《作物育種學(xué)總論》

作物育種學(xué)總論

課程性質(zhì)：專業(yè)課適用專業(yè)：農(nóng)學(xué)

先修課程：

遺傳學(xué)、生物統(tǒng)計與試驗(yàn)設(shè)計、

農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、農(nóng)業(yè)昆蟲學(xué)、

植物病理學(xué)、作物栽培學(xué)

后續(xù)課程：

作物育種學(xué)各論（2）種子工程學(xué)

總學(xué)分：3.0.教學(xué)目的與要求：

《作物育種學(xué)（1）》是農(nóng)學(xué)專業(yè)的學(xué)位課程之一，通過本課程并結(jié)合《作物學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解和掌握：（1）作物育種目標(biāo)的制定；（2）作物的繁殖方式及遺傳特點(diǎn)、各類品種的特性和育種特點(diǎn)；（3）種質(zhì)資源的收集、保存、利用和創(chuàng)新的方法；（4）各種育種技術(shù)的遺傳學(xué)原理及其應(yīng)用、現(xiàn)代生物技術(shù)的原理及其在作物育種中的應(yīng)用，從而系統(tǒng)地掌握選育農(nóng)作物優(yōu)良品種的基本理論和方法，為將來從事作物遺傳育種工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。.

緒論

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1、教學(xué)的基本要求

（1）了解遺傳改良、作物育種對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用、意義；

（2）作物育種學(xué)的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容；作物育種學(xué)的發(fā)展；

（3）理解品種的概念、優(yōu)良品種的作用；國內(nèi)外作物育種的成就及動向。.2、教學(xué)基本內(nèi)容

第一節(jié)作物進(jìn)化與遺傳改良

一、*作物品種的概念

二、自然進(jìn)化與人工進(jìn)化

自然進(jìn)化的三個因素、自然進(jìn)化與人工進(jìn)化的區(qū)別、聯(lián)系；

三、遺傳改良在作物生產(chǎn)發(fā)展中的作用

第二節(jié)作物育種學(xué)的發(fā)展

一、*作物育種學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)

作物育種學(xué)的性質(zhì)、作物育種學(xué)的任務(wù)；

二、作物育種學(xué)的主要內(nèi)容

三、＃作物育種學(xué)的技術(shù)特點(diǎn)

常規(guī)育種的技術(shù)特點(diǎn)。

四、作物育種學(xué)的發(fā)展與分子育種的興起

作物育種學(xué)的發(fā)展、分子育種的興起、分子育種的三大優(yōu)點(diǎn)。

第三節(jié)作物育種的成就與展望

一、近代育種的成就

新品種的選育和推廣、種質(zhì)資源的收集、保存和創(chuàng)新、育種新方法和技術(shù)的研究及利用、目標(biāo)性狀的選育。

二、作物育種工作的展望.

第一節(jié)作物進(jìn)化與遺傳改良

一、作物品種的概念

二、自然進(jìn)化和人工進(jìn)化

三、遺傳改良在作物生產(chǎn)發(fā)展中的作用

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作物生產(chǎn)可以看作是由兩大部分組成:一是農(nóng)作物品種的改良，即要使農(nóng)作物本身具有較高的生產(chǎn)潛力、優(yōu)良的品質(zhì)、較強(qiáng)的抗逆性，這是農(nóng)作物獲得高產(chǎn)的內(nèi)因，農(nóng)作物品種的改良就是育種；.

二是如何通過各種措施，使農(nóng)作物獲得最高的產(chǎn)量，例如：施肥、灌水、防治病蟲害等，這是獲得高產(chǎn)的外因，是屬于栽培學(xué)的范疇。.發(fā)展作物生產(chǎn)，提高作物生產(chǎn)水平，基本上是通過作物的遺傳改良和作物生長條件的改善兩個相互結(jié)合的途徑來實(shí)現(xiàn)的。本課程則主要是全面系統(tǒng)地介紹作物育種的基本原理和方法。

.一、作物品種的概念.

