植物單倍體育種及其在玉米育種中的應(yīng)用淺析

陳雙

摘 要 隨著社會發(fā)展和時代進步，新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。玉米是最為主要的糧食作物之一，人們對其需求量日益增多，但在種種現(xiàn)實因素的影響下，玉米常規(guī)育種及栽培面臨著一系列困境。單倍體育種是植物育種的一種有效方式。基于此，從單倍體育種著手，重點探究其在玉米育種中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 單倍體育種;玉米育種;應(yīng)用

中圖分類號：S513 文獻標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.24.101

經(jīng)濟飛速發(fā)展的背景下，我國人口持續(xù)增長，對玉米這一主要糧食的需求量也日漸上漲。為了滿足實際需求，必須培育優(yōu)質(zhì)的玉米品種，若是以傳統(tǒng)的育種方式為主，必然不能達到既定標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)如今需科學(xué)應(yīng)用生物技術(shù)手段，即單倍體育種，及時優(yōu)化育種模式，提高效率與質(zhì)量，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。

1 植物單倍體育種技術(shù)

1.1 單倍體的獲得

單倍體育種是現(xiàn)如今應(yīng)用廣泛且最為優(yōu)良的育種方式，主要是指應(yīng)用一定的技術(shù)來獲得單倍體植株，再以化學(xué)或物理方式實現(xiàn)加倍，使植物獲得正常染色體數(shù)。獲得單倍體的途徑主要有2種：1）體內(nèi)發(fā)生，涉及自發(fā)產(chǎn)生、假受精等，假受精常發(fā)生于玉米雜交;2）應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)展開離體培養(yǎng)，主要方式以無菌操作為主，接種幼胚，使單倍體細胞分裂，逐漸發(fā)育，成為正常植株。離體培養(yǎng)的培養(yǎng)基內(nèi)需要添加一定量的植物生長調(diào)節(jié)劑。

1.2 鑒定

最先提出的鑒定方法為遺傳標(biāo)記法，這一方法應(yīng)用較為普遍，且準(zhǔn)確率較高。最為快速的鑒定方法為從形態(tài)學(xué)角度出發(fā)進行判斷。通常情況下，與純合二倍體植株相比，單倍體植株僅有70%左右的高度。實踐研究表明，當(dāng)玉米從二倍體轉(zhuǎn)換成單倍體時，組織化學(xué)成分發(fā)生一定的變化，主要為有機水含量增加，無機水含量降低。此時，應(yīng)用紫外分光光度計可對二倍體與單倍體進行鑒定。

2 植物單倍體育種技術(shù)在玉米育種中的應(yīng)用

2.1 花藥培養(yǎng)

玉米育種過程中，最為普遍的單倍體技術(shù)為花藥培養(yǎng)。通常情況下，取下仍處于孕穗期玉米的未成熟雄穗，將其放置一段時間。在接種前期，使用醋酸洋紅進行處理，明確具體的發(fā)育時期。把小孢子發(fā)育單核中晚期與雙核早期的花藥摘下，置于培養(yǎng)基中，25 d左右后，再將其轉(zhuǎn)放在再生培養(yǎng)基當(dāng)中。然后進行加倍處理，再自交，產(chǎn)生種子。另一育種方式是以胚狀體來誘導(dǎo)愈傷組織。盡管花粉植株染色體能夠自然加倍，但頻率卻不太理想，因此往往會以秋水仙素來進行處理，實現(xiàn)加倍[1]?，F(xiàn)如今，花藥離體培養(yǎng)已經(jīng)大大縮短了玉米育種年限，但因材料選用不同，誘導(dǎo)的最終效果也受到時間、培養(yǎng)體系等直接或間接的影響，目前仍舊未得到統(tǒng)一。

2.2 孤雌生殖

Stock6是最早的孤雌生殖誘導(dǎo)系，育種過程中用Stock6作父本，誘導(dǎo)育種材料母本。在不同的環(huán)境下，單倍體發(fā)生率存在明顯的差異。為了將單倍體與二倍體進行區(qū)分，應(yīng)當(dāng)以遺傳標(biāo)記法為主，將R-nj與P1直接導(dǎo)入，觀察胚、胚乳與莖稈顏色，若是胚中出現(xiàn)紫色盾狀體，胚乳中出現(xiàn)色頂冠，莖稈顏色為紫色，則可明確鑒定結(jié)果。

