玉米單倍體誘導(dǎo)系Stock6及其在玉米育種中的應(yīng)用

邱榮華，李輝，田順順，王文佳，楊萬立

（聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東聊城252000）

玉米單倍體誘導(dǎo)系Stock6及其在玉米育種中的應(yīng)用

邱榮華，李輝，田順順，王文佳，楊萬立

（聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東聊城252000）

玉米單倍體育種可縮短育種周期、提高育種效率，利用玉米單倍體誘導(dǎo)系誘導(dǎo)玉米單倍體簡(jiǎn)單易行，單倍體篩選方便。簡(jiǎn)述了玉米單倍體誘導(dǎo)系Stork6的發(fā)現(xiàn)、改良及在玉米育種中的應(yīng)用。

玉米；單倍體；Stock6；育種；應(yīng)用

玉米是世界第二大糧食作物、我國(guó)第一大糧食作物，玉米生產(chǎn)普遍采用雜交種，利用雜種優(yōu)勢(shì)。而玉米雜交品種的選育，首先需要選育大量的自交系，然后利用自交系組配雜交種。目前，國(guó)內(nèi)外自交系選育基本上采用系譜法、二環(huán)系法、回交法等方法[1]，利用這些方法獲得一個(gè)優(yōu)良的自交系至少需進(jìn)行連續(xù)6代以上的人工自交與選擇，育種周期長(zhǎng)，難以滿足玉米生產(chǎn)對(duì)品種更新?lián)Q代的需求。

圍繞縮短育種年限、提高育種效率，育種人員不斷探索縮短自交系選育的方法。1922年，Dorothy Bergner首次在野生曼陀羅中發(fā)現(xiàn)了單倍體，以后在煙草、番茄、小麥、玉米等植物上獲得了單倍體，隨之從單倍體到純合二倍體用于育種的技術(shù)路線逐步形成，即利用自然發(fā)生或人工誘導(dǎo)的單倍體，經(jīng)自然或人工加倍獲得雙單倍體植株（DH），也就是純系，用于育種。1932年，Morrison第一個(gè)從單倍體獲得了絕對(duì)純合的番茄品系[2]，從單倍體到純合二倍體品系用于育種的技術(shù)路線得到驗(yàn)證。從誘導(dǎo)單倍體到單倍體加倍獲得雙單倍體僅需2年，且雙單倍體只有一套染色體，沒有等位基因，沒有超顯性效應(yīng)，在選系過程中，利于保留加性上位效應(yīng)，淘汰有害的隱性基因，提高有利基因型的遴選頻率，有效地提高育種效率。

早期的玉米單倍體，主要是品種間、自交系間或品種與自交系間雜交產(chǎn)生的孤雌生長(zhǎng)單倍體，但自然雜交產(chǎn)生單倍體的概率極低，一般不超過0.1%[3]；遠(yuǎn)緣雜交采取延遲授粉、物理射線、化學(xué)藥劑等人工措施，雖能提高單倍體產(chǎn)生的概率，但誘導(dǎo)效果不太穩(wěn)定；盡管目前花藥或花粉培養(yǎng)技術(shù)獲得了較大發(fā)展，建立了穩(wěn)定的玉米花藥（花粉）組織培養(yǎng)再生系統(tǒng)，而受基因型和技術(shù)復(fù)雜性的制約，也未能在育種實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。而玉米單倍體誘導(dǎo)系Stock6的發(fā)現(xiàn)及改良，使玉米單倍體育種簡(jiǎn)便易行，并逐漸呈現(xiàn)出規(guī)?；l(fā)展的趨勢(shì)。

