大豆雜種優勢利用研究進展＊

孫妍妍，趙麗梅，張 偉，張春寶

（吉林省農業科學院大豆研究所，長春 130033）

大豆[Glycine max（L.）Merr.]起源于中國，已有五千多年的種植歷史，是食用植物性優質蛋白和植物油的重要來源。近年來，我國大豆需求量增長迅猛，但自產供應量卻呈負增長趨勢。據海關總署公布的大豆進口數據顯示，2020年我國進口大豆量再創新高，突破10 032.7萬t，同比2019年增加1 181.4萬t，增長率為13.3%。究其原因主要是大豆單產較低，種植效益差，農民種植大豆的積極性不高，國內大豆產量難以滿足需求。因此，快速大幅度地提高大豆產量，穩定大豆生產，是提高我國大豆自給率的最有效途徑之一，也是積極應對復雜國際貿易環境，打好種業翻身仗推進大豆振興的重要條件。

雜種優勢利用是提高作物單產的有效途徑之一，已在水稻、玉米、油菜等作物中得到推廣應用，取得了良好的經濟效益和社會效益。大豆雜種優勢利用研究起步較晚，20世紀七、八十年代，美國連續授權了5項大豆雜種優勢利用相關專利[1-5]，但此后再無相關研究進展。與此同時，我國科研人員對大豆雜種優勢利用也展開了技術攻關，并取得了突破性進展。1993年，孫寰等[6]育成了世界上第一個實際可用的大豆細胞質雄性不育系[7]，1995年實現“三系”配套，2002年育成世界上首個大豆雜交種“雜交豆1號”，較對照增產21.9%[8]。

經過30余年的系統研發，幾代雜交大豆研究人員的不懈努力，國內育成并通過審定雜交大豆品種近40個，大豆雜種優勢利用新技術、新方法獲授權發明專利、制定技術標準30余項。上述成果奠定了我國在大豆雜種優勢利用領域的國際領先地位。文中將從雜交大豆親本創制、雜交種選育、制種技術和基礎研究四個方面論述近年來大豆雜種優勢利用研究進展，以期為今后開展強優勢雜交種選育、規?；品N技術研發、雜種優勢分子機理解析等方面研究提供參考。

1 親本創制

1.1 細胞質雄性不育系的創制

大豆雜交種的選育，目前主要采用“三系”法，其中綜合性狀優良、育性穩定性高的不育系是創制強優勢雜交種的關鍵。目前，國內外已有RN 型[9-10]、ZD 型[11]、XXT 型[11]、M 型[12]、N8855[13]、N21566[14]、N23661[15]等多個大豆不育胞質的報道。RN型胞質主要用于北方春大豆區雜交種選育及組合配制，目前育成的RN型不育系及同核異質保持系數量達500余對，其中高不育率、高配合力、高異交率的“三高”不育系40余個。這主要得益于吉林省農業科學院在國內率先建成的以不同規格的隔離網室為基礎，以人工馴化蜜蜂為傳粉媒介的雜交大豆高效育種平臺。通過該平臺，不育系轉育、提純擴繁完全擺脫了人工雜交，還實現了規?；?、保鑒定及異交率鑒定，大幅提升了親本選育規模。黃淮夏大豆區ZD型胞質應用較多，也已育成了50余對不育系和配套保持系，但尚未有“三高”不育系育成。目前，國內研究單位雖育成了大批細胞質雄性不育系，但由于缺乏規范鑒定標準，不育系鑒定尚存在表型一致性、花粉敗育率、育性穩定性等指標不規范統一的問題。隨著國內首個大豆細胞質雄性不育系鑒定標準在2020年底發布實施[16]，這將為今后科學、規范地開展不育系選育和鑒定提供操作規程，也為品種審定部門開展大豆雜交種規范化審定及不育系植物新品種權保護提供技術支撐。

