糯玉米單倍體自然加倍特性的研究

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(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 吉林 長春 130118； 2.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 吉林 吉林 132101；3.吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所， 吉林 長春 130033)

糯玉米(ZeamaysL.certainaKulesh)亦稱粘(蠟質(zhì))玉米，是在栽培種植玉米過程中發(fā)現(xiàn)的一種新類型[1-2]。糯玉米具有綿軟適口、甜粘清香的獨(dú)特口感和風(fēng)味，既可以蒸煮用于青食，也可用于速凍加工、制作糯玉米罐頭等，深受廣大玉米食用愛好者的追捧[3]。另外，糯玉米中支鏈淀粉粘滯性強(qiáng)、透明度高，可作為紡織、造紙等輕工業(yè)的重要原料[4]。因此，糯玉米產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展?jié)摿薮?。我國不同生態(tài)地區(qū)糯玉米種質(zhì)資源極其豐富，但對糯玉米育種的研究起步較晚，育種家對大量的種質(zhì)資源缺乏有效的育種技術(shù)手段，從而造成糯玉米育種田間工作量大、育種效率較低[5]。

現(xiàn)如今，基于生物誘導(dǎo)發(fā)展起來的DH育種(Doubled Haploid Breeding)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于玉米育種中，該技術(shù)與分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代玉米育種新體系[6]。玉米DH育種技術(shù)也正逐漸應(yīng)用于糯玉米育種中，大大提高了糯玉米雜交組合的配制效率，縮短了優(yōu)良糯玉米雜交種的選育年限[7]。然而，糯玉米單倍體加倍技術(shù)是目前糯玉米DH育種中的主要技術(shù)“瓶頸”[7]。迄今為止，糯玉米單倍體加倍很大程度上無法擺脫對化學(xué)加倍藥劑的依賴，究其原因是缺乏對糯玉米單倍體在自然環(huán)境下加倍特性的相關(guān)研究，尤其是結(jié)合不同遺傳背景材料對糯玉米單倍體雌雄育性恢復(fù)特征的系統(tǒng)研究等?；诖耍緢F(tuán)隊(duì)利用高頻孤雌生殖誘導(dǎo)系所創(chuàng)造的糯玉米單倍體為供試材料，對糯玉米單倍體雌雄育性的自然恢復(fù)現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)探究，目的在于探索糯玉米單倍體自然加倍的實(shí)用技術(shù)，為進(jìn)一步加快糯玉米DH育種進(jìn)程提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試糯玉米單倍體源自生產(chǎn)上推廣面積較大的糯玉米雜交種(吉糯13、中糯1號、蘇玉糯1號、萬糯2000)和糯玉米骨干自交系(98 W-2、W 6、BN 2、D 6644、JN 15、景白浚34、JN-1)經(jīng)誘導(dǎo)系DRL雜交誘導(dǎo)各母本材料產(chǎn)生，糯玉米單倍體誘導(dǎo)及鑒定方法參照Chase[8]提出的遺傳標(biāo)記法進(jìn)行。對收獲的雜交誘導(dǎo)果穗的種子逐粒鑒定，即：頂端胚乳糊粉層呈現(xiàn)紫色標(biāo)記、胚芽部位無色且胚面較小，呈近似三角形的籽粒為糯玉米單倍體(圖1 A、B)。單倍體田間表現(xiàn)為植株生長發(fā)育慢、較矮，葉片短且直立，莖稈綠色(圖1 C)。

1.2 方 法

將2015年夏在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)特用玉米育種基地經(jīng)高頻孤雌生殖誘導(dǎo)系DRL誘導(dǎo)的糯玉米單倍體籽粒分別于2015年冬、2016年按照不同播期種植在海南和北方玉米科研試驗(yàn)地，具體見表1。糯玉米單倍體雌雄穗的自然育性考察標(biāo)準(zhǔn)如下：

表2 吉糯13單倍體雌穗育性的自然恢復(fù)

單倍體來源單倍體株數(shù)(株)無雌穗株數(shù)(株)無雌穗率(%)授粉株數(shù)(株)結(jié)實(shí)株數(shù)(株)結(jié)實(shí)率(%)平均結(jié)實(shí)數(shù)/穗(粒)長春Ⅰ50714.00221359.0917(3-93)長春Ⅱ1091110.09382463.1629(4-67)長春Ⅲ1962010.201016665.3532(4-80)三亞178147.871136961.0630(1-114)平均10.5462.1727