1 玉米單倍體誘導(dǎo)系Stork6的發(fā)現(xiàn)與改良

1946年，NorthUP King公司發(fā)現(xiàn)一個(gè)具有紫色糊粉層的玉米材料，表現(xiàn)為硬粒、白色籽粒及粉質(zhì)胚乳，因無育種價(jià)值，送給明尼蘇達(dá)大學(xué)Charles Burnham教授。1948—1950年，Coe作為Charles Burnham的碩士研究生搜集了這個(gè)系統(tǒng)并命名為Stock6[4]。經(jīng)過幾年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)Stock6的自交后代中產(chǎn)生了3%左右的單倍體，進(jìn)而用它作雜交父本產(chǎn)生了2.29%的孤雌生殖單倍體，因此可作父本誘導(dǎo)玉米單倍體，用于單倍體育種。但由于單倍體的誘導(dǎo)頻率低，在田間大群體內(nèi)鑒定單倍體是不可能的，為便于識(shí)別雜交后代產(chǎn)生單倍體，后來人們導(dǎo)入兩個(gè)顯性的遺傳標(biāo)記基因R-nj和PI。R-nj的基因效應(yīng)是胚中形成紫色盾片和胚乳糊粉層中產(chǎn)生紫色冠頂，是雙重遺傳標(biāo)記；PI的效應(yīng)則是形成紫色莖稈。

用帶有三重遺傳標(biāo)記的Stock6給黃?；虬琢５木G株玉米授粉，雜交籽粒表現(xiàn)可分為3種類型：一類是紫胚和紫色冠頂?shù)淖蚜?，為雙受精的雜交二倍體；二是胚無色、冠頂紫色的籽粒，為未受精卵、受精極核細(xì)胞形成的單倍體籽粒；三是胚和冠頂均無紫色的籽粒，可能是受異源花粉污染所致。因此，可以通過胚和胚乳的顏色把單倍體子粒挑選出來。但由于籽粒R-nj標(biāo)記的表達(dá)有時(shí)受遺傳背景的影響，籽粒色素標(biāo)記弱，容易出現(xiàn)誤判，種植初選的準(zhǔn)單倍體籽粒，借助于PI植株標(biāo)記進(jìn)一步田間鑒定單倍體。盡管如此，Stock6還存在很多缺陷，如誘導(dǎo)率低、雄花對(duì)溫度敏感、散粉性不好及遺傳標(biāo)記受遺傳背景影響等。

國(guó)外通過雜交改良的方法，相繼對(duì)Stock6進(jìn)行了改良，選育出一批誘導(dǎo)率高、農(nóng)藝性狀良好的誘導(dǎo)系。如法國(guó)的SW14、摩爾多瓦的MHI、德國(guó)的RWS等。這些誘導(dǎo)系的利用價(jià)值已經(jīng)大大超出Stock6[5]，目前德國(guó)、法國(guó)和美國(guó)的一些大公司已經(jīng)選育出誘導(dǎo)率6%以上的誘導(dǎo)系，并開始商業(yè)化應(yīng)用[6]。我國(guó)對(duì)玉米單倍體育種的研究起步比國(guó)外略晚，但已取得了很大進(jìn)展，如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)從Stock6與高油玉米群體BH0的雜交后代中選育出高誘1號(hào)，單倍體誘導(dǎo)率介于1.92%～9.25%之間，平均誘導(dǎo)率為5.34%；吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院從Stock6與M278的雜交后代中，選育出吉高誘系3號(hào)，單倍體誘導(dǎo)率介于5.50%～15.94%，平均單倍體誘導(dǎo)率為10.40%，籽粒標(biāo)記性狀明顯、穩(wěn)定，花粉量大、結(jié)實(shí)性好、抗病性強(qiáng)；北京市農(nóng)科院、山東省農(nóng)科院、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)等選育的單倍體誘導(dǎo)系都表現(xiàn)出較高的誘導(dǎo)率。

2 玉米Stork6誘導(dǎo)選系程序

2.1 雜交誘導(dǎo)單倍體

以單倍體誘導(dǎo)系作父本，籽粒黃色或白色、植株綠色的選系基礎(chǔ)材料（包括由有目標(biāo)性狀配制的雜交組合、優(yōu)良的商用雜交種、各類群體或其衍生的F1、F2代群體等）為母本。按父本∶母本為1∶（5～6）的比例播種，母本一般比父本早散粉7～10 d，根據(jù)父母本播種到開花時(shí)間，合理安排父母本播期，保證父母本花期相遇。母本雌穗伸出、未吐絲前，用羊皮紙袋將雌穗套住，待花絲抽出后，取誘導(dǎo)系的新鮮花粉進(jìn)行授粉。由于花粉量少，第二天再重復(fù)一次。

