一种使用Q-保持系的杂交小麦品种选育方法

本发明涉及杂交小麦制种，具体涉及一种使用q-保持系的杂交小麦品种选育方法。

背景技术：

1、杂交优势利用是作物增产的重要方法，迄今世界上成功地利用杂交优势的作物有玉米、水稻、高粱、黑麦等粮食作物和许多其它经济植物。和常规的作物品种不同，利用杂交优势的作物品种，必须具有两个关键的性质：第一是能够适应杂种种子(f1种子)的商业化生产方法；第二是产生足够的杂交优势实现生产效益。

2、目前，世界上作物杂种种子的商业化生产模式主要有下列几种。对于那些用种量小、繁殖系数高的作物，可直接用“人工杂交”的模式：即首先选育两个具杂交优势的品种组合成为一个“杂交品种”，然后对母本人工去雄，并授予父本的花粉，生产杂种f1种子。但是，对于那些用种量较大的粮食作物，这种“人工杂交”方式生产的种子成本太高，因此必须采用其它能够大量生产杂种种子的模式。迄今，世界上粮食作物的杂种种子的商业化生产模式，主要有“三系法”、“二系法”和“化学杀雄”等等。

3、迄今杂交小麦新品种选育的主要问题：世界上，迄今深入研究的“三系配套”杂交小麦新品种，主要有两类。一类是t型杂交小麦品种的选育，迄今已经进行了70多年。但因为该类杂交小麦品种(组合)大多表现种子皱缩，发芽力低，以及可作恢复系的材料极少(因此配制杂交优势强的组合的机会很少)等等缺点，迄今未能成功地在商业化的小麦生产中应用。而另一种近50年来广泛研究的“三系”类杂交小麦，利用山羊草属植物的k型、v型、u型雄性不育细胞质，育成的杂交小麦新品种(组合)，也具有种子皱缩、发芽力弱的缺点。而且，这种杂交小麦的后代群体中还会产生大量单倍体植株。单倍体植株一般很难结实。这一缺点一方面会导致小麦生产中的直接的严重减产，另一方面也导致大量可作保持系、恢复系的育种材料，在实际育种中不可用，限制了强优势杂交组合的选育。

4、所以，创制杂交小麦品种的选育新方法，使培育出的杂交小麦新品种，一方面具有种子饱满、发芽力强、不产生单倍体植株的特性，另一方面具有较强的杂交优势，是未来杂交小麦新品种商业化开发的关键技术。

5、杂交小麦新品种选育方法研究现状：

6、利用“三系配套”杂种种子生产模式的杂交小麦新品种的选育，技术上有两个主要步骤：第一步是分别选育不育系、保持系、恢复系等3个育种群体；第二步是分别从每个育种群体中选育出一个最佳的特定品系，进行组配试验。组配成功的3个品系(不育系品系、保持系品系和恢复系品系)一起构成一个杂交小麦新品种。

7、小麦的不育系育种的研究现状：不育系是指含有雄性不育的细胞质的育种材料。一个特定的不育系基因型(品系)，除细胞质雄性不育特性之外，它的核基因组与相应的保持系基因型(品系)的核基因组相同，因此，它们的形态特征和农艺特性与其对应保持系品系基本相同。不育系的选育，本质上是发现雄性不育的细胞质，然后通过各种各样的、不同的保持系材料，转育为各种各样的、特定的不育系品系(基因型)，构成“保持系-不育系对”的育种群体。一个特定的不育系品系，总是和其对应的特定保持系品系成对存在的。育种者可以从这个群体中选择最佳的、配合力最好的一个特定品系对、与相应的恢复系一起，组成杂交小麦新品种(组合)。

8、日本学者木原均(1951)和深泽广佑(1955)使用山羊草属的某些物种与普通小麦之间配制“核-质杂种”，发现它们可以产生细胞质雄性不育。这一结果引起了世界性的小麦细胞质雄性不育研究热潮。迄今已经报道有70多个小麦“核质杂种”产生了雄性不育。但它们绝大多数没有在杂交优势利用中深入研究。迄今，世界上最重要的表现小麦细胞质雄性不育的“核质杂种”有两个。

