玉米与大刍草杂交研究进展

邱 博，罗红兵，2*，刘伟华

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2湖南省玉米工程研究中心，长沙410128）



玉米与大刍草杂交研究进展

邱 博1，罗红兵1，2*，刘伟华1

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2湖南省玉米工程研究中心，长沙410128）

摘 要：大刍草是与玉米亲缘关系最近的野生近缘材料，利用现代技术手段将玉米与大刍草进行杂交，可以将大刍草优良的抗性基因引入玉米，扩大玉米育种种质资源基础。对大刍草基因漂流、大刍草与玉米杂交技术、杂交后代性状鉴定等方面的研究进行了论述，并对今后的研究方向和重点进行了展望。

关键词：玉米；大刍草；远缘杂交；种质资源

玉米起源于墨西哥至秘鲁一带。根据当地的考古资料可以得知，印第安人早在7000多年前就开始种植玉米，在种植的过程中不断对其选择培育以致得到目前所知的栽培品种。哥伦布发现新大陆后将玉米引进到西班牙，玉米从此开始被带往世界各地栽培［1］。

20世纪70年代，我国主要以金皇后、荻白、塘四平头、旅大红骨和兰卡斯特5个资源系统作为玉米种质进行杂交选育工作［2］。到了80年代，金皇后和荻白两个资源系逐渐减少直至被淘汰，瑞德黄马牙系统开始上升，形成塘四平头、旅大红骨、兰卡斯特和瑞德黄马牙4大系统占据杂交组配主导地位，自330、黄早四、Mo17和掖478逐步发展的状况［3］。进入21世纪后，玉米育种自交系以Mo17、掖478、黄早四、丹340和E28为主［4］。玉米是我国重要的粮食作物、饲料作物和工业生产原材料。根据国家统计局的数据，2014年全国玉米播种面积37 076.1 khm2，总产量21567.3万吨［5］。湖南省2014年玉米种植面积345.7 khm2，产量188.6万吨［6］，玉米的种植面积和产量都呈现上升的趋势。但目前我国玉米遗传种质资源狭窄，极大地影响了玉米育种工作的进步和玉米产业的发展。因此，引入新的种质，扩大玉米遗传资源，成为玉米育种工作新的方向。

玉米属于玉蜀黍属（Zea），其下又分玉蜀黍亚属（Section Zea）和繁茂亚属（Section Luxuriantes）。玉蜀黍亚属和繁茂亚属下还有其他亚种，除玉蜀黍属下的栽培玉米亚种（Zea mays spp.mays）外，其余亚种被统称为大刍草。大刍草作为玉米的野生近缘种，有利于科研工作者利用其和玉米进行杂交，发掘出新的玉米种质资源。

1 玉米与大刍草的分类

目前常见的栽培玉米主要分粉质种玉米、爆裂玉米、马齿型玉米、硬粒玉米、甜玉米、糯玉米、高直连淀粉玉米、有稃种玉米和条纹玉米［7］，其中马齿型和硬粒型玉米广泛用于饲料加工生产领域，甜、糯玉米因其良好的口感成为人们餐桌上的美食，爆裂、高淀粉玉米还处于发展阶段。

玉蜀黍亚属除了栽培玉米亚种外，还有委委特南戈类玉米（Zea mays huehuetenangensis（H.H.Iltis ＆Doebley）Doebley），墨西哥类玉米（Zea mays mexicana（Schrad.）H.H.Iltis）和小颖类玉米（Zea mays parviglumis H.H.Iltis＆Doebley）3个亚种。繁茂亚属包括繁茂类玉米亚种（Zea luxurians（Durieu＆Asch.）R.M.Bird），四倍体多年生类玉米亚种（Zea perennis（Hitchc.）Reeves＆Mangelsd.），二倍体多年生类玉米亚种（Zea diploperennis H.H.Iltis et al.）和尼加拉瓜类玉米亚种（Zea nicaraguensis H.H.Iltis ＆B.F.Benz）［8］。对玉蜀黍属的核型研究表明，除四倍体多年生类玉米亚种染色体数目2n＝40外，其余亚种的染色体数目均为。玉米和大刍草染色体核型结构差异较小。

