作物育种学(总论)

《作物育种学》总论刘占国主讲张天真主编中国农业出版社2003年3月第一版潘家驹主编农业出版社1994年5月第一版西北农学院主编农业出版社1981年1月第一版绪论发展作物生产，提高作物生产水平，基本上是通过作物的遗传改良和作物生长条件的改善两个相互结合的途径来实现的。P=G+E任何一个性状的表现都是由遗传因素和环境因素两个方面决定的。作物育种学研究的重点是对作物进行遗传改良，使得有利性状得到重组，达到高产、优质、适应性强的目的。作物栽培学研究的重点是改善作物生长发育的环境条件，达到高产、优质的目的。第一节作物进化与遗传改良一、自然进化与人工进化各种生物都是从原始生物演变而产生的。这种演变发展的过程称为进化过程。决定进化的三大基本要素：遗传、变异和选择。遗传和变异是进化的内在因素，选择决定着进化的方向。自然进化是自然变异和自然选择的进化，进化速度相对缓慢。人工进化是人类为发展生产的需要，人工创造变异并进行人工选择的进化(也包括有意识的利用自然变异及自然选择的作用)。进化的方向主要取决于人工选择的方向。作物育种实际上就是作物的人工进化，是适当利用自然进化的人工进化，其进化速度远比自然进化速度快。二、遗传改良在作物生产发展中的作用遗传改良是指作物品种改良。野生植物栽培植物随着生产的发展，人类发掘可供食用、饲用、药用及工业原料用的各种植物种类的工作一直在不断地进行着，从而使作物的种类不断得到丰富。栽培作物的来源：驯化，由野生植物驯化为栽培作物创造，人工合成新物种引种，从外国或其它生态区引进新品种遗传改良的作用：1提高作物品种的适应性，扩大其种植区域2改良其农艺性状，更利于栽培管理3提高单位面积产量水平，以提高总产4改进产品品质，适应人类生活不断提高的需要5增强对病虫害和环境胁迫的抗耐性，达到稳产第二节作物育种学的意义和发展一、作物育种学的性质和任务1.性质：作物育种学是研究选育和繁殖作物优良品种的理论和方法的科学。2.基本内容：（1）在研究和掌握作物性状遗传变异规律的基础上，发掘、研究和利用各有关作物种质资源；（2）根据各地区的育种目标和原有品种基础，采用适当的育种途径和方法，选育适于本地区生产发展需要的高产、稳产、优质、抗(耐)病虫害和环境胁迫、生育期适当、适应性较广的优良品种、杂交种或新作物；（3）在繁育、推广过程中，保持和提高其种性，提供数量多、质量好、成本低的生产用种，促进高产、优质、高效农业的发展。3.与其它学科的关系：作物育种学是作物人工进化的科学，是以遗传学、进化论为主要基础的综合性应用科学。涉及植物学、植物生态学、植物生理学、生物化学、植物病理学、农业昆虫学、农业气象学、生物统计和试验设计、生物技术、农产品加工学等。作物育种学和作物栽培学有着不可分割的关系，是植物生产科学的两个主要学科。作物育种家必须精通作物栽培学，才有可能成为优秀的、出色的育种家。而且，掌握的知识越全面、越丰富，工作中才会得心应手，成功的概率也越大。二、作物育种学的主要内容1.育种目标的制定和实现育种目标的相应策略；2.种质资源的搜集、保存、研究、利用和创新；3.目标性状选择的理论和方法；4.人工创造变异的途径、方法和技术；5.杂种优势利用的途径和方法6.目标性状的遗传、鉴定及选育方法；7.作物育种各阶段的田间试验技术；8.新品种的审定推广和良种繁育等。三、作物育种学的发展随着育种学、进化论和相关理论的发展和育种效率的提高，作物育种从20世纪20-30年代开始摆脱主要凭经验和技巧的初级状态。以逐渐发展成为具有系统理论和科学方法的一门应用科学。世界出版的有关育种知识的专著有：第一部1927年，美国Hayes和Carber出版的《作物育种》；1935年，前苏联Vavilov出版的《植物育种的科学基础》；1936年，中国王绶出版的《中国植物育种学》；1942年，美国Hayes和Immer出版的《植物育种方法》；1948年，中国沈学年出版的《作物育种学泛论》；1960年，美国Allard出版的《植物育种原理》；1976年，中国蔡旭出版的《植物育种育种学》；1981年，西北农学院主编的《作物育种学》等这些著作的出版对促进我国作物育种和教学事业的发展发挥了重要作用。