一种应用1RS.1AL保持系的杂交小麦新品种选育方法

本发明涉及杂交小麦育种，具体涉及一种应用1rs.1al保持系的杂交小麦新品种选育方法。

背景技术：

1、作物杂交优势利用是粮食增产的重要方法，迄今世界上成功地利用杂交优势的作物有玉米、水稻、高粱、黑麦等粮食作物以及其它许多的经济作物。虽然杂交水稻品种已经在我国应用了近50年了，但是，小麦杂交品种迄今却仍未商业化地大规模应用。这是因为迄今选育的杂交小麦品种，还存在着一些重大的问题没有解决。

2、作物杂交品种的选育，核心技术是，首先如何分别地选育出“不育系”、“保持系”和“恢复系”等3个关键材料的一批优秀品系；然后再从它们中选出3个特定的、能够成功地配套的品系(简称“三系配套”)，组合成一个杂交品种。一个杂交品种(又称组合)，不仅能够用于大规模地生产杂种种子，而且必须产生较强的杂交优势，在实际生产中具有较高的生产力，产生足够的经济效益。因此，杂交品种的选育，远比常规品种困难，育种方法也更为复杂。因为常规品种的选育只需选育1个“系”，杂交品种则需要同时选育3个“系”，而且，不仅要考虑每个“系”本身是否优异，还要考虑这3个“系”之间的配合关系是否优异。

3、迄今为止，世界上利用t型不育系和山羊草属植物不育系，都已完成了“三系”配套的研究，选育出了杂交小麦品种。但是这两种选育路线选育的杂交小麦品种，都有杂交优势不强，种子皱缩、发芽力低的共同缺点；而利用山羊草属细胞质，还存在杂交后代中产生大量的单倍体植株的问题，导致减产。由于这些严重的缺点，这两种方法选育的杂交小麦品种，迄今都没有能够在商业化应用中成功。因此，杂交小麦新品种的选育，需要有新的育种方法来克服上述缺点。

4、但是，目前这个世界上广泛地作为保持系的1rs.1bl易位系，却是产生杂交小麦的种子皱缩、发芽力差和在杂种后代中产生单倍体植物的重大缺点的主要原因。迄今，k型等山羊草类雄性不育细胞质的保持系育种研究进展较小的原因，不是研究者不想改良它们，不是工作做得太少，而是太难，因为它们的来源太少，遗传基础非常狭窄，选择余地很小，很难加以改良。

5、由于以上的分析的原因，迄今为止，世界上无论是在t型杂交小麦、还是k型等山羊草类杂交小麦的研究领域，对保持系选育的研究的进展都较小，是目前杂交小麦研究的主要限制因素。

6、事实上，保持系的性质对杂交小麦新品种成功选育和应用至关重要。因为，一方面，不育系的长期存在必须由保持系维持，以保证不育系能够一代又一代地利用(图1)。另一方面，除细胞质之外，不育系的细胞核基因组本质上就是保持系的细胞核基因组，其农艺特性基本上就是保持系的遗传特性。因此，小麦的杂种优势和生产力，本质上是保持系品系和恢复系品系之间的杂种优势和生产力：一半来源于保持系，一半来源于恢复系。所以，保持系在“三系”模式的作物杂交品种选育中，具有双重重要的作用。杂交小麦育种研究数十年来进展较小，一个重要的原因，就是保持系的研究太不如人意。因为迄今的优秀保持系的种类太少了。不仅来源太过单一，而且都不够优秀，改良非常困难，育种者没有选择的余地。因此，未来杂交小麦品种选育技术的突破点，应该是对保持系育种技术的深入研究。改变保持系的选育方式和实现多样化应用，对未来的杂交小麦品种选育和商业化的应用有重要的意义。

7、恢复系选育研究现状：在“三系配套”模式的作物杂交品种选育中，恢复系的研究历来是重点领域，包括水稻、小麦、黑麦等等。小麦也不例外。

8、但是，对于t型细胞质雄性不育，在普通小麦中很难发现恢复系。因此，wilson和ross(1962)，以及schmidt(1962)用普通小麦和提莫菲维小麦远缘杂交，从其后代中选育到了具有恢复能力的材料。几十年来，这个恢复材料被世界各国的研究者大量地研究，并转育成不同的恢复系品系，并完成了t型杂交小麦品种的“三系配套”。但是，由于t型杂交小麦的恢复系的遗传背景十分狭窄，配制出强优势杂交小麦组合的机会较少，迄今选育出的杂交小麦品种的杂交优势都不强，增产幅度都不大。同时，这些“三系配套”的t型杂交小麦品种，还大多表现了种子皱缩，发芽力低的严重缺点。这是t型杂交小麦几十年来未能在世界上广泛应用的主要原因。

