利用單倍體誘導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)制高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗宜機(jī)收玉米新種質(zhì)研究進(jìn)展

劉素玲 吳占清 康宇靜 陳 威 許海良 李會(huì)寬 李雪松

（開封市農(nóng)林科學(xué)研究院，河南開封 475004）

玉米是糧食兼優(yōu)質(zhì)飼料和工業(yè)原料作物，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。盡快培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收玉米新品種是當(dāng)前我國(guó)玉米育種發(fā)展的方向。目前，河南省乃至我國(guó)玉米育種技術(shù)普遍存在育種周期長(zhǎng)、耗費(fèi)資源多、成效慢等特點(diǎn)。單倍體誘導(dǎo)技術(shù)是利用單倍體誘導(dǎo)系通過雜交誘發(fā)產(chǎn)生單倍體，再通過染色體組加倍使植物恢復(fù)正常染色體數(shù)，從而獲得純合基因型的一種育種方法，也稱作單倍體育種。目前，全世界已有250余種作物應(yīng)用了單倍體誘導(dǎo)技術(shù)，有12種作物培育出來自栽培種的DH系。利用單倍體誘導(dǎo)系可以明顯提高親本產(chǎn)生單倍體的概率，簡(jiǎn)單易行，是目前制備單倍體最常用、最經(jīng)濟(jì)的方法之一[1]。單倍體誘導(dǎo)技術(shù)具有種質(zhì)純合快、目標(biāo)性強(qiáng)、成效快、節(jié)省人力物力等特點(diǎn)，大大提高了玉米新品種選育速度。借助開封市科技計(jì)劃項(xiàng)目支持，利用單倍體誘導(dǎo)技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，開展了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收玉米新種質(zhì)研究，旨在創(chuàng)制一批綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收的玉米骨干自交系材料，從而培育出符合目標(biāo)性狀且具有良好推廣應(yīng)用前景的玉米新品種，加快玉米育種進(jìn)程，盡快解決我國(guó)玉米生產(chǎn)上的實(shí)際問題，并為我國(guó)玉米生產(chǎn)提供有力的科技支撐和保障。

1 研究方法

本研究采用開封市農(nóng)林科學(xué)研究院擁有的2 000多個(gè)優(yōu)良玉米自交系，選擇具有目標(biāo)性狀材料進(jìn)行組培，可獲得200多份F1代材料作母本，以誘導(dǎo)率高、花粉量大、結(jié)實(shí)性好的自有誘導(dǎo)系MT-1作父本進(jìn)行雜交，于母本吐絲后進(jìn)行授粉，收獲后選擇結(jié)實(shí)性好的果穗，在果穗上挑選無色胚芽、紫色粒頂、胚近三角形的準(zhǔn)單倍體，種植后進(jìn)行田間鑒定，選擇田間表現(xiàn)為植株矮小細(xì)弱、葉片和莖稈均呈綠色的植株進(jìn)行加倍，結(jié)合田間抗病性和農(nóng)藝性狀鑒定創(chuàng)制一批具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收等優(yōu)良性狀的玉米骨干育種材料，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)配合力分析組配優(yōu)良的雜交組合，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收的優(yōu)良雜交玉米新品種。

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 單倍體誘導(dǎo)系的選擇

獲得單倍體的方法主要有自然發(fā)生和人工誘導(dǎo)2種。自然發(fā)生單倍體的概率極低，發(fā)生率一般不超過0.1%[2]。人工誘導(dǎo)單倍體的方法有遠(yuǎn)緣雜交、花藥培養(yǎng)、小孢子培養(yǎng)、孤雌生殖和單倍體誘導(dǎo)系誘導(dǎo)等[3]。玉米單倍體的研究及DH系在玉米育種上的利用始于1947年，Chase[4]最先將選育的優(yōu)良DH系用于雜交種的組配。目前，國(guó)內(nèi)誘導(dǎo)系普遍存在誘導(dǎo)率低、花粉不育、繁殖性能下降、病害發(fā)生嚴(yán)重等缺陷。MT-1是開封市農(nóng)林科學(xué)研究院從國(guó)外引進(jìn)并通過改良轉(zhuǎn)化為自有的一個(gè)優(yōu)良誘導(dǎo)系，具有誘導(dǎo)率高、花粉量大、結(jié)實(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，可保證單倍體誘導(dǎo)技術(shù)的成功。

