作物育种学各论

作物育种学各论教案农学遗传育种植物保护等专业用教师：罗春梅第一章水稻育种计划学时：2学时属累计学时：1～2学时教学重点：育种学的概念；育种计划的内容；我国水稻育种简史和成就及发展动态；水稻育种目标及主要性状的遗传。教学难点：水稻育种目标及主要性状的遗传。教学过程：绪论一、作物育种学概念作物育种学是研究选育优良品种的理论与技术的科学。其任务：研究改良遗传性状的基本规律，搜集创造和研究育种资源，培育优良品种以及生产优良种子，实现品种良种化，种子标准化，充分发挥优良品种的增产性能。二、育种计划的内容（一）确定所要选育的品种类型根据作物繁殖方式，品种类型可分为4类：1、无性繁殖系群体包括三类：①使用非种子的植株其它部分繁殖个体，②使用无融合生殖获得的种子；③组织培养。2、近交家系群体包括家系品种及多系品种。3、异交群体包括异交作物的自由授粉群体品种、综合品种及自交作物的杂交合成群体。一般不称品种。4、杂种品种群体主要指F1代杂种品种。大多数作物通过有性繁殖方式生产种子，通常自花授粉植物采用家系品种，经“三系”配套可以使用杂种品种。异花授粉作物使用天然异花授粉品种或杂种品种。（二）明确选育目标性状与要求育种目标就是对新品种性状上的具体要求，也就是在一定的自然、栽培和经济条件下，要选育的品种应该具有那些优良的特征特性。通常一个作物的育种目标包括：产量、品质、生育期、抗逆能力、抗病虫性、遗传与环境互作特性等。有了明确的育种目标，才能有目的的搜集原始材料，有计划地选用亲本，恰当地确定育种方法、选择方向及选择标准。可见，育种目标是育种工作的依据和指南。（三）筹措育种性状遗传变异的来源及育种群体的创造育种的实质就是要发现或创造优于现有良种的变异个体，通过育种手段把这个变异个体鉴定、选择出来，扩大繁殖形成品种。创造变异的方法：①自然变异的群体；②常规杂交，如：单交、三交、复交、回交等；③远缘杂交；④人工诱变（物理因素和化学因素）；⑤单倍体育种；⑥转基因技术等。（四）提出所拟采用的育种途径、方法、技术与策略育种途径包括了系统育种、杂交育种、诱变育种、倍性育种、遗传工程等。每一种育种途径有其相应的育种方法，如：围绕杂交育种的方法有各种亲本组配方法、杂种后代选择处理方法、轮回选择方法等。一种育种方法的实施又由多种育种技术支持。如诱导性状变异的技术、性状在田间或实验室鉴定的技术、试验资料的计算机处理技术、异地加代繁殖技术、杂种种子生产技术等。育种家把改良原有品种获得新品种的一个育种周期，称为育种进度。育种进度是育种计划所采作的育种途径、方法、技术的综合反应。最佳的育种途径、方法、技术可以缩短育种周期，提高育种进度。第一章水稻育种第一节国内外水稻育种概况一、我国水稻育种简史经历了两个重要时期：1、品种的整理和评选利用（1949年～1950年）2、矮化育种和杂交稻育种（1960年以后）我国的水稻育种已有两次突破，第一次是在上世纪60年代初矮化育种的成功，把水稻产量提高了20—30%，亩产可超过500kg；第二次是70年代中期杂交水稻的研究，水稻产量在矮秆良种的基础上又增长了20%左右，每亩可超过600kg。从1976年到2002年，杂交水稻累计种植面积40多亿亩，增产粮食4亿多吨。二、我国水稻育种的主要成就1、水稻品种高产稳产水平持续提高；50年代每公顷平均为2461.5kg,80年代上升到5007kg,提高了1.03倍。品种的高产稳产素质对产量的提高起着决定作用。2、对稻种资源的收集、整理、保存和研究利用，促进了育种研究的发展；迄今为止，稻种资源估计有5万份，从70年代开始，我国就对稻种资源进行了进化、分类、生理、遗传、病理、昆虫、生化、品质等多学科综合基础研究，提高了资源利用的水平。为实现高产优质多抗的育种目标奠定了基础。3、育种方法和技术齐全先进①品种间杂交育种和杂种优势利用是我国水稻育种的主要途径。