玉米单倍体诱导系及其在育种中的应用研究

玉米单倍体诱导系及其在育种中的应用研究

芦连勇;崔俊明;卢道文;孙海潮;牛永锋;王海莉

【摘要】利用单倍体诱导系选育玉米自交系这一新的育种方法能够快速提供来自供体亲本的稳定纯系,大大缩短自交系选育年限,加快育种进程,提高选育效率.就玉米单倍体诱导系在育种应用中的3个方面进行了论述与探讨,揭示了提高单倍体诱导系诱导率和建立高效的单倍体加倍方法,以及对单倍体诱导系诱导性状的遗传规律和诱导机制研究等问题是目前单倍体诱导系在玉米育种应用中亟待解决的问题.玉米单倍体诱导系在玉米育种中显示出巨大的应用前景.

【期刊名称】《安徽农业科学》

【年(卷),期】2011(039)009

【总页数】3页(P5145-5147)

【关键词】玉米单倍体诱导系;育种应用;发展前景

【作者】芦连勇;崔俊明;卢道文;孙海潮;牛永锋;王海莉

【作者单位】河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000

【正文语种】中文

【中图分类】S513

选育优良玉米杂交种的基础和关键在于选育出综合性状表现优良的双亲自交系。常规育种技术手段选育玉米自交系，获得一个纯系一般需要4～6年时间，耗费大量的人力、物力、财力。目前，我国95%以上的玉米育种力量选育玉米新品种的技术手段都是利用系谱法、回交法和二环系法等常规育种技术手段。常规育种技术手段存在的主要缺点是培育新品种周期长、速度慢、效率低不能适应现代育种产业化的激烈竞争要求，因此育种技术创新的主要方向之一就是利用优异种质快速选育玉米自交系和杂交种。近年来利用单倍体诱导系诱导玉米单倍体这一新的快速育种方法倍受关注。为此，笔者对玉米单倍体诱导系及其在育种中的应用进行综述。

1 玉米单倍体诱导系介绍

1.1 选育历程与进展 1949年，Chase提出了单倍体诱导选系的方法。利用自然发生或人工培育的单倍体植株经人工或自然加倍获得纯合的二倍体，再从中选育自交系［1］。1950年，Coe得到1个具有白色胚乳和紫色糊粉层的玉米自交系，经研究发现其有孤雌生殖能力，将其命名为Stock6。Stock6成为世界上第1个被广泛利用的孤雌生殖诱导系。Coe发现该自交系后代中可产生大约

2.52%的单倍体植株。Coe在1956年把控制籽粒性状和植株性状的2种显性标记基因R-nj 导入Stock6，经过自交和回交2代处理，显性色素基因可达到90%纯合，其基因型为ABPICR-njy;表现型为植株具有深紫色的叶片、茎秆、雄穗和花药，是由

A1A2C2BPI互补基因控制;果穗籽粒为白色硬粒型，籽粒顶端有紫色斑块和紫色胚芽，籽粒Navajo斑纹，由A1A2C1C2R-nj互补基因控制。因此其具有3重性状标记，如使用绿色植株与黄色籽粒的玉米材料作母本，Stock6作父本杂交，可根据杂交籽粒胚乳颜色、籽粒顶端和胚芽的颜色以及植株颜色3方面的表现型予以鉴定，鉴别出二倍体和单倍体籽粒和植株［2－5］。1964年，Coe将控制色素形成的C基因的显性抑制基因C-1导入Stock6，以具有紫色盾状体的材料作母本来

诱导单倍体，证明了Stock6诱导单倍体特性的可遗传性和潜在的利用价值［3］。以后的研究证明Stock6单倍体诱导率通过选择可以大幅提高。另外，Coe等将控制籽粒糊粉层和胚芽色素形成的ACR-nj基因和控制不定根叶鞘和茎杆色素形成的ABPI基因导入Stock6，使Stock6成为具有籽粒和植株双显性遗传标记的孤雌生殖单倍体诱导系，使Stock6具备了在育种中应用的必要条件［3］。

Chase使用的 A358，Trynov和 Zavalishina使用的 ZMS(Zarodyshevy Marker Saratovsky)，Chalyk使用的KMS(Korichnevy Marker saratovsky)及