9、与t型雄性不育细胞质相比，k型等山羊草的雄性不育细胞质的保持材料虽少，但有恢复能力的材料却相对较多。但是，一个致命缺点却限制了这些恢复系的实际应用。这就是，如果使用上述1rs.1bl易位系材料作k型一类不育细胞质的保持系，在其杂交后代群体中，普遍存在产生较多的单倍体植株的现象。单倍体植株不能正常结实，因此导致小麦减产。为了避免杂交种子后代产生太多的单倍体，影响杂交小麦的产量，育种者只能选择产生单倍体相对较少的那些恢复系材料配制组合，而这种恢复系材料迄今很少，这样就大大地限制了实际育种中可能用作恢复系的材料的数量。直接的结果，就是导致配制强优势杂交组合的机会也大大减少。同时，使用上述1rs.1bl易位系材料做保持系的k型等杂交小麦品种，大部分现存恢复系的杂种种子也表现了皱缩、发芽力低等重大缺点，非常影响杂种优势的表现。这是迄今使用k型等山羊草类植物雄性不育细胞质的杂交小麦新品种选育的主要限制因素。

10、综上所述，无论是t型杂交小麦还是k型类杂交小麦，虽然都已研制出了各自的、不同的“三系配套”的杂交品种的例子，但都还没有在商业化生产中成功应用。这是因为，所有这些方法选育的杂交小麦品种，都还普遍地存在着几个重大的缺点，严重地限制了它们在世界小麦生产上的实际应用。主要的缺点是：

11、(1)种子皱缩。迄今培育的杂交小麦品种，无论是其繁种的不育系种子还是制种的生产用杂交种子，都比较皱缩或者不够饱满，严重限制杂交小麦品种的商业应用价值。

12、对于k-型等山羊草类雄性不育细胞质，许多研究发现，其雄性不育的本质是由粘果山羊草等种类的细胞质和1rs.1bl易位染色体上的不育基因frv1相互作用而产生。但是，这个1rs.1bl易位染色体臂上也同时存在一个与不育细胞质作用引起种子发育不良的基因。迄今在世界上包括中国在内的小麦育种中广泛应用的那些用作保持系材料的1rs.1bl易位系，绝大多数都来源于一个德国黑麦品种petkus派生的1r/1b代换系牛朱特(neuzhucht)，或者来源于日本的1rs.1bl易位系salmon。这两个来源的1rs.1bl易位染色体上都含有这个影响种子发育的皱缩基因。迄今，世界上不同国家的许多学者虽然进行了大量的研究工作，希望改良1rs.1bl易位系作保持系时导致的种子皱缩特性，但收效都不大。

13、(2)种子发芽力较低。由于种子皱缩及发育不良等多方面的原因，迄今的杂交小麦品种，无论其制种的杂交种子还是繁种的不育系种子，发芽力都偏低。这一重大缺点严重地限制了杂交小麦品种在商业上的应用价值。

14、(3)产生高频率的单倍体植株。世界上迄今使用1rs.1bl易位系作保持系的小麦k型等类山羊草细胞质雄性不育材料的杂交后代中，都会产生较高比例的单倍体植株(一般为5-30％或者更高)，它们不能正常结实，因此造成小麦的严重减产。这一缺点极大地限制了k型类山羊草细胞质杂交小麦的商业应用。这是因为，在作为保持系的1rs.1bl易位染色体上，存在着一个与不育基因rfv1紧密连锁的诱导孤雌生殖的显性基因ptg，它与山羊草细胞质相互作用，导致不育系和杂交后代中产生较高比例的小麦单倍体植株。