②籼粳亚种间杂交育种及其在杂交稻育种中研究应用取得进展③诱变育种已成为我国水稻育种方法的重要组成部分④我国水稻矮化和株型育种，籼稻杂种优势利用和粳稻花药培养等，在世界水稻育种中占独特的重要地位。三、国内外水稻育种发展动态及趋向我国水稻育种的发展趋向：我国的水稻育种正酝酿着第三次突破，即以利用水稻亚种间杂种优势为主的超级稻，亩产可达800kg。湖南省已连续几年百亩示范片亩产超过800kg。对于未来水稻的增产能力，以袁隆平为首的育种家，通过生物技术培育的新品种，已经取得了进展。利用DNA技术，杂交稻在试验田的产量潜力为900kg左右。目前，已经提出了第三期超级杂交稻育种的计划，即到2010年实现大面积示范亩产900kg。从育种科学的角度，将常规育种手段与分子育种技术结合起来，取得新的、更大的第四次突破，是大有希望的。世界最新水稻育种技术发展动态（一）高产水稻育种研究现代生物技术是培育高产水稻的重要手段之一，中国的杂交水稻为粮食增产作出了重要贡献。目前，中国杂交水稻年种植面积占水稻种植总面积的51％，产量约占水稻总产的60％，中国亚种间杂交稻一般比品种间杂交稻具有20％以上的增产潜力。利用水稻亚种间杂种优势是现阶段战略重点，二系法杂交水稻研究已取得突破性进展。从长远而言，利用无融合生殖选育的一系法杂交稻是很有前途的，从其理论和技术方面已有了一定基础。目前，中国的超级稻、工程杂交稻或转基因杂交稻的研究成果及其转化于生产实践，将会为中国粮食增产做出更多更大贡献。（二）抗虫水稻育种研究美国康乃尔大学研究人员从马铃薯中获得一种抗虫基因，经修饰后使之在水稻内获得有效表达，即合成一种蛋白质可干扰包括螟虫在内的若干害虫（幼虫）的进食。这一成果为创建新型抗虫转基因水稻奠定了基础，预计经数年后，这种抗虫工程稻种子商业化，将有可能使世界稻谷增产50％，为农民提供含抗虫基因的工程稻种子是大有希望的。（三）抗病水稻育种研究病害也是稻谷减产的重要因素之一。国外曾报道，1975至1990年间11％到30％的稻谷植物染上稻瘟病菌（一种真菌病原）致使作物颗粒无收，美国研究人员发现一种酵母信息素可以阻止稻瘟病菌感染植株，该信息素遏止真菌的特定细胞-附着胞（即真菌孢子的一员）的生长，它是侵染稻谷宿主细胞引发病害的关键因素。这样，信息素可直接应用于稻株防病，不过其生产成本高，而活力持续时间短。因此，有可能通过遗传工程技术培育含信息素的植株。也有发现植株叶面附生微生物可产生信息素，需做进一步研究。基因技术控制稻谷病害是研究方向之一，国际水稻研究所已通过分子标记辅助选择将４种不同抗稻瘟病基因累加到同一水稻品种，获得广谱抗稻瘟病材料，是构建抗病转基因作物的研究方向，预计5年内将实现这种抗病转基因稻作的目标。（四）耐盐水稻育种研究这项研究的目的在于：1、使新型耐盐性水稻能适应盐碱地种植。2、在淡水短缺情况下可充分利用海水浇灌。在国外已有耐盐番茄、甜瓜和大麦等作物的报道，英国苏萨克斯大学培育的耐盐水稻能在大田中旺盛生长，但必须看到于大田中调节盐含量的复杂性。耐盐性稻谷基因工程研究在英国颇为活跃，研究人员利用耐盐水稻的基因植入水稻，培育出耐盐性水稻，能吸收少量盐分，并能贮存于细胞中不影响作物生长，预计要经8代繁殖后（即8个收获期）的种子才能用于商业化推广应用。这种工程稻一方面能在荒废的盐碱地得以利用，另一方面可以逐渐吸收土壤中的盐碱成分，从而改良土壤。（五）抗灾水稻育种研究涝灾、风灾对水稻生产是个威胁，为了防止涝灾、风灾以及杂草对水稻作物的危害，其基础研究或应用研究均取得可喜进展。国际水稻研究所人员从产量低的耐淹水稻中找到一种耐淹的基因，将其移入到高产热带水稻中，终于培育出耐水淹的水稻品系，其产量比高产热带水稻产量还要高。该工程稻在淹没情况下仍能存活，这期间田间杂草则被淹死。该研究所还培育出另一种耐涝水稻新品种，在泰国试种有可能比现有水稻产量提高3到4倍。（六）改良稻米品质的研究八十年代中期美国成功地培育出高蛋白质玉米转基因植株，种子蛋白质含量达40％到45％，可与大豆媲美。与此同时，还培育出比普通水稻高10％蛋白质含量和赖氨酸含量较高的水稻新品中。