糯小麦分子育种体会

                      刘冬成

                河北农业大学

大家好，我是“一麦众承”第6组的刘冬成，我们组的组长是来自天存种业的张保亮老师，组员有赵鹏飞、刘源海、陈文超、方正武和我。陈红敏老师组织了这个群，各位老师讲了很多“掏心窝”的话，让我这个“白丁”有机会在未曾谋面的情况下，就对各位老师的“家底”略知一二了，算是占了组织的便宜。各位老师在育种组合配制、选择方式等方面都很犀利且有效，我虽不能完全消化吸收，但每天早上第一件事收藏值日文章，以便来日细嚼慢品。我是2002年从中国农大博士毕业后去中科院遗传发育所跟随张爱民老师进行小麦品质方面的基础研究，课题组孙家柱老师从事小麦常规育种工作，我虽对常规育种好奇，但终究因敬畏之心和工作的分工，而未曾有机会涉猎。我2021年5月入职河北农业大学，开展小麦遗传育种研究，尤其侧重小麦品质改良，深切地感受到常规育种对我国小麦生产和粮食安全的重大贡献，也认识到自己在这方面的不足，正好借此机会向各位专家学习，还望各位专家不吝赐教！昨天，中国农大宿振起老师再次就分子育种给我们传经送宝，今天我也把糯小麦分子育种的过程和体会写出来，请各位专家拍砖指教！

开展糯小麦分子育种的初衷

干一件事总得有个“油头”，就跟各位专家配组合一样，总想着这个组合是为了改造某个亲本的某个性状，后代该是什么模样。我们当时做糯小麦分子育种的动机非常单纯，就是想“玩玩”（实则检测分子育种可行性）。早在2010年，中国农科院贾继增研究员等多位老师牵头组织第一届小麦基因组学和分子育种大会（要不是受疫情影响，2022年都该开第13届了），在会上了解到当时做分子育种（或者分子标记辅助选择育种）的人并不多，也没有什么成型的产品出来，感觉大家对分子育种还多少持怀疑态度。回来以后，想着自己在工作之余，何不尝试尝试分子育种，看看那些搞分子的大专家们所说的高级基因到底行不行？恰逢当时单位温室建成，具备我一年多代的种植条件。于是乎，在2010年的那个冬天，我们就开始了“业余”的小麦分子育种工作。为啥要选择糯小麦呢？当时河南天翼公司赵演槐老师培育的糯小麦品种天糯158在河北和北京种植，抗寒性不过关，加上糯小麦的糯性有三个基因控制，做分子育种有点挑战性，于是在课题组的默许和支持下，开展了糯小麦的分子育种工作。现在看来，这事得感谢我当时的领导张爱民老师，没有他的支持，也就不会有我们后来审定的糯小麦新品种，今天我也不会有这么坚定的信心继续开展小麦的分子育种工作。

糯小麦分子育种的过程

2010年秋天，在几位育种家老师的帮助下，选择了产量水平较高的12份材料进行糯性的改良，我们用赵演槐老师的天糯158作为糯性基因供体。我们利用全糯种质材料进行分子标记的检测，同时用I-KI染色进行相互佐证，证实了天糯158确实含有三个糯性基因，是全糯的材料，同时发表的分子标记可以用于糯性基因的检测（图1）。

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2010年当年在温室种植，以天糯158作为母本，改良品种作为父本进行杂交和回交，我们回交一般做2个穗子，保证能够结24粒种子，回交后代24粒种子发苗并利用糯性位点的三对分子标记进行检测，保留含有三个糯性基因的回交后代（概率为1/8），冷室春化后种植，继续回交，每次回交后代均采用三对分子标记进行检测，保留含有三个糯性基因的单株，回交三代后含有三个糯性基因的单株自交，自交种子经过分子标记选择具有三个纯合基因型的，或者利用I-KI染色保留全糯幼苗，在大田种植、繁殖和农艺性状评价，多次小区鉴评后参加区试（图2）。

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2014年开始，我们和石家庄市农林科学院史占良老师、河北大地种业郭进考老师和山东德州农科院吴儒刚老师开展合作，请他们对我们的回交后代进行农艺性状的评价和选择，部分优良品系自2017年开始在山东和河北参加特用组区域试验，其中科糯2号2020年在山东审定，其产量水平在500公斤左右，马兰糯麦1号（2020年河北审定）、首佳糯麦801号（2020年河北审定）和石科糯1号（2021年河北审定）的产量水平在550-600公斤，表现和当地常规品种相当；我们也对比了这些糯麦品种和原来的受体亲本，其基本农艺性状和产量性状差异不明显，基本保留了原来这些品种优良的特征特性，说明我们对这些品种的定向改良是成功的（图3）。

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分子育种的一点体会

经过一个轮回（12年）的摸索和实践，我们在小麦分子育种方面也多少积累了一些经验，现总结如下，请各位老师批评指正：

分子育种和常规育种一样，是一个漫长的过程，这需要沉得住气，耐得住寂寞。分子育种一年多次加代、杂交、检测，任何一个环节不能出问题，这多亏张爱民老师的支持和我师傅的鼓励，还有诸位同事及研究生的帮忙；另外，分子育种也没那么高级，简单说来就是个PCR和跑电泳，基本条件有二三十万也能够搞起来了，但关键还是在于坚持；

不能好高骛远，目标可以远大，但工作确实得脚踏实地，尤其得注重细节。回交后代的检测要是编号搞错了，或者温室条件不合适等，不管你回交到哪一代了，这个组合也就前功尽弃了！目标单株杂交前都得重复检测，确保含有三个糯性基因，这不光需要细心，还需要耐力，一年3-4次的加代、检测和杂交，都不能问题！当然，这也是策略问题，一开始我们搞几个亲本定向改良，目标是所有的都必须成功，就跟家里独生之女一样，必须成龙成凤似的，后来我们搞几十个亲本改良，成几个算几个，心态一下子就平和多了，也就不跟自己较劲了（这一点我师傅最厉害了）！

分子标记以实用为原则，我们刚刚开始做的时候查阅文献，发现前人对糯性位点选择发表了好几篇文章，我们在真正做的时候就发现了问题：一是B位点是显性标记，自交后代对杂合和纯合难以区分；二是三个标记做三次PCR和电泳，研究生们经常弄乱；后来我们开发了多重PCR体系（图4），一次PCR和电泳能够检测所有的基因型，不光是杂合，还有纯合类型，现在我们回交后代只要看是7条带的（图4上），就是带有三个糯性位点的，保留下来继续种植，剩余的都扔掉，也不用都读带了，很容易操作！自交后代也容易选择纯合的糯基因类型（图4下）。现在很多人推崇的芯片、KASP等检测，都是在一定应用场景下，对自己的不一定适合，我感觉标记这一块还是自己用的顺手就好，如果只用不超过5个标记进行改良，建议用普通的PCR标记就好，容易操作，船小好掉头！

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                    2022年02月05日

作者简介：刘冬成，男，1974年生，河北农业大学教授，博士生导师。2002年在中国农业大学获博士学位，先后在中国科学院遗传与发育生物学研究所、北京科技大学工作。主要从事小麦品质形成的遗传基础解析、分子网络调控和分子育种工作，建立小麦低分子量麦谷蛋白基因家族鉴定体系，并发现多个调控小麦谷蛋白基因表达的转录因子。主持国家自然科学基金4项和多项国家重点研发计划等课题，获国家科技进步二等奖和中华农业科技一等奖各一项，发表SCI论文28篇，获国家发明专利12项，主持或参与育成小麦品种8个。联系方式：13522650970（手机），[e-mail]（电子邮件）。