲本选择

繁殖在制种地里表现好的自交系能保证向农户提供可靠的F1种子供应。自交系的整齐度和纯净度检验是必要的。用做母本的自交系应有中等以上的产量水平和较小的标准差，中等的耐病性，可销售种子占90%（由于种子大小和发芽率不合格而被淘汰的种子不超过10%）。种子的温床发芽率要在95%以上，低温发芽率80%以上，挂藏寿命2年以上。母本自交系不能有分蘖，要容易剥皮，容易收获，田间落粒少，果实干净。雄穗柄要中等偏长，以便机械去雄。制种时父母本最好能同时播种，母本自交系晚播常常降低种子的产量和品质。母本开花比父本早3天可以同时播种，因为父本会有一些分离。父本迟播日期最多是母本播后20天。延迟时间太长，播种时就有可能要重新整地。如果母本容易延迟抽丝，就要求父本分两期播种 （间隔2天）。

5 小结

穗行选择、高密度和多项细致观察是PEPPER方法必不可少的。通过严格的表型选择、大量淘汰和减少套袋授粉穗数，可以增加试验行数，节省开支。多点种植、冬季加代和适当的测交世代可以使育种的效率提高，进程加快。Troyer使用这些方法，选出了一批优秀的玉米自交系，它们分别是在美国推广面积很大的P3780，P3732，P3713 等杂交种的亲本[4]。 事实证明，这一方法是行之有效的。

我国目前的生产条件和栽培状况与当时的美国很相似。种植密度不断增加，氮肥投入日益过剩[5]。国内的育种者也从美国玉米育种的历史经验中得到启发，这就是密度增加对产量的提高至关重要，较好的耐密性和在高密度下持续增产是当代玉米育种的策略和方向[6]。当然，Troyer的方法能否适合我国玉米育种的实际，尚需在进一步的研究工作中运用和检验。

[1]Troyer A F.Breeding widely，popularmaize hybrid[J].Euphytica，1996，92：163 ～ 174.

[2]Troyer A F.Adaptedness and heterosis in corn and mule hy brids[J].Crop Sci.，2006，46（2）：528 ～ 541.

[3]Troyer A F.Phenotypic selection and evaluation of maize inbreds for adaptedness[J].Plant Breeding Rev，2007，28：101 ～ 123.

[4]Troyer A F.A retrospective view of corn genetic resources[J].J.Hered.，1990，81：17 ～ 24.

[5]赵久然，王荣焕，史洁慧，等.国内外玉米动态及展望[J].作物杂志，2008，5：7 ～ 9.

[6]Duvick D N.What is yield ？ [M].In：G O Edmeades.Developing drought and low N-tolerant maize.Proceedings of a symposium，March 25 ～ 29，CIMMYT，1996.