公开稿 玉米 玉米商业化育种 和杂种优势利用 张世煌 chinamaize.blog.sohu.com 1 2012,07,04_科企对接培训讲稿_郑州 一、玉米产业现状 1、玉米是第一大作物 2、增产速度下降 3、需求压力激增 4、中美差距扩大，育种能力被削弱 2 1、增产速度下降 3 kg/ha 1950年以来中国玉米产量 6000 5000 单交种 b=126 4000 b=23 抗逆性 3000 2000 OPVs b=14 双交种 b=89 1000 0 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 年 份 1985 1990 1995 2000 2005 4 Yield gains of maize decreasing in China 中国玉米产量增益下降 6.0% 1960 4.4% 1970 3.1% 1980 0.7% 1990 (Data from CIMMYT) Chinese Academy of Agricultural Sciences 美国玉米增产速度较快 140 1994 137 120 b=178.7 80 b = 2.85 b=73.4 1920 1936 1934 18.6 抗逆性 b=95.3 1947 United States Department of Agriculture Data 1995 20 b = 1.17 1975 b = - 0.67 40 1988 b = 1.52 1955 OPV 1983 1970 1974 双交种 60 0 1993 单交种 1935 Yield (bu acrey) 100 Dr. Lamkey 阿根廷玉米增产速度超过中国和美国 12000 10000 USA AGT 154Kg/ha CHN 8000 244Kg/ha 6000 4000 2000 35Kg/ha Hybrids 115Kg/ha Dr. Xu Zhigang 0 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 72005 中美玉米单产比较(1990-2009) 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 1990 y = 10.139x - 19706 R²= 0.729 y = 2.557x - 4783.4 R²= 0.481 1995 2000 中国 美国 2005 2010 李绍明，2011青岛会议 2、需求压力激增 城市化速度超过预期 9 2020年玉米需求2.5亿吨 • 玉米缺口8400万吨（2008年基础上， 新增1680亿斤） • 发改委提出新增1000亿斤粮食的目标 • 玉米份额860亿斤，被专家改为530亿 斤 10 应对需求快速增长 • 扩大面积 — 潜力有限 • 提高单产 — 发展方向 • 增加进口 — 不可避免，尽量减少 • 饲料替代（DDGS） 11 常规育种被忽视 • 国务院8号文件以后，企业增加了对生产、加工 和市场环节的投入 • 忽视常规育种 • 更忽视前育种研究（pre-breeding） 12 二、商业育种是种子产业应对 挑战的战略选择 协调科研单位 与企业的关系 商业育种的区别 • 商业育种在技术层面与科研院所和 大学没有本质区别 • 区别在于资源配置（portfolio）与 管理 14 商业化育种的管理 • 专业化 — 内部分工精细（全能作坊） • 规模化 — 大规模，每年组合鉴定 200- 400万个试验小区 • 集约化 — 高度机械化、自动化 • 信息化 — 现代企业的管理中枢 商业育种施行资源配置 • 商业育种不但需要 pipeline，更要建 立 portfolio 运行机制 • 企业的各个部分必须是整合 16 商业化育种的前提条件 ① 技术市场 — 初步形成 ② 知识产权保护（企业吸引投资的先决 条件，科企合作的可持续性） ③ 公益性研究支撑产业发展（两张皮） 17 商业化育种的内涵 • 目标明确 — 以市场定位（两张皮） • 种质基础来自全球 • 设计育种 — 杂种优势模式、循环育种 • 育种手段最先进 — 生物技术、信息化、 自动化、BLUP…… • 覆盖全球的试验站和大范围的测试网络 • 精干高效专业化的研发团队 • 评价和决策体系 — 以市场为导向 18 面临的矛盾 • 课题组制与商业育种矛盾 — 出发点 • 协调Public 与 Private之间的关系， 即公益性研发与企业之间的关系 — 共 性技术研究与差别化研发（改革重点） • 商业化育种施行Pipeline管理模式， 更需要Portfolio管理体制 19 种业技术需求 • 政策支持 — 体系的任务 • 品种替代 — 技术转移和知识产权 转移要规范化 • 种质资源 — 前育种研究（共性） • 高端人才 — 企业行为，国家帮助 • 测试网络 — 技术支持 20 三、杂种优势利用的 理论和技术问题 一些理论误区 21 杂种优势 • 杂种优势利用 –– 上个世纪植物遗传 学对农业生产的最大贡献 • 认识上有误区 • 商业育种 — 产量就是抗逆性 22 杂种优势对生产的贡献 先锋公司（Duvick）认为 1. 