玉米单倍体育种的研究进展

玉米花药培养和单倍体育种的研究新进展

郭奕明杨映根!郭仲琛

（中国科学院植物研究所植物发育与分子生物学研究中心北京!"""#$）

摘要利用花药培养获得单倍体，从而加速育种进程，是一项新兴的生物技术，目前在玉米育种中广泛应用。本文综合近几年来国内外玉米的花药培养、单倍体育种以及基因工程等方面的研究进展，重点对影响玉米花药培养效率的诸多因素进行了详细论述，并讨论了利用单倍体植株进行基因转导的潜力。关键词玉米，花药培养，单倍体育种，基因转导

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，.,820B CD;8DB0，K9:;3)<>B00<),-，%0,08B9,=A3B@98)3,玉米在全世界范围广泛种植，是仅次于小麦和水稻的第三大粮食作物（L.’，!##M ）。目前人们多利用两个自交系产生的L !代的杂种优势来提高玉米的产量和抗病性，但是用常规育种方法获得高配合力的纯合自交系，常需耗费大量的人力和时间，加以连续多年的人工自交与选择，获得一个纯系平均需要M N O 年的时间（PD3等，!##M ）

。而通过花药培养获得的单倍体，一经加倍形成的二倍体，就是一个标准的自交系。因此，通过花药培养获得单倍体植株的途径，只需一年时间就可获得新纯合自交系，这可以大大缩短育种周期，是现代植物育种中快速、高效的育种途径之一。

!#QR 年，谷明光等首次获得玉米花粉植株（中科院遗传所组织培养室，!#QR ）

以来，国内外学者利用花药离体培养方法在快速获得玉米纯系、缩短育种年限方面取得较大进展。广西玉米研究所杭玲等育成了玉米花培杂交种“桂三!号”，于!##S 年通过广西壮族自治区品种审定，推广T 万多亩，这是国内外用花培方法育成的第一个玉米杂交种。此外，该单位育成的“桂花!号”和广西农学院选育的“玉单$RT ”花培玉米杂交种已参加了省区试。山东农业大学农学系育成的花培玉米杂交组合5S!T U 多SQ ，综合性状良好，抗病，抗倒伏，也已参加了省区试。北京市植物细胞工程实验室玉米花培育种课题也取得了可喜的成绩，已获得了自交系种子。他们育成的玉米花培自交系配制的组合，抗病性强，杆粗穗大，抗倒伏。然而玉米的花药培养效率较低，难以获得足够的选择群体而严重限制了该技

!通讯联系人.D823B A3B C3BB0=:3,<0,C0作者简介：郭奕明，男，!#QS 年生，中国科学院植物所##级博士研究生；杨映根，女，!#R"年生，

中国科学院植物所副研究员，主要从事植物生理和植物细胞工程研究工作，已发表论文$"篇；郭仲琛，男，!#$S 年生，

中国科学院植物所研究员，博士生导师，主要从事植物胚胎、细胞工程研究，曾在“七五”和“八五”期间承担“TO$”植物人工种子专题组长，共计发表论文!""多篇，先后R 次获科学院自然科学奖。

收稿日期：S"""*"$*"$接受日期：S"""*!"*"T 责任编辑：

刘晖植物学通报S""!，<=（!）：S$N $"

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#4植物学通报!+卷

术在育种实践中的应用。因此，大幅度提高玉米花药培养效率，获得大量的加倍纯系，是目前玉米花药培养及单倍体育种中急需解决的问题。

!离体条件下小孢子的发育途径

在离体条件下，由于改变了花粉原来的生活环境，花粉的正常发育途径受到抑制，由一次分裂形成的花粉粒不再像正常发育过程中那样由生殖核再分裂一次形成两个精子核，花粉萌发形成花粉管进行正常的受精。在玉米的花药和小孢子培养过程中，离体的小孢子沿着不同的途径进行发育，大体上可以概括如下：

!"小孢子核不进行第一次不均等分裂，也不分化成一个营养核和一个生殖核。而是第一次分裂形成两个相同的核，并且都继续分裂，最后发育成多核结构。

#"小孢子核进行第一次不均等分裂，并分化成一个较大的营养核和一个较小的生殖核。

!营养核开始进行对称的分裂，并发育成一个多核的胚状体。在花药培养过程中，这是一条最主要的途径（$%&’%(%)等，!*+,；-.)/01.220和-.1320’3，!*++）。营养核也能进行不对称的分裂，但这样形成的多核体没有细胞壁的形成，也没有进一步的发育（-.)/01.220等，!**4）。

"胚状体由生殖核发育而成。通过这种途径产生的多细胞胚状结构所含细胞较小，而且与由营养核发育而成的结构相比，其细胞核的染色更深。在离体的小孢子培养过程中，这是一条主要途径（5367%’)等，!*+*；-.)/01.220等，!**4）。

#营养核和生殖核互相融合并形成一个大的小孢子，这个小孢子有一个较大的核，没有液泡。根据-.)/01.220等（!*++）的调查，在玉米花药培养过程中，大约!89被诱导的小孢子属于这种模式。但这种结构不再继续发育成多核体或多细胞体。

$营养核和生殖核都开始分裂，并且各自独立发育，最后形成含有两种不同类型细胞的胚状体，即含有核染色较浅的大细胞和核染色较深的小细胞。这种情况不经常发生。"花药培养的一般程序

当玉米尚处于孕穗期时，将未成熟的雄穗取下，一般需经过一段时期的冷处理。花药接种前预先用醋酸洋红、:;<:溶液等染液压片镜检，以确定花粉发育时期，并找出花粉时期与幼穗大小、颜色等特征之间的相应关系。将小孢子发育单核中晚期和双核早期的花药取下，放入诱导培养基。约#!=#+天后，可观察到胚状体。胚状体转入再生培养基，产生小植株。经过染色体加倍，产生双单倍体。然后经自交产生双单倍体种子。此外，还有另一条途径，即用胚状体来诱导可再生的愈伤组织。培养基一般要含#，4;>和较高浓度的脯氨酸（#"8=?"@A B C）。把愈伤组织转移到再生培养基上便可产生再生植株，与经胚状体直接再生的相同。这种途径的优点有：%同一块愈伤组织可产生几棵植株，如果自交不能进行，可以采用近亲授粉（)0(;D3220’%103’）。&染色体加倍方便。但由于增加了愈伤组织阶段，使离体培养时间加长，就增加了遗传变异的可能性。