15、(4)杂交优势不强。由于上述的种子皱缩和产生单倍体的问题，使得利用k型类山羊草细胞质不育系的杂交小麦育种中，不得不选择那些产生单倍体较少的、种子质量稍好的恢复系品系配制杂交组合。然而，满足这个条件的恢复系品系的数量很少。因此，虽然对k型类雄性不育细胞质来说，具有恢复力的材料比t型的较多，但是上述因素使实际可用的恢复系材料的数量受到严重的限制，选择余地很小，导致迄今选育的k型杂交小麦品种，杂种优势都不强。

16、对于利用t型不育细胞质的杂交小麦育种来说，由于其雄性不育细胞质和恢复系材料均来源于普通小麦与提莫菲维小麦的远缘杂交后代，其恢复系来源很单一，导致选育出优势强的杂交小麦品种十分不易。这些问题，导致t型杂交小麦品种在生产中迄今无法与常规小麦品种竞争。

17、由于以上概述的4大难题，导致世界上迄今选育的杂交小麦新品种，都杂交优势不强，增产幅度不大，生产合格的商业化的杂种种子比较困难，因此限制了杂交小麦品种在世界范围内的商业化应用。为了杂交小麦品种能够在实际小麦生产中应用，急迫需要杂交小麦新品种选育的新方法，选育出能够克服上述重大缺点的杂交小麦新品种。

技术实现思路

1、本发明的目的是，建立杂交小麦育种的新方法，促进能够克服上述的4大难题的杂交小麦新品种的选育。

2、迄今为止，世界上现有的k型、v型、u型等利用山羊草不育细胞质的杂交小麦品种的选育，都是利用1rs.1bl易位系材料作保持系。然而，通过这个育种途径选育的杂交小麦品种都具有上述的4大缺点，难以在商业化的小麦生产中应用。

3、因此，本发明创造了全新的小麦-黑麦染色体1rs.1al易位系作雄性不育细胞质的保持系的育种新方法，取代了迄今世界上广泛使用的1rs.1bl易位系作保持系的旧方法。本发明的新方法培育的杂交小麦新品种(组合)中，无论杂交小麦的繁种种子，还是制种的生产用种子，都很饱满、发芽率高、其后代中不产生单倍体植株。

4、同时，用1rs.1al保持系维持的不育系，可用的恢复系材料显著较多，从而为配制强杂交优势的杂交小麦新品种(组合)创造了条件，成功地克服了世界上迄今的杂交小麦的上述4大难题。

5、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实现：

6、一种使用小麦-黑麦染色体1rs.1al易位系作保持系的杂交小麦新品种的选育方法，选育小麦-黑麦染色体1rs.1al易位系作保持系，选育杂交小麦新品种；通过使用1rs.1al易位系作保持系，使用川农27来源的雄性不育细胞质和k型、v型、u型山羊草属雄性不育细胞质培育不育系；包括但不限于川农19、川农27、川农32、渝麦14和嘉农麦809及其衍生系高产小麦品种用于做恢复系，选育“三系配套”的杂交小麦新品种。

7、进一步的，具体包括以下步骤：

8、s1：1rs.1al保持系、对应的不育系和恢复系的选育方法；

9、s1.1：1rs.1al保持系的选育方法：使用小麦高产新品种川农25为母本，中国的秦岭黑麦为父本进行远缘杂交，使用染色体工程新方法，培育纯合的1rs.1al初级易位系；使用得到的小麦-黑麦染色体1rs.1al初级易位系与普通小麦进一步杂交，选育不同的含1rs.1al易位染色体的衍生易位系，构成易位系育种群体，从中选育不同的品系作为候选保持系，进一步选育对应的不育系和恢复系品系；1rs.1al初级易位系及其不同的衍生易位系，统称1rs.1al易位系，都可以选作为保持系；

10、s.1.2：1rs.1al易位系对应的不育系选育方法：使用父本小麦-黑麦1rs.1al易位系作为保持系，与母本具有川农27雄性不育细胞质的小麦材料杂交，和用同一个特定的保持系品系连续回交，直至不育系达到纯合；一个特定的1rs.1al保持系品系，与其保持的特定不育系品系，最终形成一个“1rs.1al保持系-不育系对”；

11、s1.3：配套的恢复系的选育方法：小麦高产新品种，包括但不限于川农19、川农27、川农32、渝麦14和嘉农麦809及其衍生系，可以直接用作恢复系；也可以使用它们与不同的普通小麦品种进一步杂交，选育其衍生品系群体，从中选育恢复系；

