第三章 传统育种方法

分子育种技术固然日新月异，但任何新技术要落地，都绕不开杂交、选择、试验这些基本功。本章介绍的传统育种方法——引种与系统选育、杂交育种、诱变育种、远缘杂交——构成了哈密瓜育种方法体系的底盘。回顾绪论的发展历程可以看到，哈密瓜历史上的标志性品种，几乎都是用这些”老办法”育成的；即使在今天，一个育种项目的绝大部分田间工作量，依然花在这些传统环节上。把传统方法讲透，不仅是为了向后看，更是因为分子设计育种的每一步都要站在这个底盘之上。

传统方法的价值还在于它与分子技术的互补关系：MAS需要先有分离群体，基因组选择需要先有表型数据，基因编辑的材料也仍要靠杂交转入优良背景。换句话说，传统方法是”骨架”，分子技术是”加速器”，两者缺一不可。学习本章时，建议读者对照第二章的遗传基础知识，体会每种方法背后的遗传学逻辑：选择育种的依据是群体遗传与纯系学说，杂交育种的依据是自由组合与连锁互换，诱变育种的依据是基因突变的随机性与不定向性，远缘杂交则要额外面对物种间的生殖隔离。方法不同，遗传学逻辑各异，但目标是一致的——为育种群体创造并固定有益的遗传变异。

本章按变异来源由简到繁的顺序展开：引种与系统选育利用现有变异，杂交育种重组既有基因，诱变育种创造新变异，远缘杂交引入种外基因。读者可以带着”变异从哪里来、如何被发现、如何被固定”这三个问题去阅读，这也是贯穿全书育种方法部分的通用分析框架。

3.1引种与系统选育

引种和系统选育是最省力、见效也最快的两条途径——它们不创造新变异，只是把现成的变异”搬过来”或”挑出来”。对育种起步阶段或基础薄弱的单位而言，往往是从这里入门的。别小看这两条”捷径”：育种的半壁江山历来是靠它们打下的，即便是技术力量雄厚的育种单位，引种和系统选育也始终是种质创新和品种改良的常规手段。本节先讨论引种，再从纯系学说入手展开系统选育的原理与操作。

3.1.1引种：生态相似原理与两道关口

引种，简单地说就是从外地或外国引进品种，经过试验鉴定后直接在生产上推广应用，或者作为杂交亲本加以利用。它不涉及任何新变异的产生，是所有育种途径中投入最少、周期最短的一条——做得好，两三年就能见效益。

引种：

• 从生态相似区引入品种

• 需进行检疫和适应性试验

• 案例：从日本引入”蜜世界”网纹甜瓜

引种的成败关键在”生态相似”四个字。品种的表现是基因型与环境互作的结果，同一个品种搬到光温条件迥异的地区，表现可能面目全非。光温条件相近的地区之间引种，品种的原有表现容易保持；生态条件差异悬殊，则可能出现不开花、不坐果、品质下降等问题。对哈密瓜这类喜光、喜温、昼夜温差要求高的作物，从干燥少雨、日照充足的产区向湿润多雨地区引种，往往还要额外面对病害压力骤增的考验。因此引种前应先分析两地的纬度、海拔、日照、温度、降水等生态因子，把引进来源锁定在生态相似区内，成功的把握才大。

来源确定之后，引进品种还必须过两道关。第一道是检疫关：防止随种子带入新区没有的病虫害，这道手续省不得——一旦检疫性有害生物传入新区，损失往往无法挽回，而且责任重大。第二道是适应性试验关：引进品种要在当地至少经过两三个生长季的多点比较，确认表现稳定后才能推广。试验中不仅要看产量品质，还要观察它对当地病害和小气候的反应，并注意引进群体内部的整齐度，必要时可以先进行一轮选择再投入使用。

开展引种还要讲究计划性。引种前应先明确本产区缺什么——是缺早熟类型，还是缺抗病类型，或缺耐贮运类型——再据此圈定候选品种名单，向有信誉的种源机构少量引进，切忌贪多求全。引进的每个品种都要建立档案，记录来源、引进年份、原产地表现和本地试验结果，这些材料积累起来就是一份活的种质信息库。引种也不宜一次性大规模铺开：第一年先做观察试验，小区规模宜小、重复宜少而精；表现有苗头的品种，第二年再进入多点比较；确认稳定后，还要按第九章的要求安排原种繁殖，保证推广种子纯度高、质量好。层层设卡看起来慢，实际上是最快的路——把不合格的品种在第两年就淘汰掉，比推广之后再发现问题的代价小得多。

引种的范围也不必局限于”品种对品种”。从育种的角度看，引进的层次可以更低、也可以更高：低到一批遗传上参差的农家种或育成品系，它们虽不能直接推广，却是系统选育和杂交取材的好素材；高到一套现成的杂种一代品种，虽然其亲本自交系握在别人手里，但杂种经自交分离两三代后可以选出有价值的中间材料。因此引种工作要带着”种子只是载体、基因才是目标”的眼光来做——同一个引进批次，在推广者眼里是品种，在育种者眼里是资源，两种身份可以并存，价值则互相成全。

日本”蜜世界”网纹甜瓜的引进就是一次成功的引种实践。它不仅直接用于生产，丰富了市场上的网纹甜瓜类型，其网纹、糖度方面的优良基因也被用作杂交亲本，间接参与了后续品种改良。这个案例说明，引种的意义不止于”拿来就用”：引进品种本身就是一份现成的种质资源，即使不能直接推广，也常常能在杂交育种中派上用场。还要提醒一句，引进品种在本地连续种植后可能发生混杂退化，需要像对待地方品种一样坚持提纯保种，引种的成果才守得住。

3.1.2纯系学说与系统选育的遗传基础

系统选育（又称选择育种、纯系育种）是在现有群体的自然变异中”沙里淘金”：从大田或种质群体中按育种目标挑选优良单株，分别留种、分别种植成株系，经多年多代的比较鉴定，把表现最优且整齐稳定的株系育成新品种。它的理论基础是二十世纪初建立的纯系学说。

