植物育种的制作方法

专利名称：植物育种的制作方法
植物育种本申请是申请日为2004年2月5日、申请号为200480003671. 8、发明名称为“培育植物，，的发明专利申请的分案申请。本发明涉及植物育种，特别是涉及育种过程中植物生长的条件。植物育种(breeding) —般以在给定物种的植物中形成基因型变异而开始。基因型变异的形成依赖于遗传改变的产生，所述遗传改变可通过包括通过经典杂交的重组、化学诱变、放射诱导的突变、体细胞杂交、种间杂交和基因工程的技术获得。基因型变异形成之后，进行对那些具有最合乎需要的农学表型的基因型的挑选。植物育种中，挑选那些具有最合乎需要的农学表型的基因型的过程，典型地是在如下的田地里进行该田地由几小块土地组成，每一小块典型的是由至少几平方米组成，或具有足以种植至少数十个植株的面积。以统计学上合理的方式对表型的评估需要每一基因型在几个不同的(典型的是不少于三)小块土地中种植，并评估其表型。甚至在田地实验开始前，植物育种者需要充足的种子以种植出所需数目的进行实验的植株。给定基因型的种子经常只能获得少量，因此实验开始前经常需要产生较多的种子。种子产生典型的是通过种植植物(有时是多代)以获得需要的种子数量而完成田间规模的实验。为了育种的成功，必须检测足够数目的遗传变异以确认庞大数目中的少部分是农学上适合的。挑选基因型的方法必须对探测不同基因型之间的表型差异有充分识别力，并需要一套足够详细而能充分描述所观察到的表型的参数作为基础。表型(基于例如生长习性、产量潜力和应激抗性结果)是基因型本身(基因型相关的表型)和环境(环境相关表型)导致的结果。环境相关的表型受由诸如温度、湿度、光照、营养和供应的变化而引起的生长环境的变化的影响。使表型引导的对所需基因型的挑选变得模糊的重要因素是环境相关表型成分的改变。当基于表型的育种在田间进行时，绝大多数环境变化来自植物生长的土壤的非统一性。土壤组成、土壤的物理性质、营养的可利用性、水和微生物性土壤习居菌的存在可以在天然土壤的短距离间发生改变。避免缘于土壤异质性的变化的一种方式是使植物生长在含有较好限定的基质例如盆载土壤(potting soil)、蛭石或矿棉(rock wool)的容器(罐、盘等)中。植物在指定基质上的生长通常在温室中完成，以便给予植物的水和营养物的量可以控制。在这些条件下种植植物显著减少了环境性的变化。然而，甚至当植物生长在装备有气候控制系统(制热、制冷、通风、湿度控制系统)和营养/水传送系统的温室中时，环境条件仍然根据温室内部的几何位置而有变化。这一环境变化可缘于植物与用于气候控制和营养/水传送的装置例如制热元件、制冷元件、窗户、门、喷雾装置、通风设备、水入口和水出口的位置远近的差异。生长在温室中的植物可以自动化操作，因为它们通常生长在易于被从自动装置上移来移去的罐中。当在温室环境中对开放传粉植物如玉米进行育种时，限制环境内部花粉的流动很重要。无法这样做，会并非所愿地引起环境内部出现的不同遗传特征的混合。玉米，一种开放传粉植物，在温室环境中生长的传统方式，涉及通过覆盖植株的雌性部分而限制花粉流动的必要性。在玉米的情形中，每一雌性器官(具有延伸性穗丝的穗)被(纸)包覆盖以防止花粉和这些部分的接触。通过去掉这些包以暴露雌性部分，然后摇动邻近雌性器官的穗 (玉米植株的雄性器官)，而以可控方式进行授粉。这一过程产生了授粉效率的相当大的可变性，不仅是因为所用的花粉的数量和质量的变化，而且是因为有关确定授粉时间的困难， 原因是雌性器官处于授粉最佳状态的可利用时间很短。因此，关于在温室环境中对开放传粉植物进行育种的传统方法存在很大问题。