MHI(Modovian Haploid Inducer)等都可以诱导产生3%左右的单倍体胚［2］。由于Stock6具有诱导母本雌配子体形成单倍体频率高的能力，目前已成为玉米育种中利用最多的诱导系材料。育种家利用Stock6作父本诱导了大量的母本单倍体，从中获得的部分玉米自交系已在生产上利用。张铭堂用单交种Oh43×Mo17作母本，用Stock6作父本，杂交获得660穗共305 100粒种子，经植株和籽粒标记

性状选择，最后共获得249个双倍体纯系;经同工酶分析、形态性状鉴别和产量测试，成功育成2个玉米自交系应用于生产中［4］。但是导入标记基因的Stock6

在育种应用中发现存在缺陷，如花粉量少，穗粒腐病严重，结实性差，诱导率下降，因此国内外的育种家对Stock6进行了进一步加工。通过杂交改良的方法相继育成了诱导率更高、综合性状有所改善的单倍体诱导系，如摩尔多瓦的ZMS、法国的SW14和俄罗斯的Krasnodar Markers。中国农业大学用1个高油玉米改良群体BHO和Stock6杂交，经多代培育成功选育出“农大高诱1号”单倍体诱导系，

该诱导系诱导率高达5.8%，比Stock6高出5倍左右，已应用于育种实践中;华中农业大学利用从美国引进的玉米单倍体诱导系Stock6作父本，与辽旅、WBM等

6个玉米群体杂交进行单倍体诱导，经对诱导后代的植株育性、成株标记和籽粒鉴定已获得了一些双单倍体材料。吉林省农业科学研究院利用Stock6作父本，与

M278杂交进行单倍体诱导，经连续6代的测交和选择，成功选育出了高频率诱

导系“吉高诱系3号”，平均诱导率达10%以上。这些新的诱导系诱导率整体上

有了提高，而且适应当地的生态环境，在育种中的利用价值已超越Stock6，但是

这些从Stock6中选育出的衍生系都带有Stock6的缺陷，而目前用于改良Stock6的基础材料十分有限，因此限制了新的单倍体诱导系的选育［5］。

1.2 优点及诱导方法玉米双单倍体技术能够快速提供来自供体亲本的稳定纯系，

大大缩短自交系选育年限，加快育种进程。目前，世界上有250多个作物物种应

用了双单倍体育种，12个物种中培育了300多个来自于栽培种的双单倍体系［2］。与传统育种方法相比较，单倍体诱导选系方法实现了对配子体的直接选择，只需2～3代就可得到100%纯合的自交系，大大提高育种效率。单倍体可以自然发生也可以诱导产生。单倍体自然发生频率一般不超过0.1%，在育种实践中难以利用，因此，育种中常采用人工诱导的方法获得单倍体。人工诱导可以显著提高单倍体发生频率。人工诱导单倍体的方法主要有，①离体诱导:离体条件下培养花药

或花粉，获得单倍体或纯合二倍体花粉植株;离体诱导的方法尚未得到规模化应用。

②利用射线处理、化学药物诱导孤雌生殖。③活体诱导:单倍体诱导系杂交诱导单

倍体;玉米中发现孤雌生殖单倍体诱导系Stock6而使单倍体育种成为了可能。这3种方法比较，前2种方法获得单倍体的频率较低，并会伴生混倍体;而第3种方法

单倍体诱导系杂交诱导单倍体具有操作简便、成本较低、诱导频率高等优点，是前2种方法无法比拟的。利用单倍体诱导系诱导玉米单倍体这一新的快速育种方法目前已成为国外先锋公司(DuPont-pioneer)、孟山都公司(Monsonto)、先正达公司、KWS公司等进行玉米育种的一种重要方法。

2 玉米单倍体诱导系在育种中的应用研究

2.1 利用单倍体诱导系选育玉米自交系玉米单倍体诱导系目前分为2种:父本单倍体诱导系和母本单倍体诱导系。父本单倍体诱导系含有不确定配子体基因(ig)。Kermicle在1969年第1次阐述了父本单倍体的频率由自然产生的0.012 5% 提