新時(shí)期下玉米單倍體育種的研究背景

肖海峰 李 勃 趙海濤 鐘 雪 梁孝淵 陳鳳偉

玉米作為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的主要糧食作物，玉米育種技術(shù)是否合理，將直接關(guān)乎到玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)的選育優(yōu)良自交系結(jié)合育種目標(biāo)基礎(chǔ)上，整合優(yōu)質(zhì)資源組培基礎(chǔ)材料，并連續(xù)自交5～6代，性狀穩(wěn)定后配合力測(cè)定，結(jié)合雜種優(yōu)勢(shì)進(jìn)行組培雜交組合。玉米單倍體育種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，可以有效改善傳統(tǒng)育種技術(shù)的缺陷和不足，提升育種質(zhì)量，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)和發(fā)育。探究玉米單倍體的研究背景，有助于進(jìn)一步豐富理論研究基礎(chǔ)，為后續(xù)相關(guān)工作提供支持。

1 玉米單倍體技術(shù)

1.1 自然發(fā)生的單倍體

生殖異?？赡艹霈F(xiàn)孤雄或孤雌生殖問題，進(jìn)而形成的玉米單倍體，自然單倍體頻率較低，大概在10-5～10-8范圍內(nèi)。單倍體由于自身的高度不育，組織器官較之二倍體更小，所以當(dāng)前自然界中的單倍體較少。

1.2 孤雌生殖

玉米孤雌生殖的方法較為多樣，可以通過異種花粉授粉，以此來刺激為受精卵發(fā)育帶來的孤雌生殖產(chǎn)生單倍體；甲苯胺藍(lán)之類的化學(xué)藥劑來處理花粉產(chǎn)生的單倍體；紫外線處理的玉米成熟花粉粒，為植株授粉，改善無受精能力的劃分來刺激卵細(xì)胞單性發(fā)育成單倍體的胚。需要注意的是，使用化學(xué)藥劑誘發(fā)孤雌生殖可能產(chǎn)生的生理畸變，可靠性無法得到可靠保障。

1.3 劃分和花藥培養(yǎng)

使用劃分組織和花藥可以培養(yǎng)單倍體，同時(shí)還可能出現(xiàn)自然加倍的二倍體。此種方法局限性較大，通過組織培養(yǎng)過程解決，首先誘導(dǎo)愈傷組織，然后分化成再生植株，但是并不是每個(gè)小孢子都會(huì)產(chǎn)生無性增殖。二倍體化后，由于適應(yīng)性問題影響可能影響到玉米生長(zhǎng)和結(jié)實(shí)。但是，當(dāng)前借助玉米花藥培養(yǎng)來獲得雜交種應(yīng)用范圍較少，難以大面積在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。究其根本，是由于玉米花粉愈傷組織誘導(dǎo)率偏低，僅僅有少數(shù)基因型誘導(dǎo)單倍體植株，導(dǎo)致材料之間的顯著差異，從中不難看出玉米雄核發(fā)育中遺傳背景的關(guān)鍵性所在。同時(shí)，玉米單倍體植株染色體加倍成功率不高，難以提升劃分植株的再生率。通過大量的實(shí)踐研究可以了解到，通常玉米的愈傷組織誘導(dǎo)率大概在20%以上。

2 單倍體鑒定方法

2.1 形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)方法

在玉米單倍體育種技術(shù)應(yīng)用中，對(duì)于單倍體的鑒定方法較為多樣，而形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)則是一種直觀便捷的方法。玉米單倍體細(xì)胞染色質(zhì)量大概在二倍體細(xì)胞質(zhì)1/2，主要是由于細(xì)胞變小，解剖學(xué)上可以觀察到細(xì)胞數(shù)量變化，以此來區(qū)分單倍體和二倍體之間的差異。細(xì)胞變小同樣可能導(dǎo)致器官組織變化，幼苗期間通過肉眼觀測(cè)可以判斷單倍體。單倍體在成長(zhǎng)期間，較之標(biāo)準(zhǔn)類型要小的多，苗期玉米單倍體第一片葉較短，對(duì)比盾片和胚可以準(zhǔn)確判斷出單倍體。玉米單倍體成株同基因型同等的純合二倍體，姊妹株高度大概70%左右，葉面積是后者35%。單倍體植物具有開花較早、開花不正常以及單倍體植株矮小等特點(diǎn)，種種特性較之二倍體是完全相反的。需要注意的是，盡管單倍體的支柱較小，但是生長(zhǎng)力卻并不弱。如果同源的二倍體玉米生長(zhǎng)力較強(qiáng)，那么單倍體的生長(zhǎng)力隨之增強(qiáng)。