纯系学说的确立有一段经典实验可循。丹麦学者约翰逊以菜豆为材料做连续选择试验：从市售的混合种子中按籽粒大小分别选择，发现头几代选择有效、群体平均值被逐代拉开；但把一个株系自交繁衍多代形成遗传上整齐的”纯系”之后，再在纯系内按粒重选大粒或小粒，后代的粒重均值不再有任何变化。由此他提出了著名的分解式：表型值＝基因型值＋环境效应，并指出在纯系内选择无效、选择的有效对象是遗传差异而非环境差异。这个结论虽然来自自花授粉的菜豆，其逻辑却适用于一切作物的选择育种，是育种学从经验走向科学的里程碑之一。

纯系学说有两个要点。其一，自花授粉作物经过连续多代自交后，群体内个体基因型趋于纯合，表型的差异主要来自环境；把一个纯系内表现不同的个体继续加以选择，后代并不会朝选择方向继续改进——也就是说，在真正的纯系内选择是无效的。其二，表型是基因型与环境共同作用的结果，单凭一次表型表现选出的”优株”未必是基因型优良的个体，必须通过后代鉴定把基因型优良与环境偶然的区分开来。这两点对系统选育的操作有直接指导意义：选择必须在遗传上有差异的群体中进行，选择的效果要靠后代的重复表现来检验。

选择为什么在品种群体中仍然有效？因为生产上的”品种”从来不是严格意义上的纯系。哈密瓜属于虫媒传粉的雌雄异花同株作物，天然异交率较高，农家品种更是长期处于异交与选择的动态平衡之中，个体间的基因型差异可观。正因如此，从红心脆、黑眉毛密极甘这类地方品种中反复选优，总能选出新东西——变异是不断被异交”补充”进来的，选择就永远有用武之地。这也解释了为什么系统选育在哈密瓜上的历史成绩格外突出：地方品种群体越大、异交率越高，可挖掘的变异越丰富。

从选择育种的整体策略看，还有三点值得强调。第一，原始群体要选对：群体越大、来源越广、遗传差异越丰富，选到”好苗子”的概率越高，这也是为什么系统选育总是优先在大面积种植的地方品种和引进群体中进行。第二，选择的环境要讲究：在均匀一致的栽培条件下选择，环境误差小，基因型优劣才显得出；有经验的育种者还会把选择安排在目标性状最容易分辨的时期，如果实成熟期看糖度和网纹、发病年份看抗病性，把环境的”压力”变成鉴定的”试剂”。第三，选择要有明确的标准并坚持一贯：每个世代按同一套目标性状和入选标准衡量，切忌今年看产量、明年看外观地摇摆不定，方向多变的选择等于没有方向。

3.1.3单株选择与混合选择的操作要领

系统选育：

• 单株选择法：从自然变异群体中选择优良单株

• 混合选择法：选择优良单株混合采种

• 案例：红心脆的提纯复壮

两种方法各有适用场景，差别主要在”分”与”混”上。单株选择法把入选单株逐个编号、单瓜采种，下一代按株系分别播种、分别比较，优株的后代继续选优，如此连续数代，直至株系整齐稳定。它的最大优点是”查得清血统”：每个株系的来龙去脉都有记录，优良的基因型被彻底纯合固定，育成的品种整齐度高、种性纯正；代价是工作量大——几十个入选单株就要种几十个株行，连续做上四五代的田间记载和考种，人力投入相当可观。而且甜瓜天然异交率较高，单株选择必须配合套袋自交和空间隔离，否则选出的”优株”可能早已被外来花粉”掺了水”，后代鉴定时表现起伏，白费功夫。

混合选择法走的是另一条路：按目标性状从群体中选出一批优良单株，种子混合起来播种，形成改良群体，必要时再重复一两轮。因为不逐株追踪谱系，工作量小、见效快，特别适合对一致性要求不高的初步改良，也适合在品种混杂初期做恢复种性的工作。缺点也很清楚：混采的种子来自多个基因型不同的单株，群体中杂合基因型掺杂，整齐度的提升有限；而且不设株行比较，单株后代表现的好坏无从查考，环境偶然性造成的选择误差会一代代累积下来。

实际工作中，两种方法常常配合使用：先用混合选择把群体水平整体提上来，再在改良群体中做单株选择，把最优秀的个体固定成品种。地方品种的提纯复壮是系统选育最典型的应用——红心脆经过多年的单株选择与田间提纯，混杂退化得以扭转，种性恢复如初。这类工作看似不起眼，却是保护经典品种资源的日常功课：一个流传上百年的品种，它的价值不亚于任何一个新育品种，而让它保持种性不坠的，正是一代代育种者默默做的选择。

操作层面的几个细节也值得一记。无论哪种方法，选株都要在田间现场完成而不能只在室内考种，单瓜的着生部位、植株的整体长势这些”现场信息”一旦错过就补不回来；入选单株必须单瓜采种、编号装袋，严防混包——系统选育的全部基础就是”一株一系”的谱系关系，混了包，前面的功夫就全部作废。株行试验要设对照品种，年年比着对照选，防止选择标准随印象漂移。此外，选出的中间材料要边选边鉴定：糖度、质地、抗病性这些关键指标从株行阶段就同步测定，到品系比较时积累的数据链足够长，品种定型才有底气。系统选育周期虽短，数据要求一点不含糊，这是它区别于”留种换种”的根本所在。

3.2杂交育种

杂交育种是传统方法的核心，也是品种改良最主要的方式。它的基本逻辑是：把分散在两个以上亲本中的优良等位基因，通过杂交重组到同一个体中，再经过多代选择使之纯合稳定。整个过程成败的第一环，就是亲本选配——组合配得好，后代才有可选之材。本节依次讨论亲本选配原则、杂交方式与回交育种、分离世代的选择方法，最后介绍杂种优势的利用与制种技术。

