編輯 | 新銳恒豐研究院
作者 |薛建斌等
在
玉米育種工作中，每年我們都要面對數(shù)千份自交系、雜交組合、品比試驗(yàn)材料，大量的田間調(diào)查記載、資料的歸類、整理，以及其遺傳特性的分析，是一項(xiàng)繁瑣的工作。為了能夠利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對所有的育種材料進(jìn)行自動化管理，筆者曾研究總結(jié)出數(shù)字化育種新方法，并在番茄育種中得以應(yīng)用?，F(xiàn)把該方法引入玉米育種工作中，力圖使玉米育種田間調(diào)查記載簡便化，資料歸納整理自動化，遺傳分析直觀化，選配組合準(zhǔn)確化，克服育種的盲目性，改變大量的田間盲目育種，為有目的的室內(nèi)推演育種，田間種植只是對推演結(jié)果的驗(yàn)證。這樣就大大地提高了育種工作的效率，節(jié)約育種成本。
玉米遺傳性狀的數(shù)字化
玉米遺傳性狀，大部分是用文字來描述的，文字描述通常又比較模糊，田間調(diào)查記載比較麻煩，歸納整理資料比較費(fèi)勁，若想利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對資料進(jìn)行自動化處理，就必須把文字描述的性狀轉(zhuǎn)化成具體的數(shù)字，就需要對不同的性狀進(jìn)行統(tǒng)一的編碼，實(shí)現(xiàn)從文字描述到數(shù)字表述的轉(zhuǎn)化。在番茄上，由于顯隱性明顯，質(zhì)量遺傳多，數(shù)量遺傳少，所以筆者提出了“用不同的數(shù)位來代表不同的性狀，用該數(shù)位上的具體數(shù)字代表該性狀具體的量”之概念。然而在玉米育種工作中，由于其數(shù)量遺傳比較多，許多性狀都需要用2~3位數(shù)來表示，所以用單個(gè)數(shù)位就難以表達(dá)。因此，筆者又提出“用不同的數(shù)列（計(jì)算機(jī)電子表格中的列）來代表不同的性狀，該表格中的具體數(shù)字來表示該性狀具體的量。”然后，制定一個(gè)統(tǒng)一編碼規(guī)則，對所有的性狀進(jìn)行統(tǒng)一的編碼，從而實(shí)現(xiàn)所有的性狀表述數(shù)字化。
玉米材料遺傳性狀的編碼規(guī)則
材料的序號用電子表格中的第 1 列來表示。
材料的名稱用電子表格中的第 2 列來表示。-
材料的來源用電子表格中的第 3 列來表示。
苗勢的強(qiáng)弱，用電子表格中的第 4 列來表示。苗勢分為極弱、弱、中等、較強(qiáng)、特強(qiáng)五個(gè)等級，分別用 1、2、3、4、5 來代表。
氣生根的發(fā)達(dá)程度，用電子表格中的第 5 列來表示，根據(jù)氣生根的層數(shù)、條數(shù)、根的粗細(xì)來判定其強(qiáng)弱，由弱到強(qiáng)分為五個(gè)等級，分別用 1、2、3、4、5 來代表。
株高，用電子表格中的第 6 列來表示。用實(shí)際測量的平均株高厘米數(shù)來代表。
莖粗，用電子表格中的第 7 列來表示。用實(shí)際測量基部第二莖節(jié)中部直經(jīng)的平均厘米數(shù)來代表。
莖桿的堅(jiān)韌度與抗風(fēng)能力密切相關(guān)，用電子表格中的第 8 列來表示。堅(jiān)韌度可分為軟、中等、堅(jiān)硬三個(gè)等級，分別用 1、2、3 來代表。
株型，用電子表格中的第 9 列來表示。根據(jù)穗上部第三片葉與莖桿之間的夾角大小，分為特緊湊型（夾角<15º）、緊湊型（15º<夾角<30º）、半緊湊型（30º<夾角<45º）、較平展型（45º<夾角<60º）、平展型（60º<夾角<75º）、特平展型（夾角>75º〉六個(gè)類型，分別用 1、2、3、4、5、6 來代表。
葉長，用電子表格中的第 10 列來表示。測量對象為穗上部第三片葉，用其平均長度厘米數(shù)來代表。
葉寬，用電子表格中的第 11 列來表示。測量對象為穗上部第三片葉中部，用其平均寬度厘米數(shù)來代表。
葉色，用電子表格中的第 12 列來表示。葉色分為淡綠、正綠、濃綠三個(gè)級別，分別用 1、2、3 來代表。
雄花的分枝數(shù)，用電子表格中的第 13 列來表示。用實(shí)際調(diào)查的平均分枝數(shù)來代表。
雄花的分枝形狀，用電子表格中的第14列來表示。分枝形狀分為上沖、半上沖、平展三個(gè)類型，分別用1、2、3來代表。
雄花花粉量的大小，用電子表格中的第 15 列來表示。花粉量分為小、中、大三個(gè)等級，分別用 1、2、3 來代表。
花粉穎殼的顏色，用電子表格中的第 16 列來表示?；ǚ鄯f殼的顏色，常見的有淡綠色、黃色、淡紫色、深紫色，分別用 1、2、3、4 來代表。
穗位高度，用電子表格中的第 17 列來表示。用實(shí)際測量的穗位平均高度的厘米數(shù)來代表。