1.2 恢復系的鑒定與評價

恢復系作為雜交種的父本，其所含恢復基因的恢復能力對雜種F1能否正常結實起決定作用。目前恢復系主要采用測交鑒定法，其步驟主要是通過對其與不育系測交所獲的F1代單株進行花粉育性鑒定，若敗育率在0～60%[17]，則認為其含有恢復基因，可作為恢復系用于雜交組合配制。雖然花粉敗育率達到60%以下就可以鑒定為恢復系，但在實際應用中發現測交F1的花粉敗育率越低，其恢復能力越強，配制雜交組合F1育性越穩定，這可能是由于恢復系所含恢復基因恢復能力較強或含有多個恢復基因共同作用所致。2014年，張井勇等[18]研發了一套快速鑒定恢復系及其恢復能力的方法。該方法通過待測材料與不同被恢復能力不育系測交，下一生長周期對不同被恢復能力不育系所得F1單株進行花粉育性鑒定，依據花粉敗育率快速鑒定待測材料是否為恢復系及其恢復能力，大大加快了恢復系選育進程。

1.3 優異親本材料的創新

“三系”法雖被廣泛的應用于大豆雜交種選育，但由于受特異性基因源的限制，已有大豆材料的利用率僅在20%左右，極大限制了大豆雜種優勢潛力的發揮。近年來，研究者針對現有雜交大豆“三系”親本個別性狀的特點，通過“恢×恢”“?！帘！薄盎帧列路N質”“?！列路N質”等方式，陸續創制出了一批優異的親本材料，極大地拓寬了雜交大豆親本的選擇和利用范圍，為培育強優勢大豆雜交種提供了材料補充。

2 雜交種選育

自2002年，世界上第一個大豆雜交種雜交豆1號通過審定以來，在眾多育種單位和育種工作者近20年的努力下，先后培育了雜交大豆品種39個，其中春播區審定29個，夏播區審定7個，春、夏播區同時審定3個，見附表。這其中十五至十二五期間共審定13個，十三五期間審定19個，十四五開局之年就已審定了7個。這體現了近年來國內各育種單位在育種規模及雜種優勢利用技術上的不斷提升。

附表 2002—2021年國內審定雜交大豆品種情況

2.1 春大豆雜交種的選育

在東北春播區，吉林省農業科學院通過育種平臺的不斷完善，目前年均配制600個雜交組合，并進行小批量雜交種生產；結合多年、多點的育性、產量、生育期、農藝性狀、抗病蟲及適應性鑒定，育成雜交大豆品種28個，其中6個是與黑龍江省農業科學院綏化分院、佳木斯分院和吉林農業大學三家單位聯合育成。尤其是在十二五以來，24個春大豆雜交種通過了黑龍江和吉林省品種審定，其中吉育610較對照綏農28增產18.7%，在東北中部地區具有良好的推廣前景；吉育635、吉育639、吉育641、吉育643、吉育653、吉育654、佳吉1號、吉農H1、吉農H2 9個雜交種脂肪含量超過21.5%高油大豆標準；適合東北中南部種植的吉育612是國內首個高產雙高春大豆雜交種，區試較對照吉育72平均增產16.0%[19]。2021年審定的吉育645為首個高產高蛋白春大豆雜交種，其蛋白質含量高達44.77%，蛋脂合計更達64.89%，區試較對照綏農26平均增產15.4%。上述品種的育成，實現了東北春大豆雜交種產量和品質的協同提升。2018年專家對吉林遼河源的雜交豆5號千畝示范田進行測產，平均產量達3 442.5 kg/hm2，較對照品種吉育47增產15.6%；對吉林范家屯的吉育611的百畝示范田進行測產，平均產量達3 664.5 kg/hm2，較對照品種吉育47增產18.7%。

