利用玉米單倍體育種技術(shù)培育優(yōu)質(zhì)玉米DH系

趙靜紅，趙海濤，李 勃，王菁菁，孫沖霞，劉新穎，越 剛

（吉林省吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 吉林 132101）

關(guān)健詞：玉米；單倍體育種；玉米DH系；技術(shù)措施；應(yīng)用效果

單倍體育種是目前最先進(jìn)的育種手段之一。具體方法是利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)（如花藥離體培養(yǎng)等）或特殊誘導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生單倍體植株，再通過化學(xué)或者物理方法使染色體組加倍（如用秋水仙素處理，自然加倍等方法），使植物恢復(fù)正常染色體數(shù)，從而恢復(fù)植物的育性。之后再從中選育出性狀優(yōu)良的基因純合的自交系，通過雜交選育出優(yōu)良的玉米雜交品種。

經(jīng)誘導(dǎo)后得到的玉米單倍體植株中由隱性基因控制的性狀，雖經(jīng)染色體加倍，但由于沒有顯性基因的掩蓋而容易顯現(xiàn)，可以讓我們有目的的選擇材料，這對(duì)誘變育種和突變遺傳研究很有好處。在誘導(dǎo)頻率較高時(shí)，單倍體能在植株上較充分地顯現(xiàn)重組的配子類型，可提供新的遺傳資源和選擇材料。玉米單倍體育種技術(shù)可以更多更好的選擇出優(yōu)良的玉米自交系，這項(xiàng)技術(shù)極大地提高了玉米的產(chǎn)量水平和育種效率，為人類糧食作物的生產(chǎn)開辟了十分廣闊的前景。

一、玉米DH系的特性

1、玉米DH系的群體特性

通過利用單倍體育種技術(shù)所生產(chǎn)出來的DH群體，作為一個(gè)基礎(chǔ)性的研究群體，屬于完全重合和永久分離的群體。相對(duì)于傳統(tǒng)育種方式，它能夠有效消除常規(guī)育種早代育種過程中雜合位點(diǎn)較多的局面，大大提高了育種過程中純合基因型的出現(xiàn)頻率，提高工作效率，提高試驗(yàn)成功率。理論上，在進(jìn)行遺傳性狀分析時(shí)，所要求的群體規(guī)模僅相當(dāng)于F群體的平方根數(shù)。DH群體作為一種醇和的永久性群體，可以在不同環(huán)境、不同季節(jié)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，能夠有效控制外界環(huán)境變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差，提高實(shí)驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，是研究單倍體育種過程中研究基因類型與外界環(huán)境變化之間關(guān)系的理想材料。

2、玉米DH系的植株特性

利用玉米單倍體育種技術(shù)培養(yǎng)出來的玉米DH系在田間表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)的生長性狀，同一個(gè)玉米DH系株高、穗位、株型等性狀表現(xiàn)一致，這是常規(guī)育種方式培養(yǎng)的自交系所無法比擬的。通過采用QTL分析方法[1]，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，控制玉米DH系群體穗位高度的加性效應(yīng)可能是主要基因作用方式之一。

3、玉米DH系的穗部特征

通過理論研究和實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)玉米DH系穗行中，不同自交系果穗的穗型、粒型、顏色等性狀表現(xiàn)出均勻一致。玉米穗粒數(shù)、玉米穗長度、玉米穗軸直徑平均表現(xiàn)和變異性方面之間的差異性不顯著。通過廣泛理論研究可以得知，控制玉米穗軸顏色的遺傳性狀基因基本固定，且穗行數(shù)屬于顯性遺傳。在種植過程中，一旦出現(xiàn)穗軸顏色或者籽粒顏色發(fā)生變化、存在明顯的性狀分離時(shí)，可以斷定在這個(gè)玉米DH系培育過程中，可能因?yàn)榇坌纬傻碾s交一代種子進(jìn)一步自交，導(dǎo)致遺傳性狀分離。