本发明的一个目标是提供植物育种的改进性方法。本发明的另一个目标是提供植物育种的改进性方法，其中植物育种可应用比传统育种方法更少的种子数量来进行。本发明的另一个目标是克服部分上述问题和提供用于在温室环境中对开放传粉植物进行育种的改进性方法。我们目前已发现通过改变生长植株在温室中的位置可显著减少环境相关的表型对表型分型(phenotyping)结果的影响。环境相关的表型对表型分型结果的影响，可通过使植物在具有受控气候条件和受控的营养和灌溉水供应的环境中生长于相同特征的生长培养基上而进一步减少。本发明因此在一个方面提供了植物育种的方法，包括在一定的环境中在盛有相同特征生长培养基的容器阵列中种植某一物种的植物，该环境为具有受控气候条件和受控的营养物与灌溉水供应，以及根据需要在该环境内部改变容器位置以确保将容器中的所有植物至少基本均一地暴露于该环境条件。根本本发明的方法优选包括鉴别植物在生长周期中每隔一段时间的表型特征如生长、产量和对非生物性应激的抗性的进一步的步骤。例如，植物可肉眼评估，或通过应用适当的设备而被评估。如果需要，可应用算法选择和评估信息并对结果进行统计学分析以鉴别性状优势(trait leads) 0也优选通过比较植物的表型特征而挑选植株，用于进一步的育种或商业应用。本文中所用“包含”包含“包括”的意思和“基本由......组成”的意思。根据本发明的方法中，容器的位置可连续或或每隔一段时间地改变。在优选方法中，它们一定程度地以由操作者根据对植株生长特征的观察而预设的时间间隔来改变。容器在环境内部的位置可以最高至两周的时间间隔而被改变，优选六小时到两周，更优选一天到一周的时间间隔。优选容器在环境内部的位置自动改变。一种优选的装置支撑了含植株的罐的形式的容器阵列。虽然植株能以一个大罐，或在盘中，或在由物理相连的罐组成的盘中数个个体的方式种植，但优选每一罐中种植一个植株。适合在根据本发明的方法中应用的设备优选包括传输装置，容器以水平放置的均一阵列而被支持于其上。传输装置优选地包含多个共同延伸的(co-extensive)储存传输机，其每一个都包含“U”型槽，槽底装有平放的带子，并包含转运传送装置。优选所述的带子在槽中通过发动机如电发动机移动。在本文下面所描述的一种优选设备中，提供了能在特定的槽前面自行定位的往复自动装置(Shuttle robot)，自动装置中的发动机可被开启以在槽中向前或向后拉动带子，从而进行容器进出槽的运送。槽末端与转运传送器连通通， 以便容器可进行槽到槽的前后运送以及到阵列中特定区域的前后运送。优选地，使发动机连续或每隔一段时间移动，时间间隔例如从六小时到两周，更优选从一天到一周。因此，储存传输机可通过发动机装置移动，以朝着第一转移位置(transfer station)移动该储存传输机上支撑的一排容器，在第一转移位置处，这一排容器最末端的一个被转移到转运传送装置，操纵转运传送装置以将其上支撑的容器移动到第二转移位置，而操纵另一个储存传输机的发动机装置来收集(colect)容器。在某一优选的安排中，转运传送装置被安排以便容器以直线路径从第一提到的储存传输机转运到第二储存传输机。在另一安排中，转运传送装置被安排以使容器以闭合路径从第一提到的储存传输机转运到第二储存传输机，例如可采用旋转桌，而如果这样，数个容器可被放于其上，并以随机顺序从那里被移去而被送到了第二储存传输机。在根据本发明的方法中，容器根据容器中植株所占体积而被尽可能紧密地放置在一起。根据本发明的方法具有多种优势。它使影响植株表型并因此干扰了对目的基因型相关表型的挑选的环境差异得到有效抑制。