前沿|数字化技术在玉米育种工作中的应用研究

      编辑 | 新锐恒丰研究院
 

      作者 |薛建斌等

      

      在玉米育种工作中，每年我们都要面对数千份自交系、杂交组合、品比试验材料，大量的田间调查记载、资料的归类、整理，以及其遗传特性的分析，是一项繁琐的工作。为了能够利用计算机数据管理系统，对所有的育种材料进行自动化管理，笔者曾研究总结出数字化育种新方法，并在番茄育种中得以应用。现把该方法引入玉米育种工作中，力图使玉米育种田间调查记载简便化，资料归纳整理自动化，遗传分析直观化，选配组合准确化，克服育种的盲目性，改变大量的田间盲目育种，为有目的的室内推演育种，田间种植只是对推演结果的验证。这样就大大地提高了育种工作的效率，节约育种成本。

      

      玉米遗传性状的数字化

      

      玉米遗传性状，大部分是用文字来描述的，文字描述通常又比较模糊，田间调查记载比较麻烦，归纳整理资料比较费劲，若想利用计算机数据管理系统对资料进行自动化处理，就必须把文字描述的性状转化成具体的数字，就需要对不同的性状进行统一的编码，实现从文字描述到数字表述的转化。在番茄上，由于显隐性明显，质量遗传多，数量遗传少，所以笔者提出了“用不同的数位来代表不同的性状，用该数位上的具体数字代表该性状具体的量”之概念。然而在玉米育种工作中，由于其数量遗传比较多，许多性状都需要用2~3位数来表示，所以用单个数位就难以表达。因此，笔者又提出“用不同的数列（计算机电子表格中的列）来代表不同的性状，该表格中的具体数字来表示该性状具体的量。”然后，制定一个统一编码规则，对所有的性状进行统一的编码，从而实现所有的性状表述数字化。

      

      玉米材料遗传性状的编码规则

      材料的序号用电子表格中的第 1 列来表示。

      材料的名称用电子表格中的第 2 列来表示。-

      材料的来源用电子表格中的第 3 列来表示。

      苗势的强弱，用电子表格中的第 4 列来表示。苗势分为极弱、弱、中等、较强、特强五个等级，分别用 1、2、3、4、5 来代表。

      气生根的发达程度，用电子表格中的第 5 列来表示，根据气生根的层数、条数、根的粗细来判定其强弱，由弱到强分为五个等级，分别用 1、2、3、4、5 来代表。

      株高，用电子表格中的第 6 列来表示。用实际测量的平均株高厘米数来代表。

      茎粗，用电子表格中的第 7 列来表示。用实际测量基部第二茎节中部直经的平均厘米数来代表。

      茎杆的坚韧度与抗风能力密切相关，用电子表格中的第 8 列来表示。坚韧度可分为软、中等、坚硬三个等级，分别用 1、2、3 来代表。

      株型，用电子表格中的第 9 列来表示。根据穗上部第三片叶与茎杆之间的夹角大小，分为特紧凑型（夹角<15º）、紧凑型（15º<夹角<30º）、半紧凑型（30º<夹角<45º）、较平展型（45º<夹角<60º）、平展型（60º<夹角<75º）、特平展型（夹角>75º〉六个类型，分别用 1、2、3、4、5、6 来代表。