形成保护知识产权的技术屏障 2. 吸引投资（public & private） 3. 全面改良和提高作物的生产潜力 23 如何提高产量？ • 我们使用了美国2.4倍的化肥 • 生产了相当于美国一半的玉米 • 产量水平 < 美国的60% 24 高风险型品种 • 高杆、大穗、晚熟、稀植 • 抗逆性弱 • 在试验田里，单株产量似乎很高 • 遗传产量和实际产量都不高 • “指挥棒”扭曲了育种目标和技术路 线 25 辽宁区试 预试品种 26 美国先锋杂交种 - 2006 27 美国先锋 –2011, 8 28 美国先锋 –2011, 8 29 30 先玉335 • PH6WC源自PH09B • 技术倒退 • 技术倒退才能通过品种审定 31 PH09B PH6WC 美国经验：密植增产 t/ha 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 bu/ac 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 plants/ha plants/ac 10,000 4,047 20,000 8,094 30,000 12,141 40,000 16,188 45,000 18,211 50,000 20,235 55,000 22,258 60,000 24,282 65,000 26,305 70,000 28,329 75,000 30,352 80,000 32,376 85,000 34,399 90,000 36,423 33 Lamkey, 2007, Beijing 先锋杂交种 34 先锋杂交种 35 6000 3000 12000 9000 15000 36 2011年8月22日内布拉斯加州？ 37 三 个 概 念 • 遗传产量(maximum) —高产纪录 • 边际产量(attainable) —品种区域试 验平均产量 • 实际产量(actual) —农业部统计数据 • 计算产量增益 38 产量差距和增产潜力都很大 25 19.5 20 15 11 10 7.6 8.85 7.9 6.1 5 5.2 4.9 3 0 1980 1995 遗传产量 227/120/127 2005 边际产量 860/95/30 实际产量 Dr. RF Hu 如何提高产量增益？ • 通过边际产量来提高玉米生产的实 际产量 • 新问题：培育什么样的新品种？ • 赛马 vs 役马 • 修理“指挥棒 ” 40 美国的策略是在高密度下提高产量 •210 •Grain Yield (Bu/A) •190 •170 •150 •Plant Pop. •(plants/Mu) •667 •2，000 •3，667 •5，333 中密度 b=88 3600 •130 高密度 b=110 5300 较低密度 b=39 2000 低密度 667 b=9 •110 •90 •70 •1930 •1940 •1950 •1960 •1970 •1980 •1990 •Year of Introduction 41 Pioneer Agronomy Research 柏大鹏，2004 16.00 y = 2.0082x + 4.3705 低密度 12.00 中密度 10.00 高密度 产量（Ton/ha） 14.00 y = 1.6323x + 4.7857 8.00 6.00 y = 0.8036x + 3.4012 4.00 2.00 0.00 1950s 1970s 1980s 1990s 2000s （2007，北京） 年代 42 16.00 新品种竟越来越不适合密植 产量（Ton/ha） 14.00 y = 0.1017x + 12.002 12.00 10.00 y = 0.6518x + 8.9574 8.00 y = 0.7759x + 4.7737 6.00 低密度 1000 4.00 中密度 3000 2.00 高密度 5000 0.00 1950s 2007, 新疆 1970s 1980s 1990s 2000s 年代 43 结 论 1：产 量 • 中国杂交种对密度的反应趋势与美国品 种不同 • 在低密度下提高了产量 • 优良品种提高了抗逆性 44 问题出在哪里？ -- 理论误区 • 什么是产量？ • 产量与杂种优势的关系？ • 如何通过自交系提高杂交种产量？ GCA和SCA对产量的相对贡献？ • 这 3 个理论问题决定了育种目标、 技术路线和基本策略 45 理论基础 • 产量就是抗逆性 – 高密度育种 (Duvick) • 产量增长与提高杂种优势无关（目标） • 杂交种产量增长与亲本自交系的GCA 平行，与SCA增长无关（循环育种） • GCA对杂交种产量的贡献占80%以上，而 SCA的贡献不足20% (Hallauer, 1981) 46 杂种优势 • 早期育种家通常认为产量增长来源于 杂种优势 • 但后来的研究不支持这个推测 • Duvick (1999) 47 Schnell, F.W. 1974. Trends and problems in breeding methods for hybrid corn. p. 86–98. In Proc. of the British Poultry Breeders Roundtable, 16th. Birmingham, England. 