用数量遗传学的眼光看，杂交育种的成效可以分解为两个概率的乘积：优良重组基因型在分离群体中出现的概率，乘以育种者把它识别出来的概率。前一个概率由亲本选配和杂交方式决定——亲本遗传差异适当、目标基因彼此独立，重组型出现的概率就高；后一个概率由选择方法和鉴定体系决定——鉴定越准、选择强度拿捏得越合适，好材料漏网的概率越低。本节的内容，说到底都是在围绕这两个概率做文章。把这个框架记在心里，各小节之间的关系就一目了然了。

3.2.1亲本选配的原则

亲本选配没有精确的公式可循，但长期实践沉淀下来的几条原则，是育种者组配方案时必须对照的标尺：

亲本选配原则：

1. 互补原则：双亲性状互补
2. 地理远缘原则：不同生态型杂交
3. 配合力原则：一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA）
4. 遗传距离原则：分子标记辅助选择亲本

四条原则层层递进。互补原则是底线——双亲缺点雷同的组合，后代只会把缺点叠加，几乎没有出息。具体到哈密瓜，最典型的互补方向是品质与抗性的互补：第二章已经指出品质与抗病性之间存在负相关，主栽品种高糖而不抗病，引进抗源抗病而园艺性状差，把两头拼到一起，后代才有”既好吃又抗病”的分离类型可选。反过来，两个高糖亲本再杂交，糖分上已无多少余地，而双方共有的感病性却会顽固地遗传下去。

地理远缘和遗传距离原则讲的是同一件事的两个层次：亲缘远，等位基因差异大，后代分离出的变异类型才丰富，选优的空间才大。不同生态型的品种（如新疆本地类型与中亚或东亚类型）杂交，常能在熟性、适应性上出现超出双亲的组合。如今利用分子标记计算遗传距离，可以把”远”量化到具体数值，比凭经验判断更可靠；第一章介绍的核心种质与遗传多样性分析，正是为这条原则提供数据的。不过也要把握分寸——亲缘不是越远越好，距离过大的组合后代可能出现疯长、不孕或剧烈的负向分离，一般认为中等偏大的遗传距离配合良好的性状互补，才是高产出组合的”甜点区”。

配合力原则则是最容易被初学者忽视的一条——亲本本身表现好，不代表它的后代就好，衡量亲本价值的是配合力。一般配合力反映一个亲本与其他一系列亲本杂交的平均表现，主要源于基因的加性效应；特殊配合力则是特定组合超出按平均表现预期的部分，主要源于非加性效应。配合力原则上强调：一个亲本在大量杂交中的平均表现可以预示它在多数组合中的价值，所以测定一般配合力可以一次性评估亲本的”通用性”；而对少数重点组合，特殊配合力的信息更关键。实践中，用少数骨干亲本做不完全双列杂交（如第八章将要介绍的NCⅡ设计）测定配合力，再据此确定主配组合，是事半功倍的做法。

关于亲本的”阵容”，还有两条经验值得记取。一是亲本数量宜精不宜多：一个组合塞进的亲本越多，每个亲本对后代的贡献越稀释，优良基因型的出现概率随之下降；改良目标多时，与其一次凑齐四五个亲本，不如分两步走，先把两三个亲本杂交固定出中间材料，再用它组配下一轮。二是骨干亲本要长期保纯：甜瓜异交率高，骨干亲本若在繁殖中串了杂，以其配出的所有组合都会”面目全非”，因此骨干亲本必须套袋自交繁殖、年年鉴定，建立并维护好这一小批”看家材料”，是杂交育种可持续运转的前提。

3.2.2杂交方式与回交育种

亲本选定之后，杂交方式决定重组的广度。常用的方式有四种：

杂交方式：

• 单交：A × B

• 双交：（A × B）×（C × D）

• 回交：A × B → F1 × A（轮回亲本）

• 多亲杂交：逐步聚合多个优良基因

单交最简单也最常用，两个亲本优点突出、缺点互补时，单交往往足够。单交后代分离模式清楚，F2开始即可大规模选择，两三个亲本轮番使用也不至于把谱系搅乱。当改良目标较多、单个组合装不下时，就要动用三交、双交这类复合杂交：三交是先用两个亲本配成单交，再以单交种作母本与第三个亲本杂交；双交则是两个不同的单交种之间再杂交。从遗传贡献看，三交后代中三个亲本的遗传份额约为1/2、1/4、1/4，双交中四个亲本各占1/4，因此育种上习惯把综合性状最优良、需要”多出力”的亲本安排在三交的第三次杂交或双交中贡献份额最大的位置，让它对后代的影响最大。复合杂交可以把三四个亲本的优点逐步聚合起来，但代价是分离世代延长、工作量成倍增加——三交要等到第二次杂交的后代才出现完全的分离，育种周期至少多出一代，群体规模也得相应扩大，否则优良重组出现的概率太低。多亲杂交（聚合杂交）更进一步，通过多轮组配逐步聚合多个优良基因，多用于育种的长期改良计划。

复合杂交的组配次序一旦确定，育种的节奏也随之定型，因此规划时要把”时间账”算在前面：三交的F2实际上相当于单交的F3才能开始针对全部三亲性状做选择，若再把回交或世代推进计入，总年限比单交方案多出两三年。这就引出一个实际问题——改良目标真的需要三四个亲本吗？多数情况下，先以单交解决主要矛盾，把次要性状留给后续的轮回改良，比一开始就铺开复合杂交更经济。只有当主要矛盾无法在两亲之内解决（例如抗源与优质源分属三个互不重叠的材料）时，复合杂交才是必选项。方案定型前，不妨把每种方式的组配次数、世代年限、最小群体规模逐一列表估算，数据摆在一起，取舍自然清楚。

