玉米单倍体的诱导加倍技术及其应用研究

玉米单倍体的诱导加倍技术及其应用研究作者：卢保红杜如珊张广峰

来源：《农业开发与装备》 2018年第4期

摘要：主要针对玉米单倍体的诱导加倍技术及其应用进行分析，结合当下玉米单倍体的诱导加倍技术发展现状，从人工获取玉米单倍体方法、玉米单倍体的选择、单倍体加倍方面进行深入研究与探索，主要目的在于更好的推动玉米种植的发展与进步。

关键词：玉米种植；单倍体；诱导加倍；应用

0 引言

当前我国玉米种植虽然在世界上属于领先地位，但由于人口等因素致使其还不能较好满足内增长需求，并在2010年左右成为了玉米进口国家。为了解决这一问题，需要培养全新的玉米品种。在现代科技发展引导下，以玉米孤雌诱导为核心的单倍体技术逐渐形成，并成为玉米培育的主要技术。

1 玉米单倍体人工获取方法

1.1 远缘杂交

通常情况下亲缘联系较为疏远的花粉不能较好的与母体卵细胞进行受精，但可对卵细胞进行刺激，不断诱发其成为翻倍体与双倍体。玉米在远缘杂交期间可在双方体细胞分裂时间缺乏统一性的作用下，致使其相应的DNA缺失，进一步形成单倍体。

1.2 花药培养

花药培养方法主要是利用所有玉米营养细胞都具有及为完整的性能这一特征，同时花药培养方法也是获取玉米单倍体的主要方法。其中利用这一方法进行培养具有较强的难度，其主要原因通常为玉米植物花药愈合组织分化率与诱导率相对较弱，并受到DNA的约束。我国科研人员利用花药培养方法收获了单倍体，并在各种优化过程中逐渐获得较为完善的实验培养技术。国外研究人员利用这种技术，育种效率方面也获得了较大的成功。早在1993年左右，我国就已经利用这一方法培育出相应的种子并进行大面积种植。

1.3 孤雌生殖诱导体系

这一培养方法有着通过杂交诱导母本雌配子体出现较高频率的单倍体功能，也是玉米单倍体诱导的主要方法之一。其中Stock6是当前首个选育形成的良好玉米单倍体系统，有着极为广泛的应用。科研人员以Stock6为杂交父本与诱导植物进行杂交，其后代中孤雌生殖单倍体出现率通常为1.5%至2.5%。同时Stock6也存在较多的缺点，例如：花粉量相对较少、结实性能较弱以及散粉较差等现象。所以，在使用Stock6对单倍体进行诱导的要素是结合实际种植情况对其进行优化与创新。世界上先进的SW14、ZMS等玉米品种都是通过Stock6为核心利用杂交技术获得的全新诱导系，被诱导玉米进行杂交期间，单倍体形成率通常为3.5%左右。在客观因素影响下，我国对其研究相对较晚，但却取得了较大的成果。在不断创新研究下，中国农业大学培育出的孤雌生殖单倍体诱导系统的诱导率高达5.9%，另一些科研人员培育出的品种诱导率甚至高达10.5%左右。其中HO1—HO5品种的诱导率在2.5%至18.8%之间。通过诱导系统诱导玉米单倍体操作流程较为简洁，鉴别方法也十分简单，是当前培育玉米单倍体最为有效并具有较强经济性的方法。

2 玉米单倍体的选择

在选择玉米单倍体时，可根据遗传性标记特征、形态特点等为选择依据，并利用相应的检测方法进行明确，通常情况下，分子标记与流式细胞仪等也可对其单倍体进行科学的检测。在实际培育诱导期间主要是通过孤雌生殖诱导系统诱导玉米单倍体，这也是各育种机构经常使用的措施。通常诱导系统都具有植物颜色与籽粒两种遗传标记，主要体现为紫色的胚芽尖端与胚乳顶端、紫色叶鞘与叶片等。同时各种遗传标记受到显性遗传基因的约束，并在其杂交后代中显现出来。单倍体玉米籽粒拥有紫色的粒尖与无色的培养，因此可通过籽粒遗传标记准确的挑选玉米单倍体籽粒。以此同时单倍体植物在生长期间较为矮小，生长速率较慢，叶片直立并呈现出淡绿色等。所以也可根据其实际生长情况对单倍体进行选择。

3 单倍体加倍

3.1 单倍体自然加倍措施

相关研究人员通过对300株玉米单倍体磁穗进行授粉，每穗工结实27粒，只有7株玉米穗没有结实。这也进一步证明了单倍体的自交结实与玉米雄穗是否恢复可育性有着之间的联系，其中自然加倍率也受到植株基因以及种植环境的直接影响。在自然中进行种植，玉米单倍体自然加倍率在0.5%至1.5%之间。遗传基因的差异也使得自然加倍率具有较大的不同，一些植物不出现加倍现象，一些植物自然加倍率甚至达到10%左右。通常情况下玉米单倍体植物具有雄雌缺乏协调性以及雄性不育等现象，加倍率较高的植株可通过自身育性恢复能力进行自交结实，自然加倍率较弱的植株则只能通过人工加倍恢复育性时才可进行育种与研究。

3.2 化学加倍措施

浸种方法是最为常见的化学加倍方法，也就是将单倍体玉米种子浸泡在秋水仙素中。先使用清水浸泡玉米单倍体种子24h左右，在其出现膨胀现象后在利用秋水仙素浸泡8～12h，在使用清水浸泡其15h左右后才能进行播种，降低对玉米种子产生的损伤。一些研究人员利用这一方法对种子进行处理后，使用相关设备对种子胚芽进行切口处理，其加倍效率明显提高，加倍率通常为19.5%左右。

另一方面，也对可浸芽法进行使用。在种子发芽长大2cm时，利用设备清除其芽顶端胚芽鞘在进行浸泡。相关研究人员在18℃恒定温度与黑暗环境下使用0.06%的秋水仙素溶液浸泡其12h，并在18℃与60℃环境中使其恢复2h左右，这时18℃单倍体植株加倍率为29.2%，26℃加倍率为32.7%。另一点研究人员利用这一方法对单倍体进行处理，其中有5.2%单倍体出现可育花粉，40%单倍体可进行自交，28%单倍体可自交结实。

4 单倍体育种技术的运用

4.1 降低育种时间，提高筛选质量

以往的育种技术在选育诱导系统期间，需不断自交7代左右才可获得纯度达到99%的自交系统，在耗时耗力的同时，还需要较长的周期。在利用单倍体育种技术时，只需要两代自交就可获得纯度为100%的诱导系统，在利用2a测交组合实验，从选择培育自交系统到获得杂交种通常只需要4a时间。与以往育种相比，在降低工作量节省时间的及时长，还可较好的加快育种周期。

其中由于单倍体只拥有一套染色体缺少等位DNA，在自交系统育种期间使用单倍体育种技术可对其基因进行简化，清除显现现象，对有力的上位与加性效应进行保留，并对具有较强害