玉米单倍体雌雄育性的自然恢复以及染色体的化学加倍

第26卷第6期作　物　学　报V o l.26,N o.6 2000年11月A CTA A GRONOM I CA S I N I CA N ov.,2000玉米单倍体雌雄育性的自然恢复以及染色体的化学加倍X

刘志增X X　宋同明

(中国农业大学植物科技学院,北京,100094)

提　要　本试验利用孤雌生殖诱导系所创造的单倍体为材料,对单倍体雌雄育性的自动恢复现象以及染色体的化学加倍方法进行了初步研究。结果表明,平均有93.2%的单倍体雌穗是自然可育的,每穗结实粒数平均为25粒。相比之下,雄穗的自然育性大大偏低,但从不同基因型中诱导出来的单倍体的雄穗自然育性存在巨大差异,其中散粉株率最低的为5%,最高的达40%。单倍体雄穗育性的自然恢复与生长前期环境温度(或昼夜温差)的变化具有负(或正)相关的趋势。在单倍体染色体的加倍处理中,以幼苗期注射秋水仙素的加倍效果最佳,散粉株率达到达23%,较对照提高了3.6倍。

关键词　玉米;单倍体;雌雄育性;温度;染色体加倍

Fertil ity Spon taneously Restor i ng of I nf lorescence and Chrom osom e D oubl i ng by Chem ica l Trea t m en t i n M a ize Haplo id

L I U Zh i2&eng　SON G Tong2M ing

(Colleg e of P lant S cience and T echnology,Ch ina A g ricu ltu ral U niversity,B eij ing,100094)

Abstract　T he fertility spon taneou sly resto ring(FSR)of inflo rescence and ch rom o som e doub ling m ethods of chem ical treatm en t w ere studied p reli m inarily w ith the hap lo id m aterials induced by p arthenogenesis hap lo id inducer.T he resu lts indicated that93.2%of hap lo id ears w ere natu rally fertile and there w ere25seeds setting p er ear in average.O n the con trary,the FSR of hap lo id tassel w as greatly reduced,bu t there w ere trem endou s differences am ong tassel FSR of hap lo id induced from differen t sou rce m aterials.T he low est p ercen tage of hap lo id p lan t that shed po llen s w as5%,w h ile the h ighest w as40%.A negative(o r po sitive)co rrelati on tendency w as show n betw een FSR of hap lo id tassel and tem p eratu re(o r tem p eratu re difference betw een day and n igh t)change du ring early grow th p eri od of hap lo id p lan t.In ch rom o som e doub ling treatm en t of hap lo id,the best effect w as ach ieved by in jecting seedlings w ith co lch icine.U sing th is m ethod to treat hap lo ids,the p ercen tage of po llen shedding p lan ts cou ld reach23%,3.6ti m es h igher than that of un treated CK.

Key words　M aize;H ap lo id;Inflo rescen t fertilizati on;T em p eratu re;Ch rom o som e doub ling

我们通过对玉米孤雌生殖诱导材料Stock6的改良,育成了多标记,高频孤雌生殖诱导系——农大高诱1号[1]。利用高诱1号做父本进行杂交,能够诱导相应的母本材料产生大约5%～6%的单倍体籽粒。这些单倍体籽粒的胚是单倍性(1n)的,但胚乳发育正常(3n)。通过特定的遗传标记性状可以容易地把单倍体与二倍体加以区分。玉米单倍体籽粒播种后能够正

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国家自然科学基金资助项目(39570439)

X现在河北农业大学农学院工作

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收稿日期:1999205206,接受日期:2000201203

