杂种优势是指杂种后代的性能优于双亲群体的现象.杂交能有效提高后代的生长发育性能、繁殖性能和抗病性,因此被广泛应用于动植物生产.研究人员利用杂交育种技术培育了超优千号杂交水稻、小偃6号杂交小麦、杜蒙羊、山下黑猪等优秀的农牧新品系和配套系.然而当前的杂种优势研究仍存在一些亟待解决的问题:现有杂种优势理论只能部分解释动植物杂种优势现象,动物杂种优势理论研究较少,且现有的杂种优势预测方法准确性有限.我国是世界上最大的猪肉生产消费国,杂种优势能够有效提高生猪生产性能,在生猪产业的应用方面具有重要的经济和研究价值.但目前有关猪杂交生产研究还处于起步阶段,亟待进一步深入.本文综述了现有的杂种优势理论、杂种优势预测方法,及其在猪生产中的应用研究,以期为杂种优势在生猪育种中的应用提供借鉴与参考.

稳定遗传的雌性不育系是薏苡实现杂种优势利用的关键,雌性不育基因的利用也是实现轻简化杂交种制种的重要途径.本研究团队在资源鉴定过程中首次发现了在自然条件下产生的薏苡雌性不育遗传材料FS2106.以FS2106为试验材料,对其表型、花粉活力和染色体数目进行鉴定,以其为父本与2个可育薏苡材料配制杂交组合,观测雌性不育性、柱头颜色、叶鞘颜色和总苞质地4个性状在F1、F2群体中的性状分离情况,并通过x2检验揭示其遗传方式和遗传规律.结果表明,FS2106植株的株高、茎粗、分蘖数、叶长和叶宽的平均值分别为86.9 cm、4.9 mm、33.4个/株、34.3 cm和2.2 cm;开花期雌穗不发育、雄穗发育正常,产生正常活力花粉,雌性不育性状稳定;染色体数目为2n=20,倍性正常.x2检验显示,FS2106植株的雌性不育性属于单基因控制的隐性核遗传,其紫色叶鞘、紫色柱头颜色、总苞质地性状均为单基因显性遗传,而且总苞质地性状位点表现为杂合子.FS2106的发现及其雌性不育基因的挖掘为薏苡杂种优势利用和杂交制种提供了基础材料,叶鞘颜色、柱头颜色和总苞质地性状也可做为育种应用的重要标记性状.

利用雄性不育系制种是利用杂种优势的最有效的途径,尤其对小麦(Triticum aestivum L.)、水稻(Oryza sativa L.)等自花授粉作物的杂种优势利用具有十分重要的意义.ABCG(ATP-binding cassette G transporter)转运蛋白属于ABC(ATP-binding cassette transporter)转运蛋白中的一个大亚族,参与植物各种生物过程,包括调控雄性育性.本文概述了ABC转运蛋白的特点与分类,并系统阐述了ABCG转运蛋白参与调控植物花粉壁和花药角质层发育的研究现状,同时也对ABCG转运蛋白目前研究所存在的问题提出了建议,并对后续的研究进行了展望.

杂种优势利用是显著提高作物产量的主要途径,有助于解决日益增长的人口数量与有限耕地之间的矛盾.大豆作为世界上重要的粮油饲兼用作物,其开展杂种优势利用已有30余年.其中,基于细胞质雄性不育的三系法杂交育种系统是大豆杂种优势利用的主要途径.目前,已有40余个杂交大豆品种通过审定并在生产上推广应用,杂交大豆正处于由中试向产业化推进阶段.本文对大豆细胞质雄性不育遗传基础与育种应用进行了综述,系统阐述了各类型细胞质雄性不育系的发现及利用、不育性状的遗传和分子机制、育性恢复基因和恢复抑制基因的定位和克隆等方面的研究进展.基于大豆杂种优势利用研究现状论述和分析,提出了三系法杂交大豆育种中存在的问题、挑战及解决路径,并对三系法杂交大豆育种技术的创新进行了展望,旨在为大豆杂种优势分子基础和应用研究提供新方法、新思路.

大豆(Glycinemax(L.)Merr.)是自花授粉作物,通过人工去雄的办法生产杂交种,不仅繁琐且成本高.雄性不育基因功能的研究是大豆杂种优势利用的前提之一,大豆雄性不育位点报道较少,定位及功能研究进展缓慢.随着大豆转基因体系的成熟及生物技术的发展,利用反向遗传学研究大豆雄性不育基因的功能变得相对容易.本研究通过转录组数据分析发现大豆中编码小G蛋白的GmARFA1a受到大豆雄性育性控制基因MS1(Male Sterile 1)和MS2的调控,公共数据库数据表明GmARFA1a在大豆未开放的花中表达量最高,而qRT-PCR数据进一步明确GmARFA1a在大豆授粉前雄蕊中优势表达.花粉萌发实验及结实率统计发现Gmarfa1a突变体花粉活力下降导致结实率受到明显抑制.本研究对GmARFA1a基因功能进行了初步解析,明确其对大豆雄性育性存在一定影响.研究结果不仅丰富了对GmARFA1a乃至ARF基因家族成员功能的认识,也为后续深入研究大豆GmARFA1a功能及大豆杂种优势利用奠定了基础.

