現(xiàn)代玉米育種新技術(shù)探析

摘要：玉米是我國主要飼料、工業(yè)原料和糧食作物。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)提高又有了新的要求，而傳統(tǒng)的玉米育種技術(shù)已無法滿足快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)形勢，因此，新的育種技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要介紹了現(xiàn)代玉米遺傳育種的過程中應(yīng)用的主要技術(shù)與方法，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以供在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行參考。

關(guān)鍵詞：玉米；遺傳育種；技術(shù)

中圖分類號：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-12-32-2

玉米屬天然的異花傳粉作物，其田間組成是高度異質(zhì)態(tài)，個體基因型是高度雜合態(tài)，這就決定在玉米天然授粉群體內(nèi)，比較株間的表現(xiàn)型意義不大；同時，因為個體基因型處于高度的雜合態(tài)，故導(dǎo)致表型的選擇并不可靠，一定要對大量的個體進(jìn)行測交或者后代的鑒定，才可確定表型性狀是否真實并且可遺傳。所以，在玉米育種的過程中，一般情況下都要經(jīng)過多代的選擇、比較，才能育出新的自交系或品種。

然而，隨著時間的推移，可以提供給育種專家們的玉米基因資源日漸匱乏，依靠自然變異和傳統(tǒng)意義上的人工代代選擇在時間上已經(jīng)基本無法滿足經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對玉米產(chǎn)量不斷增加的要求。這就催生了各種新的育種技術(shù)的產(chǎn)生，如單倍體育種，誘變育種及基因工程、分子標(biāo)記技術(shù)等生物技術(shù)應(yīng)用于育種過程中，這些技術(shù)與傳統(tǒng)育種方法相結(jié)合，創(chuàng)造出了更為豐富的遺傳基因材料以供研究，也讓育種工作更具有可控性，很大程度上縮短了育種時間，使玉米育種工作具有良好的發(fā)展前景。

1 單倍體育種法

雙單倍體（doubled haploid，DH）育種是指利用單倍體誘導(dǎo)系結(jié)合標(biāo)記性狀誘發(fā)，再通過染色體組加倍（包括自然加倍和人工處理加倍）等手段使植物回復(fù)正常染色體數(shù)的一種育種方法。

由于高等植物在自然條件下產(chǎn)生單倍體的頻率非常低，而通過人工誘導(dǎo)的方法，如花粉（花藥）離體培養(yǎng)，遠(yuǎn)緣雜交、化學(xué)藥劑誘導(dǎo)、孤雌生殖誘導(dǎo)系誘導(dǎo)等多種方法可使獲得單倍體的頻率大大提高。跟傳統(tǒng)雜交育種方法相比較，單倍體育種技術(shù)因其快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定等特點(diǎn)受到了育種專家們的重視。

1.1 單倍體育種技術(shù)應(yīng)用于玉米育種的優(yōu)點(diǎn)

一是縮短了育種時間。一般傳統(tǒng)育種方法選育純合的自交系想要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)至少需要6代以上，而單倍體技術(shù)只需要誘導(dǎo)和加倍2代即可以達(dá)到純合，大大縮短了育種時間；二是選擇準(zhǔn)確性高。一般傳統(tǒng)的育種方法基本都從表型上進(jìn)行選擇，而基因型處于高度的雜合態(tài)，在選擇的時候容易出現(xiàn)誤選的可能性，而由于利用單倍體育種方法得到的雙單倍體植株的基因型和表現(xiàn)型是完全一致的，提高了選擇準(zhǔn)確性，而且在選擇由隱性基因控制的優(yōu)良性狀時更加具有明顯的優(yōu)勢；三是所得到的雙單倍體可以達(dá)到高度純合和穩(wěn)定。利用傳統(tǒng)育種方法所得到的自交系只能是相對的純合和穩(wěn)定，在之后長期的制種和繁育過程中可能出現(xiàn)性狀分離和衰退的現(xiàn)象，而通過單倍體育種技術(shù)所得到的雙單倍體（DH）系是經(jīng)過染色體加倍得到的，在基因型上可達(dá)到完全純合，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，后期不會出現(xiàn)分離現(xiàn)象，能夠長期用于育種工作。