回交是另一类用途明确的方案：以优良品种为轮回亲本，反复与杂种后代回交，把供体的某个目标性状导入，同时保留轮回亲本的整体优点。表3-1对几种主要杂交方式作了比较。

回交育种的头等大事是选好轮回亲本。轮回亲本要满足两个条件：一是综合性状优良、适应性强，最好是即将推广或正在推广的品种，因为它最终要贡献改良系九成以上的遗传背景；二是仅存在个别需要改良的性状缺口，缺口越少，回交育成后与原品种的差距越小，推广衔接越顺。供体亲本的选择相对宽松，只要目标性状突出且遗传方式明确即可，其他缺点可以留给回交去”洗”。转移目标通常是由主效基因控制的性状，如抗病性（第二章列举的Pm、Fom系列基因）、雄性不育性等——这类性状在回交后代中可以逐代跟踪选择，选择效率高。若目标性状为隐性，则每轮回交后需自交一代使隐性基因纯合显露，再继续回交，世代数相应增加。

回交还有几处容易被忽略的细节。正反交的选择有讲究：习惯上以轮回亲本作母本、以供体作父本，如目标性状涉及细胞质遗传（某些胞质雄性不育），则必须以供体为母本才能把胞质一并转移，方向不能颠倒。回交后代中目标性状的追踪要逐代进行、一株不漏：每轮回交都要在回交群体中选出携带目标性状的个体作下一轮回交的亲本，选株时还应兼顾轮回亲本性状的恢复程度，”目标性状在、背景像轮回亲本”的单株是理想的继续回交对象。回交过程中还要防止遗传漂变——每代回交群体要有足够的规模，否则中选单株在无关位点上可能随机丢失轮回亲本的等位基因，导致育成材料与轮回亲本”貌合神离”。

回交次数视目标而定：理论上每回交一代，轮回亲本的遗传背景就恢复一半，回交四至六代后，除目标基因附近的小片段外，基因组已基本恢复为轮回亲本。传统回交靠田间表型判断背景恢复程度，难免把目标基因两侧来自供体的”尾巴”一起带进来（连锁累赘）；配合第二章、第四章介绍的分子标记，对目标基因做前景选择、对其余基因组做背景选择，可以精确定位并加速剔除供体片段，把回交育种的效率提高一大截——这正是第四章分子标记辅助回交的主题，也是抗病品种选育的标准路径。

3.2.3分离世代的选择方法

杂交产生了变异，选择则决定留下什么。从F2到品系稳定，分离世代的处理方式直接决定育种的效率与成本，主要有三种策略：

选择方法：

• 系谱法：F2开始单株选择，直至F6稳定

• 混合法：F2-F5混合种植，F6开始单株选择

• 单粒传法：F2开始每株取一粒种子

三种方法实质上是在”选择压力”与”工作量”之间做不同的取舍。系谱法从F2就施加高强度选择：F2按目标性状选单株，F3按株行（家系）比较并继续选株，F4以后株系逐步稳定，一般到F6即可形成整齐一致的品系。每代的选株都有编号记录，家系谱系一查便知，选出的材料背景清楚、稳定快，还便于边选边做抗性鉴定和品质分析；缺点是田间工作量最大，世代推进全靠人工逐一鉴定。系谱法适合目标性状遗传力较高、可以早代表型鉴定的组合——参照第二章的数据，果肉厚度、网纹密度等性状遗传力达0.65～0.90，早代选择可靠性高，宜用系谱法。

混合法前期放手让群体自然繁衍：F2～F5只混收混种，不做（或只做极轻的）人工选择，到F6基因型基本纯合后再进行单株选择。它的好处是把选择推迟到纯合度较高的世代，避免了早代选择中”看走眼”的浪费，田间管理也最省工；群体规模可以做得很大，从而保留丰富的变异。风险在于：早代形成的优良重组型如果竞争力不强（如单果重小、结瓜多的基因型在密植群体中往往处于劣势），会在自然竞争中未经”审判”就被随机流失，而且选择的推迟使育种年限表面上拉长。混合法适合遗传力低、早代选择不可靠的性状——可溶性固形物含量这类受环境影响大、遗传力中等的性状，晚代选择更稳妥。

单粒传法介于两者之间：从F2起每个单株只收一粒种子传代，群体规模代代不减，到F6左右基因型接近纯合时再扩大繁殖、进行选择。它的巧妙之处在于用最小的空间推进世代——每株一粒，几千株的群体也占地有限，特别适合借助温室加代快速推进世系，一年可推进两三个世代；代价是每代都有一半的株系随机丢失，且传代期间不做任何选择，早期优良重组同样可能失传。单粒传法原本主要为自花授粉作物的大规模育种程序设计，用在哈密瓜这类常异交作物上时，必须配合严格的隔离自交，否则世代推进中混入的异交会使”纯合”名不副实。

实践中还发展出一些折中方案，例如混合法与系谱法结合的”派生系谱法”：早期世代按混合法管理，同时从群体中抽出一部分单株提前建立系谱，兼得两法之长；又如把单粒传与早代选择结合，传代期间只针对遗传力极高的少数性状（如抗单一病害）做粗筛，其余留到纯合后细选。这些变通说明，三种基本策略更像三个”基点”而非三条”铁律”，育种者完全可以依据目标性状组合、群体规模和加代条件，在基点之间取一个适合本单位的位置。判断方案是否合理的最终标准只有一条：在既定的人力物力下，单位时间选出的合格品系最多。

归纳起来，方法没有绝对优劣，要看目标性状的遗传力高低和本单位的人力、设施条件：遗传力高宜早选、宜用系谱法；遗传力低宜晚选，宜用混合法；空间紧张、需要加代赶进度时，单粒传是经济的选择。大型育种项目常常并行使用多种策略，把不同来源的世代错开推进，保证每年都有新组合的F2、也有接近稳定的品系，育种的”流水线”才能不断档。

