現代玉米育種新技術探析

摘要：玉米是我國主要飼料、工業原料和糧食作物。隨著社會經濟的快速發展，對玉米的產量和品質提高又有了新的要求，而傳統的玉米育種技術已無法滿足快速發展的經濟形勢，因此，新的育種技術應運而生。本文主要介紹了現代玉米遺傳育種的過程中應用的主要技術與方法，比較了各種方法的優缺點，以供在農業生產中進行參考。

關鍵詞：玉米；遺傳育種；技術

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-12-32-2

玉米屬天然的異花傳粉作物，其田間組成是高度異質態，個體基因型是高度雜合態，這就決定在玉米天然授粉群體內，比較株間的表現型意義不大；同時，因為個體基因型處于高度的雜合態，故導致表型的選擇并不可靠，一定要對大量的個體進行測交或者后代的鑒定，才可確定表型性狀是否真實并且可遺傳。所以，在玉米育種的過程中，一般情況下都要經過多代的選擇、比較，才能育出新的自交系或品種。

然而，隨著時間的推移，可以提供給育種專家們的玉米基因資源日漸匱乏，依靠自然變異和傳統意義上的人工代代選擇在時間上已經基本無法滿足經濟的快速發展對玉米產量不斷增加的要求。這就催生了各種新的育種技術的產生，如單倍體育種，誘變育種及基因工程、分子標記技術等生物技術應用于育種過程中，這些技術與傳統育種方法相結合，創造出了更為豐富的遺傳基因材料以供研究，也讓育種工作更具有可控性，很大程度上縮短了育種時間，使玉米育種工作具有良好的發展前景。

1 單倍體育種法

雙單倍體（doubled haploid，DH）育種是指利用單倍體誘導系結合標記性狀誘發，再通過染色體組加倍（包括自然加倍和人工處理加倍）等手段使植物回復正常染色體數的一種育種方法。

由于高等植物在自然條件下產生單倍體的頻率非常低，而通過人工誘導的方法，如花粉（花藥）離體培養，遠緣雜交、化學藥劑誘導、孤雌生殖誘導系誘導等多種方法可使獲得單倍體的頻率大大提高。跟傳統雜交育種方法相比較，單倍體育種技術因其快速、準確、穩定等特點受到了育種專家們的重視。

1.1 單倍體育種技術應用于玉米育種的優點

一是縮短了育種時間。一般傳統育種方法選育純合的自交系想要達到穩定狀態至少需要6代以上，而單倍體技術只需要誘導和加倍2代即可以達到純合，大大縮短了育種時間；二是選擇準確性高。一般傳統的育種方法基本都從表型上進行選擇，而基因型處于高度的雜合態，在選擇的時候容易出現誤選的可能性，而由于利用單倍體育種方法得到的雙單倍體植株的基因型和表現型是完全一致的，提高了選擇準確性，而且在選擇由隱性基因控制的優良性狀時更加具有明顯的優勢；三是所得到的雙單倍體可以達到高度純合和穩定。利用傳統育種方法所得到的自交系只能是相對的純合和穩定，在之后長期的制種和繁育過程中可能出現性狀分離和衰退的現象，而通過單倍體育種技術所得到的雙單倍體（DH）系是經過染色體加倍得到的，在基因型上可達到完全純合，具有很強的穩定性，后期不會出現分離現象，能夠長期用于育種工作。

1.2 單倍體技術應用于玉米育種的技術難點

一是單倍體的獲得較難。因為自然中單性或孤雄生殖單倍體異常罕見，所以獲得單倍體材料也有一定的難度。不過隨著科學技術的發展，通過孤雌生殖誘導系誘導手段獲得的單倍體因對基礎材料基因型依賴小、操作簡便、成本不高等優勢，成為了玉米單倍體育種的首選技術；二是單倍體的加倍不易。因為單倍體的高度不育，通過自然中的變異加倍效率非常低，而且容易受到外界環境的影響，而目前應用最多的人工加倍方法就是利用秋水仙素等化學物質處理單倍體植株的根尖或者莖尖生長點，雖然加倍效率相較自然加倍效率明顯提高，但是工作量大、操作復雜、費時等問題也同樣成為了單倍體育種技術需要克服的難點。

2 誘變育種法

誘變育種是指用物理、化學因素誘導動植物的遺傳特性發生變異，再從變異群體中選擇符合人們某種要求的單株或個體，進而培育成新的品種或種質的育種方法。當前，在作物育種上應用的誘變方法主要分為物理誘變和化學誘變等。