      叶长，用电子表格中的第 10 列来表示。测量对象为穗上部第三片叶，用其平均长度厘米数来代表。

      叶宽，用电子表格中的第 11 列来表示。测量对象为穗上部第三片叶中部，用其平均宽度厘米数来代表。

      叶色，用电子表格中的第 12 列来表示。叶色分为淡绿、正绿、浓绿三个级别，分别用 1、2、3 来代表。

      雄花的分枝数，用电子表格中的第 13 列来表示。用实际调查的平均分枝数来代表。

      雄花的分枝形状，用电子表格中的第14列来表示。分枝形状分为上冲、半上冲、平展三个类型，分别用1、2、3来代表。

      雄花花粉量的大小，用电子表格中的第 15 列来表示。花粉量分为小、中、大三个等级，分别用 1、2、3 来代表。

      花粉颖壳的颜色，用电子表格中的第 16 列来表示。花粉颖壳的颜色，常见的有淡绿色、黄色、淡紫色、深紫色，分别用 1、2、3、4 来代表。

      穗位高度，用电子表格中的第 17 列来表示。用实际测量的穗位平均高度的厘米数来代表。

      雌穗花丝颜色，用电子表格中的第 18 列来表示。常见的花丝有淡绿色、淡黄色、淡粉色、紫色四种，分别用 1、2、3、4 来代表。

      雌穗有无箭叶，用电子表格中的第 19 列来表示。雌穗有箭叶，用1来代表，雌穗无箭叶，用 0 来代表。

      雌穗的露尖程度，用电子表格中的第20列来表示。露尖程度分为无、轻（露尖<1cm）、中等（1cm<露尖<2cm）、重（露尖>2cm）四个等级，分别用 0、1、2、3 来代表。

      夏播生育期，用电子表格中的第 21 列来表示。用从夏播播种到成熟的实际生长天数来代表。

      春播生育期，用电子表格中的第 22 列来表示。用从春播播种到成熟的实际生长天数来代表。

      穗长，用电子表格中的第 23 列来表示。用 10 穗平均穗长的厘米数来代表。

      穗粗，用电子表格中的第 24 列来表示。用 10 穗平均穗粗的厘米数来代表。

      穗型，用电子表格中的第 25 列来表示。穗型有锥型和筒型，分别用 1 和 2 来代表。

      穗行数，用电子表格中的第 26 列来表示。用 10 穗平均穗行数来代表。

      行粒数，用电子表格中的第 27 列来表示。用 10 穗平均行粒数来代表。

      穗粒数，用电子表格中的第 28 列来表示。用 10 穗平均穗粒数来代表。

      穗轴颜色，用电子表格中的第 29 列来表示。常见的穗轴颜色有白色、粉色和红色，分别用 1、2、3 来代表。

      穗轴的粗细，用电子表格中的第 30 列来表示。用实际测量 10 个穗轴的直径平均厘米数来代表。

      出籽率，用电子表格中的第 31 列来表示。用实际测量 10 穗平均出籽率（去掉%）来代表。

      子粒的类型，用电子表格中的第 32 列来表示。子粒的类型分为硬粒型、半马齿型、马齿型、粉质型、腊质型（又称糯玉米、粘玉米）、甜质型、爆裂型、有稃型、牧草型九个类型，分别用 1、2、3、4、5、6、7、8、9 来代表。

      子粒的颜色，用电子表格中的第 33 列来表示。常见的颜色有白色、黄色、黄白色、红色、紫色、黑色、五彩色七种颜色，分别用 1、2、3、4、5、6、7 来代表。

      子粒的大小，用电子表格中的第 34 列来表示。用目测，分为极小、小、中等、大、特大五级别，分别用 1、2、3、4、5 来代表。

      千粒重，用电子表格中的第 35 列来表示。用实测 1000 粒的重量克数来代表。

      单穗产量，用电子表格中的第 36 列来表示。用实测 10 穗的平均产量克数来代表。

      亩产量，用电子表格中的第 37 列来表示。用折算的理论公顷产千克数来代表。  

      对大斑病的抗性，对小斑病的抗性，对丝黑穗病的抗性，对黑粉病的抗性，对粗缩病的抗性，对青枯病的抗性，对穗腐病的抗性，对园斑病的抗性，对灰斑病的抗性，对弯孢菌叶斑病的抗性，对锈病的抗性，对矮花叶病毒病的抗性，对茎腐病的抗性，分别用电子表格的第 38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50 列来代表。抗病性分高抗（HR）、抗（R）、中抗（MR）、感病（S）、高感（HS）五个级别，分别用 1、2、3、4、5 来表示。

      数据库的建立

      

      根据上述编码规则，将田间调查的数据结果，输入计算机相应的电子表格中，可以将自交系、杂交组合、品比试验等分门别类，形成一个完整的、系统的数据库。

      

      数据归纳、整理的自动化动排序

      