无论采用哪种策略，分离世代的鉴定都必须结合第二章的遗传分析来设计。质量性状（如果肉色泽、抗病主效基因）在F2就按单株明确选择，一经选中便代代跟踪；数量性状则要多点、多年重复测定，靠数据积累而非单次表现下结论。选择的强度也要通盘计算：F2群体越大、选留比例越严，优良基因型被漏掉与杂合体被误选的风险之间越要找平衡，通常的做法是F2宽选（防止漏掉重组体）、F3以后逐步从严（提高家系间的分辨度）。这套”先宽后紧”的节奏，是许多育种家多年实践的共同经验。

3.2.4杂种优势利用与制种技术

分离世代选出的纯系可以直接育成常规品种，也可以走杂种优势利用的路子。杂种优势是指杂种一代在生长势、产量、适应性等方面超出双亲均值乃至最优亲本的现象，其遗传基础涉及显性互补、超显性等多种假说。

杂种优势利用：

• 优势表现：产量、早熟性、抗病性

• 制种技术：人工授粉、蜜蜂授粉

• 雄性不育系利用：ms-1、ms-2

甜瓜的杂种一代在产量、早熟性和抗病性上普遍表现超亲优势，加之种子繁殖系数高，杂交种推广的经济性很好，这也是当前甜瓜生产上杂交种占绝对主体的原因。哈密瓜的情况稍有特殊：品质是它的立身之本，杂种优势必须建立在品质不滑坡的前提下，因此组配杂交种时双亲的糖度、质地、香气都要过硬，单纯追求产量优势的组合在哈密瓜上没有市场。

杂种优势的强弱在不同性状间并不同步，组配前应先想清楚”要的是哪种优势”。产量与早熟性以非加性效应为主，优势明显但杂种后代分离衰退、只能利用一代；糖度、质地等品质性状以加性效应为主，双亲的平均水平基本决定了杂种的水平，”优势”空间有限——这正是杂交种组配对亲本品质要求苛刻的原因。抗病性的情况介于两者之间，主效抗病基因可以直接在杂种中表达，但优势并不随双亲抗性的叠加而无限提高。把这些规律摆清楚，杂交种组配的策略也就清晰了：产量优势靠特殊配合力”撞”，品质底线靠亲本本身”保”，抗性指标靠显性基因”带”。三条线各自有据，组合评价时才不会顾此失彼。

制种是杂交种产业化的瓶颈环节，而哈密瓜雌雄异花同株的性型让这个问题格外突出：它的花单性，雄花与雌花分别着生，没有两性花可供自交”顺便”完成去雄，制种时每一朵雌花都必须在开花前人工去雄（或事先摘除雄花），操作稍有不慎就会产生自交假杂种。人工授粉的规范流程是：头天下午选取次日将开的雌花、雄花分别套袋隔离，次日上午花粉散出后取雄花花粉授予雌花柱头，授粉后再套袋并挂标记，成熟后单收有标记的果实采种。这套程序可靠，但费工费时，成本随劳动力价格水涨船高。蜜蜂授粉可以大幅省工：在空间隔离条件好的制种田按一定比例配置父本，放入蜂群，让蜜蜂完成传粉；前提是制种区周围要有足够的隔离距离（或设施隔离），防止外来花粉串杂，蜂群活动范围也要控制得当，否则杂交纯度难以保证。两种方式各有所长，常规做法是人工授粉保证高纯度的亲本繁殖，蜜蜂授粉承担大批量的商品制种。

雄性不育系（如ms-1、ms-2）为制种提供了新的可能——用不育系作母本无需去雄，既省工又从源头上杜绝了假杂种，是制种技术改进的重要方向。甜瓜的雄性不育多属隐性核不育，不育性的保持可利用可育杂合姊妹系给不育株授粉，后代分离出一半不育株、一半可育株，制种时在田间识别并拔除可育株即可获得全不育的母本群体；这套程序省去了逐花去雄，但增加了田间育性鉴定的用工，两种成本孰高孰低，随劳动力行情和鉴定手段的改进而变化。近年来分子标记被用于苗期鉴定育性基因型，把拔除可育株改为苗期一次性淘汰，不育系繁殖的成本进一步下降，雄性不育的利用前景也随之看好。制种技术的更多细节，将在第九章种子生产部分专门讨论。

杂交种产业化还有一个绕不开的环节：纯度检验。无论采用哪种制种方式，商品种子的杂交率都要经得起检验——形态学鉴别（利用父本、母本苗期标记性状）是最经济的初筛，分子标记检测（SSR或InDel标记配合电泳或毛细管分析）则能在大批量样品上给出准确的杂交率数据，第十、十一章将对检测方法展开讨论。对育种者而言，从组配之初就该把”便于检验”设计进去：挑选带苗期显隐性标记的材料作亲本，让假杂种在苗床上一眼可辨，比事后追责有效得多。制种、检验、繁殖环环相扣，任何一环失守，杂种优势的商业价值就无从谈起。

3.3诱变育种

当现有种质中找不到目标性状的变异时，人工诱变是一条”无中生有”的途径。它的原理是用物理或化学因素处理种子或植株，诱发基因组发生突变，再从后代中筛选有益变异。诱变育种的理论根基是基因突变的随机性：突变可以发生在基因组的任何位置、任何基因上，方向无法预定，育种者能做的是提高突变频率、扩大筛选群体、改进筛选手段。诱变的方向性差、有利突变比例低，这些先天不足使它长期扮演补充手段的角色，但在改良单一性状（如果皮色泽、熟期）方面，它确有用武之地——诱变往往只改动个别基因，品种的主体性状得以原封不动地保留，这正是它与杂交育种最大的分工差异。