849 作 物 学 报 26卷

常发芽出苗,极少出现黄花苗,白化苗等畸形苗,能够完成整个生长发育周期,但是大部分单倍体植株因育性问题而不能自交结实。Chalyk对1634株单倍体的观测发现,仅有3%能够自交结实,他利用其他玉米花粉给234个单倍体的雌穗授粉,结果有97%的果穗结实,平均每穗结实26粒[2]。因此,单倍体能否自交结实主要取决于雄穗是否产生可育花粉。然而绝大部分单倍体的雄花是高度不育的,只是在少数情况下,单倍体的雄穗才会自动发生全部或局部二倍化,从而能够产生正常花粉。据估计,大约有10%的玉米单倍体植株能够产生可育花粉而自交结实[3],但是不同单倍体基因型间雄花育性自动恢复的程度存在很大差异[4]。另外,经过多次诱导产生的单倍体,其育性恢复率大大高于一般单倍体[4～6]。

通过实验手段,可以人为地改变分裂细胞染色体的倍性。最常见的方法是利用化学试剂秋水仙素来破坏有丝分裂细胞的纺锤丝,使两个子细胞的染色体在有丝分裂后期不能被拉向两极,从而实现染色体加倍。秋水仙素的加倍效果与多种因素有关。在一定范围内,试剂浓度与加倍效果成正相关,但浓度过高会造成药害;处理时间与加倍有很大关系,处理时间太长会加重药害,还会产生多倍体。反之,处理时间过短,则起不到加倍作用;提高温度可以促进细胞分裂,有利于染色体加倍,但同时也会加深组织药害。采用变温处理,即在低温条件下(11～17℃)进行秋水仙素处理,然后恢复到常温下(25℃)生长,可有效减轻药害,刺激细胞分裂,增加细胞同步化程度,减少混倍体,提高加倍效率[7];利用二甲基亚砜(DM SO)以及细胞分裂素与秋水仙素配合,能有效地提高加倍频率[8]。

利用不同浓度的秋水仙素对单倍体进行浸种[9],浸根[10,11]和茎尖生长点注射[12]等处理均有一定效果。但是对根系处理需要育苗、处理、移栽等繁琐的工作环节,而且移栽后幼苗的成活率会受到影响,处理所需要的药剂量比较大,成本较高。利用秋水仙素浸泡单倍体种子是一种非常简单的加倍处理方法,但是加倍成功率较低。主要原因是,经过处理后,单倍体种子的根首先被加倍而膨大,而膨大后的根则生长缓慢或停止伸长,从而造成幼苗夭亡。而茎尖生长点注射法可以直接在田间生长的单倍体上进行,不必进行育苗和移栽,用药量非常少,适合于大量材料的处理。本试验利用玉米孤雌生殖诱导系所创造的单倍体为材料,对单倍体雌雄育性的自动恢复现象进行了观察,并对单倍体染色体的化学加倍方法进行了初步研究,目的在于探索提高单倍体加倍频率的有效途径。

1　材料与方法

本试验所采用的单倍体是利用带有籽粒和植株双显性遗传标记的玉米孤雌生殖诱导系杂交诱导产生的。单倍体的诱导和鉴定方法参见刘志增和宋同明[13]。诱导单倍体的母本材料包括H4Syn695、411Syn695、P20吉853、5003、吉853、4F1、846和BHO C14等杂交种、自交系和群体。

将所诱导的单倍体籽粒依次种植在以下5种不同的生长环境中(表1),其中试验1～3:未进行任何处理,仅对单倍体雌雄穗的自然育性进行观察;试验4:利用3个浓度秋水仙素(0.01%、0.05%和0.1%)对拔节后的单倍体植株茎尖生长点偏下方的茎节组织进行注射处理,注射剂量为0.1mL株;试验5:采用两种秋水仙素浓度(0.1%和0.5%)配以2%的DM SO,于6叶期注射单倍体苗的茎基生长点偏下方部位的茎节组织,注射剂量为2L L株。另外试验4～5中还有部分单倍体未经秋水仙素处理,用于观察自然育性。

单倍体雌雄育性的观察标准:(1)雄穗育性。于抽雄后对雄穗进行观察,凡能产生可散粉花