1.2 單倍體技術(shù)應(yīng)用于玉米育種的技術(shù)難點(diǎn)

一是單倍體的獲得較難。因為自然中單性或孤雄生殖單倍體異常罕見，所以獲得單倍體材料也有一定的難度。不過隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過孤雌生殖誘導(dǎo)系誘導(dǎo)手段獲得的單倍體因?qū)A(chǔ)材料基因型依賴小、操作簡便、成本不高等優(yōu)勢，成為了玉米單倍體育種的首選技術(shù)；二是單倍體的加倍不易。因為單倍體的高度不育，通過自然中的變異加倍效率非常低，而且容易受到外界環(huán)境的影響，而目前應(yīng)用最多的人工加倍方法就是利用秋水仙素等化學(xué)物質(zhì)處理單倍體植株的根尖或者莖尖生長點(diǎn)，雖然加倍效率相較自然加倍效率明顯提高，但是工作量大、操作復(fù)雜、費(fèi)時等問題也同樣成為了單倍體育種技術(shù)需要克服的難點(diǎn)。

2 誘變育種法

誘變育種是指用物理、化學(xué)因素誘導(dǎo)動植物的遺傳特性發(fā)生變異，再從變異群體中選擇符合人們某種要求的單株或個體，進(jìn)而培育成新的品種或種質(zhì)的育種方法。當(dāng)前，在作物育種上應(yīng)用的誘變方法主要分為物理誘變和化學(xué)誘變等。

2.1 物理誘變育種

物理誘變育種包括電離輻射、激光輻照和空間輻射誘變育種。其基礎(chǔ)原理均是當(dāng)輻射或激光將能量傳遞到生物體時，生物體內(nèi)各種分子便產(chǎn)生電離和激發(fā)等現(xiàn)象，并且異?；钴S并相互作用，使分子與分子間的化學(xué)鍵斷裂并與其他分子相互作用時形成新的化學(xué)鍵，引起分子性質(zhì)的改變、染色體結(jié)構(gòu)的變異和各種酶活性的改變等變化，繼而引發(fā)生物體性狀發(fā)生改變。

2.2 化學(xué)誘變育種

目前在玉米上使用最廣和效果最好的化學(xué)誘變劑的是EMS（甲基磺酸乙酯），EMS是一種烷化劑，主要是通過將DNA的核苷酸鳥嘌呤烷基化后，使DNA在復(fù)制時發(fā)生錯誤，或者被烷基化的鳥嘌呤發(fā)生自動降解，使DNA鏈發(fā)生斷裂、易位甚至是使細(xì)胞死亡。與其他誘變劑相比，其產(chǎn)生的點(diǎn)突變頻率高且多為顯性突變，而染色體畸變相對較少，可以對植物的某一特殊性狀進(jìn)行改良。

用EMS-石蠟油處理玉米成熟花粉，已在玉米育種中得到廣泛應(yīng)用。這種方法不僅能創(chuàng)造出新的突變資源，并且可能產(chǎn)生有用的突變體，可以為玉米生長發(fā)育等基礎(chǔ)性研究提供更廣泛的材料；而且用EMS誘變在創(chuàng)造玉米新種質(zhì)時不存在安全性問題。

2.3 誘變育種的技術(shù)優(yōu)勢及局限性

誘變育種能夠提高變異的頻率，大幅改良某些性狀，變異性狀較穩(wěn)定，在較短的時間內(nèi)獲得更多的優(yōu)良變異類型材料，豐富種質(zhì)資源，并可加速育種進(jìn)程。

然而誘變育種的局限性是有利變異相對少，需要大量的處理供試材料，并且誘發(fā)突變的方向難以人為的掌握和控制，突變體也難以集中多個理想性狀等。要想克服這些局限性，可以擴(kuò)大誘變后代的群體，增加選擇的機(jī)會，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將誘變育種與傳統(tǒng)育種、分子育種等方法相結(jié)合，提高誘變育種效率、突變體的利用率和選擇的準(zhǔn)確性。

