玉米單倍體育種技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

邵澤廣

（郯城縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東郯城 276100）

玉米是較早發(fā)現(xiàn)和利用雜交優(yōu)勢(shì)的農(nóng)作物之一。玉米雜交種豐產(chǎn)性好，適應(yīng)性強(qiáng)。常規(guī)選育法和單倍體育種法是目前應(yīng)用最為廣泛的2種自交系選育方式[1]。常規(guī)選育法在運(yùn)用期間，需要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行育種，一般為4～6年，整體選擇效率不高。在應(yīng)用單倍體育種技術(shù)的過(guò)程中，可以直接借助配子體，周期比較短，能被控制在2～3年，育成的純系很穩(wěn)定，應(yīng)用和發(fā)展前景非常廣闊。

1 玉米單倍體獲取方法

1.1 自然發(fā)生的單倍體

所謂自然發(fā)生的單倍體，是指在玉米種植期間，因?yàn)槠渖嘲l(fā)育過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)異常的情況，最終可能會(huì)出現(xiàn)孤雌或孤雄生殖。一般情況下，自然發(fā)生的單倍體出現(xiàn)概率非常小。因?yàn)檫@種單倍體高度不育，所以無(wú)論是玉米植株，還是玉米組織器官等均較二倍體弱小。因此，在自然界中，單倍體的數(shù)量并不多。

1.2 孤雌生殖

一般而言，在玉米單倍體獲取階段，誘導(dǎo)玉米孤雌生殖的方式相對(duì)較多。在實(shí)際生殖期間，可以采取授粉方式，刺激未受精的卵細(xì)胞，讓其生長(zhǎng)和發(fā)育，最終引起孤雌生殖，從而獲得單倍體。同時(shí)，也可以使用紫外線對(duì)玉米花粉進(jìn)行高效處理，處理完畢后為正常玉米植株實(shí)施授粉，使其可以形成單倍體胚。Kato在2002年借助帶有R1-scm2基因的Stock6誘導(dǎo)系進(jìn)行了單倍體誘導(dǎo)實(shí)踐，其雜交后代的單倍體鑒定效率達(dá)到了94%[2]。此外，還可利用化學(xué)試劑誘導(dǎo)玉米單倍體，先用甲苯胺藍(lán)等化學(xué)試劑處理花粉，進(jìn)而產(chǎn)生單倍體。需要注意的是：在利用化學(xué)試劑誘導(dǎo)單倍體期間，植物生理及形態(tài)上都有可能發(fā)生改變，因而其可靠度還有待考究。

1.3 花粉、花藥培養(yǎng)

在獲取玉米單倍體過(guò)程中，除了上述2種方法之外，也可以利用花粉、花藥培養(yǎng)技術(shù)獲取單倍體。該方法獲取玉米單倍體的同時(shí)，還經(jīng)常出現(xiàn)已經(jīng)自然加倍的雙倍體或二倍體。但是，應(yīng)用花粉、花藥培養(yǎng)技術(shù)時(shí)，其缺點(diǎn)也比較明顯，需要先對(duì)愈傷組織進(jìn)行誘導(dǎo)，之后再進(jìn)行分化，讓其形成再生植株，在這一階段，并不是所有的小孢子都能實(shí)現(xiàn)無(wú)性增殖目標(biāo)。一般情況下，二倍體化以后，由于在適應(yīng)性方面存在一定局限，其出現(xiàn)了不同程度的生長(zhǎng)和結(jié)實(shí)困難。從理論層面考量，應(yīng)用花粉、花藥培養(yǎng)技術(shù)獲取玉米純系的速度相對(duì)較快，但截至目前，借助該技術(shù)獲得的純系或雜交種，依然不能被大面積地應(yīng)用于生產(chǎn)中[1]。