2.2 夏大豆雜交種的選育

在黃淮夏播區，7個雜交種通過了安徽省品種審定，其中安徽省農業科學院育成4個，阜陽市農業科學院育成3個。2004年審定的雜優豆1號和2010年審定阜雜交豆1號，區試平均增產分別達15.4%和20.6%，但之后育成的5個品種區試增幅僅在5.3%～8.5%，增產幅度與常規品種沒有顯著差異。究其原因可能是黃淮地區育成親本數量偏少，親緣關系過近，沒有充分發揮雜種優勢潛力所致。山西省農業科學院（山西農業大學）近年來雜交大豆品種選育進展較快，2014年審定了山西省第一個大豆雜交種晉豆48號，并在黃淮地區率先建立了比較完善的雜交大豆育種平臺，近年來恢復系鑒定和不育系轉育規模顯著提升，優勢組合配制和鑒定數量大幅增加，相繼育成3個雜交大豆品種，其中優勢豆-A-5和晉豆51號增產幅度分別達12.1%和12.5%。2020年，在山西運城晉豆52號示范田，專家實收500.25 m2測產，折合產量達4 237.5 kg/hm2?？梢娨罁鼐墐瀯萁⑦m度規模的育種平臺，提升親本創制及雜交組合配制能力，將有效提升黃淮地區雜交種的增產潛力。

3 制種技術研究

3.1 傳粉媒介的研究與利用

自實現“三系”配套起，學者們就不斷探索雜交大豆異交傳粉的最佳方式[20-24]。大豆因其葉腋開花結莢的特點，且花粉粘重由龍骨瓣包裹，無法像玉米那樣通過風媒或像水稻那樣通過趕粉完成雜交授粉。大豆花具備蟲媒花特征，具有蜜腺可分泌少量花蜜[25]，這決定了蟲媒傳粉為其雜交制種的有效方式。20世紀90年代初，由吉林省農業科學院從法國和加拿大引進的苜蓿切葉蜂最早被用于雜交大豆傳粉，其傳粉效果顯著，網室內高異交率不育系利用苜蓿切葉蜂傳粉，結實率可達93.5%～100%。然而，國內人工繁殖切葉蜂技術存在瓶頸，1999年起，吉林省農業科學院和吉林省養蜂科學研究所合作，開展了利用蜜蜂為雜交大豆傳粉的研究。此后，通過對蜜蜂的定向選育、引誘劑研發[26]、蜂群規模結構[27]、飼喂方法、管理方式等方面的不斷改進，實現了人工馴化蜜蜂高效為大豆授粉。同時，研究人員也一直探索在大田開放環境下，依靠野生昆蟲進行雜交大豆制種傳粉的研究。通過在吉林西部開展野外調查及架設電子監控設備觀察訪花昆蟲種類，明確了切葉蜂、西蜂、隧蜂等為雜交大豆主要傳粉昆蟲[28]。近年來，為了適應規?；品N需求，王鵬年等[29]通過在制種基地周邊穿插種植苜蓿、草木樨等蜜源植物，顯著提高了野生傳粉昆蟲的種類和群體數量，建立了傳粉昆蟲保護、繁殖和利用技術。

3.2 制種環境的選擇

制種區域的選擇對不育系能否正常完成異交授粉起關鍵作用。通過多年試驗，研究人員明確了干旱，少雨，7月份降雨量≤100 mm且可灌溉，植被和環境有利于野生傳粉昆蟲生存、繁殖是雜交大豆制種的最佳區域。通過大量試驗，確定了東北西部、內蒙古，西北的山西、陜西、寧夏、甘肅、新疆等地區均適合規?；品N。

3.3 制種技術體系的建立

除了傳粉昆蟲和制種環境外，親本異交率的高低、花期是否一致、種植比例及密度均對制種產量產生重要影響。經過多年研究，吉林省農業科學院建立了一套完善的“昆蟲—環境—植物”三位一體，綜合調控的制種技術體系[22,30-31]，趙麗梅等[31]研究表明，該制種體系的應用可使高異交率不育系的結莢率達到90%以上。2019—2020年，在吉林西部的松原、黑水等地連續開展了百畝連片雜交大豆制種試驗，通過父母本1∶2行比種植，錯期播種確?；ㄆ谙嘤?，優化栽培模式及病蟲草害防治等技術措施，專家大面積實收測產，在父本行額外收獲70～80 kg基礎上，雜交種吉育608制種產量達1 653.94 kg/hm2，吉育611制種產量達1 708.05 kg/hm2，兩個品種繁殖系數均達到1∶30以上，接近了常規大豆的水平。