48 Duvick, D.N. 1999. Heterosis: Feeding people and protecting natural resources. p. 19–29. In J.G. Coors and S. 49 Pandey (ed.) The genetics and exploitation of heterosis in crops. ASA, Madison, WI. Campbell, B.T., D.T. Bowman, and D.B. Weaver. 2008. Heterotic eff ects in topcrosses of modern and obsolete cotton cultivars. Crop Sci. 48:593–605. 50 相对杂种优势 • Iowa 州，相对杂种优势从三十年代 64%减少到八十年代的51% • 美国，早期相对杂种优势最高75%， 现代杂交种最低50% 51 我国玉米杂种优势提高(1970-2000) 90 Het(%) Relative heterosis (%) 80 70 60 66% 69% 50 y = 0.09x - 107 R2 = 0.02 40 30 20 10 0 1960 1970 1980 1990 2000 Year of release (11 environments, 2007-2009) Chinese Academy of Agricultural Science 2010 结论 2：杂种优势 • 在低密度下提高了杂种优势 • 高密度下的杂种优势增益微弱 • 这不是我们想要的结果！！ 53 株高和穗位 (北京和乌鲁木齐，2007-2008) 270 130 y = 3.71x + 249.5 R2 = 0.50 260 250 240 Ear height(cm) Plant height (cm) 280 120 110 100 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year of release y = 1.15x + 105.4 R2 = 0.10 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year of release Linear regression suggested that plant and ear height increased. 叶绿素含量 (新疆， 2009) 59 62 SPAD 58 D1 2 D2 60 R = 0.89 D3 58 57 y = 0.56x + 57.2 y = 0.44x + 56.2 2 R = 0.58 56 56 54 y = 0.22x + 53.8 55 R2 = 0.33 52 54 50 1950 1960 1970 1980 1990 2000 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year of release Chlorophyll content increased, and was the highest at the low density. N requirement for 100 kg grain production in Chinese maize hybrids released during past 60ys (2010, Beijing) JHH ZD2 YD13 ZD958 (Yuan & Mi et al., unpublished data) 穗行数（北京和乌鲁木齐，2008） Ear row number 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 13.5 y = 0.18x + 14.2 R2 = 0.34 13.0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year of release Ear row number showed a slight trend to more rows, but reduced greatly in the last decade. 