在中国，为改良米质，湖南师范大学研究人员将野燕麦ＤＮＡ导入水稻，选育出麦-稻新品种，经多年的培育，该品种具有丰产性、米质优、熟期适当以及株叶型适度等特点，在湖南扩种后，新稻种供不应求。为使稻米具有更好的保健食疗，美国加州一家应用植物公司第一次用基因工程技术构建一种能产生人体蛋白的水稻，即稻米含有一种抗胰蛋白酶的人体蛋白，此酶蛋白可用于治疗肝病引发出血之功效，收获的工程水稻种子可以发芽继续繁殖，扩大再生产。人们把这种源于工程水稻的种子称为功能性稻米，作为主食为保健食疗开辟最经济的途径。第二节能水稻育种目标及主要性状的遗传一、确定育种目标的依据1、农业生产发展的情况和趋向如：人口增长、耕地减少，使提高水稻单产成为制定育种目标的重要内容。2、稻作的气候生态环境和耕作栽培制度如：我省属于热带亚热带高原湿润季风气候，稻作主要分布于海拔1900m以下，最高可达2700m，稻作垂直分布明显，近距离之间的气候生态差异大。云南南部有双季稻，一年可三熟，品种属于早籼和晚籼或晚粳。其余以一季稻二熟制为主，品种属一季中籼和中粳稻，籼粳稻并存，品种类型复杂，是我国陆稻分布较多的稻区。这种气候生态环境的复杂性，就要求育种目标在品种类型上要具有多样性。3、水稻生产的限制因素如：我省稻区的制约因素有稻瘟病、白叶枯病、黄矮病、稻瘿蚊、三化螟、二化螟和低温冷害等，有些地区水资源紧缺，容易遭受干旱。品种要求要有抗病虫性、耐旱性、耐淹性。1、社会需要和人民生活习惯等如：我省是多民族聚集的地区，须选育高产而适应人民生活传统需要的品种，如糯米、紫米和软米。二、主要性状的遗传围绕主产、优质、多抗和适应性强的育种目标，研究有关性状的遗传对育种资源的选用和创造，对提高选择效率和达到育种的目标，有重要意义。（一）产量性状每株穗数（或单位面积穗数），每穗粒数和千粒重（g）是稻种的主要产量性状。产量性状都属于数量遗传性状，主要受基因加性效应控制，遗传力低，容易受环境影响。产量性状在品种间差异明显，每个产量性状均受到有关特性的制约。如：①穗数受分蘖力和成穗率影响。穗数与分蘖力成正相关，一般半矮杆的品种分蘖力较强，穗数较多，遗传力也较高。②每穗粒数与穗长，着粒密度与穗分枝特性有关系。遗传研究表明：多粒对少粒，密穗对散穗呈部分显性，即采用相对性状的品种杂交，F1代呈中间型偏向多粒密穗稍多。③栽培品种的千粒重多介于20～30g之间。千粒重受粒形大小和灌浆充实度的影响。粒重大对粒重小是部分显性，F1代呈中间型偏向粒重大的多；粒重遗传受母性效应影响，在杂交组合中宜将粒重大的品种作母本；粒重与粒长、粒宽和粒厚呈显著正相关；粒重与籽粒在成熟过程中灌浆充实度有关。大量研究表明，每穗粒数对产量的作用最大，影响水稻产量的因素为每穗实粒数＞千粒重＞每株穗数。在超高产株型设计中，应加入粒重指标。（二）株型性状产量性状的遗传非常复杂，不仅受穗数，每穗粒数和千粒重影响，还与株型性状有关。株型性状包括株高、分蘖集散性、叶片角度及着生姿态等。现代高产品种多属于半矮杆（90～110cm）、紧凑型品种。紧凑型表现为冠层叶直立或半直立，夹角较小，有效蘖较紧凑，地上部基部节间较密集。紧凑型对松散型表现为隐性。故紧凑型在早期世代选择效果不好，易被松散型掩盖，只在E2代以后才逐渐表现出来。Donald提出理想株型的概念后，国内外不少水稻育种家围绕这一重要课题进行了研究。日本松岛省三从栽培的角度提出上部叶片要短、直、厚。我国学者杨守仁提出理想株型与优势利用结合，强调偏矮秆与偏大穗相结合、上部叶片直立与稻穗直立。Khush提出的少蘖大穗模式，主要强调分蘖少、穗型大(每穗200～250粒)。黄耀祥提出“半矮秆丛生快长超高产株型模式”，强调前期的早生快发。周开达提出重穗型超高产模式，强调单穗重(5g以上)。袁隆平根据杂交水稻的成功经验提出了形态改良和杂种优势利用相结合的超高产育种模式。应该指出理想株型之“理想”实质上是有地域限制的，能够最好地利用当地生态条件