近年來，隨著國內優勢雜交種的不斷育成，為適應大豆產業化要求，各育種單位均以本地區的大豆種植模式為依據，加強制種技術研究。山西因其獨特地理條件非常適合野生傳粉昆蟲繁殖，也因此成為較為適宜的制種地區。2018年，在山西省農業科學院東磨支基地雜交組合（SXCMS15A×TH40）制種田，天然昆蟲傳粉，父母本1∶2種植，專家實收715.95 m2，制種產量達到了1 173.6 kg/hm2。由于該單位育成不育系異交率有待進一步提高，制種潛力仍有較大的提升空間。安徽省農業科學院在黃淮南部地區也開展了小規模的雜交大豆制種工作，但近年來該地區“癥青”癥嚴重，制種田花期噴施農藥會影響昆蟲傳粉，不噴施農藥點蜂緣蝽等刺吸類害蟲的大量繁殖造成“癥青”危害，嚴重影響制種產量。因此，下一步拓展制種區域，依托地理優勢向西北適宜制種地區拓展，將是黃淮地區雜交大豆制種規避“癥青”風險的有效措施。

4 分子基礎研究

我國在大豆雜種優勢利用上雖處于國際領先水平，但機理研究方面與玉米、水稻等作物仍有不小差距。近年來，隨著分子生物學技術發展及高通量測序技術的廣泛應用，基礎研究方面也取得了顯著進展，主要集中在細胞質雄性不育機理、育性恢復基因及核不育基因定位克隆等方面。

4.1 細胞質雄性不育分子機理研究

在不育機理研究方面，Jiang等[32]和劉海軍等[33]分別發現線粒體基因atp9和atp6在不育系和保持系間存在RNA編輯。He等[34]、林春晶等[35]和Lin等[36]分別對不育系和保持系的線粒體和葉綠體基因組進行測序和組裝，通過二者間的序列差異，預測了多個可能影響細胞質雄性不育的基因。Ding等[37-39]和Zhang等[40]分別對不育系和保持系進行了miRNA測序分析，發現miR156b、miR2119b、miR169可能參與調控大豆細胞質雄性不育。Li等[41]、Han等[42]和Lin等[43]分別開展了不育系和保持系DNA甲基化差異分析方面的研究。此外，研究人員還開展了不育系和保持系的轉錄組[44]、環狀RNAs[45]、泛靶向代謝組[46]等各類組學分析，獲得了一大批差異基因并預測了多個可能與不育有關的調控網絡。雖然上述研究在不育機理方面取得一些進展，但至今仍未有大豆細胞質雄性不育基因克隆的報道。目前在水稻、油菜、玉米中均有細胞質雄性不育基因被克隆鑒定，研究人員今后可借鑒成功經驗，早日鑒定大豆細胞質雄性不育基因，以期為今后新型不育系的創制提供理論基礎。

