玉米單倍體育種研究

楊懷衛(wèi)

摘 要：近年來(lái)，玉米產(chǎn)業(yè)及育種技術(shù)發(fā)展迅速，而玉米單倍體育種技術(shù)是縮短育種進(jìn)程、提高育種效率的一條快速而有效的途徑。就玉米單倍體的獲取途徑、單倍體誘導(dǎo)的影響因素及單倍體加倍方式等研究進(jìn)行了綜述，對(duì)研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討，并展望了玉米單倍體育種的應(yīng)用發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：玉米；單倍體；育種；研究進(jìn)展

文章編號(hào)： 1005-2690（2018）02-0053-02 中圖分類號(hào)： S513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

玉米是一種重要的糧食和經(jīng)濟(jì)作物，近年來(lái)，其種植面積逐年增加，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，用途越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)需求越來(lái)越高，極大地推動(dòng)了玉米產(chǎn)業(yè)及育種技術(shù)的發(fā)展[1]。玉米單倍體育種技術(shù)能夠大大縮短育種進(jìn)程，提高育種效率[2]，為玉米育種提供了一條快速而有效的途徑。

1 單倍體獲取途徑

1.1 自然發(fā)生

自然界中二倍體植物居多，也有很多靠孢子繁殖的單倍體低等植物。高等植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)因發(fā)生變異而出現(xiàn)單倍體植株，但是相對(duì)于二倍體和多倍體植物，單倍體植物非常弱小且高度不育，很難在自然界生存，因此自然界中的單倍體植物非常少。

1.2 孤雌生殖

孤雌生殖也是獲得單倍體的方法之一。玉米孤雌生殖，通常采用紫外線照射玉米花粉粒、異種花粉授粉及甲苯胺藍(lán)化學(xué)藥劑處理等方法獲得單倍體，但是采用化學(xué)藥劑處理的方法還存在很多問(wèn)題，獲得的植株可能發(fā)生形態(tài)或者生理方面的畸變。

1.3 花粉刺激

用花粉刺激玉米子房也可獲得單倍體，該方法具有高效且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是受授粉季節(jié)和時(shí)間的影響較大。杜瑛紅[3]認(rèn)為，授粉時(shí)間應(yīng)控制在12～22 h，夏季的誘導(dǎo)效果要比春、秋兩季的好。

1.4 小孢子培養(yǎng)技術(shù)

小孢子培養(yǎng)技術(shù)是指將花粉小孢子進(jìn)行離體培養(yǎng)，得到的再生植株都是單倍體，經(jīng)加倍后獲得純合雙單倍體。與常規(guī)雜交育種方式相比，其具有高效、快速和純合度高的優(yōu)點(diǎn)，是一種新的育種途徑。但是玉米小孢子培養(yǎng)中胚狀體誘導(dǎo)頻率與大麥、小麥、水稻相比較低[4]，且受基因型影響較大，應(yīng)用范圍較窄。

2 單倍體誘導(dǎo)的影響因素

2.1 生態(tài)環(huán)境

玉米的單倍體誘導(dǎo)率受生態(tài)環(huán)境影響較大，姜龍等[5]在吉林省長(zhǎng)春、長(zhǎng)嶺及海南省三亞等地對(duì)玉米試驗(yàn)材料進(jìn)行雜交誘導(dǎo)，研究得出，試驗(yàn)各地的單倍體誘導(dǎo)率差異較大，其中三亞的平均誘導(dǎo)率最高。這可能和當(dāng)?shù)氐亩緶囟?、晝夜溫差、光照、水分等條件具有很大的關(guān)系。

2.2 遺傳背景和基因型

玉米的遺傳背景對(duì)單倍體誘導(dǎo)具有一定的影響，Chase[6]研究認(rèn)為母本基因型中雌配子的有害基因頻率不同可影響玉米單倍體的誘導(dǎo)頻率。張如養(yǎng)[7]對(duì)6個(gè)玉米單倍體誘導(dǎo)系進(jìn)行雜交誘導(dǎo)，研究得出單倍體誘導(dǎo)系的誘導(dǎo)能力既受基礎(chǔ)材料遺傳背景的影響，又受自身遺傳背景的影響。李國(guó)良[8]對(duì)不同種植類群作母本材料進(jìn)行單倍體誘導(dǎo)研究，得出不同基因型的基礎(chǔ)材料單倍體誘導(dǎo)率存在顯著差異，但劉冶先[9]研究得出不同基礎(chǔ)材料之間的誘導(dǎo)率不存在顯著差異，基礎(chǔ)材料對(duì)單倍體誘導(dǎo)率的影響不大。由此可見(jiàn)，不同基因型對(duì)玉米單倍體誘導(dǎo)率的影響還需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

