玉米單倍體誘導系Stock6及其在玉米育種中的應用

2017-06-27 08:16:25邱榮華李輝田順順王文佳楊萬立

種子科技 2017年6期

邱榮華，李輝，田順順，王文佳，楊萬立

（聊城大學農學院，山東聊城252000）

邱榮華，李輝，田順順，王文佳，楊萬立

（聊城大學農學院，山東聊城252000）

玉米單倍體育種可縮短育種周期、提高育種效率，利用玉米單倍體誘導系誘導玉米單倍體簡單易行，單倍體篩選方便。簡述了玉米單倍體誘導系Stork6的發現、改良及在玉米育種中的應用。

玉米；單倍體；Stock6；育種；應用

玉米是世界第二大糧食作物、我國第一大糧食作物，玉米生產普遍采用雜交種，利用雜種優勢。而玉米雜交品種的選育，首先需要選育大量的自交系，然后利用自交系組配雜交種。目前，國內外自交系選育基本上采用系譜法、二環系法、回交法等方法[1]，利用這些方法獲得一個優良的自交系至少需進行連續6代以上的人工自交與選擇，育種周期長，難以滿足玉米生產對品種更新換代的需求。

圍繞縮短育種年限、提高育種效率，育種人員不斷探索縮短自交系選育的方法。1922年，Dorothy Bergner首次在野生曼陀羅中發現了單倍體，以后在煙草、番茄、小麥、玉米等植物上獲得了單倍體，隨之從單倍體到純合二倍體用于育種的技術路線逐步形成，即利用自然發生或人工誘導的單倍體，經自然或人工加倍獲得雙單倍體植株（DH），也就是純系，用于育種。1932年，Morrison第一個從單倍體獲得了絕對純合的番茄品系[2]，從單倍體到純合二倍體品系用于育種的技術路線得到驗證。從誘導單倍體到單倍體加倍獲得雙單倍體僅需2年，且雙單倍體只有一套染色體，沒有等位基因，沒有超顯性效應，在選系過程中，利于保留加性上位效應，淘汰有害的隱性基因，提高有利基因型的遴選頻率，有效地提高育種效率。

早期的玉米單倍體，主要是品種間、自交系間或品種與自交系間雜交產生的孤雌生長單倍體，但自然雜交產生單倍體的概率極低，一般不超過0.1%[3]；遠緣雜交采取延遲授粉、物理射線、化學藥劑等人工措施，雖能提高單倍體產生的概率，但誘導效果不太穩定；盡管目前花藥或花粉培養技術獲得了較大發展，建立了穩定的玉米花藥（花粉）組織培養再生系統，而受基因型和技術復雜性的制約，也未能在育種實踐中廣泛應用。而玉米單倍體誘導系Stock6的發現及改良，使玉米單倍體育種簡便易行，并逐漸呈現出規?；l展的趨勢。

1 玉米單倍體誘導系Stork6的發現與改良

1946年，NorthUP King公司發現一個具有紫色糊粉層的玉米材料，表現為硬粒、白色籽粒及粉質胚乳，因無育種價值，送給明尼蘇達大學Charles Burnham教授。1948—1950年，Coe作為Charles Burnham的碩士研究生搜集了這個系統并命名為Stock6[4]。經過幾年的試驗發現，在這個Stock6的自交后代中產生了3%左右的單倍體，進而用它作雜交父本產生了2.29%的孤雌生殖單倍體，因此可作父本誘導玉米單倍體，用于單倍體育種。但由于單倍體的誘導頻率低，在田間大群體內鑒定單倍體是不可能的，為便于識別雜交后代產生單倍體，后來人們導入兩個顯性的遺傳標記基因R-nj和PI。R-nj的基因效應是胚中形成紫色盾片和胚乳糊粉層中產生紫色冠頂，是雙重遺傳標記；PI的效應則是形成紫色莖稈。

用帶有三重遺傳標記的Stock6給黃?；虬琢５木G株玉米授粉，雜交籽粒表現可分為3種類型：一類是紫胚和紫色冠頂的籽粒，為雙受精的雜交二倍體；二是胚無色、冠頂紫色的籽粒，為未受精卵、受精極核細胞形成的單倍體籽粒；三是胚和冠頂均無紫色的籽粒，可能是受異源花粉污染所致。因此，可以通過胚和胚乳的顏色把單倍體子粒挑選出來。但由于籽粒R-nj標記的表達有時受遺傳背景的影響，籽粒色素標記弱，容易出現誤判，種植初選的準單倍體籽粒，借助于PI植株標記進一步田間鑒定單倍體。盡管如此，Stock6還存在很多缺陷，如誘導率低、雄花對溫度敏感、散粉性不好及遺傳標記受遺傳背景影響等。

