生物技術(shù)在玉米育種中的應用

□ 周恪馳 何長安 紀春學 王 輝 張 恒

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院克山分院，黑龍江 克山 161005）

引 言

玉米是我國非常重要的農(nóng)產(chǎn)品，是人們非常喜愛的糧食作物。要想提升玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量，增加玉米的相關性能，將生物技術(shù)應用在玉米育種當中可以發(fā)揮相應效果。我國常規(guī)玉米育種技術(shù)有著較長的發(fā)展時間，但是常規(guī)玉米育種技術(shù)導致玉米育種的時間較長，效率無法提升，并且在玉米目標品種選擇方面需要消耗較長的時間。因此，在現(xiàn)代社會中需要使用更加先進的技術(shù)，比如生物技術(shù)，將其與常規(guī)育種技術(shù)相互結(jié)合，能夠有效提升育種的效果，獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的玉米品種。

一、生物技術(shù)的發(fā)展歷程

在研究生物技術(shù)時，主要依靠的是生命科學相關原理，生產(chǎn)的生物制品所使用的是生物體系和工程原理。利用生物技術(shù)可以制造出新的物種，屬于非常先進并且現(xiàn)代化的學科技術(shù)。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，其發(fā)展歷程可以分為三個階段。

（一）傳統(tǒng)生物技術(shù)階段

進入20世紀之后，科學技術(shù)有了明顯的提升，人們開始研究生物技術(shù)。當時的生物技術(shù)所使用的是微生物發(fā)酵方式，從而形成新的產(chǎn)品。而隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，生物技術(shù)不僅僅是在化學和微生物領域中進行應用，已經(jīng)開始向其他產(chǎn)品方向轉(zhuǎn)變，比如糧食領域中，利用生物技術(shù)可以生產(chǎn)很多人們?nèi)粘Ｉ钪兴枰漠a(chǎn)品包括酒精、檸檬酸等，這進一步推動了生物技術(shù)的更好發(fā)展。

（二）近代生物技術(shù)發(fā)展過程

在20世紀30年代至70年代這一階段，生物技術(shù)不斷發(fā)展，取得了顯著的成果。比如在抗生素工業(yè)、氨基酸發(fā)酵以及酶制劑工程等方面都有突出的成就，說明生物技術(shù)的發(fā)展速度越來越快。其中最先進的就是植物組織培養(yǎng)技術(shù)，主要是使用人工培養(yǎng)基的方法對植物組織進行培養(yǎng)，并且在此基礎之上完成了細胞工程研究工作。利用生物技術(shù)可以將植物原生質(zhì)體、懸浮細胞以及植物的根、莖、葉等器官培育成另一種植物，能夠加快植物繁殖速度。在60年代，原生質(zhì)體培養(yǎng)技術(shù)就已經(jīng)取得了明顯的效果，充分利用合質(zhì)體細胞技術(shù)獲得了巨大的成功。

（三）現(xiàn)代生物技術(shù)階段

1.基因工程

生物的主要遺傳物質(zhì)是DNA，生物技術(shù)利用DNA組合進行實驗已經(jīng)取得成功，并建立起基因工程?；蚬こ讨饕\用的是植物基因分離、載體構(gòu)建、受體導入、篩選培養(yǎng)、鑒定這五個步驟來實現(xiàn)目標。在受體細胞當中融入天然的或外源基因，并進行基因組整合，這樣能夠?qū)⑼庠椿虻谋磉_在植物個體中呈現(xiàn)。