在形态学上，大刍草每个雌穗穗行数为二列式，种子外包裹一层坚硬外壳，籽粒成熟后可自行从母体脱落；而玉米雌穗穗行数为多列式，往往可达到20行以上，籽粒被包叶所覆盖，成熟后不能自行脱落［9］。大刍草具有较高的再生能力，其分蘖性好，根系发达，抗病、抗逆境胁迫的能力强［10］；二倍体多年生大刍草对玉米褪绿斑驳病毒、玉米褪绿矮缩病毒、玉米条纹病毒等是免疫的，对玉米Rayado fino病毒表现出耐病的状态［11］。繁茂亚属大刍草这些优良的性状可以通过杂交方式将其引入普通玉米自交系，培育表现性状良好的后代，扩大玉米的遗传基础。

2 大刍草基因漂流对玉米的影响

大刍草对玉米种质资源的改良一直扮演着很重要的角色。大约在9000多年前的南墨西哥中部的中海拔地区，人们开始对野生小颖类大刍草进行驯化，筛选出日常生活所需的品种并延续至今［12，13］。在这一过程中，来自于其他大刍草亚种的基因通过花粉传播的方式，逐渐地混入玉米基因库中，这样的基因漂流一直发生在墨西哥当地玉米和大刍草生长的同一区域［14］。虽然基因漂流会促使大刍草对玉米进化方向产生影响，但是人们无法估计这一基因漂流发生的概率，以及大刍草基因最终渗入到玉米种子基因库的成功率［15，16］。栽培玉米与一年生墨西哥类大刍草和小颖类大刍草在细胞学上高度的相似性保证了它们之间可以通过杂交形成丰富的杂交后代［17］。虽然在杂交过程中存在一些杂交障碍，如地理隔离、瓶颈障碍和自然因素等，但是人们已经在农田中发现这些杂交种并借助等位酶和DNA序列等现代技术手段证明了栽培玉米与这两类大刍草确实发生过杂交行为［18］。繁茂类大刍草与栽培玉米在细胞学水平上的相似性较少，因此二者很难得到成功的自然杂交，特别是四倍体多年生类大刍草，其染色体数目是栽培玉米的两倍，因此更难与栽培玉米进行杂交得到后代［19，20］。

栽培玉米一直延续着从品种驯化中心随着人类的活动被引入其他新的地区这一复杂的迁移模式［1］，那些性状良好的栽培玉米种子从墨西哥、拉丁美洲等地被传播到世界上其他地方。由于其自身高度的基因多样性带来的遗传变异，被引种到新的区域的玉米经过当地环境的选择淘汰后，往往在形态外观上发生了很大的变化。通过收集这些已经没有大刍草基因漂流影响的玉米品种，与大刍草生长地的玉米品种进行分子学水平上的比对，可以很好地观察到大刍草对玉米进化过程的影响［14］。

3 玉米与大刍草远缘杂交技术手段

大刍草属于短日照植物，在长日照情况下其生殖生长受阻，营养生长过盛，出现分蘖旺盛、抽雄时间晚甚至不抽雄开花的情况，这样很难与普通栽培玉米花期相遇，常规杂交授粉工作也难以展开。许多科研工作者对大刍草进行长期的栽培，探索其光周期规律，得出了大刍草短日照敏感叶龄期和合适的短日照处理时间，通过诱导大刍草提前进入生殖生长，与普通玉米花期相遇，满足授粉条件。综合研究表明，5～6叶期或出苗后19～20 d是大刍草接受短日照处理的临界时间段；9～12 h光照处理是最佳日照时数；连续35～40 d接受遮光处理能够达到理想的试验效果［21］。通过短日照遮光处理试验能够较好的解决大刍草与普通玉米花期不能相遇的问题。