雌穗花絲顏色，用電子表格中的第 18 列來表示。常見的花絲有淡綠色、淡黃色、淡粉色、紫色四種，分別用 1、2、3、4 來代表。
雌穗有無箭葉，用電子表格中的第 19 列來表示。雌穗有箭葉，用1來代表，雌穗無箭葉，用 0 來代表。
雌穗的露尖程度，用電子表格中的第20列來表示。露尖程度分為無、輕（露尖<1cm）、中等（1cm<露尖<2cm）、重（露尖>2cm）四個(gè)等級，分別用 0、1、2、3 來代表。
夏播生育期，用電子表格中的第 21 列來表示。用從夏播播種到成熟的實(shí)際生長天數(shù)來代表。
春播生育期，用電子表格中的第 22 列來表示。用從春播播種到成熟的實(shí)際生長天數(shù)來代表。
穗長，用電子表格中的第 23 列來表示。用 10 穗平均穗長的厘米數(shù)來代表。
穗粗，用電子表格中的第 24 列來表示。用 10 穗平均穗粗的厘米數(shù)來代表。
穗型，用電子表格中的第 25 列來表示。穗型有錐型和筒型，分別用 1 和 2 來代表。
穗行數(shù)，用電子表格中的第 26 列來表示。用 10 穗平均穗行數(shù)來代表。
行粒數(shù)，用電子表格中的第 27 列來表示。用 10 穗平均行粒數(shù)來代表。
穗粒數(shù)，用電子表格中的第 28 列來表示。用 10 穗平均穗粒數(shù)來代表。
穗軸顏色，用電子表格中的第 29 列來表示。常見的穗軸顏色有白色、粉色和紅色，分別用 1、2、3 來代表。
穗軸的粗細(xì)，用電子表格中的第 30 列來表示。用實(shí)際測量 10 個(gè)穗軸的直徑平均厘米數(shù)來代表。
出籽率，用電子表格中的第 31 列來表示。用實(shí)際測量 10 穗平均出籽率（去掉%）來代表。
子粒的類型，用電子表格中的第 32 列來表示。子粒的類型分為硬粒型、半馬齒型、馬齒型、粉質(zhì)型、臘質(zhì)型（又稱糯玉米、粘玉米）、甜質(zhì)型、爆裂型、有稃型、牧草型九個(gè)類型，分別用 1、2、3、4、5、6、7、8、9 來代表。
子粒的顏色，用電子表格中的第 33 列來表示。常見的顏色有白色、黃色、黃白色、紅色、紫色、黑色、五彩色七種顏色，分別用 1、2、3、4、5、6、7 來代表。
子粒的大小，用電子表格中的第 34 列來表示。用目測，分為極小、小、中等、大、特大五級別，分別用 1、2、3、4、5 來代表。
千粒重，用電子表格中的第 35 列來表示。用實(shí)測 1000 粒的重量克數(shù)來代表。
單穗產(chǎn)量，用電子表格中的第 36 列來表示。用實(shí)測 10 穗的平均產(chǎn)量克數(shù)來代表。
畝產(chǎn)量，用電子表格中的第 37 列來表示。用折算的理論公頃產(chǎn)千克數(shù)來代表。
對大斑病的抗性，對小斑病的抗性，對絲黑穗病的抗性，對黑粉病的抗性，對粗縮病的抗性，對青枯病的抗性，對穗腐病的抗性，對園斑病的抗性，對灰斑病的抗性，對彎孢菌葉斑病的抗性，對銹病的抗性，對矮花葉病毒病的抗性，對莖腐病的抗性，分別用電子表格的第 38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50 列來代表?？共⌒苑指呖梗?/span>HR）、抗（R）、中抗（MR）、感?。?/span>S）、高感（HS）五個(gè)級別，分別用 1、2、3、4、5 來表示。
數(shù)據(jù)庫的建立
根據(jù)上述編碼規(guī)則，將田間調(diào)查的數(shù)據(jù)結(jié)果，輸入計(jì)算機(jī)相應(yīng)的電子表格中，可以將自交系、雜交組合、品比試驗(yàn)等分門別類，形成一個(gè)完整的、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。
數(shù)據(jù)歸納、整理的自動化動排序
數(shù)據(jù)庫建立后，根據(jù)研究目的要求，將某一性狀進(jìn)行數(shù)據(jù)歸納、整理。比如，把所有的材料按照株高來歸類，根據(jù)編碼規(guī)則，數(shù)據(jù)庫電子表格中的第六列表示株高，所以，選定該列所有數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊表格菜單，在出現(xiàn)的下拉菜單中，選擇排序菜單，在出現(xiàn)的對話框中，選擇由小到大排列，系統(tǒng)就會把所有材料的株高按由小到大自動排列好。同樣，如果需要按照產(chǎn)量來排隊(duì)，就選定該目標(biāo)性狀所對應(yīng)的第 37 列所有數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行由大到小自動排序。只要把數(shù)據(jù)庫建立起來，材料的歸類、整理就可以實(shí)現(xiàn)自動化。
分析遺傳規(guī)律既簡便又直觀