9、第一是mukai和tsunewaki(1979)使用的粘果山羊草(ae.kotschyi)和易变山羊草(ae.variabilis)的细胞质，小麦-黑麦1rs.1bl易位系salmon、斯皮尔托小麦(t.spelta)或者玛卡小麦(t.macha)等育种材料的细胞核，配制的核-质杂种。人们把这种核-质杂种系列称为k型和v型不育系。tsunewaki(2015)又进一步证明，粘果山羊草(ae.kotschyi)、无芒山羊草(ae.mutica),和小伞山羊草(ae.uniaristata)等等的细胞质和小麦的核-质杂种的不育性和不育恢复的遗传基础是相同的。即世界上现存的称为k型、v型、u型等等不育系具有相同或者相似的遗传基础。这些研究结果展示了利用山羊草属植物的细胞质培育不育系的杂交小麦研究的可能性。因此是世界上杂交小麦研究中迄今被重点探索的细胞质雄性不育材料。

10、另一种深入而广泛研究的是t型不育系。1962年，美国的学者wilson和ross，以及schmidt分别使用提莫菲维小麦(t.tomopheevi)细胞质，与普通小麦的细胞核配制核-质杂种，获得了雄性不育材料。他们通过使用普通小麦多次回交的方法，育成了t型不育系。t型不育也是目前世界上研究最多、最深入的小麦细胞质雄性不育材料。

11、保持系育种研究现状：保持系本身能自花授粉结实，但与不育材料杂交，其后代是不育的，因而能够保持不育系一代又一代地长久存在。保持系的育种过程，是首先培育含有保持基因的各种各样的育种品系(育种群体)，然后选育其中最佳的、农艺性状符合育种目标的、与恢复系杂交能产生较强杂交优势的特定品系，作为保持系，并转育为不育系，成对地形成一个不育系-保持系品系组合。

12、迄今，在杂交小麦新品种选育中，人们对保持系研究的关注度远远小于不育系和恢复系。对于t型不育系，由于绝大多数的普通小麦(t.aestivum)品种，都可以保持其雄性不育，理论上都可以用作保持系，于是人们认为t型杂交小麦的保持系太容易获得了。因此，深入研究t型杂交小麦的保持系的研究者较少。

13、然而，与t型不育系恰好相反，对于k、v、u型类细胞质不育材料，能保持其不育特性的小麦材料很少。迄今已经报道的用于保持其不育的材料仅为一种被称为1rs.1bl易位系的材料，它们仅来源于一个日本小麦品系salmom，或者德国材料“牛朱特”。虽然有人报道一些斯皮尔托小麦(t.spelta)的变种或者玛卡小麦(t.macha)的采集物也可能有保持作用，但商业育种价值较低，转育又非常困难，所以迄今很少有人研究和利用。

14、同时，世界上目前使用的这个1rs.1bl易位系材料作k、v、u型类细胞质不育的保持系时，具有杂种后代种子皱缩、发芽力低、同时产生大量的单倍体植株的严重缺点。这些缺点导致k、v、u型类杂交小麦至今很少在杂交小麦育种中获得成功。

15、发明人认为，保持系在杂交优势利用中的地位极其重要，因为它是“三系”相互关系中的核心，它是不育系和恢复系的连接纽带。首先，它是不育系的伴侣，没有保持系，不育系就不可能存续。第二，一个杂交小麦品种(组合)的杂交优势，本质上是保持系和恢复系双方的杂交优势。因此，如果没有优秀的保持系，就没有优秀的不育系，也不可能产生强优势的杂交小麦品种。

16、但是，无论是k、v、u型杂交小麦育种方法，还是t型杂交小麦育种方法，世界上迄今对保持系研究的重视很不够。这是世界上杂交小麦研究进展较小的重要原因。今后杂交小麦研究要取得进展，必须提高保持系研究的地位。

17、恢复系育种研究现状：t型雄性不育系的细胞质来源于提莫菲维小麦，在普通小麦中缺乏与之相对应的恢复基因，因此几乎不存在天然的普通小麦恢复系。美国的学者wilson和ross(1962)，以及schmidt(1962)分别使用普通小麦和提莫菲维小麦进行远缘杂交，从其后代中选育了t型不育系的恢复材料。但是，把这个恢复材料转育为具有较强杂交优势的小麦恢复系品种比较困难，同时，具有恢复力的材料几乎都具有导致杂交种子皱缩和发芽力低的基因多效性。极严重地限制了它们在实际育种中的应用。

18、具有k、v、u型类细胞质雄性不育的恢复力的普通小麦品种，比t型不育系的恢复系相对较多。这是过去对k、v、u型类细胞质研究看好的主要理由。但是，在使用“牛朱特”和“salmon”及其的衍生1rs.1bl易位系作保持系时，其杂交后代的种子普遍地较皱缩、发芽力低，并在杂种后代中产生大量的单倍体植株，这些单倍体植株不能正常结实。这些重大缺点限制了它们的实际应用价值。