2.3 玉米播期

玉米單倍體誘導(dǎo)和播期有很大的關(guān)系，不同播期的單倍體誘導(dǎo)率存在一定的差異。劉德友等[10]對(duì)春播和夏播玉米材料進(jìn)行了單倍體誘導(dǎo)研究，認(rèn)為夏播材料比春播材料誘導(dǎo)率普遍較高，這可能和授粉時(shí)期的溫度有關(guān)，夏播授粉時(shí)期的溫度較春播的低，新陳代謝緩慢、能量消耗減緩，更有利于單倍體的誘導(dǎo)。

2.4 玉米授粉時(shí)期

劉曉鑫等[11]對(duì)玉米孤雌生殖高效誘導(dǎo)進(jìn)行了研究，得出早期授粉的比晚期授粉的單倍體誘導(dǎo)率高，但未達(dá)到顯著水平。楊巍等[12]研究認(rèn)為雌穗吐絲后3～8 d是單倍體誘導(dǎo)的最佳時(shí)期，其中雌穗吐絲后4～5 d的誘導(dǎo)效果最好。

3 單倍體加倍方式

3.1 自然加倍

自然加倍現(xiàn)象普遍存在，但是加倍率比較低。Shatskaya等[13]研究得出，大部分材料的自然加倍率普遍低于5%，有些材料甚至不能自然加倍，這就很難滿足玉米育種的需要，因此，在單倍體育種過(guò)程中多采用人工加倍。

3.2 人工加倍

人工加倍常采用的方法主要是化學(xué)加倍法，常用的加倍劑為秋水仙素和除草劑。秋水仙素與微管蛋白結(jié)合，抑制微管的形成，使染色體不能向兩極移動(dòng)，而導(dǎo)致細(xì)胞的染色體加倍。目前浸種法、浸根法、浸芽法、注射法等是常用的秋水仙素加倍處理方法。其加倍效果因所采用的試劑濃度、處理部位及處理時(shí)間的不同而存在較大差異。魏俊杰[14]用0.5%的秋水仙素注射處理6葉期玉米莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)，加倍效果較好。但是秋水仙素有劇毒，對(duì)處理植株毒害較大，且易污染環(huán)境，因此其應(yīng)用推廣受到限制。

抗微管除草劑誘導(dǎo)加倍的效果比秋水仙素好，且藥害程度較小，對(duì)環(huán)境的污染較輕，因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛。惠國(guó)強(qiáng)等[15]研究了甲基胺草磷、炔苯酰草胺和氟樂(lè)靈對(duì)玉米單倍體加倍的效果，研究得出3種除草劑均有加倍效果，加倍率為3.42%～26.32%。

4 單倍體育種存在的問(wèn)題與展望

隨著科技和生物技術(shù)的發(fā)展，單倍體育種技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于玉米的品種改良和種質(zhì)創(chuàng)新。玉米的單倍體育種技術(shù)雖然已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但是仍然存在一些問(wèn)題：一是單倍體誘導(dǎo)頻率較低，誘導(dǎo)成功的基因型范圍較窄；二是單倍體加倍較困難，加倍率較低。

在今后的研究過(guò)程中，應(yīng)不斷探討單倍體誘導(dǎo)和二倍體化的適宜誘導(dǎo)條件，借助分子標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因技術(shù)擴(kuò)大單倍體誘導(dǎo)基因型范圍，從而提高單倍體誘導(dǎo)率和二倍體率。隨著單倍體育種研究的不斷深入，基因?qū)W和分子生物學(xué)的快速發(fā)展，玉米單倍體育種技術(shù)會(huì)得到不斷優(yōu)化，單倍體育種技術(shù)體系會(huì)不斷完善。單倍體育種技術(shù)將會(huì)更廣泛地用于玉米的遺傳育種研究，在玉米的生產(chǎn)及品種改良、遺傳轉(zhuǎn)化、種質(zhì)創(chuàng)新等方面發(fā)揮重要的作用。

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（收稿日期：2017-12-15）