近些年，一些科学工作者探索新的杂交方法，通过改变播种时间和筛选变异植株等方式，实现大刍草在长日照条件下也能实现与普通玉米种进行远缘杂交。贾春林等［22］在大棚和大田两种栽培环境下对比，通过分期播种的模式来实现大刍草鲁牧2号与齐319、俊单92-6等自交系杂交，实现了自然条件下大刍草与玉米杂交的工作，与以往的工作相比避免了南繁北种的复杂程序，节约了育种时间和成本。同时他们利用天然变异植株进行筛选，得到了可以在山东地区正常种植的大刍草新品系J03，J03能够在长日照条件下与普通玉米种进行杂交授粉［23］。

无论是改变光照时长还是筛选新型品种，都解决了大刍草与普通玉米种花期不能相遇的问题，但是随后育种工作者们又发现杂交结实率低的问题。采取重复授粉、剪断雌蕊顶部叶片及花丝、喷施赤霉素可以大幅度提高大刍草与普通玉米种杂交的结实率。在设计杂交试验前要提前考察母本（普通玉米）的基因型，选择配合力高的品种进行杂交。余志江等［24］通过连续多年的试验，指出大刍草与不同品种的普通玉米进行杂交，结实率差异十分显著；不同的杂交授粉模式也影响杂交结实率。

由于大刍草自身具有很多优良的抗性特性，很多科学工作者利用现代技术对其抗性型的基因进行初步的定位，来满足后续的育种和进化分析工作。此外，一些科学工作者也对大刍草自身的遗传多样性与群体结构进行分子水平上的分析，以帮助育种人员进行材料选择。如万康康等［25］利用R-PCR技术筛选大刍草和普通玉米之间的差异基因，找出大刍草携带的特殊基因，用生物信息学方法对初步定位的基因进行序列和功能上的分析，分离出符合目标期望的优质基因。石海春等［26］对大刍草和玉米杂交的后代选系进行核型和SSR分析，判断杂交代的染色体数目，杂交代选系之间的遗传差异，选系与父母本之间的遗传差异，为远缘杂交提供理论依据。曹立超等［27］借助SNP分子标记开发对大刍草渐渗系的多态性分子标记，为后续的基因克隆提供依据。

4 远缘杂交后代生物学性状的评定

目前，大多数的大刍草应用研究主要集中在牧草方面。多年生大刍草具有可重复刈割、经济产量高、蛋白质含量高、饲用口感好等优点，正逐步被利用作为渔业畜牧养殖的饲料来源。冯云超等［28］探究了玉米与墨西哥大刍草杂交后代作为饲草进行种植时，其产量构成因素、种植密度和氮肥施用量之间的关系。饲草经济产量与绿叶片数、叶长、叶面积呈负相关，与密度、施氮量、主茎粗、分蘖数、单株鲜质量等呈正相关；种植密度在4万株／hm2的基础上施用450 kg／hm2左右的氮肥可以达到饲草高产优质的目标。陈景堂等［29］对大刍草与普通玉米杂交后代的蛋白质含量进行分析，结果表明F1代蛋白质含量表现出负向中亲优势，甚至超负向中亲优势；杂交双亲的蛋白质含量差异越大，杂种优势表现越明显，反之则越弱。曹利萍等［30］对玉米和大刍草杂交后代的茎叶消化性进行检测分析，选育出了一批新的高消化性玉米青贮种质。