作物品種是人類在一定的生態(tài)條件和經(jīng)濟(jì)條件下，根據(jù)生產(chǎn)和生活的需要所選育的一定群體，該群體具有相對穩(wěn)定的遺傳特性，群體內(nèi)的個體間在生物學(xué)、形態(tài)學(xué)及經(jīng)濟(jì)性狀上的一致性，并與同一作物的其他群體在特征、特性上有所區(qū)別。這種群體在一定的地區(qū)和耕作條件下種植，在產(chǎn)量、品質(zhì)、適應(yīng)性等方面符合生產(chǎn)和生活的需要。.

作物品種是人工進(jìn)化的、人工選育（創(chuàng)造）即育種的產(chǎn)物，是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。在植物分類上，作物品種雖然也隸屬于一定的種或亞種，但不同于植物分類學(xué)上的變種。變種是自然選擇、自然進(jìn)化的產(chǎn)物，一般不具有上述特性和作用。.英語術(shù)語variety兼具變種和品種的含義，為了避免混淆，近年來一般多用cultivar（即cultivatedvariety栽培品種的合成術(shù)語）專指品種。所以，品種不是植物分類學(xué)上的基本單位，而是經(jīng)濟(jì)上的類別。.農(nóng)作物的每個品種都有其所適應(yīng)的自然環(huán)境條件和耕作栽培條件，而且都只在一定的歷史時期起作用，因此，優(yōu)良品種一般都具有地區(qū)性和時間性。在不同的地區(qū)或同一地區(qū)的不同時期，由于生產(chǎn)和生活的要求不同，對品種的要求也不相同，所以，要不斷地培育新品種以更替原有的品種。.二、自然進(jìn)化和人工進(jìn)化.現(xiàn)有的各種栽培作物都是由野生植物通過人工馴化在不同的時期產(chǎn)生的，從野生植物到栽培植物，這是一個漫長的進(jìn)化過程。植物的進(jìn)化取決于三個基本的因素：變異、遺傳和選擇。變異與遺傳是進(jìn)化的內(nèi)因與基礎(chǔ)，選擇決定了進(jìn)化的方向。.生物進(jìn)化的三大因素是變異、遺傳和選擇，生物進(jìn)化就是在遺傳物質(zhì)發(fā)生了變異、重組所產(chǎn)生的各種變異類型中，通過適應(yīng)性的選擇、保留、遺傳而產(chǎn)生的，而當(dāng)遺傳物質(zhì)的變異、重組、保留等過程中的一部分或全部置于人為控制下時，即人工進(jìn)化，這就是育種。.現(xiàn)代育種學(xué)是綜合運(yùn)用現(xiàn)代遺傳學(xué)及其他許多自然科學(xué)的理論與技術(shù)，對生物的遺傳性進(jìn)行有目的地控制、管理、改造，使之向人類所需要的方向發(fā)展。因此說，現(xiàn)代育種學(xué)是人為控制變異的科學(xué)，是人工進(jìn)化的科學(xué)。.三、遺傳改良在作物生產(chǎn)發(fā)展中的作用

.1.創(chuàng)造新的物種、新的栽培作物。

2.現(xiàn)有作物品種的改良。

.近一、二百年農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)科技發(fā)展中的現(xiàn)代育種技術(shù)、化肥和施肥技術(shù)、農(nóng)藥合成及灌溉技術(shù)對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。在作物生產(chǎn)中，新品種的應(yīng)用、增施肥料、防治病蟲害個改善管理等方面，品種的作用最大。據(jù)有充分科學(xué)根據(jù)的估算，新品種的應(yīng)用在提高農(nóng)作物產(chǎn)量方面占40%。.從世界范圍來看，第一次綠色革命的興起與成功就得益于我國水稻矮腳南特、低腳烏尖以及小麥農(nóng)林10號矮桿種質(zhì)的鑒定及利用。有充分理由說：新品種的選育與推廣仍將是21世紀(jì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。

.優(yōu)良品種是指在一定地區(qū)和耕作條件下能符合生產(chǎn)發(fā)展要求、并具有較高經(jīng)濟(jì)價值的品種。生產(chǎn)上所謂良種，應(yīng)包括具有優(yōu)良品種品質(zhì)和優(yōu)良播種品質(zhì)的雙重含義。.