2.2 單倍體的篩選

單倍體在田間表現(xiàn)為植株矮小細(xì)弱，葉片和莖稈均呈綠色，其果穗表現(xiàn)為胚芽無色、粒頂紫色、胚近三角形。通過認(rèn)真篩選，并對(duì)單倍體進(jìn)行加倍后，田間和室內(nèi)篩選出產(chǎn)量高、品質(zhì)好、抗倒、抗病、抗逆性強(qiáng)、適宜機(jī)械收獲的骨干育種材料，進(jìn)行配合分析，組配雜交組合，培育出優(yōu)良的玉米雜交種。具體玉米雜交種選育技術(shù)流程見圖1。

2.3 單倍體加倍方法

單倍體加倍分為自然加倍和人工加倍。自然加倍的加倍率受種質(zhì)基礎(chǔ)材料、生態(tài)環(huán)境、播期等條件的影響，加倍率較低，一般在1%～5%之間。人工加倍有浸種法、浸根法、浸芽法、注射法和點(diǎn)心法等方法，加倍率較自然加倍有所提高，以浸種法加倍率較高。本研究采用0.6 mg/mL的秋水仙素浸種，加倍率可達(dá)20%～30%，高的可達(dá)70%以上，能夠保證單倍體成功加倍為雙單倍體。

3 選育進(jìn)程

3.1 利用單倍體誘導(dǎo)技術(shù)加快育種進(jìn)程

2017年夏，在開封市八里灣姬坡農(nóng)場(chǎng)玉米試驗(yàn)基地，根據(jù)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收育種目標(biāo)，選擇符合育種目標(biāo)的自交系材料進(jìn)行組配，收獲F1代種子。2017年底至2018年初在海南用單倍體誘導(dǎo)系MT-1對(duì)F1代雜交種植株進(jìn)行誘導(dǎo)，產(chǎn)生單倍體F1代種子。2018年在開封市八里灣姬坡農(nóng)場(chǎng)夏播，選擇誘導(dǎo)成功的單倍體植株，同時(shí)收獲種子。2018年底至2019年初在海南用0.6 mg/mL秋水仙素浸種，然后播種，田間選擇加倍成功的雙單倍體，并根據(jù)育種目標(biāo)選擇優(yōu)良的雙單倍體單株，用于2018年夏播組配雜交組合。通過以上技術(shù)，選育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收的純合骨干自交系材料85份，且具有配合力高、抗病性好、抗倒伏、灌漿速度快、品質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)。2020年繼續(xù)對(duì)獲得的自交系材料進(jìn)行組培和鑒定篩選，參加河南省中間試驗(yàn)。2021年，選育出的玉米新品種開青一號(hào)已通過河南省審定，多個(gè)優(yōu)良品系正在參加河南省中間試驗(yàn)，不久將會(huì)陸續(xù)選育一大批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收的優(yōu)良玉米新品種。

3.2 借助分子標(biāo)記和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，提高單倍體誘導(dǎo)成功率

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米抗病性的抗性遺傳規(guī)律及功能基因定位分析已經(jīng)開展了較為廣泛和深入的研究。國(guó)家玉米改良中心有關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為，玉米對(duì)腫囊腐霉菌引起的莖腐病抗性受一對(duì)質(zhì)量基因控制，并把該基因定位在2 cm遺傳距離之內(nèi)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)學(xué)者研究表明，玉米莖腐病受多基因控制，但存在效應(yīng)值很大的主效基因，目前已經(jīng)把該病的一個(gè)主效基因定位在第10條染色體上500 kb范圍內(nèi)，并開發(fā)了可以用于分子標(biāo)記輔助選擇的功能基因標(biāo)記。本研究采用單倍體育種誘導(dǎo)技術(shù)與分子標(biāo)記輔助技術(shù)相結(jié)合的方法，以含有一定熱帶血緣的美國(guó)雜交種高抗玉米莖腐病優(yōu)良選系材料X178為供體親本，與鄭58、PH6WC、PH4CV等一批國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)上的骨干育種材料雜交，利用與目標(biāo)基因緊密連鎖的SSR分子標(biāo)記，遺傳距離在1 cm之內(nèi)，遺傳交換率理論上很小，對(duì)目標(biāo)抗病基因進(jìn)行選擇，最后結(jié)合田間抗病性和農(nóng)藝性狀鑒定，保證了目標(biāo)基因的準(zhǔn)確性，創(chuàng)制了一批高抗莖腐病骨干育種材料，從而加速了抗病性優(yōu)良雜交玉米新品種培育進(jìn)程。