通过在植物的生命周期中改变其位置，它们在每一位置被暴露于稍有不同的环境设置中。当育种群体中的所有植株的位移以充分高的频率(例如每天一次或每周一次)发生时，对群体的空间效应将会随机化。育种过程中环境对植物表型影响的抑制使将被挑选出的目的基因型更加可靠。鉴别表型(它是如生长、产量或应激抗性的特征)的步骤通过改变植株的位置而促进。例如，在植株表型通过合适的设备评估时，植株可以合适的时间间隔移动到评估设备所在的位置。被增强的生长植物的统一性也允许更小植物群体用于研究，其因此减少了成本。相对于要求较大的植物群体(典型的是在田间规模上)以精确评估与不同基因型相关的表型改变的传统方法，这允许了应用较小的植物群体(典型的是在温室规模上)对多种农学特征如产量的育种。该方法也给出了更有效率的植物育种，因为如果研究的固定数目的遗传改变，所需有区别效率的固定 7jC平(fixed level of required discriminativ印ower)，代表一定遗传改变的群体的大小可被减小，造成在种子可用性有限(经常是形成遗传改变后的生产中的情形)的条件下可靠地建立表型的能力，而这样就省略了对扩大种子繁育的需要和随之发生的时间丧失。在对转基因植物进行育种以得到多种目的表型特征(特性)的情形中，能以尽可能较小的种子数目进行育种过程的优势特别有意义。转基因植物的育种包括将至少一种核酸引入单个植株。不同植株可具有相同或不同的引入的核酸。植株然后进行生长，并被评估以鉴定带有目的特性的植株。带有这类目的特性的植株可在田间环境中被进一步评估，或可与同一农作物品种的不同种自交系回交，或可被用于产生或测试杂交体，或被用作种子的生产，也许是商业用途。有利的是，任何植物都可进行本发明的育种方法。根据本发明的一个方面，进行该育种方法的植物是自花传粉植物，例如稻。自花传粉植物是在正常条件下，其中任一给定植物物种的雌性器官被同一植物物种的雄性器官产生的花粉所授粉的植物。根据本发明的另一方面，进行该育种方法的植物是开放传粉植物物种，例如玉米。 开放传粉植物物种是基本非自花传粉植物物种的植物。本发明也提供了在温室环境中对开放传粉植物物种进行育种的方法。可应用于开放传粉植物的本方法优选与本文中上述的植物育种的方法联合应用。有利的是，对开放传粉植物进行育种的方法消除了与用于在温室环境中对开放传粉植物例如玉米进行育种的传统方法相关的授粉效率的可变性。此方法进一步的优点是与传统方法相关的基因型混合的问题得到了避免。因此根据本发明，提供了在温室环境中对开放传粉植物进行育种的方法，包含的步骤有(i)提供雄性不育的开放传粉植物(ii)将雄性不育的植物与花粉接触；和任选地(iii)挑选具有目的表型的植物。前述方法尤其可应用于对开放传粉植物，特别是玉米进行育种。在本发明的方法中，通过使进行育种方法的植物为雄性不育，使授粉更加有效，而基因型的混合也得以避免。这基本消除了任何可能发生的自花传粉，并进一步基本消除了植物群体内部的基因型混合。使植物雄性不育的方法在本领域中众所周知，包括化学或机械的方法。使植物雄性不育的机械方法的实例简单地包括物理去除雄性部分(去雄)。使植物雄性不育的化学方法的实例包括化学杂交剂或CHAs的应用。本方法包括将雄性不育植株与花粉接触的进一步的步骤。这通过将雄性不育植株引入到授粉间(pollination chamber)而进行，雄性不育植株在授粉间中生长一段时间，时间范围从约2天到约3周，优选从约3天到约10天之间。将雄性不育植株引入到授粉间，与雌性致育时段相吻合。本领域技术人员易于识别雌性致育时段，因此将很清楚地知道及时将雄性不育植株引入到授粉间的时间点和需要在授粉间内保持雄性不育植株的时间。