優(yōu)良品種在發(fā)展生產(chǎn)中的作用主要有：

(1)、提高單位面積產(chǎn)量

(2)、改進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)

(3)、保持穩(wěn)產(chǎn)性和產(chǎn)品品質(zhì)

(4)、擴(kuò)大作物種植面積

(5)、有利于耕作制度的改革、復(fù)種指數(shù)的提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展和勞動生產(chǎn)率的提高.在同樣的地區(qū)和耕作栽培條件下，采用產(chǎn)量潛力大的良種，一般可增產(chǎn)10%或更高，在較高栽培水平下良種的增產(chǎn)作用也較大。1931-1980年世界主要農(nóng)作物單產(chǎn)提高很快，尤其是玉米、水稻、高粱的單產(chǎn)增加了3-5倍。.而且隨著時代的推移，單產(chǎn)提高對總產(chǎn)提高的作用越來越大，如20世紀(jì)五十年代，單產(chǎn)提高作用占47.3%，20世紀(jì)的六、七十年代，則分別占78.9%和80.2%。.品種改良在單產(chǎn)提高中所起的作用，小麥占27%，玉米和棉花占40%。我國20世紀(jì)六十年代以來，水稻單產(chǎn)的大幅度提高，主要?dú)w功于優(yōu)良品種的選育推廣。.墨西哥由于推廣種植墨西哥小麥、菲律賓推廣IR水稻，而使這兩個國家由糧食進(jìn)口國成為糧食出口國。為此，1970年的諾貝爾和平獎授給了美國的N.E.Borloug，以表彰他在培育墨西哥小麥中所作的突出貢獻(xiàn)。.

ContributionofPlantBreedingtoyield

ImprovementoffivemajorCrops

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CropAverageGrain/peryear

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Cotton7kg/ha

Maize92kg/ha

Soybean18.8kg/ha

Sorghum1—2%

Wheat0.74%

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.優(yōu)良品種對于改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，例如：現(xiàn)在推廣種植的高蛋白水稻，其蛋白質(zhì)含量達(dá)12—14%；高蛋白小麥蛋白質(zhì)含量高達(dá)15%以上；高賴氨酸玉米（0.4%）。.農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的改良，不僅提高了營養(yǎng)價值和加工工業(yè)的效率，而且也間接地提高了產(chǎn)量，節(jié)約了能源。如：通過育種工作使向日葵的含油量從1950年的30%左右提高到目前50%以上；從營養(yǎng)學(xué)的角度出發(fā)，禾谷類作物子粒的蛋白質(zhì)和賴氨酸含量提高一倍，相當(dāng)于產(chǎn)量提高2—3倍。.長絨棉絨長38—40mm，我國棉花的平均絨長由1950年21.96mm目前已提高到30mm，這主要是品種改良的作用，任何其他的因素都不能產(chǎn)生如此效果。.據(jù)估計，我國棉花纖維強(qiáng)度每提高10%，每年便可節(jié)約用棉320萬擔(dān)，相當(dāng)10萬公頃棉田的產(chǎn)量，還可節(jié)約1000萬紗錠和相應(yīng)的機(jī)械、人力、能源，而這些，通過其它農(nóng)業(yè)措施是無法實(shí)現(xiàn)的，只能通過育種工作來實(shí)現(xiàn)。.