大豆雄性不育系对发挥大豆杂种优势具有重要价值,然而传统的三系杂交存在恢复系来源受限等问题,而环境敏感型细胞核雄性不育系在不同条件下育性可以改变.本文对ms3(Washington)、ms3(Flanagan)和ms3(Plainview)3个独立突变体的表型和突变位点展开了进一步研究,分别进行了不育表型鉴定、高通量测序、分子标记设计及突变位点验证、分析突变对MS3蛋白结构的影响、ms3(Plainview)花药半薄切片等实验.实验结果表明突变体花粉大量败育,只有零星被I2-KI染液染成黑色的不规则花粉粒.高通量测序结果显示,m3(Washington)和ms3(Flanagan)在MS3第3个外显子的PHD编码区域出现了大片段插入,导致MS3蛋白PHD结构域被破坏,这个等位基因命名为ms3-1;ms3(Plainview)在MS3第1个外显子缺失了一个A,导致移码突变,开放读码框仅编码40个氨基酸,蛋白功能完全丧失,这个等位基因命名为ms3-2.半薄切片结果显示,在花药发育中后期ms3(Plainview)的绒毡层和花粉发育出现异常.综上,本研究的结果为ms3的应用和MS3基因改造提供了材料和依据.

为分析油茶杂交子代花器官性状的变异程度、杂种优势及遗传倾向,以322株油茶杂交子代(德油2×华硕)及其亲本为试材,调查花横径、花纵径、花瓣数、花药数、花柱裂数、雄蕊群长、花柱长和雌蕊长8个花器官数量性状,并进行遗传变异分析、正态性检验和概率分级、杂种优势分析及聚类分析.结果表明:(1)子代群体花器官性状变异系数区间为11.74％～22.10％,平均为16.26％.(2)K-S正态性检验和频率分布显示,花横径、花纵径、花药数和雄蕊群长符合正态分布;花瓣数和花柱长为双态分布;花柱裂数与雌蕊长呈偏态分布特征.频率分布占比最高的位于Ⅲ级,平均占比43.05％;V级占比最低,平均为8.07％.(3)花器官各性状的中亲优势范围为-28.48％～5.65％,超高亲优势范围为-49.29％～-9.12％,超低亲优势范围在-18.06％～29.12％.除超高亲优势全为负值,存在一定程度的衰退现象外,其余2个优势度量指标呈现正负双向分布趋势,其中花柱裂数和花药数在中亲优势、超低亲优势中均表现为正向,优势明显且稳定;花柱长和雌蕊长在超低亲优势中显示为正值.相对遗传力分析结果显示,父本的花药数和花柱裂数优于母本,子代具有亲父倾向;其余6个数量性状中母本更占优势,子代倾向于母本特性.(4)聚类分析将试验材料分为三大类群,其中,第Ⅱ类群综合表现最优,具有较高的杂种优势利用价值.以上结果表明,杂交子代群体的遗传变异程度较高,杂种优势明显,可为丰富油茶综合评价体系以及早期优株筛选提供参考依据.

应用核心种质是针对解决育种问题而建立的成套优异种质集合,也是种质资源研究紧密衔接作物育种的体现形式.鉴于玉米核心种质研究现状,明确了玉米应用核心种质的基本范畴和特征,提出在玉米核心种质资源的基础上,进一步融入重要育种性状的优异等位基因,构建分别适应不同生态区、杂种优势类群明确、所含优异等位基因清晰、无明显遗传累赘的应用核心种质,将是今后玉米种质资源研究的工作重点.最后,对玉米应用核心种质构建的关键问题进行了论述,以期推动我国玉米应用核心种质构建相关工作的高效发展,使其能够在较长的一段时间内对我国玉米育种研究提供有效的物质和信息支撑.

在大豆杂种优势利用中,主要基于三系法进行杂交大豆品种选育.恢复系作为杂交种的父本,其所含的育性恢复(Rf,restorer-of-fertility)基因起决定作用.前期对大豆RN型细胞质雄性不育恢复系的育性恢复基因GmRf1进行了精细定位.本研究在此基础上,对GmRf1定位区间内的候选基因进行功能注释、亚细胞定位预测、序列比对和差异表达分析,明确了Glyma.16G161900基因在恢复系JLR230中所编码的1个576个氨基酸的PPR(Pentatricopeptide repeats)蛋白为GmRf1.进一步对含有GmRf1的对照材料Williams82与母本不育系JLCMS204A进行测交及F1植株花粉育性鉴定,验证了 GmRf1可以恢复CMS-RN型不育系育性.最后利用GmRf1在亲本间存在的单核苷酸突变位点,开发了功能性分子标记Rf1-dCAPS-2和Rf1-dCAPS-3.上述研究将为今后通过分子标记筛选或辅助选育含GmRf1基因型材料,以及通过基因工程手段创制新型恢复系奠定了理论和技术基础.

植物细胞质雄性不育是一种广泛存在于高等植物中的母性遗传性状.细胞质雄性不育不仅为研究核质互作提供了良好材料,同时也是植物杂种优势利用的重要基础,其分子机理是目前研究的重点.多种研究证据表明,线粒体基因与细胞质雄性不育密切相关.随着分子生物学和分子遗传学的不断发展,许多植物的恢复基因已经被定位和克隆,进一步阐明了植物细胞质雄性不育和育性恢复的分子机理.本文综述了近几年植物中细胞质雄性不育和育性恢复相关基因的研究进展,并探讨了细胞质雄性不育/育性恢复系统在育种方面的应用.