2.細胞工程

細胞工程主要是在離體組織或細胞水平上對植物進行培養(yǎng)和增殖，這樣能夠增加具有優(yōu)良性狀植株的繁殖量，研發(fā)植物新品種。細胞工程包括植物原生質(zhì)體培養(yǎng)、體細胞和器官培養(yǎng)、體細胞無性系變異體的篩選和人工種子等內(nèi)容。其中體細胞雜交是對植物的細胞進行融合，從而研發(fā)出全新的植物品種。在植物當中的每一個體細胞都具有誘導成胚的可能性，并且優(yōu)點較多，包括繁殖速度快，不受地區(qū)、季節(jié)和氣候等自然條件的限制等。人工種子技術(shù)所利用的是胚狀體發(fā)生體系促進植物的繁殖，將種子功能在體胚中體現(xiàn)。當前，人工種子主要是由體細胞胚（胚狀體）加上保護性外殼（人工種皮）及提供胚發(fā)育的營養(yǎng)（人工胚乳）三部分組成，但是受到其他因素的限制，人工種子技術(shù)并沒有取得十分顯著的成果。

二、生物技術(shù)在農(nóng)作物育種中的應用

通過對生物技術(shù)的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)將生物技術(shù)應用在農(nóng)作物育種當中可以起到很好的效果，并且所形成的育種方式也非常的多樣化，有很多的培養(yǎng)方式。

（一）作物組織培養(yǎng)

將生物技術(shù)用在農(nóng)作物組織培養(yǎng)當中的主要目的是進行優(yōu)良品種的培育。對于無性繁殖作物進行脫毒和快速繁殖時，可以使用農(nóng)作物組織培養(yǎng)技術(shù)，這和種質(zhì)資源保存之間有密切聯(lián)系。在20世紀60年代時，就已經(jīng)成功研發(fā)出莖尖培養(yǎng)方法，應用在蘭花培育方面獲得了大量的繁殖效果，自此之后開始將農(nóng)作物組織培養(yǎng)技術(shù)應用在農(nóng)作物快速繁殖和脫毒種苗研究中。一直發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有超過100多種的植物實現(xiàn)快速繁殖的目標，能夠獲得很好的小植株，然后在工業(yè)化生產(chǎn)當中作為商品存在。對于農(nóng)作物組織培養(yǎng)工作進行細致的分析之后，我們可以發(fā)現(xiàn)雜種胚敗育的問題普遍存在于胚胎培養(yǎng)、雜交育種工作當中，可以取出早期生長胚利用組織培養(yǎng)方法來培育雜種植物。在農(nóng)作物選育優(yōu)良品種當中，胚胎培養(yǎng)可以說是提供一個全新的發(fā)展途徑。

（二）體細胞雜交體

這種技術(shù)能夠創(chuàng)造更高的經(jīng)濟價值，并且獲得的新品種擁有很強的適應性。隨著體細胞雜交技術(shù)的不斷發(fā)展，所獲得的成果非常顯著。其中受到人們廣泛關注的是原西德、美國和日本等國的專家，將番茄的葉肉細胞與馬鈴薯的塊莖細胞相融合，成功選育了番茄薯和薯番茄新品種，這種品種的特點是能夠在地面上的區(qū)域種植番茄，而地下部分能夠獲得馬鈴薯。

（三）人工種子

當前，一些種子具有不結(jié)實的特點，并且售價非常昂貴。因此，我們可以利用人工種子技術(shù)，對這些種子進行繁殖培養(yǎng)。這種技術(shù)可以有效地縮短育種時間，并且進行人為控制，使農(nóng)作物的生長發(fā)育和抗性都能滿足需求，能夠預防種性退化問題。人工種子可以更好地進行生產(chǎn)、運輸和播種，并且能夠方便發(fā)芽和出苗。現(xiàn)代社會中一部分蔬菜人工種子已經(jīng)在工廠中進行生產(chǎn)，并取得很明顯的效果。

（四）轉(zhuǎn)基因育種

對農(nóng)作物中的基因進行轉(zhuǎn)移，從而獲得新的優(yōu)良品種是轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)的主要原理。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以培育出更加優(yōu)良的農(nóng)作物品種，比如可以增加農(nóng)作物的抗寒、抗旱、抗鹽、抗病蟲害等抗逆特性及品質(zhì)。