優(yōu)良品種對經(jīng)常發(fā)生的病蟲害和環(huán)境脅迫具有較強(qiáng)的抗耐性，在生產(chǎn)中可減輕或避免產(chǎn)量的損失和品質(zhì)的變劣。.

改良的品種具有較廣闊的適應(yīng)性，還具有對某些特殊有害因素的抗耐性，因此采用這樣的良種，可以擴(kuò)大該作物的栽培地區(qū)和種植面積。.由于選育推廣優(yōu)良品種可以解決多種問題，所以是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投資少、經(jīng)濟(jì)效益最高的措施，一個優(yōu)良品種育成并大面積推廣后，其投入產(chǎn)出比是很高的，據(jù)有關(guān)人士統(tǒng)計，中國農(nóng)科院選育的玉米單交種中單2號，其經(jīng)濟(jì)效益比為1：368，江蘇農(nóng)科院選育的寧油7號為1：180，美國玉米育種的投資與效益比為1：400。.當(dāng)然，優(yōu)良品種的這些作用是潛在的，其具體的表現(xiàn)和效益還要決定于相應(yīng)的耕作栽培措施。而且一個品種絕不是萬能的，它的優(yōu)良表現(xiàn)也是相對的，因而育種工作不可能一勞永逸，它是隨著生產(chǎn)發(fā)展和科技進(jìn)步而不斷進(jìn)展的。.第二節(jié)作物育種學(xué)的發(fā)展

一、作物育種學(xué)的性質(zhì)與任務(wù)

二、作物育種學(xué)的主要內(nèi)容

三、常規(guī)育種的技術(shù)特點(diǎn)

四、作物育種學(xué)的發(fā)展與分子育種的興起

.一、作物育種學(xué)的性質(zhì)與任務(wù)

作物育種學(xué)是研究選育與繁育作物優(yōu)良品種的理論與方法的科學(xué)。.

基本任務(wù)：研究育種規(guī)律，發(fā)掘、研究和利用各種種質(zhì)資源，制定正確的育種目標(biāo)；通過各種育種途徑，應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與手段，改良農(nóng)作物品種的遺傳素質(zhì)與群體構(gòu)成，培育出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物新品種或新的類型。.并且在繁殖與推廣新品種的過程中，保持優(yōu)良品種的種性，提供量足、質(zhì)優(yōu)、價廉的生產(chǎn)用種，充分發(fā)揮優(yōu)良品種的增產(chǎn)作用，促進(jìn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。.

二、作物育種學(xué)的主要內(nèi)容

１.育種目標(biāo)的制定以及實(shí)現(xiàn)育種目標(biāo)的策略；

２.種質(zhì)資源的搜集、保存、研究、評價、利用及創(chuàng)新；

３.人工創(chuàng)造變異的途徑、方法及技術(shù)；

４.人工選擇的理論及方法；

５.主要目標(biāo)性狀的遺傳規(guī)律、鑒定及選育方法；

６.雜種優(yōu)勢利用的途徑及方法；

７.育種工作中的田間試驗(yàn)技術(shù)；

８.新品種的審定、推廣與種子生產(chǎn)技術(shù)。.

作物育種學(xué)是作物遺傳改良的科學(xué)與藝術(shù)，要通過育種工作，改良作物的遺傳素質(zhì)，從而維持和發(fā)展人類與其他生物間協(xié)調(diào)發(fā)展的平衡關(guān)系，以謀求和增進(jìn)人類的福利，促進(jìn)人類的可持續(xù)發(fā)展。.同時，作物育種學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué)，即人工進(jìn)化的科學(xué)，尤其在現(xiàn)代育種工作中，育種已由過去單純的提高產(chǎn)量轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性狀育種工作，這必須綜合應(yīng)用多學(xué)科的知識，去創(chuàng)造變異，提高鑒定、選擇的效率，培育出符合人類需要的新品種或新作物。因此，要求育種工作者：.(1)具有淵博的基礎(chǔ)理論知識

