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【小编按：欧洲和中国一样不是玉米的起源中心。而且玉米传入到欧洲和中国的时间差不多。然而，欧洲的玉米种业发展远远超越中国，因此欧洲的发展历史，值得我们学习。今天，小编带给大家一篇长文，看看欧洲玉米的发展变化，能否给我们带来一些启发。】
引言 欧洲中部从二十世纪50年代开始杂交种玉米育种。将产量高的美国马齿型自交系与欧洲硬粒型自交系杂交种作为一个好的杂种优势模式（Schnell,1992）。最初阶段，来自美国的马齿型自交系基本上用于早熟品种的培育。过去的50年间，马齿型玉米种质从北美不断引入欧洲。相比之下，硬粒型自交系主要是通过欧洲开放授粉品种的自交开发得到，例如Lacaune、Lizagaraute、Gelber Badischer landmais、以及Rheintaler(messmer等，1992)。因此，可以推测：（1）从开放授粉品种向杂交种过度时期，硬粒型种质池出现了瓶颈，（2）最初没有作为种质来源进行硬粒型自交系培育的开放授粉品种中包含未开发的有利等位基因变异，可以用于以后的育种改良中。遗传多样性降低的详细信息有助于强调鉴定种质来源以拓宽优秀种质池广度的重要性。 杂交种育种的第二阶段，新的自交系主要是通过第二轮育种培育的，即通过同一杂种优势群内的优秀自交系之间的杂交选育出来。另外，一些非常优秀的自交系同时是几个不同杂交种的亲本。加上高度选择，这将造成育种种质池的遗传多样性减少，更严重的是会造成农民种植的品种遗传多样性降低。但是，造成基因流失的原因不仅是植物育种操作，还会受到植物育种产品向市场释放的机制。在欧洲，品种释放的机制包括新品种登记的规定和销售登记品种。在根据法律规定，新品种录入国家名录（UPOV，2002）之前，需要通过测试。之后，农民对这些品种的接受程度由育种公司推广销售该品种的力度决定，同时还进一步受基于区域试验的自愿推荐列表决定。因此，这些注册品种中仅有少部分会大面积种植。 检验农民可以获得的遗传多样性非常重要，因为植物育种操作、登记程序，以及新品的市场营销可能会导致基因流失，并由此造成栽培品种的遗传易感性增加。已经有关于现在玉米育种项目中的遗传多样性快照的报道（例如Messmer等，1992）。另外，Duvick等(2004a）调查了一个美国育种项目中遗传多样性变化的时间趋势，Lu and Bernardo（2001）调查了美国重要公共自交系遗传多样性变化的时间趋势。然而，尚未有关于欧洲中部农民种植的主要玉米品种遗传多样性变化的时间趋势的信息。 本研究的主要目的是检验过去50年欧洲中部广泛种植的玉米品种的遗传多样性变化的时间趋势。我们的目标是：（1）调查重要开放授粉品种的遗传多样性被纳入优秀硬粒种质池的程度，（2）检验重要商业杂交种及其马齿型和硬粒型亲本的遗传多样性的变化，（3）分析马齿型和硬粒型亲本自交系之间等位基因频率随时间的变化情况，（4）调查该套马齿型和硬粒型自交系成对基因座之间的连锁不平衡趋势。 材料及统计分析（略） 讨论 玉米育种的近代历史上有两个事件对欧洲中部种植的栽培品种及品种之间的遗传多样性有重大影响（Schnell,1992）。第一，二十世纪50年代从开放授粉品种向杂交种出现的转变。第二，二十世纪80年代，顶交或双交种向三交种或单交种的转变。由于后者自交系表现提高，以及（1）主要的育种目的是培育产量更高的杂交种，（2）农民对品种整齐性要求提高，使后者的生产更具有经济意义（Hallauer等，1988）。由于农业操作技术的变化，其他重要的目的包括早熟和耐密型的筛选。欧洲中部杂交种育种开始阶段，杂交种亲本基本上都是少数重要公共自交系（Messmer 等，1992）。之后，公共自交系由私有自交系取代。并且，起初主要关注的是玉米籽粒用途，之后饲料用途变成主导。