授粉间包含大量授粉者(脱落花粉)植株。通过引入到授粉间，雄性不育植株与同一物种(优选与雄性不育植物同一品种)的单个品种的授粉者植株一起生长一段时间。为了使花粉与雄性不育植株的接触最优化，授粉者植株散布在雄性不育植株间。在一种安排中，提供一排授粉者植株后面跟着一排雄性不育植株，后面再跟着另一排授粉者植株，如此下去。或者， 一个授粉者植株可被安置成紧邻雄性不育植株以便以交叉形式填满所有排。授粉间可能被安排使其与种植在雄性致育之外的雄性不育植物的位置在物理上或空间上分离的。授粉间装备了受控的环境条件(气候或其它)，其最适于授粉且依赖于方法所应用于的交叉授粉物种的需要。例如，对于玉米，受控的气候条件包含介于大约20°C和大约35°C之间的温度， 优选介于大约和大约30°C之间，和介于约70%到约90%之间的相对湿度。此外，因为玉米主要通过风的帮助而授粉，授粉间装备了促进空气循环从而促进花粉遍布隔间内的装置。通过提供面积足以创造足够的花粉浓度以促进受育(fertilisation)的授粉间，植株受育进一步得到协助。本方法任选地包括挑选具有任何给定特征的植株的进一步的步骤。这可基于特定表型的存在的挑选，或可对具有恰当的尺度以适合传输机装置或者具有恰当的高度以适合温室环境(例如考虑植株与光的亲近度等)的植株的挑选。关于玉米，应用相对较小或较矮而具有相对较短的生命周期(优选约4个月或更短)的植株有许多与其相关的优点。这些植株也许是不同品种，杂种，自交或种群，例如Gaspe或任何源自Gaspe的自交系例如经过许多代自交得到的品系。为了本发明的内容更清晰，下文为用于本发明的优选方法的设备的附图描述，只用于例证说明本发明。在附图中，


图1是例证性设备的传输机装置的示意图；和图2是沟道件(channel member)和支撑植株罐的传输机装置的传送带的透视图。例证性设备适合用于与多个植株罐(10)形式的容器的连接(图2)，罐中在选用于某目的的生长基中种植一株或多株植物。
该设备包含传输机装置00)，罐子通过它们得到支撑，并按照需要移动。传输机装置00)包含多个共同延伸(co-extensive)储存传输机(22)，每一个为一排数个罐子提供支撑，储存传输机互相邻近放置以支持水平放置的阵列的一排排的罐子。每一储存传输机 (22)包含通过(邻近槽保证是平行关系的)刚性的“U”形槽04)而提供的沟道件(channel menuber)。环状(endless)的带Q6)在每一槽中运行(图2)，位于槽上表面并被安排成沿着它而拖动。每一带06)支撑一排紧密排列的罐子(10)。槽04)被设置成其末端与相对于槽04)横向的转运传送器装置08)的皮带传送器(30)非常接近。电操纵的往复自动装置(32，34)被用于驱使槽04)中带Q6)的移动。移动使得罐子由带传送器(30)来回传输。提供发动机装置来连续移动带传送器(30)。当带06)在其槽中以一个方向移动时，那条带上支撑的一排罐子朝着转移位置(该排最末端的罐子在此处被转移到带传送器(30))移动。当以另一方向移动时，带06)将其支撑的一排罐子从带传送器(30)移开，允许在该排末端引入一个罐子的空间。每一往复自动装置(32，34)被安排成沿着带传送器(30)移动，以便它可分别地按照需要与槽交流。它们具有类似构造， 并包含引导件(guide members)(未显示)用于引导罐子沿着带传送器(30)移动。空气作用运行的活塞和汽缸装置(未显示)的汽缸安装在往复自动装置上引导件之间，其活塞被设置成水平横跨带传送器(30)之上移动。在其余位置，活塞用作捕获从槽中通过其带06) 传送来的罐子。当期望从带传送器(30)移动一个罐子时，驱动活塞推动罐子并促使它进入选定的槽02)中。与肥料有关的历史数据和灌溉数据使设备操作者明了阵列中的每一单独植株的营养方案。该信息也使操作者能以最有效的方式确定所有植物移动的时间。此设备被设置成便于响应于保存在数据库中的数据驱动往复自动装置，从而将罐子从一个位置移到另一位置。