60年代以来，随着科学技术的迅速发展，由水稻、小麦的矮化育种和抗病虫育种所引起的“绿色革命”，极大地推动和促进了世界农业和植物育种学的发展。现代作物育种的特点和发展动向主要表现在：1.育种目标不断提高。现代农业对新品种不仅要求进一步提高增产潜力，增强对多种病虫害及环境胁迫的抗耐性，广泛的适应性；而且还要求具有优良的产品品质和适应机械化操作等特性；2.种质资源工作不断加强。世界各国越来越重视和加强种质资源的搜集、保存、研究评价、创新和利用；3.鉴定分析方法微量、精确、快速。在目标性状的鉴定、分析、选择中，广泛采用现代技术和仪器，进行快速、精确、微量和非破坏性的鉴定分析，以提高育种效率。4.开拓育种新途径和新技术。除应用传统的育种技术外，还大力开拓人工诱变育种、倍性育种、远缘杂交育种、细胞工程、染色体工程、基因工程等生物技术。第三节作物品种及其在作物生产中的作用一、作物品种的概念作物品种是（1）人类在一定的生态条件和经济条件下，根据人类需要所选育的某种作物的某种群体；（2）这种群体具有相对稳定的遗传特性，在生物学、形态学及经济性状上的相对一致性，能与同一作物的其它群体相区别；（3）这种群体在相应地区和耕作条件下种植，在产量、抗性、品质等方面都能符合生产发展的需要。由以上可以看出作物品种是重要的农业生产资料。优良品种的时间性和区域性。优良品种包括品种品质和播种品质两层含义。二、作物优良品种在发展作物生产中的作用1.提高单位面积产量。在同样的区域和耕作栽培条件下，一般可增产20-30%，甚至达到40-50%。2.改善产品品质。禾谷类作物提高蛋白质含量，使氨基酸平衡；油料作物提高脂肪含量，使脂肪酸平衡；纤维作物提高纤维长度、强力等内在品质。3.保持稳产性和品质。抗耐病虫害和环境胁迫，减少和避免损失。4.扩大种植面积。优良品种适应性广，适宜种植区域广泛。5.利于耕作制度的改革、适应机械化操作、提高复种指数和提高劳动生产率。选用生长习性、生育特性、株型等适宜的品种可满足这些要求。第四节国内外作物育种的成就与展望一、国内外近代作物育种工作成就1.种质资源工作不断得到加强。70年代以来，国内外普遍加强了种质资源工作，分别建立了现代化的种质资源库，实施了微机管理，开展种质资源多种性状的观察、鉴定和遗传研究，有力的促进了育种工作。2.育种途径、方法和技术不断完善和提高。雄性不育系的发掘和利用，使杂种优势利用取得突破进展。如水稻、玉米、高粱、烟草、甘蓝型油菜、小麦和棉花等杂交种的利用。杂交稻和甘蓝型油菜杂交种的选育与推广，我国处于国际领先地位。远缘杂交创造新物种和新类型。人工创造六倍体和八倍体小黑麦、小偃麦。单倍体育种技术，生物技术的应用和诱变育种取得出色成绩。微量、快速、精确、非破坏性的性状鉴定技术，有力地促进和提高了种质资源的筛选和育种效率。3.目标性状的选育进一步得到协调改良。株型育种、矮秆育种和高光效育种工作的开展，使作物的农艺性状得到同步改进，生物产量和经济系数进一步得到协调，抗病性和产品品质不断提高。现代品种的特点是在综合性状鉴定和选择的基础上，突出目标性状，是主要目标性状都得到协调改良。二、对作物育种工作的展望1．进一步加强种质资源工作；2．深入开展育种理论和方法的研究3．加强多学科的综合研究；加强育种单位间的横向协作。第一章育种目标确定育种目标是育种工作的前提。育种目标因地、因时、因作物而异。育种目标：就是对育成品种的具体要求，也就是在一定地区的自然、耕作栽培及经济条件下所要育成新品种应具备的一系列有利性状的指标。第一节现代农业对作物品种性状的要求一、高产优良品种首先应具有较高的增产潜力。各种作物尽管收获产物不同，但都要求具有较高的单位面积产量。如籽粒产量、蛋白质产量、脂肪产量、皮棉产量、块根块茎产量等。