12、s2：杂交小麦新品种的选育；使用步骤s1选育的“1rs.1al保持系-不育系对”的不育系与上述的恢复系候选品系杂交，用其f1杂交种子进行品比试验，其中符合育种目标的特定f1杂交组合的3个亲本品系，即1rs.1al易位系品系，对应的不育系品系、恢复系品系，就组配成一个杂交小麦的新品种。

13、另一方面，本发明提出上述方法在商业化杂交小麦新品种选育中的应用。

14、本发明的有益效果：

15、1、本发明创造了使用1rs.1al易位系做细胞质雄性不育(包括川农27细胞质和k型等山羊草类细胞质)的保持系的新方法，取代了迄今世界上k型等山羊草类细胞质广泛使用的1rs.1bl易位系作保持系的旧方法，克服了迄今世界上杂交小麦应用中存在的4大难题。

16、使用1rs.1al易位系作为保持系的小麦雄性不育的维持方法，是本发明的核心技术之一。本发明使用小麦高产新品种川农25为母本，中国的秦岭黑麦为父本做远缘杂交，使用染色体工程新方法，于2019-2020年小麦种植季获得了纯合的小麦-黑麦染色体1rs.1al初级易位系(2n＝42,20”w+1”1rs.1al染色体)。这是世界上第一份使用高产小麦品种为受体的纯合的小麦-黑麦1rs.1al初级易位系(图2)。这类易位系(如编号为t20-2-12,t20-2-18，t20-6-23等的一系列品系及其衍生系)农艺性状显著优于其小麦亲本川农25(图3)，结实完全正常，种子饱满(图5)。

17、如图3所示，左，小麦新品种川农25和秦岭黑麦杂交产生的双二倍体。中，创制的两个不同的纯合1rs.1al初级易位系，它们还可以和普通小麦品种杂交，产生不同的衍生易位系，扩大保持系的选育基础。右，小麦品种川农25。从图上可以清楚地看到，创制的1rs.1al易位系在抗病性、产量特性和株型特性上，都比其小麦亲本川农25更好，因此在高产、抗病的杂交小麦新品种选育中具有更大的育种价值。

18、本发明的1rs.1al易位系作保持系的方法，利用发明人鉴定的川农27雄性不育细胞质，或者k型、v型和u型等雄性不育细胞质转育为不育系，所产生的繁种种子和制种种子，均表现饱满、发芽力强，其后代不产生单倍体植株，而使用现存的1rs.1bl易位系做保持系的旧方法，产生的繁种种子和制种种子，均表现皱缩、发芽力弱，杂交后代中产生大量的单倍体植株。

19、2、本发明的1rs.1al易位系作保持系的育种方法，不仅适用于使用中国小麦栽培品种川农27的雄性不育细胞质，也适合使用山羊草类的雄性不育细胞质。

20、因为本发明中使用的一个雄性不育细胞质，直接来源于中国的小麦栽培品种川农27。在本发明采用小麦新品种“川农27”为母本与黑麦杂交时，发现所获得的杂交后代中有的植株表现为细胞质雄性不育，指出川农27具有黑麦能够保持的雄性不育细胞质。于是，采用发明人新培育的川农25背景的1rs.1al易位系与川农27及其后代品系杂交。经连续地多代回交，最终获得了稳定的、以川农25细胞核为背景的1rs.1al纯合易位系为保持系的新型的小麦雄性不育系。进一步的实验证明，该来源于川农27的雄性不育细胞质，无论使用1rs.1al的初级易位系，还是使用含1rs.1al染色体的衍生易位系，都能很好地保持细胞质雄性不育。

21、3、使用本发明的1rs.1al易位系作保持系，许多中国小麦品种均可以作为恢复系材料，因此可以用它们直接地或者使用其衍生系配制高强杂交优势的新组合。因此，本发明的“新三系”，1rs.1al保持系，川农27细胞质雄性不育系、许多有恢复能力的小麦品种(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)做恢复系，可以培育“三系配套”的新型杂交小麦新品种(组合)，得到的杂交小麦组合的种子饱满、发芽力正常、后代中不产生单倍体植株。由于可作恢复系的材料多，配制杂种优势强的新品种的机会也较多。这些特点，明显地优于现存的培育杂交小麦品种的育种方法。

22、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。