2.2 單倍體鑒定篩選

雜交果穗成熟后收獲脫粒，根據(jù)R-nj性狀標(biāo)記，篩選單倍體籽粒，凡具有紫色冠頂、無色胚的為準(zhǔn)單倍體籽粒。準(zhǔn)單倍體籽粒田間播種、生育期間，依據(jù)植株P(guān)I紫色標(biāo)記及形態(tài)學(xué)特征對(duì)準(zhǔn)單倍體進(jìn)一步確認(rèn)，單倍體植株一般葉鞘、莖稈綠色，葉片較少、狹窄、直立，植株瘦弱、生長(zhǎng)緩慢、株高低，約是二倍體植株高度的70%；雌雄不協(xié)調(diào)，雄穗高度不育。凡植株葉鞘、莖稈紫色、粗大高壯者均不是單倍體，田間應(yīng)剔除。

2.3 單倍體加倍

自然加倍是單倍體加倍的主要方法，自然狀態(tài)下80%左右的單倍體雌穗可自然加倍，恢復(fù)育性，而雄穗的自然加倍頻率為5%～10%。對(duì)于散粉株率低的單倍體基因型，利用秋水仙素、APM、拿草特、氟樂靈、安磺靈和一氧化二氮等化學(xué)藥劑，通過浸種、浸根等進(jìn)行人工加倍。

2.4 雙單倍體的鑒定利用

同一果穗獲得的雙單倍體子粒播種后，如果植株長(zhǎng)勢(shì)整齊一致、無分離，可確認(rèn)為純合的雙單倍體（DH）系。若農(nóng)藝性狀良好，符合自交系性狀特征，便可進(jìn)行配合力測(cè)定及雜交組合的組配。

3 單倍體誘導(dǎo)系在玉米育種中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

近10多年來，美國(guó)孟山都公司、德國(guó)KWS公司及俄羅斯等國(guó)的一些玉米種子公司都在利用單倍體誘導(dǎo)系進(jìn)行自交系選育，在DH育種方面均呈現(xiàn)大規(guī)模、高通量、流程化的選育模式，其中以德國(guó)KWS公司的技術(shù)相對(duì)成熟。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年大約可產(chǎn)生1500～2000個(gè)純系[7]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林省農(nóng)科院、山東農(nóng)科院和遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等科研院所及種業(yè)公司相繼開展了玉米DH育種[8]，并呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。然而，玉米單倍體育種在實(shí)際應(yīng)用中還存在單倍體誘導(dǎo)系誘導(dǎo)率低、長(zhǎng)勢(shì)較弱、雌雄不協(xié)調(diào)、遺傳標(biāo)記弱[9]、單倍體加倍率較低及形成的純系組配成的雜交品種較少等問題。

隨著誘導(dǎo)系誘導(dǎo)率的逐步提高、單倍體加倍技術(shù)的相對(duì)成熟及玉米誘導(dǎo)基礎(chǔ)材料的合理選擇，利用誘導(dǎo)系誘導(dǎo)玉米單倍體進(jìn)行單倍體育種將成為今后玉米育種的主要方法之一。

[1]劉紀(jì)麟.玉米育種學(xué)（2版）[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002：172-177.

[2]（蘇）C.C.霍赫洛夫單倍體與育種[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1976：2.

[3]陳文俊，李明媚．玉米單倍體誘導(dǎo)育種技術(shù)體系與應(yīng)用前景[J]．農(nóng)業(yè)科技通訊，2009(12)：112-115．

[4]陳紹江，黎亮，李浩川.玉米單倍體育種技術(shù)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009：15.

[5]劉志增，宋同明.玉米高頻率孤雌生殖單倍體誘導(dǎo)系的選育與鑒定[J].作物學(xué)報(bào)，2000，26（5）：570-574.

[6]李剛，王金艷，馬駿.玉米孤雌生殖誘導(dǎo)系的選育及其利用[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012(6)：56-58.

[7]才卓，徐國(guó)良，劉向輝，等.玉米單倍體誘導(dǎo)選系研究(簡(jiǎn)報(bào))[J].玉米科學(xué)，2004，12(1)：10-11.

[8]姜龍，慈佳賓，崔學(xué)宇，等．不同生態(tài)條件下玉米單倍體誘導(dǎo)率和加倍率研究[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(2)：139-143．

[9]徐玉波，任保財(cái)，張寶石，等.玉米單倍體誘導(dǎo)系的雜種優(yōu)勢(shì)利用研究[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(3)：40-43.

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國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201510447045）