将优良面包小麦品种HD3086和HD2932转化为细胞质雄性不育系及其在创制CMS杂交种中的遗传评估

《BMC Plant Biology》：Conversion of elite bread wheat cultivars HD3086 and HD2932 into cytoplasmic male sterile (CMS) lines and their genetic assessment to develop CMS-based hybrids

本研究针对小麦自花授粉特性制约杂交种开发的难题，通过回交育种将主栽品种HD3086和HD2932成功转化为细胞质雄性不育(CMS)系。SSR标记证实其轮回亲本基因组(RPG)恢复度>95%，DUS性状鉴定显示形态高度相似。采用line × tester设计配组杂交种，配合力分析表明A-HD3086和955R为最佳亲本，GGE双标图揭示杂交种G4(A-HD3086×955R)和G12(A-GW365×1752R)兼具高产稳产特性，为CMS杂交小麦商业化奠定基础。

　　

小麦作为全球粮食安全的支柱作物，面临着人口增长与耕地资源有限的双重压力。传统育种技术遭遇产量瓶颈，而杂交小麦因其可能存在的杂种优势效应，被视为突破产量天花板的重要途径。然而，小麦严格的自花授粉习性如同一道天然屏障，使得大规模杂交制种变得异常困难，这成为杂交小麦育种迟迟未能取得像杂交水稻、杂交玉米那样巨大成功的主要原因之一。

为了攻克这一难题，科学家们将目光投向了细胞质雄性不育(CMS)系统。这套被称为“三系法”的体系，包括不能产生正常花粉的雄性不育系（A系）、能够保持其不育特性的保持系（B系），以及能够恢复杂交后代育性的恢复系（R系）。利用CMS系统，可以免除繁琐的人工去雄步骤，为实现小麦大规模杂交制种提供了技术可行性。然而，该系统的成功应用，高度依赖于拥有农艺性状优良、配合力高的亲本材料。在印度等南亚地区，尚未有CMS杂交小麦实现商业化推广。因此，将当地广泛种植的优良小麦品种改造成可靠的CMS系，并筛选出强优势杂交组合，就成为了一项紧迫且具有重要实践价值的课题。

发表在《BMC Plant Biology》上的这项研究，正是致力于解决这一核心问题。研究人员旨在将印度主栽的高产、适应性广的面包小麦品种HD3086和HD2932，改造成为细胞质雄性不育系，并系统评估这些新不育系在杂交组配中的表现，以期筛选出高产、稳产的杂交小麦新组合，为推动杂交小麦的商业化应用迈出关键一步。

本研究主要采用了以下几项关键技术方法：首先，通过连续回交育种将CMS供体A-GW365的不育细胞质导入轮回亲本HD3086和HD2932，并基于花粉不育性和表型相似性进行多代定向选择。其次，利用分布于21条染色体上的628个SSR标记进行背景选择，计算轮回亲本基因组(RPG)恢复率。第三，通过2%碘化钾(I₂-KI)染色进行细胞学分析，鉴定花粉育性。第四，依据DUS测试指南进行农艺性状鉴定。第五，采用line × tester mating design进行杂交组配和配合力分析。第六，通过多环境试验和GGE biplot模型评估基因型与环境互作(GEI)及杂交种稳定性。所有试验在ICAR-印度农业研究所进行，材料来源于该研究所育种项目。

结果

细胞质雄性不育(CMS)系的开发

研究成功将HD3086和HD2932转化为CMS系。通过连续五代的回交和严格选择（基于完全花粉不育性和与轮回亲本的表型相似性），获得了遗传背景高度恢复的CMS系A-HD3086和A-HD2932。背景分析显示，A-HD3086和A-HD2932的RPG恢复率分别达到95.72%和97.24%，表明其核基因组与原始优良品种高度相似。