3.3 熟練利用單倍體誘導(dǎo)技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合的手段進(jìn)行玉米育種

把單倍體誘導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于玉米育種是現(xiàn)代科研單位培育優(yōu)良玉米新品種、同步增產(chǎn)增質(zhì)的主流趨勢(shì)。通過近5年的研究實(shí)施，建立了集單倍體誘導(dǎo)技術(shù)、常規(guī)育種技術(shù)、田間鑒定、配合力分析等技術(shù)手段為一體的玉米高效育種體系，形成了一套成熟單倍體誘導(dǎo)技術(shù)和常規(guī)育種相結(jié)合的高效育種技術(shù)流程。單倍體育種具有種質(zhì)純合快、目標(biāo)性強(qiáng)、成效快、節(jié)省人力物力等特點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)成員熟練掌握了單倍體誘導(dǎo)技術(shù)的操作及流程，加速了自交系選育過程中的純合速度，較常規(guī)育種縮短育種年限3～5年。單倍體誘導(dǎo)技術(shù)和常規(guī)田間選擇技術(shù)相結(jié)合，在單倍體階段，充分展現(xiàn)每個(gè)品種的特點(diǎn)，更快、更準(zhǔn)確地選育出綜合性狀好、品質(zhì)佳、抗性強(qiáng)、灌漿速度快的優(yōu)良自交系，進(jìn)而組配雜交組合，更具有目標(biāo)性地選育優(yōu)良玉米新品種。

4 展望

4.1 高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收是未來玉米育種發(fā)展的方向

隨著人民生活水平的提高、餐食結(jié)構(gòu)的變化，必將促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)整。畜牧業(yè)的加快發(fā)展，需要擴(kuò)大玉米種植面積，而我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力不斷向城市轉(zhuǎn)移，務(wù)農(nóng)人員越來越少，人工收獲玉米勞動(dòng)強(qiáng)度大，農(nóng)忙時(shí)常常出現(xiàn)勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)象。因此，玉米收獲機(jī)械化是擴(kuò)大玉米種植面積的客觀需要。

適宜機(jī)械化收獲，要求玉米品種不僅單產(chǎn)高，而且具有抗倒性好、抗逆性強(qiáng)、穗位整齊、生育后期籽粒脫水速度快等特點(diǎn)。目前，我國(guó)玉米生產(chǎn)上普遍存在易倒伏、對(duì)莖腐病等病害抗性差、穗位不整齊、生育后期籽粒含水量大等影響機(jī)械化收獲的問題。因此，利用單倍體誘導(dǎo)技術(shù)培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、宜機(jī)收的玉米新品種是我國(guó)未來玉米育種發(fā)展的方向。

4.2 利用單倍體誘導(dǎo)技術(shù)育種推動(dòng)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

單倍體育種技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，提高了育種的效率，開辟了育種新途徑，成為選育優(yōu)良自交系的重要手段[5]，為我國(guó)玉米生產(chǎn)提供有力的科技支撐和保障。同時(shí)，通過該研究育成的玉米品種抗性強(qiáng)、適宜機(jī)收，在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用時(shí)，結(jié)合配套高產(chǎn)栽培技術(shù)措施的實(shí)施，能大大地減少化學(xué)農(nóng)藥和化肥的施用次數(shù)，降低施用量，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

4.3 單倍體誘導(dǎo)技術(shù)成為選育優(yōu)良品種的重要手段

雖然我國(guó)對(duì)誘導(dǎo)系的研究起步較晚，但是通過專家們的努力已取得了顯著成效，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)育成了誘導(dǎo)系達(dá)5.8%的孤雌生殖單倍體誘導(dǎo)系農(nóng)大高誘1號(hào)[6-7]；才 卓等[8]選育的吉高誘導(dǎo)系3號(hào)誘導(dǎo)率達(dá)到了10.4%；劉治先等[9]選育的HO1-HOS誘導(dǎo)率為2.44%～18.50%；開封市農(nóng)林科學(xué)研究院有關(guān)學(xué)者選育的MT-1誘導(dǎo)率達(dá)10.3%。說明我國(guó)目前利用誘導(dǎo)系誘導(dǎo)單倍體已經(jīng)獲得了很大的進(jìn)步，隨著科學(xué)的發(fā)展，單倍體誘導(dǎo)技術(shù)將會(huì)在玉米育種領(lǐng)域起到更大的作用。