19、中国的杂交小麦新品种选育研究现状：上世纪60年代，我国的蔡旭教授从国外引进了t型不育系材料，进行了深入的研究，但至今未取得t型杂交小麦品种选育的成功。

20、我国的何蓓如(1987)和杨天章(1989)发现，使用从国外引进我国的、来源于德国小麦品系牛朱特(neuzhucht)衍生的1rs.1bl易位系(其来源不同于日本的1rs.1bl易位系salmon)也可以作为k型不育系的保持系，并在上世纪90年代初在中国实现了k型杂交小麦的三系配套，并获得了国家科技发明3等奖。

21、还有其他一些作者报道了不同来源的其它细胞质雄性不育材料，但都没有深入研究，没有三系配套商业化应用成功应用的实例。

22、杂交小麦品种商业应用的主要障碍：迄今为止，无论是t型杂交小麦品种还是k、v、u型类杂交小麦品种，都还没有在世界小麦生产上广泛地应用，主要原因是，迄今育成的杂交小麦品种都还存在着几个重大的共同缺点：

23、(1)种子皱缩。无论是繁种的不育系种子还是制种的种子，迄今的杂交小麦种子都比较皱缩或者不够饱满，严重影响了种子的商业价值。这是因为，对于k-型等不育系，许多研究发现，其雄性不育的本质是山羊草的细胞质和保持系中的1rs染色体臂上的不育基因frv1相互作用而产生。然而，迄今在世界上包括中国在内的小麦育种中作为保持系的那个1rs.1bl易位系，都具有共同的起源，即都来源于日本品系salmon，或者德国黑麦品种petkus派生的1r/1b代换系牛朱特(neuzhucht)的后代。这些来源的1rs.1bl易位染色体上都含有一个影响种子发育的皱缩基因，它们与k型细胞质相互作用，会导致种子皱缩或者发育不良。迄今，世界上各国学者虽然用各种方法，进行了大量的研究工作，希望改良这两个来源的1rs.1bl易位系，但收效都不大。

24、(2)种子发芽力较低。由于种子皱缩及发育不良等等多方面的原因，迄今的杂交小麦，无论制种种子，还是繁种种子的发芽力都偏低。在小麦实际生产上，这是一个重大缺点，它严重限制了绝大多数杂交小麦品种在商业上的应用。

25、(3)产生高频率的单倍体植株。使用现存的1rs.1bl易位系作保持系的小麦k型等不育系群体及杂交后代群体中，都会产生较多的单倍体植株(一般为5-30％或者更高)。单倍体植株很难结实，因此会造成严重的减产。这一问题极大地限制了k型类杂交小麦的商业应用。研究证明，在这些来源的保持系的1rs染色体臂上，存在一个与不育基因rfv1紧密连锁的诱导孤雌生殖的显性基因ptg，它与山羊草细胞质的相互作用导致在不育系和杂交后代中产生较高比例的小麦单倍体植株。

26、(4)杂交优势不强。由于上述的种子皱缩、发芽力弱和产生单倍体植株的问题，使得利用k型等不育系的杂交小麦育种中，为了避免或者部分避免这些缺点，一般只能靠选育特殊的恢复系来配套，导致可以使用的恢复系品系材料很少，最终能配制成功的亲本组合则更少，选育出具有较强优势的杂交小麦新品种(组合)十分困难。

27、(5)对于利用t型不育系的杂交小麦来说，由于其不育细胞质、保持系和恢复系均来源于提莫菲维小麦与普通小麦的远缘杂交后代，亲缘关系太近，其恢复系来源非常单一，导致选育出强优势的杂交组合十分不易。

28、由于以上的难题，培育具有商业生产价值的、强优势的杂交小麦新品种非常困难，严重地限制了杂交小麦在世界范围内的实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种使用q-保持系(秦岭系1rs.1bl易位系作保持系)的杂交小麦品种选育方法，以保持系育种为核心，创制一类新型的1rs.1bl易位系，即秦岭系1rs.1bl易位系育种群体，从中选育优秀的保持系(简称q-保持系)。以q-保持系的选育为核心，建立一种包括不育系、恢复系的选育及其组合配套的新育种体系，选育杂交小麦的新品种。使用本发明的选育方法，育成的杂交小麦新品种，种子饱满、发芽力强、不产生单倍体植株，因此能够用于生产商业化的杂种种子(图2)。