虽然大刍草和普通玉米能够进行正常的杂交，但是选育出理想的自交系难度很大［31］。大刍草的有利基因虽然可以通过回交、杂交的方式传递到普通玉米品种中，可以筛选出表现性状优良的玉米自交系，但是多数远缘杂交的后代农艺性状、经济产量不符合生产需求，在育种环节中没有很高的直接利用价值。赖宁等［32］用一年生墨西哥大刍草和玉米G自交系进行杂交组配，认为杂交后代抽丝期、株高、茎粗、穗长和百粒重等主要受到加性基因效应影响，适合早期选择；茎强度、穗粗、穗行数和行粒数受到加性基因和非加性基因共同控制；穗位高、穗重和穗粒重、出籽率受非加性基因控制，适合晚代选择。兰海等［33］通过采用植物数量性状主基因和多基因混合遗传模型的方法，对大刍草和玉米杂交种子结实率进行分析，判断正反交试验群体杂交结实性的遗传模型规律。芦立婷等［34］对大刍草杂交后代农艺性状进行多代统计调查，对其后代株高、穗位高、生育期、光敏感性等变异规律进行了总结。

5 发展现状及展望

目前，利用大刍草和玉米远缘杂交已经得到了一些优良的新品系。山东农科院利用引进的大刍草突变体，通过系统选育的方法得到J03系，并最终选育出大刍草新品种鲁牧2号。鲁牧2号可在北方地区正常开花传粉，解决了自然条件下大刍草与本地玉米花期不能相遇的问题，节约了育种成本。中科院遗传研究所于20世纪90年代开始进行人工诱发孤雌生殖的工作［35］，将自330和二倍体多年生类玉米种进行杂交，对其后代进行化学孤雌生殖处理，筛选出表现性状好的植株，并选育成新自交系540。新自交系540与5003组配选育出了玉米新品种遗单6号，其产量、抗性都表现出较好的水平。另外，河南农科院选育出了郑远36，37等。

对大刍草自身特点的了解以及大刍草与玉米杂交相关内容的研究，不仅有助于玉米新种质资源的开发与利用，选育出符合市场需求的新品种，而且还能对野生大刍草资源进行保护［14］。无论是人工干预下进行的杂交过程，还是自然条件下大刍草自身基因漂流，这些都有助于玉米的进化衍变，提高栽培玉米对病虫害、极端天气变化和其他生物与非生物类胁迫等的应对能力。

大刍草和玉米远缘杂交的研究工作仍处于起步阶段，科研工作者主要集中对玉蜀黍亚属大刍草的研究，而对繁茂亚属大刍草的研究则比较少见，一些优良的种质难以引入栽培玉米群系中；另外各类研究比较分散，没有形成完整的体系。大刍草前期遮光处理诱导开花试验进行的较多，得到的数据和统计结论也很丰富，但是对于后期群系的选择，基因图谱的定位克隆，商业化品种配套的栽培管理技术的研究仍处于发展阶段，相互之间不能形成完整的支持。新的生物技术在大刍草和玉米杂交过程中运用的较少，总体上还是依赖传统的“南繁北育”模式，选育工作进展缓慢。

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The Research Advances of Hybridization between Corn and Teosinte

QIU Bo1，LUO Hongbing1，2*，LIU Weihua1
（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Maize Engineering Research Center of Hunan Province，Changsha，Hunan 410128，China）

Abstract：Teosinte has improved to be a wild species closely relative to corn.Hybridization techniques between corn and teosinte allow desirable traits to be introduced into corn inbred lines，broaden the genetic bases of corn breeding.This article discusses teosinte gene flow，teosinte and corn hybrid technology，identification of hybrid characters and other aspects，including future research directions and priorities.

Keywords：corn；teosinte；distant crossing；germplasm resources

基金项目：湖南省研究生科学创新项目（CX2013B281）。

作者简介：邱 博（1992-），男，硕士研究生，Email：chenqing250＠hotmail.com。*通信作者：罗红兵，教授，博士生导师，Email：1248613279 ＠qq.com。

收稿日期：2015-10-28

文章编号：1001-5280（2016）02-0221-05

DOI：10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2016.02.26

中图分类号：S513.032

文献标识码：A