2.1 物理誘變育種

物理誘變育種包括電離輻射、激光輻照和空間輻射誘變育種。其基礎原理均是當輻射或激光將能量傳遞到生物體時，生物體內各種分子便產生電離和激發等現象，并且異常活躍并相互作用，使分子與分子間的化學鍵斷裂并與其他分子相互作用時形成新的化學鍵，引起分子性質的改變、染色體結構的變異和各種酶活性的改變等變化，繼而引發生物體性狀發生改變。

2.2 化學誘變育種

目前在玉米上使用最廣和效果最好的化學誘變劑的是EMS（甲基磺酸乙酯），EMS是一種烷化劑，主要是通過將DNA的核苷酸鳥嘌呤烷基化后，使DNA在復制時發生錯誤，或者被烷基化的鳥嘌呤發生自動降解，使DNA鏈發生斷裂、易位甚至是使細胞死亡。與其他誘變劑相比，其產生的點突變頻率高且多為顯性突變，而染色體畸變相對較少，可以對植物的某一特殊性狀進行改良。

用EMS-石蠟油處理玉米成熟花粉，已在玉米育種中得到廣泛應用。這種方法不僅能創造出新的突變資源，并且可能產生有用的突變體，可以為玉米生長發育等基礎性研究提供更廣泛的材料；而且用EMS誘變在創造玉米新種質時不存在安全性問題。

2.3 誘變育種的技術優勢及局限性

誘變育種能夠提高變異的頻率，大幅改良某些性狀，變異性狀較穩定，在較短的時間內獲得更多的優良變異類型材料，豐富種質資源，并可加速育種進程。

然而誘變育種的局限性是有利變異相對少，需要大量的處理供試材料，并且誘發突變的方向難以人為的掌握和控制，突變體也難以集中多個理想性狀等。要想克服這些局限性，可以擴大誘變后代的群體，增加選擇的機會，并且隨著科學技術的發展，將誘變育種與傳統育種、分子育種等方法相結合，提高誘變育種效率、突變體的利用率和選擇的準確性。

3 生物技術在遺傳育種中的應用

3.1 轉基因技術在玉米育種中的應用

轉基因技術就是利用基因工程技術，將優良的外源基因或者經過體外加工修飾后的內源基因轉入同一物種或者不同物種中，對植物的相關性狀進行改造或改良，該項研究的成功，使玉米育種工作進入了新時代。

玉米轉基因育種的過程主要有：目的基因克隆、克隆載體及表達載體的構建、遺傳轉化、陽性植株的篩選、分子水平檢測、生物學鑒定、優良組合組配、區試以及推廣等技術環節。目前，在玉米轉基因育種中應用最廣的轉化方法主要有農桿菌介導法、基因槍法和花粉管通道法等。

3.2 利用分子標記技術輔助育種

分子標記輔助育種技術是利用與目的性狀基因緊密連鎖的分子標記，鑒定和篩選具有目的性狀的種質資源和育種后代，或分析和評價種質資源、親本之間親緣關系的一種方法，與傳統育種根據表現型進行選擇相比，該項技術具有選擇效率高，結果準確等特點，特別是對隱形基因控制的性狀選擇更為高效。

在實際應用中可以利用分子標記進行種子純度測定、種子真偽性鑒定、數量性狀QTL定位、玉米QPM育種中的前景和背景選擇等，其中應用較為普遍的是SSR和AFLP技術。該研究的關鍵在于鑒定出與重要農藝性狀緊密連鎖的分子標記，通過利用與目的性狀緊密的DNA標記可以對目標性狀進行間接選擇。

3.3 生物技術育種中的優勢及局限性

生物技術在玉米育種中的利用給育種工作開辟了一種全新的方法，使玉米育種工作可以按照育種專家的意愿進行設計和改良，使優良的性狀可以得到更好的增強，不好的性狀也可以通過基因干擾技術進行有效的抑制，并且可以使玉米具有一定的抗性，如抗蟲、抗除草劑、耐鹽堿、耐旱等優良品質。

但生物技術在實際利用中也有許多的限制因素。一是生物技術研究費用高昂，投入大；二是遺傳轉化中的轉化體系還不是很穩定，轉化效率相對還比較低，需要對大量的植物材料進行處理，工作量較大；三是在進行轉基因陽性植株鑒定時也會存在一定的誤差，基因表達的穩定性也需要進一步的加代驗證；四是還有一種所謂的基因沉默現象，即新插入的基因常常是關閉的，基因不表達現象時有發生；五是目前轉基因作物的安全性還有待進一步的驗證，如引入抗除草劑基因，可能在物種間產生基因漂移現象，產生“超級雜草”，對生態環境可能造成影響，再有人們擔心轉基因食品的標記基因及其產物可能對人或動物健康有害，這些都造成轉基因的糧食作物在推廣上仍具有一定的困難和顧慮。

作者簡介：李夏，碩士研究生，長春市農業科學院，初級職稱，研究方向：玉米遺傳育種。