（五）分子標記輔助育種

分子標記輔助育種技術(shù)是利用分子標記基因的方法，將分子與目標形狀基因進行緊密的連接。這樣可以方便我們對種質(zhì)資源進行鑒定和篩選，更加具有針對性，能夠更好地對后代進行育種。并且分子標記輔助育種技術(shù)能夠分析和評價種質(zhì)資源和親本之間的關系，具有很多的用途。這種技術(shù)的特點在于選擇效率更高、更加準確，尤其是進行隱性基因控制性狀選擇時有著突出效果。

三、玉米育種應用分子標記技術(shù)

將生物技術(shù)應用在玉米育種當中已經(jīng)擁有很多年的歷程，并且獲得了顯著的成績。常規(guī)的玉米育種方法主要是利用形態(tài)學和生化標記的方式開展相關工作。但是這一過程受到標記數(shù)量少的限制，以及環(huán)境影響嚴重的限制，導致玉米育種的質(zhì)量一直無法滿足需求。而使用DNA分子標記技術(shù)之后進行玉米育種可以擁有很好的效果，并且已經(jīng)發(fā)展了很多年，技術(shù)相對成熟，因此是當前玉米育種技術(shù)中非常重要的技術(shù)之一，能夠促進玉米種植行業(yè)的更好發(fā)展。

（一）連鎖圖譜的構(gòu)建及基因定位

連鎖圖譜的構(gòu)建及基因定位技術(shù)，主要是將玉米內(nèi)部的基因與遺傳標記現(xiàn)象對位置的連鎖圖譜表示出來，充分利用遺傳因素圖譜的創(chuàng)建功能，能夠進一步滿足克隆、重組和定位功能的實現(xiàn)，技術(shù)應用在玉米分子遺傳學定位中擁有重要的作用。在實際進行玉米育種的過程中，利用分子標記技術(shù)能夠充分的實現(xiàn)玉米遺傳因素圖譜應用的效果，能夠為基因定位工作奠定基礎。進入20世紀80年代之后，我國在分子標記技術(shù)方面不斷研究，并取得了相應的成績，有效地拓寬了遺傳連鎖圖譜技術(shù)的應用范圍。在當前的玉米育種工作中，使用分子標記技術(shù)，可以產(chǎn)生很好的效果，提升玉米品種的抗逆、產(chǎn)量、株行等性能，可以使相關工作開展得更加順利。

（二）遺傳多樣性的分析

在玉米的基因當中所表現(xiàn)出的基因特點很多，多樣性是其中的一個特點，主要體現(xiàn)在遺傳多樣性方面。正是因為玉米的遺傳具有多樣性的特點，所以能夠證明玉米的外界逆境緩沖能力很好，而且對于不同的環(huán)境有著很強的適應能力，在不同的環(huán)境下也能穩(wěn)定生長。對玉米的遺傳多樣性特點進行研究和分析，可以幫助我們更好地對玉米資源進行保護，而且能夠劃分玉米優(yōu)勢種群、雜交育種權(quán)責，給它們提供一定的基礎。對基因進行識別和利用時主要應用的是分子標記技術(shù)，擁有非常明顯的特點，比如價值更高效果更好，可以對玉米種子進行優(yōu)選，提高玉米的種植效果。

四、染色體工程的主要應用

染色體工程在具體的應用中主要有染色體操作、染色體組操作等方面，這是利用染色體的排列順序、結(jié)構(gòu)方面來改變生物遺傳的特性。從玉米育種的染色體工程實際情況出發(fā)分析，主要是進行單倍體工程，其育種通過下述方式進行：孤雄生殖（花粉培養(yǎng)）、孤雌生殖（子房培養(yǎng)）、stock6單倍體技術(shù)。上述幾種技術(shù)是利用單倍體直接培養(yǎng)出純合二倍體，可以順利地培養(yǎng)出整株植株，促進育種效率的提升。Stock6屬于玉米自交體系的形式，根據(jù)使用的需要獲取更多單倍體，該方式被大量地應用到玉米育種中。