本研究的目的是调查植物育种的这些变化趋势对欧洲中部具有重要经济意义的玉米品种内及品种间遗传多样性水平及结构的影响。 开放授粉品种向杂交种过渡时期遗传多样性的丢失 杂交种个体之间平均RD较开放授粉品种显著降低，说明杂交种多样性降低。这不仅可以通过产生杂交种的自交系是由少量基因型种类的自交系构成(Messmer等，1992），也可以由定向选择解释。随着品种同质化增加，产量增加的同时，由于群体缓冲作用降低，遗传易感性也增加了（Allard and Braddshaw,1964;hallauer等，1988）。就某一时期栽培品种的总量而言，品种遗传多样性的减少可以由杂交种之间多样性的增加抵消。但是，杂交种不同基因型杂交种之间的RD较开放授粉品种降低了。另外，由于本研究选用的开放授粉品种数量有限，仅5个，可能会低估了开放授粉品种的多样性，因此，从开放授粉品种到杂交种的转变过程中，品种内及品种间的多样性损失还是很大的。 开放授粉品种等位基因的相当大的比例（28%）并没有在硬粒型自交系中发现，说明在优秀硬粒型自交系建立（用于杂交种育种）的过程中，等位基因多样性减少了。除了外来种质，具有当地适应性的开放授粉品种是拓宽优秀硬粒型种质池遗传基础的潜力来源。群体Mahndorfer含有的未出现在硬粒型种质中的唯一等位基因（35）数量在开放授粉品种中最多。这说明Mahndorfer群体对优秀硬粒型种质池的种质贡献较低。因此，这一开放授粉品种是非常有希望的未被开发的等位基因变异类型。 杂交种及其马齿型和硬粒型亲本组分的遗传多样性趋势 杂交种的PCoA说明从时期A到D等位基因频率明显变化（图1）。马齿型和硬粒型自交系的PCoA也证明了这点（图2）。在PC2方面，马齿型和硬粒型自交系变化趋势平行，说明马齿型和硬粒型自交系经历了相似的选择压力。新的植物材料的漂变和渐渗可能也导致了等位基因频率的变化，但是如果是这样的话，两者就不会出现平行的进化趋势。 我们观察到时期A到D过程中，杂交种的遗传异质性单调递减（表3）。这反映了杂交种类型的变化（表1）。杂交种类型的转变同时也最可能是时期A到D的nA减少的主要原因（表2），并且与Duvick（2004a)的结果非常接近，Duvick（2004a)利用100对SSR研究了51个美国杂交种。nA的趋势非常有意思，尤其是时期A和B，因为硬粒型nA明显减少，而马齿型nA则增加了。硬粒型nA的减少可能是由于在时期A时以开放授粉品种作为顶交种Hymador和Perduxde 亲本组分，而时期B时顶交种消失（表1）。马齿型nA增加说明了二十世纪70年代美国新种质的大量引进，nN也同样说明了这一事件。 不同基因型杂交种个体之间平均RD受以下因素影响：(1)马齿型自交系之间RD，（2）硬粒型亲本组分之间RD，（3）马齿型和硬粒型亲本组分之间的RD。三个类群的平均RD从时期A到B增加，因此，导致不同基因型杂交种个体之间平均RD增加（表3）。时期B马齿型自交系的RD高于时期A，可以由不同杂交种利用的相同亲本组分减少来解释（表2）。另外，这种增强也可能是由于美国新种质的引进，导致马齿型自交系的遗传基础拓宽造成的，时期nN值很高也说明了这点（表2）。时期B硬粒型自交系之间的平均RD高于时期A，可能是由于杂交种育种初期，少数公共自交系占主导地位产生的（Messmer等，1992）。尤其，两个法国系的杂交F2×F7是时期A时30%的杂交种的亲本成分（数据未显示）。 时期D不同基因型杂交种个体之间的平均RD低于时期C，主要是由于马齿型种质池多样性降低造成的（表3）。一方面，马齿型种质池多样性降低，可能是由于时期D时育种家对某几个自交系的利用增加，将其作为不同杂交种的亲本组分（表2）。另一方面，可以推测，选择的加强，以及新系开发过程中只关注少数几个关键亲本，造成了马齿型自交系多样性降低。为了证实马齿型种质池多样性减少是否是由于多次利用（1）自交系作为不同杂交种的亲本，或（2）某些自交系作为信息开发的主要亲本，需要进一步研究不同育种项目中种质的指纹图谱，并检验自交系之间的系谱关系。 