3.3.1物理诱变与化学诱变

按诱变因素的性质，诱变育种分为物理诱变和化学诱变两大类，常用诱变源及其特性列于表3-2。

辐射诱变：

• γ射线：剂量50-200 Gy

• 中子：剂量10-50 Gy

• 突变频率：0.1%-1%

辐射诱变中最常用的是γ射线（常用钴源产生），剂量窗口在50-200 Gy之间——剂量过低诱变不足，过高则植株大量死亡或丧失生活力。衡量剂量是否合适的经验指标是半致死剂量，即处理后约一半个体能存活的剂量，实践上通常先用半致死剂量摸索适宜条件，再根据材料的敏感性微调。突变频率只有0.1%-1%，意味着处理上万株也未必能撞上一个理想突变，必须有大规模的筛选作支撑，这也是诱变育种单位往往依托专业辐照设施、常年维持大群体的原因。中子诱变的相对生物学效应更高，使用剂量相应更低，但设备条件要求也更高，应用不如γ射线普遍。

化学诱变：

• EMS：浓度0.1%-0.5%，处理时间12-24h

• 秋水仙素：诱导多倍体，浓度0.1%-0.2%

EMS是目前应用最广的化学诱变剂，以点突变为主，突变谱与γ射线互补：γ射线易造成大片段缺失与染色体重排，EMS则在单碱基水平上”精雕细刻”，二者交替或配合使用，可以覆盖更多类型的变异。EMS处理时注意浓度与时间的搭配——浓度越高、时间越长，突变频率越高，但死亡率与畸变率也随之上升，实践中常以预试验确定最佳组合；EMS为强致变致癌物，操作人员必须做好防护，废液也须按规定解毒处理。秋水仙素则另当别论——它诱发的是染色体加倍而非基因突变，作用机理是在细胞分裂时抑制纺锤体形成，使复制的染色体不能分向两极，从而获得染色体加倍的细胞，用于创造多倍体。多倍体植株常表现为果实增大、抗性增强，是一条特殊的品种改良路径，也与远缘杂交中恢复杂种可育性（见4.4节）直接相关。

从群体设计的角度看，诱变育种还引出了一个现代概念——突变群体库。大规模、系统性地诱变一个遗传背景明确的品种，把每一家系登记造册、长期保存，就构成了一份可重复利用的突变资源：想要什么性状，先到库里筛，筛不到再处理新材料。进一步结合分子检测手段，还可以不依赖表型、直接在突变群体中筛查目标基因的突变位点，把”碰运气”式的筛选升级为定点检索。这种”先建库、后利用”的思路，使诱变育种从零散的品种改良手段，逐步演变为功能基因组学和精准育种的基础平台，传统方法的生命力由此可见一斑。

3.3.2处理材料、剂量与注意事项

诱变处理的对象多为种子、幼苗生长点或花粉，其中干种子最常用——操作方便、可大批量处理、便于运输贮存。选择处理材料也有讲究：欲改良的品种遗传背景越纯、综合性状越好，诱变后从中筛出”原品种+单点改良”材料的机会越大；若用遗传背景混杂的材料诱变，后代变异五花八门，反而难以定位改良方向。

剂量与条件的确立要以预试验为基础。物理诱变按剂量率和总剂量控制，化学诱变则要同时控制浓度、温度和处理时间，处理完毕立即冲洗解毒，防止后效。无论物理还是化学诱变，都绕不开嵌合体问题：处理种子得到的M1植株，其突变往往只出现在部分组织——生长点只有个别细胞携带突变，由这些细胞分化的花器官才把突变传给下一代。因此M1的突变大多”看得见、传不下”，必须靠后代分离来检验，这也正是下一小节世代程序的由来。此外还应注意安全：辐照必须在有资质的设施内进行，化学诱变剂的全程操作都要按危险品规程执行，这些环节来不得半点省略。

处理批次与对照的安排同样需要预先设计。每次处理都应保留一份未经处理的同批种子，与处理材料在相同条件下播种管理——诱变群体中出现的变异，只有与未处理对照比较后才能确认是诱变的产物而非原有杂合位点分离的结果。处理材料的编号、剂量、日期要一次记全，田间按处理分小区种植、小区之间留出识别标志；这些记录当时只是几行字，若干年后要追溯某份突变种质的来历，全靠它们。诱变育种的项目周期长、批次多，管理上的粗疏往往不是当场暴露，而是在种质利用阶段以”来历不明”的形式偿还。

3.3.3M1～M3代的选育流程

无论物理还是化学诱变，获得稳定突变体都要经过规范的世代检验：

突变体筛选：

• M1代：观察形态变异

• M2代：筛选目标性状

• M3代：确认突变稳定性

筛选程序的要领是”M1观察、M2选择、M3确认”。M1代以处理种子长成的植株为主体，田间要适当稀植、精细管理，让每一株都有充分的表现机会。M1出现的形态变异多为生理损伤或嵌合表现——叶色斑驳、植株矮缩、育性下降之类的现象，大都不能遗传，不可当真；对确有价值的显性突变（如果皮色泽变化），可以单株套袋自交、单瓜收种，为M2的分离做好准备。由于嵌合体的存在，M1单株宜按单瓜分别采种，来年按瓜行播种，让M2代的每一个家系对应M1的一个单株，突变与谱系的对应关系才查得清。

M2代是筛选的主战场。隐性突变经过M1自交在这一代分离显现，显性突变也已纯合或分离清楚，目标性状的筛选主要在M2进行——按育种目标逐株鉴定，入选单株继续单瓜采种。入选率要从严掌握，因为这一代群体庞大而真突变稀少，标准一松，大量生理波动和微效变异就会混入下一轮。M3代承担”验收”职责：入选单株的后代若仍稳定表现目标性状且其他性状无劣变，才可以确认是真正的遗传变异。这套世代纪律看似繁琐，却是避免”假突变”白白浪费多年功夫的保险。