      数据库建立后，根据研究目的要求，将某一性状进行数据归纳、整理。比如，把所有的材料按照株高来归类，根据编码规则，数据库电子表格中的第六列表示株高，所以，选定该列所有数据，点击表格菜单，在出现的下拉菜单中，选择排序菜单，在出现的对话框中，选择由小到大排列，系统就会把所有材料的株高按由小到大自动排列好。同样，如果需要按照产量来排队，就选定该目标性状所对应的第 37 列所有数据，然后进行由大到小自动排序。只要把数据库建立起来，材料的归类、整理就可以实现自动化。

      

      分析遗传规律既简便又直观

      

       将母本、父本及杂交种的数据编码放在一起比较，就可以非常直观地看出其遗传规律。例如：

      

      从上面的数据表中可以直观地看出，株高是 F１ 代高于双亲，属于超亲遗传；抗倒伏强的材料与中等和不抗倒材料杂交，其后代表现为抗倒强和中抗；从株型来看，紧凑型和平展型材料杂交，其后代表现为半紧凑型；从生育期来看，早熟材料和晚熟材料杂交，其后代表现为中熟偏早，属于基因互作；从穗长和行粒数来看，其后代超过双亲，具有加性效应；从穗行数来看，其后代介于双亲之间或偏向数字高的亲本，同一材料的后代表现也不完全一致，说明除基因互作之外，还受环境效应的影响；从轴色来看，红轴和粉轴杂交，其后代表现为红轴；从粒型上来看，半硬粒和马齿型杂交，其后代表现为半马齿；从抗病性来看，大都是显性遗传……

      

      

      我们把选出的优良组合及亲本放在一起进行比较，就可以提高对自交系材料的认知程度，便于掌握和使用这些材料，对总结育种经验非常有利。

      

      选配组合准确化，克服育种的盲目性

      

      目前玉米生产上全部是种植杂交种。杂交种的优势，就是能够综合双亲的优点，在生产上表现出更好的抗性，获取更高的产量，所以，玉米育种也就以选配优良杂交组合为主。由于亲本材料资源的局限，目前所育成的品种还不能十全十美，还有这样或那样的不足和缺点，育种的过程，也就是对现有的所谓优良品种不断进行改良的过程，以便使杂交种能够综合更多的优良性状。

      

      

      选配组合的原则，就是根据玉米材料的遗传规律和优良基因互补的原理进行选配组合。在常规的育种方法中，大部分遗传性状都是用文字描述的，田间记载本一大堆，要从中找出符合要求的材料，费时费力，所以，往往只注重个别主要性状的互补，而忽视了所有相关性状的选择，这样就容易造成杂交后代中一些差的性状表现出来，组配的盲目性就比较大。而采用数字化育种新方法后，则选配组合就像做加减法一样简单，准确又快捷。

      

      确定育种目标

      

      根据生产上对品种的要求，确定我们的育种目标。制定育种目标时，应该考虑玉米的用途、种植模式、生长期、自然条件、发病情况、产量水平等因素，确定目标品种应该具备的优良性状，并列出其对应的编码数据。

      

      选定母本

      

      应选择大部分主要性状与目标品种相同或相近的材料作母本，列出其应具备的若干个性状编码，也就是说必须符合以上若干个条件才能作母本。

      

      选定父本

      

      由目标品种的编码数据和母本的编码数据，根据玉米的遗传规律以及基因互补的原理，推算出父本应具备的若干个条件，例如：

      

      材料的自动查找

      

      列出所有条件以后，然后开始查找。条件 1 对应的是电子表格中的第 32 列，选中该列所有数据，然后由小到大排序，这样就把硬粒型的材料排在一起，其他的材料排除在外。在符合条件 1 的所有材料中，用同样的办法，再选择符合条件 2 的材料，依次类推，最后选出符合所有条件的材料。

      

      

      确定组合

      

      用选定若干个适合作母本的材料作母本，用能够弥补母本缺点的材料作父本，配制杂交组合。这样就可以把不符要求的大量的材料及组合排除在外，克服了育种的盲目性，提高了组配的准确性

      

      田间验证

      

      把确定的组合，冬天在海南进行配制，然后在田间种植进行验证。经过 2006年我们对 2700 个组合的表现统计，综合性状明显不如对照的约占 30%，与对照相同或相近的占 58%，显著超过对照的占 12%。

      

      近年来，通过实践证明，应用数字化育种新方法，能够大大地提高育种效率，节约育种成本。