权利要求
1.植物育种的方法，包括在一定的环境中在盛有同样特征的生长培养基的容器阵列中种植某一物种的植物，该环境为具有受控的营养物与灌溉水供应的受控气候条件，以及根据需要在该环境内部改变容器位置以确保将容器中的所有植物至少基本同样地暴露于该环境条件，此方法进一步包含通过比较植物的表型特征而挑选植物用于进一步育种或用于商业应用的步骤。
2.根据权利要求1的方法，其中至少一个容器的位置被以6小时到两周的时间间隔改变。
3.根据权利要求1或2的方法，其中容器位置的改变是程序化的。
4.根据权利要求1到3中任何一项的方法，其中环境内部容器位置是自动改变的。
5.根据权利要求1到4中任何一项的方法，包含鉴别植物在生长周期中每隔一段时间的表型特征的进一步的步骤。
6.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中容器以水平放置的均一阵列而被支持于传输机装置上，所述的传输机装置包含多个共同延伸的储存传输机。
7.根据权利要求6的方法，其中与传输机装置相关的发动机装置被驱动来以预先确定的距离移动容器。
8.根据权利要求7的方法，其中储存传输机被其发动机装置移动，以朝着第一转移位置移动该储存传输机上支撑的一排容器，在第一转移位置处，这一排容器最末端的容器被转移到转运传送装置，操纵转运传送装置将其上支撑的容器移动到第二转移位置，并操纵第二储存传输机的发动机装置收集容器。
9.根据权利要求8的方法，其中容器以直线路径从第一提到的储存传输机带到第二储存传输机。
10.根据权利要求8的方法，其中容器以闭合路径从第一提到的储存传输机带到第二储存传输机。
11.根据权利要求1到10中任何一项的方法，其中每一容器含有单个植物。
12.用于表型分型(基于表型评分挑选最需要的基因型)的改善植物生长的方法，该方法由在其生长周期中将植物自动移位组成，以便避免长期地暴露于特定微环境中，从而减少了微环境差异对植物表型的影响。
13.根据权利要求1到12中任何一项的方法，其中所述植物是开放传粉植物或自花传粉植物。
14.在温室环境中进行开放传粉植物的育种的方法，包括步骤(i)提供雄性不育的开放传粉植物( )将该雄性不育的植物与花粉接触；和任选地(iii)挑选具有目的表型的植物。
15.根据权利要求14的方法，其中所述接触包括将所述雄性不育植物引入到授粉间， 所述雄性不育植物在所述授粉间中生长约2天到约3周的一段时间，优选约3天到约10天的一段时间。
16.根据权利要求14或15的方法，其中所述开放传粉植物是玉米。
全文摘要
植物育种的方法，包括在盛有同样特征生长基的容器阵列中种植某一物种的植物，其环境条件为具有受控气候条件和受控的营养物与灌溉水供应，以及根据需要在该环境内部改变容器位置以确保将容器中的所有植物至少充分均一地暴露于该环境。也提供了在温室环境中对开放传粉植物进行育种的方法。
文档编号A01G31/04GK102415330SQ20111015117
公开日2012年4月18日 申请日期2004年2月5日 优先权日2003年2月5日
发明者F·莱恩斯, P·勒琼, W·布罗克特, W·迪伦 申请人:作物培植股份有限公司