4.2 育性恢復基因的定位與克隆

育性恢復基因的研究開展較早，多家單位的科研人員對大豆恢復基因（Rf）進行了定位研究。大多數定位結果發現Rf基因在大豆16號染色體上，如趙麗梅等[47]、Wang等[48]和郭鳳蘭等[49]利用RN型不育系和恢復系構建的F2分離群體為材料進行Rf基因定位，最終將Rf基因定位于16號染色體224.1 kb區間。焦東燕[50]和Dong等[51]分別利用ZD型不育系與恢復系構建的F2分離群體將Rf基因定位在16號染色體標記BARCSOYSSR_16_1064和BARCSOYSSR_16_1082之間。Wang等[52]用M型不育系和恢復系構建的F2群體將Rf基因定位于16號染色體162.4 kb區間內，隨后又對Rf候選基因進行了qRT-PCR分析，推斷Glyma.16G161900可能為Rf基因。最近，Wang等[53]利用NJCMS1A和NJCMS1C雜交獲得的F2群體，通過分子標記定位及候選基因敲除驗證，最終NJCMSIC所含Rf基因為16號染色體上一個編碼576個氨基酸的PPR蛋白。在大豆其他染色體上，研究人員也通過分子標記定位，獲得了新的Rf基因位點[54-57]。今后若能鑒定更多的恢復基因，實現多恢復基因的聚合育種，創制恢復力強、恢復譜廣的新型恢復系，這將為強優勢雜交種的創制提供重要的材料支撐。

4.3 核不育基因的定位與克隆

隨著基于核不育基因的第三代雜交育種系統在玉米、水稻中的研發和應用，大豆核不育基因的研究也日益受到關注。在大豆已知的27種核不育突變體中，有15個基因控制位點實現分子標記定位，包括ms0、ms1-ms9、ms12、msp、msMOS、mst-M和msN[58-79]。MS4是大豆中第一個被克隆的核不育基因[80]，其編碼一個PHD蛋白，移碼突變導致不育。2021年，編碼驅動蛋白的MS1基因被國內多個團隊克隆。其中Jiang等[81]和Nadeem等[82]相繼報道了MS1的一種大片段缺失突變類型，Fang等[83]則報道了MS1的另外兩種單堿基缺失和氨基酸突變類型。隨后，Yu等[84]也完成了MS6基因克隆，其為一個R2R3類MYB轉錄因子。上述核不育基因的陸續克隆，為大豆第三代智能雜交育種系統的構建和應用提供重要的基因資源。

此外，研究人員還在其他基礎研究方面取得了一些進展，如Zhang等[25]研究發現不育系異交率與其花蜜分泌量相關。Yan等[85]發現農藝性狀與異交率的關聯分析可有效指導高異交率親本篩選。李蓉等[86]發現FLS基因可能與異交率有關。Zhang等[87-88]則從轉錄調控和表觀遺傳層面探索了大豆雜種優勢機理。

5 結語

雜種優勢在植物中普遍存在，通過雜種優勢的利用已顯著提高了水稻、玉米、油菜等作物的產量、品質和抗逆性。多年研究表明，大豆同樣存在較強的雜種優勢。育成的大豆雜交種中雜交豆2號增產幅度最高，兩年區域試驗比對照平均增產達22.7%。2006年在吉林省農安縣專家測產達到了5 332 kg/hm2，創造了吉林省當時的高產記錄。雖然雜交豆2號產量優勢顯著，親本配合力較好，但由于其母本JLCMS47A異交率低，導致制種成本過高，很難大規模推廣應用。因此，創制高異交率、高配合力的不育系是今后進行雜交種選育的先決條件之一。

近年來吉育609、吉育611、吉育645等一批中早熟春大豆雜交種通過審定，為吉林中東部、黑龍江南部地區提供了品種支撐，但隨著東北春大豆種植面積日益北移，適宜東北北部種植的雜交種應用前景將更為廣闊。由于目前東北春大豆區育種單位尚缺乏MG000-MG0生育期組的親本材料，今后側重點應更多的偏向于極早熟親本材料的創制和雜交組合的配制，適宜該區域大豆雜交種的育成尚需時日。

大豆雜種優勢利用研究初期，由于親本遺傳資源少、遺傳差異小，缺少高效的雜種優勢預測方法作指導等問題，雜交大豆品種選育和親本創制存在盲目性。近年來，隨著研究人員對大豆雜種優勢群理論認識的深入，利用分子標記和高通量測序劃分了大豆雜種優勢群并初步建立了全基因組預測模型，這為雜交組合的合理配制提供了理論支撐，大幅提高了優勢組合的選育效率，我國大豆雜種優勢利用也會進入嶄新階段。