1.4 玉米子房誘導(dǎo)單倍體

通過(guò)對(duì)花粉進(jìn)行綜合利用，借助其中的刺激作用，對(duì)子房進(jìn)行誘導(dǎo)，最終培養(yǎng)出玉米子房誘導(dǎo)單倍體植株，可使玉米單倍體誘導(dǎo)體系更加穩(wěn)定和高效。湯飛宇等[2]對(duì)授粉時(shí)間長(zhǎng)短以及季節(jié)開(kāi)展了深入探究，并研究了季節(jié)對(duì)單倍體誘導(dǎo)效果產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，在獲取玉米單倍體的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)授粉時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制，讓其處于可控范圍，最好在12～22 h之間。在授粉結(jié)束后，子房對(duì)獲取玉米單倍體植物的概率會(huì)明顯增加。由此可知，授粉時(shí)間與玉米單倍體獲得有一定關(guān)聯(lián)[3]。在季節(jié)方面，獲得單倍體概率較高的季節(jié)為春季和秋季。同時(shí)，科學(xué)且高效地利用傳粉后的玉米子房，然后將此作為依據(jù)，對(duì)單倍體植株進(jìn)行誘導(dǎo)，這對(duì)卵細(xì)胞單性胚胎發(fā)育發(fā)展具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用[4]。一般在接種后的玉米子房?jī)?nèi)傳粉15 h左右可以誘導(dǎo)出單倍體。在此過(guò)程中，如果授粉所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)其沒(méi)有合理地進(jìn)行管理，子房受精危險(xiǎn)便會(huì)大幅度增加。因此，在應(yīng)用此技術(shù)時(shí)，要想提升玉米單倍體誘導(dǎo)的效率和質(zhì)量，必須嚴(yán)格管控授粉時(shí)間。

1.5 利用誘導(dǎo)系誘導(dǎo)單倍體

誘導(dǎo)系誘導(dǎo)的原理是玉米雙受精過(guò)程中一個(gè)精子與極核相結(jié)合，另一個(gè)精子卻無(wú)法與卵結(jié)合，因而不能形成受精卵。有學(xué)者用Stock6作父本，誘導(dǎo)單交種OH43×Mo17，獲得600個(gè)雜交果穗計(jì)305 100粒種子，經(jīng)籽粒標(biāo)記選擇和植株標(biāo)記選擇，最后獲得雙單倍體純系249個(gè)，并配出優(yōu)良的商業(yè)雜交種。有學(xué)者從美國(guó)引進(jìn)了玉米誘導(dǎo)系Stock6，并用其作父本對(duì)WBM、遼旅等6個(gè)玉米群體進(jìn)行了單倍體誘導(dǎo)，經(jīng)對(duì)誘導(dǎo)后代的籽粒、成株標(biāo)記和植株育性的鑒定，已獲得一些雙單倍體材料。我國(guó)學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。劉志增等[4]用一個(gè)高油玉米改良群體BHO和Stock6雜交，經(jīng)多代自交和測(cè)交選育出農(nóng)大高誘1號(hào)單倍體誘導(dǎo)系。現(xiàn)階段，國(guó)外通過(guò)對(duì)Stock6的改造，已衍生出數(shù)個(gè)單倍體誘導(dǎo)系。誘導(dǎo)系誘導(dǎo)單倍體的過(guò)程：首先，根據(jù)玉米育種目標(biāo)，合成基礎(chǔ)群體，用基礎(chǔ)群體作母本、用誘導(dǎo)系作父本給其授粉，在誘導(dǎo)系授粉后的基礎(chǔ)群體成熟后，人工挑選沒(méi)有攜帶誘導(dǎo)系顯性標(biāo)記的籽粒，這些籽粒即為單倍體籽粒[5]。其次，選擇適合的播種季節(jié)，利用秋水仙素處理催芽后的單倍體種子，從而使單倍體加倍。最后，播種處理后的種子，在這些種子材料開(kāi)花期選擇有花粉的植株人工自交授粉，待種子成熟后便獲得穩(wěn)定的自交系。