2、使用本发明的新方法选育的保持系，不仅可使用发明人培育的川农27的雄性不育细胞质转育不育系，也适用于使用k型、v型和u型雄性不育细胞质转育新的不育系。

3、本发明所保持的不育系，中国的许多小麦新品种，包括但不限于川农19，川农27、川农32、渝麦14和嘉农麦809等等及其衍生系，都可以做恢复系，选育种子饱满、发芽力正常、不产生单倍体植株、杂种优势强的商业化的杂交小麦新品种(组合)(图2)，并可以通过“三系配套”的制种模式，生产商业化的杂种种子。

4、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案来实现：

5、一种使用q-保持系的杂交小麦品种选育方法，使用小麦高产新品种川农25(川审麦2007009)为母本，中国的秦岭黑麦为父本做远缘杂交，通过染色体工程新方法，培育纯合的秦岭系1rs.1bl初级易位系(2n＝42,20”w+1”1rs.1bl染色体)。再使用该初级易位系与普通小麦杂交，在其后代群体中选育含该1rs.1bl易位染色体的衍生系；该初级易位系和衍生易位系形成的育种群体，统称为“秦岭系1rs.1bl易位系”。用它们选育的保持系，称为“q-保持系”。这种新型q-保持系不仅适用于做川农27来源的细胞质雄性不育的保持系，也适合做k型、v型和u型细胞质雄性不育的保持系。而且，使用q-保持系，恢复系容易获得。许多中国的小麦品种，如川农19，川农27、川农32、渝麦14和嘉农麦809等等及其衍生系，都可以用作恢复系。该方法选育的杂交小麦新品种(组合)，不仅杂交优势强，而且克服了世界上迄今的杂交小麦新品种在商业应用中发生的种子不饱满、发芽力弱和产生单倍体植株的重大缺点。

6、一种使用q-保持系的杂交小麦品种选育方法，克服迄今杂交小麦品种的种子皱缩、发芽力低和产生单倍体植株的严重缺点，为杂交小麦新品种商业化应用创造了条件。

7、具体包括以下步骤：

8、s1：秦岭系1rs.1bl易位系育种群体的培育；

9、s2：秦岭系1rs.1bl雄性不育保持系(q-保持系)的选育；

10、本q-保持系适应的细胞质雄性不育材料，包括川农27雄性不育细胞质、k型、v型和u型雄性不育细胞质。

11、s3：杂交小麦新品种(配套的三系组合)的选育；

12、与迄今世界上的其它杂交小麦育种方法培育的新品种(组合)不同，应用本发明的方法培育的杂交小麦新品种，其种子饱满、发芽力正常，后代群体中不产生单倍体植株。因此具有较大商业化应用价值。由于可利用的恢复系较多，因此，选育具有强杂交优势的杂交小麦新品种(组合)的机会较多。

13、进一步的，所述步骤s1具体包括以下子步骤：

14、s1.1：用高产小麦新品种川农25和中国的黑麦农家品种秦岭黑麦做远缘杂交，用秋水仙精处理，使染色体加倍，获得双二倍体。再用川农25为父本，与获得的双二倍体回交1-2次。从该回交群体及其进一步自交的后代群体中，使用染色体工程新方法，选育新型的纯合秦岭系1rs.1bl初级易位系(2n＝42,20”w+1”1rs.1bl)。

15、s1.2：新型的秦岭系1rs.1bl易位系的“衍生系”的选育：使用该初级1rs.1bl易位系与不同的普通小麦品种杂交，在其后代群体中选育含有该易位染色体的不同纯合株系(品系)，繁育为衍生易位系群体。该来源于秦岭黑麦的1rs.1bl初级易位系和衍生易位系，构成秦岭系1rs.1bl易位系的育种群体(q-型1rs.1bl易位系育种群体)。该易位系育种群体是人工创制的一类新型育种材料，可用于杂交小麦新品种选育中的新型q-保持系的初始群体。

16、进一步的，所述步骤s2具体包括：从q-型1rs.1bl易位系育种群体中，选择若干株系升级为候选品系，进行品种比较试验(简称品比试验)，选择品系试验中产量较高的候选品系作为父本与雄性不育材料杂交，然后用同一个品系连续地回交。一般回交6-8代，直至不育系纯合。这个用于连续回交的秦岭系1rs.1bl易位系的品系，就形成了一个“q-保持系”品系，其保持的不育材料，就形成了对应的不育系品系，它们共同形成一个“q-保持系-不育系对”，可以成对地用于杂交小麦新品种的进一步选配。

17、进一步的，所述步骤s3具体包括以下子步骤：

18、s3.1：使用q-保持系，同时使用上述川农27不育细胞质，或者k型、v型和u型不育细胞质的情况下，许多中国的小麦品种都可以做恢复系材料。这些中国小麦品种包括但不限于川农19，川农27、川农32、渝麦14和嘉农麦809等等及其衍生系。