(2)了解國內(nèi)外生產(chǎn)及育種的動態(tài)(3)具有精湛的育種技巧

(4)擁有豐富的種質(zhì)資源.在上述基礎(chǔ)上，以豐富的想象力，制定出切實(shí)可行的育種目標(biāo)，以堅(jiān)韌不拔的毅力，培育出適合于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要的作物新品種。

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三、常規(guī)育種的技術(shù)特點(diǎn)

常規(guī)育種的主要任務(wù)是提高產(chǎn)量、改進(jìn)品質(zhì)和增強(qiáng)抵抗不良環(huán)境因素的能力，如抗病、蟲、草害和抗旱、寒、堿等。.常規(guī)育種的技術(shù)特點(diǎn)：

1、綜合多個優(yōu)良基因，同步改良農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性水平；

2、盲目性較大；

3、育種既是科學(xué)又是藝術(shù)。.盡管育種的歷史從農(nóng)作物及豬牛羊等的馴化開始已有了很長的時間，但19世紀(jì)中葉達(dá)爾文的雜種優(yōu)勢理論和孟德爾遺傳學(xué)定律的重新發(fā)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代動植物育種技術(shù)的發(fā)展和一批又一批優(yōu)良的動植物品種的培育工作。.育種工作亦可視為根據(jù)人的意志、按預(yù)定方向發(fā)展的一種生物進(jìn)化。育種家將由遺傳物質(zhì)變異（基因突變、染色體結(jié)構(gòu)變化、染色體數(shù)目變化）以及遺傳物質(zhì)重組所產(chǎn)生的各種變異類型中，通過適應(yīng)型的選擇、保留而培育出符合人類需要的優(yōu)良作物品種。常規(guī)育種既是一門科學(xué)又是一門藝術(shù)。

.四、作物育種學(xué)的發(fā)展與分子育種的興起

（一）作物育種學(xué)的發(fā)展

第一階段：古代，１８世紀(jì)前，育種萌芽時代；

第二階段：近代，１８—１９世紀(jì)，育種出苗時代；

第三階段：二十世紀(jì)，育種開花結(jié)果時代。.在理論方面：遺傳學(xué)發(fā)展迅速，從普通遺傳學(xué)發(fā)展出細(xì)胞遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)、生化遺傳學(xué)、群體遺傳學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)等分支，同時，生物統(tǒng)計、田間試驗(yàn)的理論與技術(shù)逐步完善，生物工程的應(yīng)用，更為育種工作開拓了廣闊的前景，育種工作也由憑經(jīng)驗(yàn)與技巧的初級狀態(tài)發(fā)展成為有系統(tǒng)理論與科學(xué)方法的一門綜合應(yīng)用科學(xué)。.

1927年美國出版了Hays等所著的《作物育種》

前蘇聯(lián)于1935年出版了Vavilov著的《作物育種的科學(xué)基礎(chǔ)》

1942年美國出版了Hayes和Immer的《作物育種方法》，其中譯本《作物育種學(xué)》于1962年出版。

美國Allard（1960）所著的《作物育種原理》是目前美國很多學(xué)校廣泛使用的教材。.王綬《中國作物育種學(xué)》（1936）

沈?qū)W年主編《作物育種學(xué)泛論》（1948）

蔡旭主編《植物遺傳育種學(xué)》（第1版1976，第2版1988）

西北農(nóng)學(xué)院主編《作物育種學(xué)》（1981）

潘家駒主編《作物育種學(xué)總論》（1997）.20世紀(jì)60年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，由水稻、小麥的矮化和抗病蟲育種所引起的“綠色革命”不僅極大地推動了世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而且也有力地促進(jìn)了作物育種學(xué)的發(fā)展。.現(xiàn)代作物育種的發(fā)展動向主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）育種目標(biāo)要求高；