圖1 糯玉米單倍體誘導(dǎo)果穗、籽粒及其田間表現(xiàn)

注：A為雄穗不育；B為僅在雄穗的主軸能散粉的單倍體；C為雄穗的主軸和側(cè)枝均能夠散粉的單倍體。圖2 吉糯13單倍體群體雄穗田間散粉情況

1) 雄穗育性：仔細(xì)觀察抽雄后的糯玉米單倍體雄穗，將能夠散粉的植株記為雄性可育株，否則記為雄性不育株。

雄穗育性程度以散粉株率表示：散粉株率(%)=散粉植株數(shù)/觀察植株總數(shù)×100%。

2) 雌穗育性：觀察和記錄自然條件下生長的糯玉米單倍體有無雌穗，用雜交種花粉給雄性不育株的雌穗授粉，授粉后能夠結(jié)實(shí)的記為雌性可育株，否則記為雌性不育株。

雌穗育性程度以結(jié)實(shí)株率、無雌穗率表示：

結(jié)實(shí)株率(%)=結(jié)實(shí)植株數(shù)/授粉植株總數(shù)×100%；

無雌穗率(%)=無雌穗植株數(shù)/觀察植株總數(shù)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

綜合利用Excel 2013軟件和DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 糯玉米單倍體雌穗育性的自然恢復(fù)

由表2可知，在4種不同生長環(huán)境下，不同吉糯13單倍體單株經(jīng)DRL誘導(dǎo)獲得的單倍體無雌穗率分別為14.00%、10.09%、10.20%和7.87%；糯玉米單倍體雌穗經(jīng)過授粉后平均結(jié)實(shí)率為62.17%，由此可知，糯玉米單倍體雌穗多數(shù)都是可育的。

收獲的糯玉米單倍體果穗均較小，但各穗所結(jié)實(shí)的粒數(shù)之間差異很大，多則上百粒，高達(dá)114粒，最少的僅結(jié)1粒，各果穗平均結(jié)實(shí)27粒。次年播種，能夠長成正常二倍體植株。由此說明，單倍體的雌穗產(chǎn)生了正常的可育雌配子，且就每一雌穗而言，總有一些小花是可育的，但是不同單倍體個(gè)體間雌花序育性的恢復(fù)程度卻存在較大差異?？梢?，單倍體的雌穗育性并非其自交結(jié)實(shí)的限制因素。

表1 糯玉米單倍體育性田間觀察試驗(yàn)

處理編號時(shí)間(年)地點(diǎn)播期(日/月)單倍體來源試驗(yàn)方式A2015三亞08/11吉糯13自然育性觀察B2016長春Ⅰ30/04吉糯13自然育性觀察C2016長春Ⅱ27/05吉糯13自然育性觀察D2016長春Ⅲ22/06吉糯13自然育性觀察E2016三亞10/11吉糯13等11份母本材料自然育性觀察

注：Ⅰ代表長春早春播；Ⅱ代表長春晚春播；Ⅲ代表長春夏播，下同。

2.2 糯玉米單倍體雄穗育性的自然恢復(fù)

2.2.1 糯玉米單倍體血緣對雄穗育性恢復(fù)的影響

由圖2可知，自然條件下，田間的單倍體植株能夠正常抽雄，但是大部分雄穗均表現(xiàn)為不育。在少數(shù)可育的雄穗中，有時(shí)僅僅是幾個(gè)花藥或小穗能夠散粉，有時(shí)是幾個(gè)分枝恢復(fù)了育性，有時(shí)是大部分分枝甚至整個(gè)雄穗都能夠散粉。

由表3可知，從吉糯13中誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體散粉株率最高，為32.47%；從D 6644中誘導(dǎo)產(chǎn)生的單倍體散粉株率最低，為5.80%；從糯玉米自交系98 W-2、W 6、BN 2以及雜交種萬糯2000中誘導(dǎo)的單倍體的散粉株率分別為30.383%、19.81%、18.18%、12.16%；但從中糯1號、蘇玉糯1號、JN 15、景白浚34、JN-1中誘導(dǎo)出的單倍體散粉株率均未超過10%。由此可知，不同血緣的糯玉米單倍體雄穗育性恢復(fù)程度存在較大差異。本試驗(yàn)中11份不同來源的糯玉米單倍體雄穗散粉株率平均為14.29%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雌穗(61.25%)的育性，可見雄穗育性是糯玉米單倍體自交結(jié)實(shí)的限制因素。