出籽率（北京和乌鲁木齐，2008） Ration (%) 85.0 80.0 y = -0.19x + 82.2 R2 = 0.03 75.0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year of release Shelling percentage showed a trend to reduction during 1950s-2000s, especially reduced greatly during 1980s-2000s. 1.40 y = 0.0889x + 0.6097 长度 cm 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 秃尖长度 秃尖长度 1950s 1970s 1980s 年 代 1990s 2000s 59 72.0 生育期 Maturity (day) 71.0 低密度 中密度 高密度 70.0 69.0 68.0 67.0 66.0 1960 生育期 生育期 1970 1980 1990 年代 Era (Year) 2010 2000 60 生育期和产量 • 辽宁省品种区域试验分4组 • 产量与生育期为相反的关系 –中熟组 –中晚熟 –晚熟 –极晚熟 61 我们需要什么？ -- 转换思路 -- 品种的风险性 • 逆境下的高产 • 逆境下的杂种优势 • 逆境下的生理指标 62 育种目标和方向 • 育种目标要面向机械化，摒弃计划 经济下高杆、大穗、晚熟、稀植的 育种方向 — 高风险 • “超级”玉米、“零缺陷”和“强 优势”误导了育种方向，实际后果 忽视了抗逆性 — 饮鸩止渴 63 四、玉米的杂种优势群 与杂种优势模式 试验证据 64 杂 种 优 势 • 决定了玉米育种技术的理论基础和 材料利用的基本特征 • 不同于常规育种（技术路线相矛盾） • 选育自交系和杂交种的技术路线相矛盾 65 杂种优势群 = “婚配”方式 • 60多年前，初步形成了“硬粒型× 马齿型”这个育种模式 • 这是杂交育种的基础 66 温带玉米鉴定出两个杂种优势群 SS×NSS: 马齿×硬粒 并非所有的RYD × LSC 21% 组合都有很强的杂种优势， 但平均H (群体) 是 21%。因此，如果鉴别出 杂种优势群，就比较容易 RYD X RYD RYD X LSC LSC X LSC 获得好的杂种优势模式 67 杂种优势群和模式：育种应用 • 群间杂交的 SCA方差比 GCA方差 要小， 所以能够根据GCA效应对杂交种进行有效 的选择，-- 用少量测验种就可以很容易地 测验，就能够发现最好的杂种优势模式 • 不必非要做双列杂交 68 温带自交系和群体可通过双列杂 交划分杂种优势群 • 美国 SS×NSS • 地理距离可以粗略地估计遗传距离，把群体划 分成杂种优势群 • 划分和利用玉米的杂种优势群已经好几十年! 育种成效显著 69 杂 种 优 势 杂种优势与亲本自交系的来源有关 • 硬粒型×马齿型 • 本国系×外国系 70 美 国:1947 根据自交系的来源划分杂种优势群 Reid 群 （>50%）- SS Lancaster （或非Reid ）- NSS 两群之间有很强的杂种优势 71 HG : 欧 洲 • 沿用美国的方法，依照地理来源和籽粒 类型划分杂种优势群，并建立杂种优势 模式 • 美国马齿型 × 欧洲硬粒型 72 HG : 其 他 国 家 发展中国家（热带生态环境） • Tuxpeno×ETO • Tuson×Tuxpeno • 古巴硬粒×Tuxpeno • Suwan 1×Tuxpeno 73 研究方法和技术路线 系谱分析 数量遗传学 分子标记 74 1. 系 谱 分 析 • 美国根据长期的育种经验和系谱分 析，把玉米带种质分成两个杂种优 势群，构建了第一个杂种优势模式 （1947） 75 2. 数量遗传学方法 原理： • 根据自交系之间的遗传距离 • 双列杂交 - 分析 SCA 效应 76 双 列 杂 交 • 可靠性取决于参试自交系的数目和 遗传基础的广泛性 • 工作量很大 • 实际可操作性差 77 NC-II 设计 • 扩大试验容量 • 可操作性较强 • 要求：一组 Common testers 78 技术路线：复杂问题简单化 • 双列杂交 - 分析典型自交系 – 根据 SCA 聚类 - 标准自交系（测验种） • NC-II - 扩大分析范围 - SCA • 分子标记 - 验证和扩大分析范围 79 试验结果 ：双列杂交 • 15个骨干自交系 • 双列分析 - SCA ▪ 四平头 ▪ 旅大红骨 ▪ BSSS ▪ PA ▪ Lan - 5个杂种优势群 黄早四（标准测验种） 丹340 B73 掖478 Mo17 （刘新芝、彭泽斌） 80 试 验 结 果：NC-II 杂交 • 29个自交系 • 按照与标准测验种的 SCA 聚类 • 仍然 5 个杂种优势群 81 3. DNA分子标记 • 在双列杂交和NC-II分析的基础上， 扩大分析范围 82 RFLP和SSR分析结果 • 验证了双列杂交分析和NC-II聚类结 果（15个和29个自交系） • 3个杂种优势群（5 个亚群） 83 Dendrogram of 15 lines based on Genetic Similarity Calculated from 4 kinds of markers RFLP SSR AFLP RAPD 84 Dendrogram of 15 typical lines based on Averaged Genetic Similarity Calculated from 4 kinds of markers SiPingTou BSSS PA LuDa Red Cob Lan 