筛选出的突变体既可直接育成品种——尤其在原品种基础上的单点改良（熟期、皮色、株型）中常见——更常作为新的种质资源进入杂交程序：突变体把新等位基因带进杂交亲本池，与常规育种的变异来源形成互补。许多在现有资源中找不到的稀缺性状（如对某种新出现病害的抗性），正是靠诱变”造”出来再转育出去的。从这个意义上说，诱变育种的产出与其说是品种，不如说是变异；它是一座源源不断给其他育种方法供货的”变异工厂”。

对M3确认的突变体，后续还有两件收尾工作。一是遗传分析：把突变体与原始亲本杂交，观察F1与F2的分离比，判断目标突变是显性还是隐性、由一个位点还是多个位点控制——这份”遗传说明书”决定了它进入杂交程序后的用法，显性单基因突变转育最快，隐性多基因突变则要规划多代的选择积累。二是命名登记与保种：突变体按统一规则编号入库，同时以自交方式扩大繁殖、长期保存，必要时利用离体保存双保险。突变来得不易，丢起来却很容易——一批材料若没有专人管理，三五年就会在换茬、搬迁中悄然散失。育种单位之间的突变体交流也应建立在登记信息完备的基础上，材料加信息一起走，才能发挥最大价值。

抗性性状的突变筛选还有一个提高效率的思路：把筛选搬到苗期或离体条件下进行。对病害抗性，可以在苗期统一接种病原、逐株鉴定，发病条件均匀一致，比大田自然发病的鉴别力强得多；耐盐、耐旱等抗逆突变，则可在含盐或干旱胁迫的培养基上萌发筛选，把上万株的粗筛压缩到培养室里完成。离体筛出的候选材料仍须回到田间复验，因为离体条件下”耐”未必等于成株”抗”，但把两阶段筛选串联起来，总算把大海捞针的工程量压缩了一个量级。这也再次说明，诱变育种的成败一半在诱变、一半在筛选——筛选体系设计得好，同样的突变频率也能多出成果。

3.4远缘杂交

栽培哈密瓜的遗传基础狭窄（绪论列举的主要挑战之一），而种内资源能提供的抗性变异终究有限。把眼光投向近缘野生种，那里保存着栽培种在驯化中丢失的大量抗病虫、抗逆基因——驯化过程选中的是人们喜欢的果大、味甜、皮薄，抗性基因则因”无用”而大量流失。远缘杂交就是打开这座基因宝库的钥匙——只是这把钥匙开起来远不如种内杂交顺手。

3.4.1近缘野生种的利用价值

近缘种杂交：

• C. melo × C. callosus：抗病性转移

• C. melo × C. trigonus：抗逆性转移

C. callosus和C. trigonus是与栽培甜瓜亲缘最近的两个野生种，前者是抗病基因的重要供体，后者在抗旱耐热方面潜力突出。把它们的有利基因引入栽培种，是拓宽哈密瓜遗传基础最直接的途径。野生种的抗性谱之所以广，是因为它们从未经历栽培选择的”窄化”：千百年的自然选择淘汰了抗性差的个体，保存下来的群体携带丰富的抗病虫、抗逆等位基因，其中不少是栽培种内根本找不到的新变异。第一章提到的近缘野生种资源收集，正是为这一途径做物质准备；由此转育出的抗性材料，将为第六章、第七章的抗病抗逆育种提供基因来源。

但也要清醒地看到，野生种与栽培种的基因组毕竟积累了长期的分化，杂交和后代处理会遇到一系列障碍；即使障碍全部克服，野生性状的连锁负担还会拖累后续的改良。远缘杂交是一条”高投入、高回报”的路线，踏上这条路之前，先要把困难估计足。

利用野生种还要讲究策略上的取舍。第一种策略是”一步到位”：直接以栽培品种与野生种杂交，经多代回交育成改良系——周期最长，但获得的材料遗传背景最透明。第二种策略是”先中间后转育”：先把种间杂种固定成一份新种质（哪怕园艺性状很差），再让它与优良品种杂交进入常规程序，风险被拆分到两个相对独立的阶段。第三种策略是”借道近缘桥梁”：当两个直接杂交不亲和时，寻找与双方都能杂交的第三物种作为桥梁逐级过渡。三种策略没有绝对高下，选哪条主要取决于可用的种质与技术条件，以及育种单位愿意为一份种质投入多长的周期。对多数育种项目而言，第二种策略最稳妥——种质创新与品种选育分开推进，各自考核，长期与短期的工作得以兼顾。

3.4.2杂交障碍及其克服途径

障碍与克服：

• 杂交不亲和：蕾期授粉、激素处理

• 杂种不育：染色体加倍、回交

• 杂种衰亡：胚拯救、离体培养

三道障碍各有对策，也各有代价。杂交不亲和发生在受精之前：远缘花粉在柱头上不能萌发，或花粉管在花柱中生长受阻，无法完成受精。对策是围绕”给花粉创造最好的受精条件”做文章——蕾期授粉（在柱头成熟度最佳、识别外来花粉的机制尚未完全建立时授粉）和激素处理（在柱头或花柱施用生长调节物质，改善花粉管生长环境）都可以提高亲和机会。杂种不育发生在受精之后：杂种的两组染色体来自不同物种，减数分裂时不能正常配对，形成的配子大多败育，植株虽然长成了却”断子绝孙”。对策有二：用秋水仙素加倍染色体，使每条染色体都有同源伙伴，恢复可育性；或用栽培种回交，把野生染色体组逐代稀释，借助少数可育的回交后代把目标性状传下去。杂种衰亡则表现为幼胚中途败育——受精虽已完成，胚乳发育异常使幼胚得不到营养，在果实成熟前就夭折了。对策是把幼胚在败育之前剥出，置于人工培养基上培养成苗，即胚拯救技术。