2.2 細(xì)胞遺傳學(xué)方法

結(jié)合玉米單倍體的形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其與二倍體親本有效區(qū)分開來，但是具體的二倍體鑒別主要是通過細(xì)胞學(xué)方法鏡檢染色體數(shù)目。細(xì)胞遺傳學(xué)方法在實(shí)際應(yīng)用中，通過根尖分生組織壓片觀察體細(xì)胞或減數(shù)分類細(xì)胞的染色體數(shù)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)單倍體的精準(zhǔn)判別。在對(duì)單倍體根尖細(xì)胞染色體數(shù)目檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)二倍化傾向，可能導(dǎo)致染色體組加倍，影響到鑒別可靠性。玉米根尖細(xì)胞二倍體化頻率變化，很大程度上取決于單倍體的基因型，特殊情況下需要精準(zhǔn)技術(shù)植株油葉細(xì)胞染色體數(shù)量，確定倍數(shù)性。

2.3 生理生化特性的區(qū)別

通過對(duì)玉米生理生化單倍體和二倍體形態(tài)差異研究，可以了解到玉米二倍體朝著一倍體轉(zhuǎn)變時(shí)，形態(tài)特征和解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度上的轉(zhuǎn)變，尤其是組織化學(xué)成分有所轉(zhuǎn)變。由于無積水含量減少，可能導(dǎo)致抗壞血酸增加。

3 單倍體的二倍體化方法

3.1 單倍體的自然加倍

通常情況下，單倍體植株生長(zhǎng)主要表現(xiàn)在雌雄不調(diào)，花粉粒較少，單倍體加倍頻率在單倍體植株整體的10%。需要注意的是，材料的自然加倍率少于5%，還有很多材料并不會(huì)自然加倍。依據(jù)單倍體自然加倍無法滿足育種需求，需要結(jié)合實(shí)際情況通過人工加倍處理。

3.2 單倍體的人工加倍

對(duì)于單倍體的根尖處理，可以通過秋水仙素進(jìn)行處理，包括萌發(fā)種子處理、根尖處理和莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)處理等幾種方法，尤其是后續(xù)兩種方法效果較為可觀。在根尖處理中，實(shí)際操作限制較大，頂端分生組織操作較為便捷，可以使用涂抹和微量注射方法處理。使用浸根法，需要進(jìn)行充分的育苗盒移栽處理，有助于提升加倍率。林霞，高波，王志安等人在《單倍體育種技術(shù)在玉米育種中的研究與應(yīng)用進(jìn)展》研究中，拔節(jié)期間在莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)偏下組織中注射秋水仙素，較低濃度可以獲得可觀的成果，受藥害植株比例隨之增加。在玉米單倍體育種技術(shù)應(yīng)用中，不同溫度下使用同等濃度的秋水仙素處理，單倍體加倍百分率存在顯著差異。將自然加倍頻率扣除，采用人工化學(xué)加倍方法進(jìn)行處理難以獲得可觀的成效，尤其是環(huán)境條件對(duì)單倍體加倍效果的不良影響，需要予以高度關(guān)注和重視，以便于在玉米育種中廣泛推廣和應(yīng)用。

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)國(guó)家，農(nóng)業(yè)發(fā)展直接關(guān)乎到社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，其重要性不言而喻。為了可以滿足社會(huì)不斷增長(zhǎng)人口的糧食需求，玉米種植技術(shù)不斷創(chuàng)新和完善，而玉米單倍體作為一項(xiàng)有效的育種技術(shù)，經(jīng)過長(zhǎng)期的研究和完善，逐漸取得了較為可觀的成效，大大促進(jìn)了育種進(jìn)程。為了可以促進(jìn)玉米增產(chǎn)增收，應(yīng)該持續(xù)推動(dòng)玉米育種技術(shù)創(chuàng)新，充分發(fā)揮玉米單倍體育種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，改善傳統(tǒng)育種技術(shù)的缺陷和不足，在提升育種質(zhì)量的同時(shí)，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)和發(fā)育，帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。