85 29个自交系的RFLP分析 （Umc 68/ Hind III） (bp) M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 23130 ------24.5kb IM 9416 6557 4361 2322 2027 ------1.5kb IM M: Lambda/Hind III 1: Dhuang 6: Mo17 11: E28 16: Ji853 21: Duanghuang02 26: 48-2 IM: Internal MW standards (24.5Kb & 1.5Kb) 2: Huangzao4 3: Wenghuang 4: Zhonghuang204 7: B37 8: B 73 9: B84 12: Dan340 13: Zi330 14: 5003 17:Luyuan133 18: Ji846 19: Ye107 22: Zhongzi01 23: Zhongzi03 24: Pin1P6C0 27:3H-2 28: 77 29: Duo29 5: Guan17 10: Lu9 15: 478 20: Ji53 25: Shen118 86 Dendrogram of 29 Inbreds based on Genetic Similarity Calculated from SSRs and RFLPs 四平头 11 旅大红骨 2 Lancaster Lan 3 BSSS 4 PA 5 87 举例： Clustering based on double－ centered GS matrix among 85 maize inbred lines 88 PA Reid LRC PB Lan SPT Bar plot of the genetic composition of individual lines based on 70 SSR evenly distributed markers by STRUCTURE using an admixture model with linked physical distance among the markers. Clusters or subgroups for each panel are represented by colors as indicated at the bottom. Each column here represents an inbred’s genotype and is partitioned into segments, the length of which represents the estimated genetic fraction in each individual of each of the six inferred89 subgroups 90 91 92 (PA和SS) 旅大红骨 LAN 四平头 PB 93 中国南方 SS(PA) SS 中国 四平头 (B) USA NSS A A B 安第斯高原 ? B A B 热带低地 ? 育种策略：先对接，再以我为核心向两边推开 94 Duvick, 2005 NSS SS 95 96 2009 我国玉米杂种优势群 和杂种优势模式 97 结 果 ：杂种优势群 六个亚群 –BSSS –PA –旅大红骨 – 四平头 –Lancaster –PB 三个群 SS A Dom D NSS B 98 中国的杂种优势群和模式 Clusters 测验种 杂种优势群 杂种优势模式 四平头 旅大红骨 黄早4 丹340 BSSS B73 PA 掖478 SS Dom × SS Lancaster PB Mo17 齐319 NSS Dom × NSS Dom 99 Keep simple, always! 100 杂种优势模式与商业育种 • 杂种优势模式必然影响种质改良所采 用的主流技术 • 相互轮回选择技术不可避免地要取代 传统的群体内轮回选择方法 ➢ 改良穗行法，半同胞选择，全同胞选择，S1或S2选择法 • 循环育种（二环系育种） 101 五、改造我们的育种技术 养孩子和育种 102 杂种优势群 alignment A B Reid-Tuxpeno nonReid - nonTuxpeno groups SS（Reid） NSS（nonReid ） 103 基本策略：以我为核心 • 以现有种质为基础 — 扩增、改良与 创新 — 前育种研究 • 以本土化的杂种优势模式为核心， 向两边推开 — 控制SCA • 循环育种 — 提高GCA，喜新不厌旧 • 高密度抗逆育种 — GE 效应（σ2和 i ） • 建立我们自己的商业育种平台 104 潜 力 巨 大 ⚫ 进一步增加产量的潜力巨大 ⚫ 我们已经知道问题出在哪里 ⚫ 知道如何提高产量 ⚫ 需要改革与创新 105 要善于学习 ⚫ ⚫ 走出国门，积极学习，拓宽视野 许多事情不是跨国公司太先进，是 咱们太迟钝 ⚫ 改革体制和机制 ⚫ 增加研发投入 ⚫ 破除障碍，合作共赢 106 谢谢 请批评指导 chinamaize.blog.sohu.com 107