新开发CMS系的农艺和形态性状评价

DUS测试表明，新开发的CMS系在36个性状上与轮回亲本近乎完全相似，仅在个别性状（如芒色）有微小差异，且所有CMS系均因不育性表现出一定程度的小穗张开。

花粉不育性的细胞遗传学分析

I₂-KI染色证实，A-HD3086、A-HD2932以及供体A-GW365的花粉粒干瘪、浅染或不染色，表现为完全雄性不育，而保持系和轮回亲本的花粉粒饱满、深染，育性正常。这确保了其在杂交制种中的可靠性。

籽粒产量的方差分析

方差分析表明，在适时播种环境下，基因型、亲本、杂交种、测验种以及线×测验种互作均存在极显著差异，表明存在丰富的遗传变异可供利用。遗传方差分量分析显示，在适时播种条件下，显性效应（非加性效应）对杂种优势贡献更大；而在晚播条件下，加性效应略占主导。

籽粒产量的配合力估计

一般配合力(GCA)分析显示，恢复系955R和不育系A-HD3086在所有三种环境中均表现出显著的正向GCA效应，表明它们是改良籽粒产量的优良亲本。相反，A-HD2932的GCA效应为负值。特殊配合力(SCA)分析发现，杂交种A-HD3086×955R和A-GW365×1752R在多个环境中表现出较高的正向SCA效应，是极具潜力的优势组合。

小麦测交杂交种的杂种优势

所有杂交种均能正常结实，表明所用R系携带有效的育性恢复(Rf)基因。杂种优势分析显示，杂交种A-HD3086×955R的平均杂种优势(MPH)和超亲优势(BPH)最高，分别达到24.54%和11.68%。A-GW365×1752R也表现出显著的正向杂种优势。然而，部分组合（如A-HD2932×1752R）表现为负优势，说明杂种优势具有基因型特异性。

CMS杂交种的表现

在三环境试验中，CMS杂交种的平均籽粒产量为59.71 q/ha。其中，A-HD3086×955R表现最佳，在适时播种环境下产量达82.2 q/ha，在晚播环境下为69.7 q/ha。A-HD3086×917R、A-HD3086×958R等杂交种也表现出较高产量。

基因型与环境互作以鉴定稳定杂交种

GGE双标图分析显示，前两个主成分(PC1和PC2)共同解释了96.10%的G+GE变异。结果表明，不同杂交种对环境适应性不同。杂交种G1、G2、G4和G12在不同环境中表现稳定，而G5和G13则与特定环境有较强互作。综合来看，G4 (A-HD3086×955R) 和 G12 (A-GW365×1752R) 被确定为在产量和稳定性方面均表现最佳的杂交种。

结论与讨论

本研究成功将农艺性状优良的HD3086和HD2932小麦品种转化为细胞质雄性不育系，并证实其具有完全的花粉不育性和高度的遗传背景恢复。这为利用这些广泛适应的品种作为杂交母本奠定了基础，有助于克服杂交小麦育种中亲本遗传基础狭窄的问题。研究所采用的基于表型和分子标记（SSR）的回交育种策略，是高效实现CMS系转换的有效途径。

配合力分析和杂种优势评估表明，杂交小麦的产量优势同时受到加性效应和非加性效应的共同影响，且存在显著的基因型特异性。筛选出的优良亲本（如955R和A-HD3086）和强优势杂交组合（如G4和G12），为后续杂交小麦育种提供了宝贵的亲本资源和组配模式。特别重要的是，通过多环境试验和GGE双标图模型进行的稳定性分析，揭示了基因型与环境之间存在显著互作效应。这意味着筛选广适性杂交种至关重要。本研究鉴定出的高产、稳产杂交种，展示了在不同种植环境下实现增产的潜力。

总之，该研究不仅提供了可直接用于杂交制种的优良CMS系，而且通过系统的遗传评估，筛选出了具有应用前景的杂交组合，并强调了环境因素在杂交种评价中的重要性。这些研究成果为在印度乃至类似生态区推动CMS杂交小麦的商业化发展提供了重要的理论依据和实践指导，是朝着利用杂种优势提高小麦生产力目标迈出的坚实一步。