單倍體育種可以提高玉米自交系培育的速度，可以短時間內(nèi)完成育種，目前有95%以上的育種應用系譜法、回交法等進行，但是單體培育周期短、純合度高等優(yōu)勢被大量的應用。玉米單倍體可以自然發(fā)生，也可以采取干預措施發(fā)生，自然發(fā)生率較低，在0.1%左右。單倍體育種在作物育種方面可以產(chǎn)生非常好的效果，但是依然有明顯的不足，比如無法突破不良基因連鎖、基因間重組概率低、誘導頻率低等。此外，重組二倍體時，染色體加倍的難度較高。即使這樣，單倍體育種技術(shù)在玉米育種方面依然可以產(chǎn)生非常好的效果，如果將種質(zhì)擴增和育種改良融合到一起，能夠有效地提升單倍體育種效果和質(zhì)量。

五、基因工程在玉米育種中的應用

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，基因工程技術(shù)越來越成熟，通過對DNA進行重組或拼接能夠與生物學技術(shù)相配合，應用在玉米育種研究當中。所獲得的基因來源不同按照預先設計的方案進行拼接和重組，能夠形成新的DNA分子，將其應用到細胞當中，能夠改變物質(zhì)的遺傳特性，從而形成新的產(chǎn)品。

六、生物技術(shù)在玉米育種工作中的展望

自從進入21世紀之后，科學技術(shù)水平的不斷提升，促進生物技術(shù)的發(fā)展速度不斷加快。盡管常規(guī)技術(shù)有著非常明顯的應用優(yōu)勢，并且是當前玉米育種中的主要技術(shù)，但是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，生物技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)成為未來玉米育種工作中的主要趨勢。當前在農(nóng)業(yè)育種行業(yè)當中開始廣泛應用生物育種技術(shù)，盡管起步時間較晚，有些技術(shù)并不成熟，還有很多問題沒有得到解決，但是相信我們不斷地研究和應用會總結(jié)出更好的解決方法，從而有效地提升玉米育種的質(zhì)量和效率，因此我們必須對生物技術(shù)給予足夠的重視，使其能夠在玉米育種當中發(fā)揮應有的作用和價值。

七、推廣生物技術(shù)的措施

（一）加大宣傳力度

當前一些農(nóng)戶對于生物技術(shù)缺乏全面的了解，從而限制了生物技術(shù)的使用，因此我們需要增強對生物技術(shù)的宣傳力度，比如利用廣播、電視、手機、宣傳單等增加宣傳的渠道，能夠擴大生物技術(shù)的宣傳范圍，強化農(nóng)戶的認知。并且當?shù)氐恼块T應當在宣傳過程中發(fā)揮主導作用，根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，制定科學合理的宣傳方式和宣傳內(nèi)容，從而進一步增強生物技術(shù)的推廣效果。

（二）開展培訓活動

要想充分發(fā)揮出生物技術(shù)的作用，就需要有足夠強的專業(yè)性技術(shù)人員，因為生物技術(shù)的操作難度相對來說比較高，所以政府應當在進行生物技術(shù)宣傳講解的過程中，配備專業(yè)的技術(shù)人員進行集中的培訓。在培訓活動當中，讓農(nóng)戶充分了解生物技術(shù)的操作方法和步驟，并且保證生物技術(shù)可以真正的應用到農(nóng)業(yè)種植當中，從而增加農(nóng)業(yè)種植的效果獲得更多的經(jīng)濟效益。

結(jié) 語

在農(nóng)業(yè)種植過程中生物技術(shù)已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員在生物技術(shù)方面的研究深度也在不斷地增加，技術(shù)運用得更加合理和成熟會有更加顯著的應用效果。而且當前生物技術(shù)應用在玉米育種當中已經(jīng)獲得顯著的成績，可以有效地提升玉米的各項性能，充分地展現(xiàn)出生物技術(shù)的重要性和價值。所以我們需要重視生物技術(shù)分析當前的發(fā)展現(xiàn)狀，并且制定科學合理的研究策略和推廣策略，使得農(nóng)業(yè)種植中可以與生物技術(shù)充分融合，為我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。