选择对策时要注意”对症”与”时机”两个要素。对症是指先弄清障碍发生在哪个环节：雌雄蕊形态无碍却结不了实，问题多半在受精前，优先做蕾期授粉和激素处理；果实正常膨大而种子瘪缩，问题多半在幼胚期，要算准胚拯救的窗口期——剥得太早胚太小难以成活，太晚则已经败育，通常需要做几次梯度取胚试验才能摸准。时机则是指对策往往要配合使用：受精前的不亲和用激素处理后，幼胚仍可能中途败育，还要接着做胚拯救，一条流程里两三道工序环环相扣。此外，同一组合不同果位、不同授粉日期的成败率差异很大，多做批次、多留记录，才能从失败中找出规律。远缘杂交的实验室工作固然关键，田间观察的细致程度同样决定成败。

这些技术手段大多依赖组织培养，已经越出了”传统”的范围——这也从一个侧面说明，远缘杂交天然是传统方法与生物技术的结合部。事实上，现代远缘杂交的成功率，很大程度上正是由组培和分子技术的进步托起来的；讨论传统方法而不涉及其与生物技术的衔接，就看不到这条路线的现实可行性。

拿到疑似种间杂种之后，还必须回答”它是不是真杂种”这个问题。远缘杂交中自花授粉造成的”假杂种”相当常见——授粉不彻底、去雄不及时，都可能让母本自交结实冒充杂交成功。形态学鉴定（杂种应兼有两亲的中间性状）只能作初步判断，可靠的办法是细胞学与分子鉴定：查杂种的染色体数目与构型是否符合两亲之和，用两亲表现互补的分子标记检验杂种是否同时携带双亲的特异条带。真实性确认之后，还要对杂种的育性做系统观察——花粉育性、结实力如何，决定了下一步是走染色体加倍还是走回交。这些鉴定工作看似琐碎，却决定了整个远缘杂交计划的走向：在假杂种上投入三年回交，是最昂贵的错误。

3.4.3杂种后代的处理与种质创新

克服了杂交障碍、拿到种间杂种，只是万里长征的第一步。野生性状的连锁负担（果小、味苦、皮硬）与目标抗性基因同处一条染色体或基因组区段，随杂种代代相传，拖累后代的园艺表现；通常要经过多代回交加选择，靠交换一点点”洗”掉野生背景，才能获得”抗性有了、品质不丢”的改良系。传统回交对连锁累赘无能为力，只能靠扩大群体、增加回交代数来碰运气；如今借助分子标记对杂种后代做基因分型，可以精确判断哪些片段来自野生种、哪些来自栽培种，把保留野生抗性片段、剔除其余野生背景变得有的放矢——远缘杂交与分子标记的结合，是当前种质创新效率提升最明显的一个方向。

还应指出，远缘杂交的产出形态以种质创新为主，而非直接品种。通过远缘杂交获得的抗源新种质，其价值在于为常规杂交育种提供新的基因供体：种间杂种经过数代回交固定后形成的改良系，转入育种亲本池，再与其他优良亲本组配，目标性状才最终汇入生产品种。这条路线周期长、风险高——一项远缘杂交计划动辄十年以上，中途任何一个环节失败都可能前功尽弃——但一旦成功，其种质创新的价值是种内杂交无法替代的。对哈密瓜而言，栽培种遗传基础狭窄是长期约束，向近缘野生种要基因，早做布局比临渴掘井明智得多。

种质创新的工作还有一个常被低估的环节：材料的”交接”。远缘杂交团队辛苦转育出的改良系，进入常规育种程序后表现如何，取决于交接时提供的信息质量——抗性对哪个生理小种有效、是显性还是隐性、与哪些不良性状存在连锁、适合在什么背景下使用，这些信息决定常规育种者敢不敢用、怎么用。现实中不少新种质束之高阁，并非材料不好，而是利用者对其”脾气”一无所知。因此种质创新不能止步于”育出材料”，还应附上完整的鉴定档案，必要时与利用单位共同做一轮验证杂交。种质只有被用起来，创新才算完成闭环。

本章介绍的方法各有分工：引种与系统选育利用现有变异，杂交育种重组既有基因，诱变育种创造新变异，远缘杂交引入种外基因。四条途径共同回答了”变异从哪里来”的问题，而”如何高效地选择和固定变异”，单靠表型判断已经越来越力不从心——把分子标记、基因组信息引入育种程序，正是第四章分子育种技术的主题。

本章参考文献

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[10] 陈学好，等 (2023) 葫芦科作物基因组学. 中国农业出版社.

思考与讨论

1. 引种为什么强调”生态相似”？从湿润地区向新疆产区引种厚皮甜瓜，可能遇到哪些问题？应当如何设计引种试验？
2. 纯系学说认为”纯系内选择无效”，而生产上的哈密瓜品种仍可通过系统选育不断改良。这两者矛盾吗？请结合哈密瓜的授粉习性加以解释。
3. 假设育种目标为”高糖、抗白粉病、中熟”，现有高糖中熟感病品种A、低糖抗病晚熟品种B和高糖早熟感病品种C。请为该目标设计单交与三交方案，并说明亲本在三交中贡献份额最大位置上的安排理由。
4. 回交育种中，轮回亲本应具备哪些条件？为什么隐性目标性状的回交转育需要”回交—自交”交替进行？若结合分子标记辅助选择，程序可以做哪些简化？
5. 系谱法、混合法、单粒传法各适用于什么情形？若目标性状为遗传力较高的果肉厚度与遗传力中等的可溶性固形物含量，你会分别为两种性状选择哪种方法？为什么？
6. 哈密瓜雌雄异花同株的性型给杂交制种带来了哪些特殊要求？比较人工授粉、蜜蜂授粉与雄性不育系利用三条路径的成本构成与适用场景。
7. 诱变育种中”M1观察、M2选择、M3确认”的世代纪律依据是什么？若跳过M3直接把M2入选株定名为品种，可能带来什么风险？
8. 远缘杂交的三道障碍分别发生在有性生殖的哪个阶段？结合第十章生物技术育种的内容，讨论胚拯救等离体技术在远缘杂交中的作用。