二、稳产推广品种不仅应具有高产潜力，而且要求在大面积推广过程中能够保持连续均衡地增产。影响稳产性的主要因素有：病虫害、气象因素、土壤因素等。三、优质随着经济的发展和人民生活水平的提高，要求新品种具有优良的品质（如出米率高、出粉率高、蛋白质含量高、脂肪含量高、含糖量高、纤维内在品质好、有害物质含量低等），甚至要求具有一定的品质产量（如蛋白质产量、脂肪产量等）。四、适应性强培育作物品种即要考虑适应本地当前的自然条件，又要考虑如何适应发展中的耕作栽培水平。早熟：可避免后期灾害、利于耕作改制、提高复种指数。矮化：抗倒、耐肥水、利于密植和机械化收获。抗落粒：可减少收获中的损失。第二节制定作物育种目标的原则育种目标体现育种工作在一定地区和时期的方向和要求。制定育种目标的一般原则是：一、国民经济需要和生产发展前景在现有品种的基础上，选育新品种进行品种更新，必须充分估计到将来国民经济发展的需要和生产发展的要求。也就是说要求育种工作者要有一定的预见性。二、当地现有品种有待改进的主要性状以当地现有推广品种为参考，从而选育出能克服现有品种的缺点，保持和提高其优点的新品种。在考虑主要目标性状的同时，还要兼顾次要目标性状。因为随着主要目标的实现，原来的次要目标性状就可能上升为主要目标性状。三、育种目标的具体化和可行性高产、稳产、优质等是育种目标的一般化概念。制定育种目标需要落实到具体性状上，并且要有明确的性状指标。如禾谷类作物单位面积籽粒产量=单位面积株数株穗数穗粒数千粒重所以，高产要落实到具体的产量组成因素上，各产量组成因素的指标要明确，各产量组成因素要协调。制定育种目标即要有前瞻性，又要切实可行。目标太高不易实现，太低就可能落后生产需要。四、品种的合理搭配在同一地区范围内，自然条件和生产条件也不尽相同，生产上对品种的要求也就有类型上的差异。因此，在制定育种目标时就应考虑培育具有适当差异的几类品种，以满足生产上搭配种植的需要。第三节作物育种的主要目标性状各种作物都有一系列性状，这些性状又有其组成因素。其中特别需要改良的性状称为育种的主要目标性状。一、产量性状产量的提高直接取决于产量构成因素的协调增长。禾谷类作物的籽粒产量=单位面积株数株穗数穗粒数粒重棉花的皮棉产量=单位面积株数单株结铃数单铃重衣分大豆和油菜籽粒产量=单位面积株数株荚数荚粒数粒重产量因素之间往往相互制约。应根据当地的自然条件、耕作栽培水平和作物的生长发育特性，使产量构成因素得以协调增长，从而达到高产的目的。合理株型是高产品种的生育基础和形态特征。株型育种改善品种株型态势育种。矮化育种株型育种的一个重要内容。高光效育种提高光合效率的遗传改良。广义高光效育种：包括株型育种的基本内容。狭义高光效育种：仅指提高单位叶面积净光合速率的生理遗传改良或生理育种。二、对病虫害的抗耐性从经济学和生态学的观点讲，作物或品种对病虫害的抗性，一般只要求在病菌流行或害虫发生时，能把病原菌的数量或虫口密度压低到经济允许的阀值以下，即要求品种对病虫害有相对的抗性，而不是绝对的抗性。三、对环境胁迫的抗耐性作物品种类型对不利的气候、土壤等环境因素的胁迫分别具有不同程度的抗耐性要求品种抗(耐)寒、抗(耐)旱、抗(耐)盐碱、抗(耐)涝、抗穗发芽等。四、品质性状品质性状因作物种类及同一作物的产品用途不同而异。一般讲：1.谷物品质：有碾磨品质。包括出米率、精米率、出粉率、灰分含量等；加工品质。米类的蒸煮品质、出饭率、色泽、口感，柔软性和粘聚性等；面粉的烘烤品质、制作面条品质、蒸制馒头品质、蛋糕饼干品质等。营养品质。蛋白质含量、氨基酸含量、油脂含量等2.纤维品质：长度、细度、强度、整齐度、伸长率色泽等。3.食用油品质：不饱和脂肪酸含量高五、熟性及对耕作制度和机械化作业的适应性早熟或生育期短适于改进耕作制度和提高复种指数，减少后期自然灾害（如小麦生长后期的干热风、棉花或玉米生长后期的早霜等）可能造成的损失，利于稳产。适于机械化操作的品种性状有：整齐、不倒伏、结实