從同一個(gè)玉米DH系在同一種種植環(huán)境下的籽粒性狀表現(xiàn)情況來看，經(jīng)過單倍體育種技術(shù)處理過的DH系玉米籽粒容積和質(zhì)量都比親本籽粒性狀有所提高，父本和母本所生產(chǎn)的子代農(nóng)藝性狀得到了顯著改善。進(jìn)一步利用QTL分析方法對(duì)玉米DH群體品質(zhì)性狀、籽粒、蛋白質(zhì)、油分含量、淀粉含量檢測發(fā)現(xiàn)，不存在三個(gè)品質(zhì)性狀相同的QTL位點(diǎn)。此外，通過檢測還發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒中油分含量、淀粉含量、蛋白質(zhì)含量均出現(xiàn)了雙向超輕分離現(xiàn)象，超越親本的優(yōu)勢(shì)值存在較大差異，其中油分含量超清值范圍最大，其次是蛋白質(zhì)含量，最后是淀粉含量[2]。

二、利用玉米單倍體育種技術(shù)培育優(yōu)質(zhì)玉米DH系的技術(shù)措施

1、材料收集和處理

收集優(yōu)良的受體材料：Mo17、吉846、先玉335、鄭單958、九育27、通單24等，誘導(dǎo)系采用中國農(nóng)大培育出來的玉米誘導(dǎo)系“農(nóng)大高誘1號(hào)”，將誘導(dǎo)系與受體材料錯(cuò)期播種，通過誘導(dǎo)系的花粉去誘導(dǎo)受體材料的雌穗，得到的種子進(jìn)行單倍體籽實(shí)鑒定去除雜合種，第二年將單倍體材料種植于田間，用人工加倍的方法進(jìn)行染色體加倍，用以恢復(fù)單倍體材料的育性。對(duì)單倍體加倍形成的二倍體材料為雙單倍體材料，對(duì)其進(jìn)行自交得到后代為DH系（雙單倍體），通過性狀考察和配合力測試，再從中選擇高產(chǎn)、高抗、高配合力、優(yōu)質(zhì)的玉米DH系。

2、技術(shù)路線

單倍體材料的獲得。利用誘導(dǎo)系誘導(dǎo)受體材料后，需要通過對(duì)籽實(shí)的胚的顏色來鑒別單倍體籽粒，胚乳糊粉層呈現(xiàn)紫色或紫紅色標(biāo)記、胚芽部位無色的籽粒為單倍體籽粒。單倍體的染色體加倍方法有化學(xué)方法、自然加倍、人工方法等。我們結(jié)合化學(xué)加倍和人工加倍的方法對(duì)單倍體材料進(jìn)行加倍，提高加倍成功率，使其恢復(fù)育性。

利用孤雌生殖技術(shù)來進(jìn)行單倍體育種在全國還是比較前沿的一項(xiàng)研究，本課題將選用高誘導(dǎo)率的誘導(dǎo)系提升玉米受體材料形成單倍體的誘導(dǎo)率，利用最新的人工染色體加倍技術(shù)提升單倍體材料的加倍成功率達(dá)到20%-30%。得到性狀優(yōu)良的玉米DH系，可以直接應(yīng)用于下一步的育種研究，大大節(jié)約育種年限，提高育種效率。經(jīng)過篩選和鑒別得到高產(chǎn)、高抗、高配合力、優(yōu)質(zhì)的玉米DH系1個(gè)，其可作為玉米育種的優(yōu)良自交系。

三、應(yīng)用效果分析

1、大大縮短自交選育時(shí)間，提高育種效率

通過選用高誘導(dǎo)率的誘導(dǎo)系進(jìn)行單倍體育種，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得玉米醇和自交系。這個(gè)方法主要包含以下幾方面操作步驟，先是將F1代單倍體誘導(dǎo)型花粉雜交，從雜交果穗中篩選出單倍體玉米種子，然后就可以培養(yǎng)正常散粉的單倍體植株，獲得D1代，或者通過采集花粉花藥進(jìn)行組織培養(yǎng)，獲得相應(yīng)材料。