將母本、父本及雜交種的數(shù)據(jù)編碼放在一起比較，就可以非常直觀地看出其遺傳規(guī)律。例如：
從上面的數(shù)據(jù)表中可以直觀地看出，株高是 F１ 代高于雙親，屬于超親遺傳；抗倒伏強(qiáng)的材料與中等和不抗倒材料雜交，其后代表現(xiàn)為抗倒強(qiáng)和中抗；從株型來看，緊湊型和平展型材料雜交，其后代表現(xiàn)為半緊湊型；從生育期來看，早熟材料和晚熟材料雜交，其后代表現(xiàn)為中熟偏早，屬于基因互作；從穗長和行粒數(shù)來看，其后代超過雙親，具有加性效應(yīng)；從穗行數(shù)來看，其后代介于雙親之間或偏向數(shù)字高的親本，同一材料的后代表現(xiàn)也不完全一致，說明除基因互作之外，還受環(huán)境效應(yīng)的影響；從軸色來看，紅軸和粉軸雜交，其后代表現(xiàn)為紅軸；從粒型上來看，半硬粒和馬齒型雜交，其后代表現(xiàn)為半馬齒；從抗病性來看，大都是顯性遺傳……
（由于數(shù)據(jù)過多，頁面放不下，故摘錄部分?jǐn)?shù)據(jù)供參考）
我們把選出的優(yōu)良組合及親本放在一起進(jìn)行比較，就可以提高對自交系材料的認(rèn)知程度，便于掌握和使用這些材料，對總結(jié)育種經(jīng)驗(yàn)非常有利。
選配組合準(zhǔn)確化，克服育種的盲目性
目前玉米生產(chǎn)上全部是種植雜交種。雜交種的優(yōu)勢，就是能夠綜合雙親的優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)上表現(xiàn)出更好的抗性，獲取更高的產(chǎn)量，所以，玉米育種也就以選配優(yōu)良雜交組合為主。由于親本材料資源的局限，目前所育成的品種還不能十全十美，還有這樣或那樣的不足和缺點(diǎn)，育種的過程，也就是對現(xiàn)有的所謂優(yōu)良品種不斷進(jìn)行改良的過程，以便使雜交種能夠綜合更多的優(yōu)良性狀。
選配組合的原則，就是根據(jù)玉米材料的遺傳規(guī)律和優(yōu)良基因互補(bǔ)的原理進(jìn)行選配組合。在常規(guī)的育種方法中，大部分遺傳性狀都是用文字描述的，田間記載本一大堆，要從中找出符合要求的材料，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以，往往只注重個(gè)別主要性狀的互補(bǔ)，而忽視了所有相關(guān)性狀的選擇，這樣就容易造成雜交后代中一些差的性狀表現(xiàn)出來，組配的盲目性就比較大。而采用數(shù)字化育種新方法后，則選配組合就像做加減法一樣簡單，準(zhǔn)確又快捷。
確定育種目標(biāo)
根據(jù)生產(chǎn)上對品種的要求，確定我們的育種目標(biāo)。制定育種目標(biāo)時(shí)，應(yīng)該考慮玉米的用途、種植模式、生長期、自然條件、發(fā)病情況、產(chǎn)量水平等因素，確定目標(biāo)品種應(yīng)該具備的優(yōu)良性狀，并列出其對應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)。
選定母本
應(yīng)選擇大部分主要性狀與目標(biāo)品種相同或相近的材料作母本，列出其應(yīng)具備的若干個(gè)性狀編碼，也就是說必須符合以上若干個(gè)條件才能作母本。
選定父本
由目標(biāo)品種的編碼數(shù)據(jù)和母本的編碼數(shù)據(jù)，根據(jù)玉米的遺傳規(guī)律以及基因互補(bǔ)的原理，推算出父本應(yīng)具備的若干個(gè)條件，例如：
材料的自動查找
列出所有條件以后，然后開始查找。條件 1 對應(yīng)的是電子表格中的第 32 列，選中該列所有數(shù)據(jù)，然后由小到大排序，這樣就把硬粒型的材料排在一起，其他的材料排除在外。在符合條件 1 的所有材料中，用同樣的辦法，再選擇符合條件 2 的材料，依次類推，最后選出符合所有條件的材料。
確定組合
用選定若干個(gè)適合作母本的材料作母本，用能夠彌補(bǔ)母本缺點(diǎn)的材料作父本，配制雜交組合。這樣就可以把不符要求的大量的材料及組合排除在外，克服了育種的盲目性，提高了組配的準(zhǔn)確性
田間驗(yàn)證
把確定的組合，冬天在海南進(jìn)行配制，然后在田間種植進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過 2006年我們對 2700 個(gè)組合的表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)，綜合性狀明顯不如對照的約占 30%，與對照相同或相近的占 58%，顯著超過對照的占 12%。
近年來，通過實(shí)踐證明，應(yīng)用數(shù)字化育種新方法，能夠大大地提高育種效率，節(jié)約育種成本。