表3 不同來源糯玉米單倍體雄穗育性的自然恢復(fù)

單倍體的來源單倍體株數(shù)(株)散粉株數(shù)(株)散粉株率(%)中糯1號176137.39蘇玉糯1號250187.20吉糯131946332.47萬糯20001481812.1698W-21334130.83W61062119.81BN2881618.18D66446945.80JN158877.95景白浚34127129.45JN-110165.94平均14.29

2.2.2 生長環(huán)境對糯玉米單倍體雄穗育性恢復(fù)的影響

對于同時(shí)從吉糯13中誘導(dǎo)產(chǎn)生的單倍體而言，不同的生長環(huán)境對其散粉株率有一定影響。由表4可知，以長春晚春播(5月27日)單倍體的散粉株率最高，達(dá)到14.75%；其次是長春夏播(6月22日)，為13.99%；而海南三亞冬播(11月上旬)播種的單倍體散粉株率最低，均值為5.93%，與長春早春播(4月30日)的散粉率(5.77%)類似。

從5個(gè)播種時(shí)期單倍體的生長環(huán)境來看，晝夜溫差有所不同。各個(gè)播期單倍體晝夜溫差值依次為：三亞冬播(5.5 ℃)<長春早春播(8 ℃)<長春夏播(11 ℃)<長春晚春播(12 ℃)。這一順序與單倍體散粉株率的變化相一致，表明糯玉米單倍體雄穗育性的恢復(fù)與環(huán)境溫度有關(guān)，生長期間晝夜溫差較小對單倍體雄穗育性的恢復(fù)不利，而晝夜溫差較大有利于其雄穗育性的恢復(fù)。

表4 不同生長環(huán)境下糯玉米單倍體雄穗育性觀察試驗(yàn)

時(shí)間(年)地點(diǎn)播期(日/月)播種晝夜溫度(℃)單倍體株數(shù)(株)散粉株數(shù)(株)散粉株率(%)2015三亞08/1130/2410465.772016長春Ⅰ30/0423/15191178.902016長春Ⅱ27/0530/181832714.752016長春Ⅲ22/0629/181932713.992016三亞10/1126/2111875.93平均9.87

注：2016年長春3種播期供試糯玉米單倍體籽粒數(shù)分別為200粒，表中糯玉米單倍體株數(shù)為田間除雜后實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)目；2015、2016年三亞冬播供試糯玉米單倍體籽粒數(shù)均為120粒，表中糯玉米單倍體株數(shù)為經(jīng)田間除雜后實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)目。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)中11份不同來源糯玉米單倍體間雄花序育性的恢復(fù)程度存在巨大差異，雄穗散粉株率變幅為4.41%～32.12%，平均值為11.01%，雄穗育性恢復(fù)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雌穗(61.25%)，是糯玉米單倍體自交結(jié)實(shí)的限制因素，這與Bordes等[10]、Chalyk[11]、Shatskaya等[12]關(guān)于在普通玉米的試驗(yàn)結(jié)論一致。Shatskaya等認(rèn)為，玉米單倍體雄穗散粉株率的差異是受核基因控制的，且呈加性遺傳，對于雄穗可育率高的單倍體類型，易獲得較多的加倍單倍體(自交后代)[12]。曹孜義等指出，變溫處理有利于提高細(xì)胞分裂的同步化程度[13]。本試驗(yàn)結(jié)果與上述學(xué)者關(guān)于普通玉米的研究結(jié)論基本一致，本研究中糯玉米單倍體植株在晝夜溫差較大的環(huán)境條件下種植，雄穗散粉株率明顯偏高，變幅為13.68%～14.44%，而在晝夜溫差較小的環(huán)境下種植，糯玉米單倍體散粉株率明顯偏低(4.95%～8.51%)，表明溫差大的環(huán)境有利于單倍體雄穗育性恢復(fù)。雄穗育性恢復(fù)的基因型差異和環(huán)境變異性表明，在育種實(shí)踐中可以選擇育雄性恢復(fù)能力強(qiáng)的材料重點(diǎn)開展糯玉米DH育種，也可以選擇適宜雄穗育性恢復(fù)的地點(diǎn)專門用于糯玉米單倍體的自然加倍，即糯玉米DH育種的基地化[14-15]。

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