2.3 玉米單倍體加倍

2.3.1 自然加倍

相關(guān)研究報告表明，自然加倍僅占整體的10%左右，這是因為單倍體植株雌雄不調(diào)。在研究過程中，Chalyk[2]指出最多有1.2%的植株能夠經(jīng)自然加倍轉(zhuǎn)變?yōu)槎扼w，一般情況下自然加倍的頻率以及成功率較低，甚至有部分材料不會產(chǎn)生自然加倍。由此可見，若是以自然加倍的方式為主，必然不能滿足現(xiàn)如今的育種要求。因此，必須應(yīng)用生物技術(shù)，以人工加倍的方式為主，得到更多的二倍體。

2.3.2 人工加倍

人工加倍過程中常用的試劑包括秋水仙素、氟樂靈等，現(xiàn)如今在育種時應(yīng)用較為廣泛且加倍效果良好的則為秋水仙素。應(yīng)用方式為注射法、浸種法等，將秋水仙素用于根尖或莖尖生長點。采用注射法需要確定最適宜的濃度。魏俊杰等[3]將濃度為0.01%、0.05%、0.10%的秋水仙素注射到莖尖生長點，經(jīng)過分析與對比，發(fā)現(xiàn)濃度為0.01%時效果最佳，若是未能控制好濃度，反而會影響植株的健康生長。將10%甘油水溶液與0.05%秋水仙素混合，用量約0.5 mL，直接注射至內(nèi)子葉，經(jīng)過分析與對比發(fā)現(xiàn)其效果極佳，可大大提高效率。浸種法是最為簡便的一種方式，采用這一方式也需要確定浸種液的濃度。濃度和處理方式不同，加倍率也有著明顯的差異[4]。Gayen等[5]探究了秋水仙素濃度（0.03%、0.06%、0.10%）、處理方式（胚芽處切口、不切口）及浸種時間（6 h、12 h、24 h）對加倍率的影響，經(jīng)過具體的分析、對比，發(fā)現(xiàn)將切口的種子放置于0.06%濃度的秋水仙素中約12 h左右效果最佳，此時的加倍率達到了18%。

除此以外，還有兩種操作方式，即培養(yǎng)基滲入法以及浸根法。前一種操作方式主要應(yīng)用于花藥培養(yǎng)法，將愈傷組織放置在加入秋水仙素的培養(yǎng)基中，使其加倍、分化。例如，Wan等[6]將愈傷組織放置于0.05%左右秋水仙素培養(yǎng)基中，當(dāng)將時間延長至72 h時，發(fā)現(xiàn)加倍率達到了100%;Barnabas等[7]選用同樣的方式，進行多次實驗，發(fā)現(xiàn)濃度較高，則效果更加良好。浸根法就是將根部放置于溶液當(dāng)中浸泡一定時間，Seaney等[8]將玉米幼苗根系浸在0.05%秋水仙素溶液中24 h，最終效果為11株雄花可散粉。

2.4 優(yōu)勢與具體應(yīng)用

植物單倍體育種具有保留有利效用、快速獲得純系等明顯優(yōu)勢，這一生物技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)有了極其廣泛的應(yīng)用。例如，美國、德國的育種公司主要就應(yīng)用單倍體育種方式來處理玉米種子。相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，德國KWS公司以這一育種方式為主獲得2000純系/年?，F(xiàn)如今，經(jīng)過研究與試驗，美國也先后育成玉米單倍體誘導(dǎo)性，以更為全面、先進的方式培育玉米，保證其產(chǎn)量與品質(zhì)。我國科學(xué)院也重點研究了單倍體育種，最開始研究的是孤雌生殖，通過對比分析與篩選，確定了近400個優(yōu)良性狀，可用于玉米育種。隨后，我國多個單位對玉米單倍體育種展開了更加深入的研究，也都因地制宜地育成加倍單倍體，現(xiàn)如今已經(jīng)建設(shè)了多個試驗區(qū)。

3 玉米單倍體育種面臨的困境

在應(yīng)用單倍體技術(shù)的過程中，影響該技術(shù)應(yīng)用有效性的主要因素是物質(zhì)本身的遺傳特性和外部環(huán)境因素。育種材料具有不同的生長環(huán)境，因此單倍體培育速率相差很大。隨著生物技術(shù)的進步，單倍體育種技術(shù)越來越多地應(yīng)用于玉米品種改良和胚芽質(zhì)量創(chuàng)新[9]。雖然單倍體育種已經(jīng)廣為人知，但在種種因素的影響下，這一育種手段在應(yīng)用過程中仍舊面臨著一定的困境：1）單倍體發(fā)生頻率低，故需要大規(guī)模植株，但部分育種材料不易獲得，盡管可針對試驗研究收集材料，但很難在短時間內(nèi)大量獲得;2）鑒別過程中存在難度，如今優(yōu)良誘導(dǎo)性頻繁出現(xiàn)，要想快速實現(xiàn)純系鑒別，則應(yīng)當(dāng)及時解決誘導(dǎo)頻率低等種種問題，以打破不良基因連鎖限制，克服加倍困難問題。