3 生物技術(shù)在遺傳育種中的應(yīng)用

3.1 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在玉米育種中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)基因技術(shù)就是利用基因工程技術(shù)，將優(yōu)良的外源基因或者經(jīng)過體外加工修飾后的內(nèi)源基因轉(zhuǎn)入同一物種或者不同物種中，對植物的相關(guān)性狀進(jìn)行改造或改良，該項研究的成功，使玉米育種工作進(jìn)入了新時代。

玉米轉(zhuǎn)基因育種的過程主要有：目的基因克隆、克隆載體及表達(dá)載體的構(gòu)建、遺傳轉(zhuǎn)化、陽性植株的篩選、分子水平檢測、生物學(xué)鑒定、優(yōu)良組合組配、區(qū)試以及推廣等技術(shù)環(huán)節(jié)。目前，在玉米轉(zhuǎn)基因育種中應(yīng)用最廣的轉(zhuǎn)化方法主要有農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、基因槍法和花粉管通道法等。

3.2 利用分子標(biāo)記技術(shù)輔助育種

分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)是利用與目的性狀基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，鑒定和篩選具有目的性狀的種質(zhì)資源和育種后代，或分析和評價種質(zhì)資源、親本之間親緣關(guān)系的一種方法，與傳統(tǒng)育種根據(jù)表現(xiàn)型進(jìn)行選擇相比，該項技術(shù)具有選擇效率高，結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)，特別是對隱形基因控制的性狀選擇更為高效。

在實際應(yīng)用中可以利用分子標(biāo)記進(jìn)行種子純度測定、種子真?zhèn)涡澡b定、數(shù)量性狀QTL定位、玉米QPM育種中的前景和背景選擇等，其中應(yīng)用較為普遍的是SSR和AFLP技術(shù)。該研究的關(guān)鍵在于鑒定出與重要農(nóng)藝性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記，通過利用與目的性狀緊密的DNA標(biāo)記可以對目標(biāo)性狀進(jìn)行間接選擇。

3.3 生物技術(shù)育種中的優(yōu)勢及局限性

生物技術(shù)在玉米育種中的利用給育種工作開辟了一種全新的方法，使玉米育種工作可以按照育種專家的意愿進(jìn)行設(shè)計和改良，使優(yōu)良的性狀可以得到更好的增強(qiáng)，不好的性狀也可以通過基因干擾技術(shù)進(jìn)行有效的抑制，并且可以使玉米具有一定的抗性，如抗蟲、抗除草劑、耐鹽堿、耐旱等優(yōu)良品質(zhì)。

但生物技術(shù)在實際利用中也有許多的限制因素。一是生物技術(shù)研究費(fèi)用高昂，投入大；二是遺傳轉(zhuǎn)化中的轉(zhuǎn)化體系還不是很穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化效率相對還比較低，需要對大量的植物材料進(jìn)行處理，工作量較大；三是在進(jìn)行轉(zhuǎn)基因陽性植株鑒定時也會存在一定的誤差，基因表達(dá)的穩(wěn)定性也需要進(jìn)一步的加代驗證；四是還有一種所謂的基因沉默現(xiàn)象，即新插入的基因常常是關(guān)閉的，基因不表達(dá)現(xiàn)象時有發(fā)生；五是目前轉(zhuǎn)基因作物的安全性還有待進(jìn)一步的驗證，如引入抗除草劑基因，可能在物種間產(chǎn)生基因漂移現(xiàn)象，產(chǎn)生“超級雜草”，對生態(tài)環(huán)境可能造成影響，再有人們擔(dān)心轉(zhuǎn)基因食品的標(biāo)記基因及其產(chǎn)物可能對人或動物健康有害，這些都造成轉(zhuǎn)基因的糧食作物在推廣上仍具有一定的困難和顧慮。

作者簡介：李夏，碩士研究生，長春市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，初級職稱，研究方向：玉米遺傳育種。