單倍體育種技術(shù)在玉米育種實(shí)踐中的應(yīng)用

何文平 馬德山 樊瑞

摘要? ? 從玉米單倍體育種的實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，提出單倍體育種關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的改進(jìn)與田間可操作性，以及玉米單倍體育種實(shí)踐過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞? ? 單倍體育種技術(shù);玉米;育種實(shí)踐

單倍體技術(shù)發(fā)起于20世紀(jì)，孤雌生殖現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)啟發(fā)人們將它應(yīng)用于育種實(shí)踐中。隨著玉米花粉粒組織培養(yǎng)獲得單倍體幼苗技術(shù)取得進(jìn)展，同時(shí)單倍體誘導(dǎo)系Stock6[1]的發(fā)現(xiàn)及其轉(zhuǎn)育的誘導(dǎo)系在玉米單倍體育種中的應(yīng)用并與單倍體加倍技術(shù)相結(jié)合，使單倍體育種技術(shù)逐漸發(fā)展并成熟起來(lái)。目前，單倍體育種技術(shù)已與分子標(biāo)記育種技術(shù)和生物工程技術(shù)結(jié)合，使玉米的育種周期縮短，運(yùn)行效率提高。

利用遺傳標(biāo)記法對(duì)單倍體進(jìn)行鑒定篩選是目前應(yīng)用最普遍的方法。利用誘導(dǎo)系含有的R-nj 標(biāo)記基因，該基因在玉米的胚乳糊粉層和胚的盾片中表達(dá)紫色花青素標(biāo)記[2]，利用該標(biāo)記將誘導(dǎo)系誘導(dǎo)的后代單倍體籽粒挑選出來(lái)，然后進(jìn)行種植的自然加倍是操作最簡(jiǎn)單的單倍體育種流程。

1? ? 材料與方法

結(jié)合常規(guī)育種項(xiàng)目，于2017年冬季10月在海南隔離區(qū)內(nèi)種植不同育種材料268份，5 m行長(zhǎng)。以被誘導(dǎo)的材料作母本，單倍體誘導(dǎo)系高誘1號(hào)作父本，按5∶1的比例田間種植。母本先播，父本錯(cuò)兩期播種在一條壟上，母本抽雄后去雄。生育期間調(diào)查誘導(dǎo)系的田間長(zhǎng)勢(shì)、平均株高、倒伏性、雄穗發(fā)育狀況和散粉性等項(xiàng)目。收獲被誘導(dǎo)材料的果穗后通過(guò)色素標(biāo)記性狀，人工選出胚乳為紫色的而胚為白色的擬單倍體種子[2]，統(tǒng)計(jì)不同材料形成單倍體籽粒的數(shù)量。

2018年春季（5月）在遼寧省種植，單粒播種，種植密度9.0萬(wàn)株/hm2。出苗期調(diào)查出苗情況和苗期長(zhǎng)勢(shì)情況，出苗后和散粉前去除雜株后，統(tǒng)計(jì)出苗株數(shù)，散粉植株進(jìn)行自交授粉并進(jìn)行散粉性狀調(diào)查，秋季收獲結(jié)實(shí)果穗數(shù)，并進(jìn)行結(jié)實(shí)率調(diào)查。將收獲的果穗籽粒于2018年冬季在海南省按穗行繼續(xù)種植，鑒定自交系的真?zhèn)尾⑦M(jìn)行配合力測(cè)定。

2? ? 結(jié)果與分析

2017年冬季對(duì)收獲的268份誘導(dǎo)材料篩選出單倍體籽粒的99 800粒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同的材料單倍體誘導(dǎo)率從5.0%～46.5%不等。2018年春，材料在遼寧播種單倍體籽粒99 800粒，出苗株數(shù)41 310株，部分散粉或全部散粉株數(shù)合計(jì)2 257株，秋季收獲結(jié)實(shí)果穗760穗。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，出苗率41.39%，自然恢復(fù)散粉株率為5.46%，結(jié)實(shí)率33.67%。

調(diào)查結(jié)果表明，單倍體籽粒出苗率低，苗勢(shì)弱，發(fā)育進(jìn)程慢;散粉但散粉不暢的植株占絕大多數(shù)，雄穗的育性恢復(fù)主要表現(xiàn)為個(gè)別小花或個(gè)別分枝的育性恢復(fù)，全株散粉的植株較少。散粉不暢的植株主要表現(xiàn)為小花發(fā)育不飽滿，花粉量少，花粉粒黏著不光滑，花粉孔小。不散粉的植株主要表現(xiàn)為雄穗無(wú)花藥或花藥不露出或半露出，有花藥的表現(xiàn)為花藥干癟無(wú)花粉或花藥飽滿但花粉孔不張開(kāi)。有些全株散粉良好的，植株不高，葉片窄短，但不是雜株。果穗普遍表現(xiàn)結(jié)實(shí)不良。