19、s3.2：使用上述“q-保持系-不育系对”中的不育系，与上述的用作恢复系的不同品(种)系杂交，获得它们的f1杂种种子。使用这些f1杂种种子做品比试验。其中产量达标、同时其它性状符合育种目标的f1组合所涉及的3个亲本品系，q-保持系品系、不育系品系、恢复系品系，形成一个“三系配套”的杂交小麦新品种(组合)。

20、另一方面，本发明提出上述方法在商业化杂交小麦制种中的应用。

21、本发明的有益效果：

22、本发明的目的是克服世界上现有的t型、k型及类似的方法培育的杂交小麦品种所具有的严重缺点：种子皱缩、发芽力低、产生大量的单倍体植株等等。同时，它们可供利用恢复系太少，不利于配制杂交优势强的杂交小麦新组合。这些问题，事实上限制了杂交小麦品种在世界小麦生产中的成功应用。使用本发明的新方法，选育的杂交小麦新品种，成功地解决了上述的问题，使杂交小麦新品种的商业化应用成为可能。

23、1、应用q-保持系的育种方法，培育的杂交小麦新品种种子饱满、发芽力强、不产生单倍体植株：迄今培育的k、v、u型杂交小麦的种子皱缩、发芽力弱和产生大量的单倍体植株，其根本性的原因是世界上迄今使用的保持系选育的方法不适当，选出的保持系不能克服小麦-山羊草的异质性障碍。世界上迄今利用的k型等山羊草类的不育系的保持系，均来源于德国品系“牛朱特”和日本品系“salmon”，它们都含有和不育基因紧密连锁的影响种子饱满度和发芽力的基因，以及产生单倍体的孤雌生殖基因。另一方面，这些不利基因还广泛存在于黑麦(secale cereale)的不同来源的品种中，导致迄今世界上研制的许多其它黑麦品种来源的1rs.1bl易位系，也像“牛朱特”和salmon来源的1rs.1bl易位系一样，具有的相似的遗传结构，不能改善山羊草雄性不育细胞质的缺点。

24、本发明成功地解决了上述的难题。本发明创造的选育新型1rs.1bl易位系保持系的方法，选育出的q-保持系，与迄今世界上使用的所有1rs.1bl易位系的来源完全不同，这是本发明的核心技术。本发明使用小麦高产新品种川农25(川审麦2007009)为母本，中国的秦岭黑麦为父本做远缘杂交，通过染色体工程新方法选育，于2018-2019年获得了新型的纯合1rs.1bl初级易位系(2n＝42,1”1rs.1bl染色体)。这个1rs.1bl初级易位系，农艺性状优于其小麦亲本川农25，结实性完全正常。使用它们为父本，与川农27为母本杂交，获得了新的保持系和其对应的不育系，它们都表现为种子饱满、发芽力强、不产生单倍体植株。

25、使用这些纯合1rs.1bl初级易位系，与不同的普通小麦高产品种杂交，选育大量的秦岭系1rs.1bl初级易位系的衍生易位系。这些初级易位系和衍生易位系，及其进一步的衍生后代，构成“秦岭系1rs.1bl易位系育种群体”，因此具有极大的遗传多样性和育种价值。从这个育种群体选育最优秀的、配合力好的新型1rs.1bl易位系，作为保持系，称为“q-保持系”，用于转育为不育系，形成成对存在的“q-保持系-不育系对”，用于“三系配套”的进一步选育。这一方法极大地增加了选育优异杂交小麦新品种的机会。

26、2、本发明选育的小麦细胞质雄性不育的保持系(q-保持系)，不仅适用于来源于我们鉴定的小麦栽培品种川农27的细胞质，转育不育系。也适用于几个山羊草中的雄性不育细胞质，如k、v、和u型雄性不育细胞质，培育种子饱满、发芽力高，不产生单倍体植株的不育系，因此具有很高的实际育种价值。

27、3、和t型杂交小麦、k、v和u型杂交小麦育种不同，使用本发明的“q-保持系”育种路线，许多中国的小麦新品种，包括但不限于川农19，川农27、川农32、渝麦14和嘉农麦809等等及其许多衍生物，都可以作恢复系。这就是说，使用本发明的方法选育杂交小麦新品种，具有更多的恢复系材料可供选择使用，因而增加了选育强优势杂交品种的机会。

28、使用本发明的杂交小麦新品种选育方法，选育的杂交小麦新品种，其种子饱满、发芽力强、不产生单倍体植株，杂种优势强，因此十分有利于杂交小麦的商业化生产应用。

29、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。