我们发现马齿型自交系之间的平均RD显著高于硬粒型自交系之间，这与之前关于代表育种池多样性种质的研究一致（Messmer等，1992；Lubberstedt等，2000）。马齿型种质池多样性高于硬粒型种质池，可以由种质血缘系谱解释。欧洲中部马齿型种质包含大量北美来源的遗传背景不同的材料，包括不同的杂交种优势类群，例如坚秆及非坚秆。通过对比，欧洲中部的硬粒型种质遗传背景较窄的原因是：（1）玉米种质向欧洲引进方面出现瓶颈，和/或（2）在筛选适应欧洲条件的过程中，损失了一部分多样性（Rebourg等，2003）。 马齿型和硬粒型种质的遗传多样性趋势 大量唯一等位基因，即只在马齿型或硬粒型自交系中出现（35%），反映了两个杂种优势类群等位基因谱之间的巨大差异。德国进行杂交种育种初期，马齿型和硬粒型杂交优势群之间的差异就已经存在（图2，表3）。这可能是由于在建立以下杂种优势类群过程中，对亲本种质来源之间长时间分离造成的：美国马齿型和欧洲硬粒型种质池（Rebourge等，2003）。欧洲中部杂交种育种初期出现的杂种优势类群之间的明显差异与美国种质的结果相反。Duvick（2004b）发现在杂交种育种初期，美国种质没有结构性，但是随着持续的相互之间的轮回选择而出现分化。 连锁不平衡趋势 开放授粉品种未出现显著连锁不平衡（Reif等，2005），说明开放授粉品种中不含有连锁不平衡，或选用的标记密度不足以检测出前杂交种时期由于群体内连锁造成的连锁不平衡，这些群体是优秀硬粒型种质池的种质基础。与开放授粉品种相反，时期A马齿型和硬粒型自交系的SSR标记中出现连锁不平衡（表4）。这种连锁不平衡可能是由于来源于基因频率不同的群体的自交系混合，和/或小群体的漂移造成的。另外，这种连锁不平衡也可能是上位互作或抑制重组造成。对于马齿型和硬粒型种质池，两者的原因都很相似的原因是：（1）马齿型种质池是由数量有限的包含不同杂交种优势群的美国马齿型自交系构成的（Messmer,1992），（2）硬粒型种质池是通过欧洲开放授粉品种（等位基因频率不同）的自交产生的数量有限的自交系构成（Reif,2005）。 马齿型和硬粒型自交系连锁不平衡的等位基因对数的标准比例从时期A到时期C降低（表4）。这可能是由于两个种质群建立后的连续世代的类群内相互杂交造成。时期C马齿型和硬粒型自交系连锁不平衡的基因座对数标准比例略低于时期D，可能是由于（1）不同基因座上等位基因的有利上位互作的高度选择（Falconer and Mackay,1996）和/或（2）通过小的有效群体造成的育种群体的遗传漂变，因此，可以推测欧洲中部玉米种质的同等位基因重组的数量在前三个时期增减，而在最后一个时期降低。一方面，连锁不平衡程度增加可能有利于植物育种，因为这使加性×加性效应的利用更有效。另一方面，不同等位基因重组的数量减少还可能造成选择效应的减少（Mackay and Gibson,1993）。 结论 过去50年品种的遗传多样性单调递减。因此，品种间的多样性的重要性增加，但是上个时期，品种间多样性降低了。降低的主要原因是将优秀自交系作为亲本反复用于不同杂交种中。而多次利用这些自交系使育种家可以更好的利用他们的优秀种质，但是不可避免的导致杂交种之间的遗传多样性降低。 判断新育成的品种是否合格的一个重要标准是其至少一个性状（抗病性、产量、品质）超过已经注册的品种。另外一个标准时“对品种遗传多样性增加有积极贡献”，可以通过分子标记判断，将会鼓励育种创新。因此，对登记程序和知识产权操作的改变，以鼓励植物育种家去评价外来多样性，将会有助于防止商业杂交种出现进一步的基因流失。
注：本文为新锐君编译自Jochen C. Reif的文章。仅供大家交流和学习，如需转载请注明新锐恒丰公众号。 |
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