3? ? 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，高誘1號(hào)誘導(dǎo)系在田間受脅迫發(fā)育不良，長(zhǎng)勢(shì)弱、植株矮、雄穗發(fā)育不良、分枝和小花減少、分枝短、易倒伏、散粉面窄，導(dǎo)致母本授粉不良，影響果穗的結(jié)實(shí)率，從而降低單倍體籽粒的誘導(dǎo)率。

不同材料對(duì)同一誘導(dǎo)系的單倍體誘導(dǎo)率存在差異，除了授粉不良影響外，可能主要是材料的遺傳背景不同造成的，也不排除溫度、授粉時(shí)期等因素的影響，不同材料單倍體植株的育性恢復(fù)存在差異，表明雄穗育性的恢復(fù)與遺傳背景有關(guān)，不同的材料育性恢復(fù)不同，也不排除受溫度、光照、紫外線等因素的影響。有些雄穗完全恢復(fù)的可能是EH系[1]，為早期加倍單倍體。Chase、楊繼偉等[3]對(duì)單倍體雄穗自然恢復(fù)的研究結(jié)果表明，自然恢復(fù)率在10%左右，不同基因型之間差異顯著，變異系數(shù)達(dá)50%。吳鵬昊[4]對(duì)豫8701和4F1的研究結(jié)果表明，育性恢復(fù)基因位于不同染色體上，預(yù)測(cè)認(rèn)為單倍體育性恢復(fù)可能受到多個(gè)功能基因的調(diào)控。果穗的結(jié)實(shí)性差除了受花粉影響外，可能也受雌穗不育的影響[5]。

利用單倍體誘導(dǎo)系誘導(dǎo)材料時(shí)，仿用制種田的辦法，被誘導(dǎo)材料作母本，誘導(dǎo)系作父本，采用不同的行比，誘導(dǎo)系種植不同的播期是解決大量誘導(dǎo)材料的有效途徑，即使誘導(dǎo)的材料或誘導(dǎo)系的誘導(dǎo)率低也不是問(wèn)題。需要改進(jìn)的是單倍體誘導(dǎo)系長(zhǎng)勢(shì)弱，最好應(yīng)用有共同誘導(dǎo)基因的單倍體誘導(dǎo)系的雜交種作為父本，既不降低誘導(dǎo)率，也解決了田間發(fā)育的問(wèn)題。誘導(dǎo)的后代果穗籽粒收獲時(shí)水分不能降得太低，含水量太低，花青素表達(dá)不清晰，人工選擇準(zhǔn)確性下降。

利用單倍體技術(shù)進(jìn)行玉米育種時(shí)，組織材料選擇單倍體誘導(dǎo)率高的玉米材料更有利于單倍體的產(chǎn)生。如果選擇在自然條件下加倍，育種材料應(yīng)選擇單倍體自然恢復(fù)性好的材料，種植地點(diǎn)選擇海南或甘肅等光照好、晝夜溫差大的地區(qū)[4]，前期發(fā)育進(jìn)程慢對(duì)單倍體植株育性的恢復(fù)可能更有利[6]。

國(guó)內(nèi)很多的公司已普遍將單倍體育種流程與玉米常規(guī)育種流程緊密結(jié)合，但是單倍體的挑選效率、準(zhǔn)確性以及自然加倍效率低還是技術(shù)應(yīng)用的主要限制環(huán)節(jié)。相對(duì)于秋水仙素加倍，自然加倍率太低，已不能滿足工程化育種規(guī)模的要求，需要探索工廠化的單倍體加倍方法。

4? ? 參考文獻(xiàn)

[1] 何海軍.玉米單倍體育種研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2018（1）：4-5.

[2] 陳紹江，黎亮，李浩川，等.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，2012.

[3] 楊繼偉，曲彥志，崔麗洋，等.玉米單倍體育性自然恢復(fù)研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018（5）：8-11.

[4] 吳鵬昊.玉米生物誘導(dǎo)單倍體雄穗育性恢復(fù)[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 任姣姣，吳鵬昊，田小龍，等.玉米單倍體雌穗育性自然恢復(fù)研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，23（8）：1-7.

[6] 王嬋，劉建勛，王托和，等.單倍體育種技術(shù)在玉米種質(zhì)創(chuàng)新上的應(yīng)用與實(shí)踐[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2019（10）：32-33.