2 玉米單倍體的鑒定方法

2.1 遺傳標(biāo)記法

對(duì)單倍體誘導(dǎo)系材料進(jìn)行高效利用，借助其自身攜帶遺傳標(biāo)記基因引起的性狀特點(diǎn)，對(duì)單倍體進(jìn)行科學(xué)且合理地篩選，可以有效減少按照基因形態(tài)差異篩選期間存在的誤差。在基因篩選中，往往可能會(huì)產(chǎn)生大量誤差，而借助遺傳標(biāo)記法，該問(wèn)題便能有效規(guī)避。陳紹江等[6]對(duì)Stock6和高油群體進(jìn)行利用，讓二者實(shí)現(xiàn)雜交，能運(yùn)用高油分的花粉直感效應(yīng)，將玉米單倍體精準(zhǔn)鑒定出來(lái)。雜交當(dāng)代作物可以直接促使母本籽粒的萌芽胚面積逐漸增大，標(biāo)記較為清楚。在田間性狀調(diào)查期間，對(duì)遺傳標(biāo)記性狀進(jìn)行高效運(yùn)用，能大幅度提高單倍體植株的選擇率，對(duì)今后加倍工作的順利開(kāi)展有很大促進(jìn)意義。

2.2 分子標(biāo)記方法

湯飛宇等[2]利用SSR標(biāo)記檢測(cè)來(lái)源于玉米孤雌生殖的雙單倍體，取得了明顯的效果。

3 展望

隨著近年來(lái)我國(guó)綠色玉米產(chǎn)業(yè)種植市場(chǎng)規(guī)模和玉米市場(chǎng)品種需求量的快速攀升，玉米種植規(guī)模不斷擴(kuò)大。這一發(fā)展趨勢(shì)既是推動(dòng)當(dāng)前綠色玉米種植產(chǎn)業(yè)鏈健康穩(wěn)定發(fā)展的重要契機(jī)，又是嚴(yán)峻的市場(chǎng)挑戰(zhàn)。其中，如何有效利用單倍體誘導(dǎo)系誘導(dǎo)玉米單倍體的發(fā)生是極為重要的部分。我國(guó)科研技術(shù)工作者對(duì)誘導(dǎo)系進(jìn)行全面優(yōu)化和持續(xù)改良，為單倍體玉米誘導(dǎo)發(fā)生頻率的不斷提高與應(yīng)用做出了巨大的努力和突出貢獻(xiàn)。

現(xiàn)階段，部分科研院所已經(jīng)積極開(kāi)展了關(guān)于有效對(duì)抗微管的植物除草劑及其藥劑的分類(lèi)研究，除草劑對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害性較小外，與秋水仙素相比，其優(yōu)勢(shì)很明顯，能呈現(xiàn)出低毒、低殘留的特征，降解過(guò)程比較簡(jiǎn)單。從整體的層面考量，在對(duì)玉米單倍體獲取期間，如果能找到加倍單倍體的方法或者試劑，那么在玉米實(shí)際種植階段，單倍體育種技術(shù)的發(fā)展將會(huì)越來(lái)越好，水平也會(huì)大幅度提高，進(jìn)而朝著更為長(zhǎng)久的方向邁進(jìn)。

應(yīng)用單倍體技術(shù)種植玉米前景十分廣闊[7]。在實(shí)際操作過(guò)程中，針對(duì)目標(biāo)誘導(dǎo)材料，應(yīng)實(shí)施重組改良，并大量累積有利基因點(diǎn)位，當(dāng)其達(dá)到一定程度后，將單倍體技術(shù)有效應(yīng)用于其中以獲得純系。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的高效利用，單倍體在育種方面存在的優(yōu)勢(shì)能得到充分展現(xiàn)，不僅很大程度上提升了玉米育種效率，還保證了玉米種植的整體產(chǎn)量。同時(shí)，在遺傳學(xué)的實(shí)際研究過(guò)程中，單倍體群體有很高的研究?jī)r(jià)值，在基因定位、克隆等方面都可以合理應(yīng)用。在未來(lái)的工作和研究中，單倍體加倍技術(shù)的研究需要深入開(kāi)展，加強(qiáng)重視[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

與常規(guī)選育法相比，玉米單倍體育種技術(shù)在選育自交系時(shí)間和成本控制上都有很顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠直接利用配子體進(jìn)行選擇。因此，在玉米種植期間，為了較大程度地提高玉米產(chǎn)量和質(zhì)量，一定要強(qiáng)化對(duì)該技術(shù)的利用和推廣。結(jié)合我國(guó)當(dāng)前玉米種植現(xiàn)狀，還要加大對(duì)玉米單倍體育種技術(shù)的研究和創(chuàng)新力度，確保技術(shù)水平整體提升。