4 新形勢下玉米單倍體育種發(fā)展趨勢

在科學(xué)技術(shù)不斷革新的今天，生物工程技術(shù)正在完善與成熟，利用這些技術(shù)積累足夠有利基因位點之后，再進行單倍體育種，能夠獲得性狀更加優(yōu)良的純系，將單倍體育種的優(yōu)勢充分呈現(xiàn)出來，大大提升玉米育種的質(zhì)量與效率。在今后的研究過程中，應(yīng)繼續(xù)探索合適的誘導(dǎo)條件，以誘導(dǎo)單倍體和二倍體，并借助分子標(biāo)記和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，擴大單倍體誘導(dǎo)基因型的范圍，以提高單倍體誘導(dǎo)成功率。經(jīng)過進一步深入研究與試驗，玉米單倍體育種的發(fā)展趨勢極其明朗：1）以工程化理念為主，優(yōu)化單倍體育種體系，明確研究方向，逐漸形成高效玉米育種技術(shù)體系;2）更加快速地獲取基礎(chǔ)材料，并對不易獲得的特殊材料展開探究與挖掘，解決部分材料不易獲得的困境;3）加強測配工作，實現(xiàn)大范圍規(guī)?；?，陸續(xù)解決種種問題，加快玉米育種技術(shù)的變革。隨著對單倍體物種研究的不斷深入，以及遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，玉米單倍體技術(shù)將不斷得到優(yōu)化，單倍體物種的技術(shù)體系將不斷完善[10]。單倍體育種技術(shù)在玉米遺傳和育種研究中得到了更廣泛的應(yīng)用，在提高玉米產(chǎn)量和多樣性、基因改造和生殖質(zhì)量創(chuàng)新方面發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié)語

將植物單倍體育種技術(shù)應(yīng)用至玉米育種中是新形勢下培育優(yōu)良玉米品種、同步增產(chǎn)增質(zhì)的主流趨勢。與其他育種技術(shù)相比，單倍體育種具有生物安全性能高、育種周期短等優(yōu)勢，符合現(xiàn)階段我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的實際需求。在具體的實驗研究過程中，應(yīng)當(dāng)將單倍體育種與傳統(tǒng)育種有機整合，同時發(fā)揮優(yōu)勢，保證玉米品種的優(yōu)良特性，提高育種效率以及產(chǎn)量水平，并為更加深入的研究提供可參考的實際依據(jù)。

參考文獻：

[1] 王江浩，尤帥，趙愛菊，等.玉米單倍體的誘導(dǎo)加倍技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，20（1）：70-75，79.

[2] Chalyk S T. Properties of maternal haploid maize plants and potential application to maize breeding[J].Euphytica，1994，79：13-18.

[3] 魏俊杰，池書敏，劉志增.關(guān)于玉米單倍體人工加倍方法及花粉活力測定的初步研究[J].玉米科學(xué)，2001（3）：12-13.

[4] 劉志增，宋同明.玉米單倍體雌雄育性的自然恢復(fù)以及染色體的化學(xué)加倍[J].作物學(xué)報，2000（6）：947-952.

[5] Gayen P， Sarkar K. Cytomixis in maize haploids[J].Indian Journal of Genetics and Plant Breeding，1996，56（1）：79-85.

[6] Wan Y J， Petolino， Widholm J. Eficient production of doubledhaploid plants through colchicine treatment of anther derivedmaize callus[J].Theor Appl Genet，1989，77（6）：889-892.

[7] Barnabas B， Obert B， Kovacs G. Colchicine， an efficient genome doubling agent for maize （Zea mays L.）microsporescultured in anthero[J].Plant Cell Reports，1999，18（10）：858-862.

[8] Seaney P R. Studies on monoploidy in maize[M].New York：Cornell University，1955.

[9] 戴惠學(xué)，胡俏強，陳舜權(quán).玉米單倍體育種研究進展及展望[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報，2011，27（4）：44-48.

[10] 趙靜紅，趙海濤，李勃，等.利用玉米單倍體育種技術(shù)培育優(yōu)質(zhì)玉米DH系[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2018，38（32）：74，76.

（責(zé)任編輯：劉 昀）