D1代經(jīng)過加倍處理之后，能夠得到雙單倍體，這樣所得到的雙單倍體，在一個(gè)世代就可以得到純合的重組二倍體，通過加倍處理獲得二倍體的純合性在理論上是100%純和，可以很好的將其應(yīng)用在遺傳研究和育種研究中。從選擇的基礎(chǔ)材料授粉開始得到的純合自交系，只需要經(jīng)過2-3代的種植，所以，相對(duì)于傳統(tǒng)育種方式，育種時(shí)間大大縮短。如果借助于南繁加代方式，在一年之內(nèi)就可以獲得較好的自交系。因此，利用玉米單倍體育種技術(shù)，培育優(yōu)質(zhì)的玉米雙單倍體，能夠有效縮短自交系的選育時(shí)間，加速推廣育種進(jìn)程，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、拓寬了種質(zhì)與群體改良

通過選育出高產(chǎn)的DH系，并將其作為原始材料，隨機(jī)組合匹配，進(jìn)行下一輪的單倍體選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米產(chǎn)量、生理性狀、農(nóng)藝性狀為指標(biāo)的種質(zhì)資源拓寬。在玉米育種過程中，對(duì)通過輪回選擇或者其他育種手段被選育出來的高產(chǎn)DH系進(jìn)行再利用，這對(duì)于培育攜帶含有產(chǎn)量、抗病蟲害性能、抗力性能等眾多有利等位基因的自交系有很大幫助，是一種快速簡單而有效的手段。玉米DH系培養(yǎng)有效應(yīng)用于基礎(chǔ)群體的創(chuàng)建與改造，在進(jìn)行輪回選擇過程中，能夠更好的誘導(dǎo)產(chǎn)生玉米DH系，對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米基因頻率改造有著很好的效果。

3、定位基因的理想材料

在進(jìn)行玉米育種過程中，所選擇的大多數(shù)目標(biāo)性狀是數(shù)量性狀，而這方面的癥狀常常受到多方面進(jìn)行控制，同時(shí)也會(huì)受到外界環(huán)境因素影響。因此在進(jìn)行數(shù)量性狀遺傳研究過程中，需要構(gòu)建完善的群體。利用玉米單倍體育種技術(shù)培育優(yōu)質(zhì)玉米DH系雖然所含有的信息量相對(duì)較少，但是在整個(gè)DH群體中，每一個(gè)DH系都是一個(gè)遺傳上純合的株系，能夠?qū)崿F(xiàn)無限制的繁殖，適合對(duì)玉米外表性狀進(jìn)行有效鑒定分析，是QTL定位的理想群體。

四、結(jié)語

總之，在玉米育種過程中，利用單倍體育種技術(shù)選擇優(yōu)質(zhì)玉米DH系，僅僅是育種工作的一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，更重要的是通過采取有效的測配技術(shù)，篩選出配合力度最高且農(nóng)藝性狀最佳的新組合自交系，通過對(duì)新組合進(jìn)行有效的鑒定和選育，最終得到最為優(yōu)質(zhì)的組合。

由此可以看出，玉米雜交育種的重要階段是要測配組合，并做好鑒定和篩選工作，通過進(jìn)一步開展測配組合鑒定，分析所生產(chǎn)出的自交系基因型與外界環(huán)境之間的相互關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)一步對(duì)DH系的配合力進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，從而選育出最佳的玉米品種組合。

在具體工作開展過程中，要確保單倍體育種技術(shù)加倍，單倍體育種技術(shù)與傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)有效結(jié)合，確保培育出更多優(yōu)良的雜交玉米品種，為接下來的進(jìn)一步研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提供理想材料。