（2）種質(zhì)資源的搜集、保存、研究評價、利用及創(chuàng)新等一系列工作得到了廣泛的重視和加強(qiáng)；

（3）廣泛采用現(xiàn)代技術(shù)和儀器；

（4）除了傳統(tǒng)的育種途徑外，大力開拓育種的新途徑和新技術(shù)。.（二）分子育種的興起

1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)遺傳物質(zhì)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，20年后，Berg（1973）DNA重組成功，將分子生物學(xué)推進(jìn)到應(yīng)用性極強(qiáng)的生物技術(shù)和生物工程階段。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著現(xiàn)代育種學(xué)已發(fā)展至定向改造生物的新階段。.植物基因工程在育種上應(yīng)用重要的突破是在抗逆性育種方面。Beachy研究組第一個報道了將TMV外殼蛋白基因引入煙草，使這些再生植株表現(xiàn)出明顯的抗性，病癥出現(xiàn)推遲或不出現(xiàn)。此后這一研究成果迅速推廣到其它植物的抗病毒育種上。.

基因工程或重組DNA技術(shù)就是按照預(yù)先設(shè)計的生物施工藍(lán)圖，把人們需要的甲種生物的基因（目的基因）轉(zhuǎn)移到需要改造的乙種生物的細(xì)胞里，使目的基因在那里繁殖和表達(dá)，于是乙種生物的細(xì)胞就獲得了新性狀，成為新類型。.和常規(guī)的育種技術(shù)相比，基因工程有三大顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1、源于生物的有利基因在人、動物、植物、微生物四大系統(tǒng)內(nèi)可進(jìn)行隨機(jī)交換；

2、基因工程可以獲得生物的定向變異；

3、基因工程可使目的基因定向轉(zhuǎn)移。.在植物抗蟲性研究方面，已將蘇云菌芽孢桿菌的Bt殺蟲晶體蛋白基因?qū)朊藁?、玉米、馬鈴薯，培育出的轉(zhuǎn)基因抗蟲品種對棉鈴蟲、玉米螟等害蟲表現(xiàn)出高水平的防治效果。.當(dāng)然，在應(yīng)用基因工程技術(shù)去改良、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性，獲得綜合性狀優(yōu)良的新品種的工作中，必須與常規(guī)育種相結(jié)合。...第三節(jié)作物育種的成就與展望

.一、近代育種的成就

（一）新品種的選育與推廣

（二）種質(zhì)資源的收集、保存和創(chuàng)新

（三）育種新方法及及技術(shù)研制和利用

（四）目標(biāo)性狀的選育方面

１.

在產(chǎn)量育種上

２.

抗病蟲育種方面

３.

品質(zhì)育種方面.二、作物育種工作的展望

（一）種質(zhì)資源工作有待加強(qiáng)

.（二）深入開展育種理論與方法的研究

為了使育種工作更有預(yù)見性和不斷提高育種效率，今后必須進(jìn)一步加強(qiáng)各類作物主要目標(biāo)性狀及其組分的遺傳變異規(guī)律及性狀相關(guān)的研究；特別需要加強(qiáng)產(chǎn)量、抗性、雜種優(yōu)勢等的生理生化基礎(chǔ)的研究。.常規(guī)育種方法需要進(jìn)一步發(fā)展，如輪回選擇與群體改良就很有廣泛應(yīng)用的前景，其它育種途徑，包括創(chuàng)造遺傳變異的途徑以及外源基因?qū)氲募夹g(shù)，還需要進(jìn)一步開拓和完善，此外，必須加強(qiáng)現(xiàn)代生物技術(shù)在育種上的應(yīng)用研究。.現(xiàn)代育種水平的提高，在很大程度上取決于對基礎(chǔ)理論和方法的研究的深入程度，要使育種工作更具預(yù)見性和不斷提高育種水平，必須加強(qiáng)各作物主要目標(biāo)性狀及其組分的遺傳變異