國外通過雜交改良的方法，相繼對Stock6進行了改良，選育出一批誘導率高、農藝性狀良好的誘導系。如法國的SW14、摩爾多瓦的MHI、德國的RWS等。這些誘導系的利用價值已經大大超出Stock6[5]，目前德國、法國和美國的一些大公司已經選育出誘導率6%以上的誘導系，并開始商業化應用[6]。我國對玉米單倍體育種的研究起步比國外略晚，但已取得了很大進展，如中國農業大學從Stock6與高油玉米群體BH0的雜交后代中選育出高誘1號，單倍體誘導率介于1.92%～9.25%之間，平均誘導率為5.34%；吉林省農業科學院從Stock6與M278的雜交后代中，選育出吉高誘系3號，單倍體誘導率介于5.50%～15.94%，平均單倍體誘導率為10.40%，籽粒標記性狀明顯、穩定，花粉量大、結實性好、抗病性強；北京市農科院、山東省農科院、華中農業大學、四川農業大學等選育的單倍體誘導系都表現出較高的誘導率。

2 玉米Stork6誘導選系程序

2.1 雜交誘導單倍體

以單倍體誘導系作父本，籽粒黃色或白色、植株綠色的選系基礎材料（包括由有目標性狀配制的雜交組合、優良的商用雜交種、各類群體或其衍生的F1、F2代群體等）為母本。按父本∶母本為1∶（5～6）的比例播種，母本一般比父本早散粉7～10 d，根據父母本播種到開花時間，合理安排父母本播期，保證父母本花期相遇。母本雌穗伸出、未吐絲前，用羊皮紙袋將雌穗套住，待花絲抽出后，取誘導系的新鮮花粉進行授粉。由于花粉量少，第二天再重復一次。

2.2 單倍體鑒定篩選

雜交果穗成熟后收獲脫粒，根據R-nj性狀標記，篩選單倍體籽粒，凡具有紫色冠頂、無色胚的為準單倍體籽粒。準單倍體籽粒田間播種、生育期間，依據植株PI紫色標記及形態學特征對準單倍體進一步確認，單倍體植株一般葉鞘、莖稈綠色，葉片較少、狹窄、直立，植株瘦弱、生長緩慢、株高低，約是二倍體植株高度的70%；雌雄不協調，雄穗高度不育。凡植株葉鞘、莖稈紫色、粗大高壯者均不是單倍體，田間應剔除。

2.3 單倍體加倍

自然加倍是單倍體加倍的主要方法，自然狀態下80%左右的單倍體雌穗可自然加倍，恢復育性，而雄穗的自然加倍頻率為5%～10%。對于散粉株率低的單倍體基因型，利用秋水仙素、APM、拿草特、氟樂靈、安磺靈和一氧化二氮等化學藥劑，通過浸種、浸根等進行人工加倍。

2.4 雙單倍體的鑒定利用

同一果穗獲得的雙單倍體子粒播種后，如果植株長勢整齊一致、無分離，可確認為純合的雙單倍體（DH）系。若農藝性狀良好，符合自交系性狀特征，便可進行配合力測定及雜交組合的組配。

3 單倍體誘導系在玉米育種中的應用現狀及展望

近10多年來，美國孟山都公司、德國KWS公司及俄羅斯等國的一些玉米種子公司都在利用單倍體誘導系進行自交系選育，在DH育種方面均呈現大規模、高通量、流程化的選育模式，其中以德國KWS公司的技術相對成熟。據不完全統計，每年大約可產生1500～2000個純系[7]。中國農業大學、華中農業大學、河北農業大學、吉林省農科院、山東農科院和遼寧省農業科學院等科研院所及種業公司相繼開展了玉米DH育種[8]，并呈現快速發展的趨勢。然而，玉米單倍體育種在實際應用中還存在單倍體誘導系誘導率低、長勢較弱、雌雄不協調、遺傳標記弱[9]、單倍體加倍率較低及形成的純系組配成的雜交品種較少等問題。

隨著誘導系誘導率的逐步提高、單倍體加倍技術的相對成熟及玉米誘導基礎材料的合理選擇，利用誘導系誘導玉米單倍體進行單倍體育種將成為今后玉米育種的主要方法之一。

[1]劉紀麟.玉米育種學（2版）[M]．北京：中國農業出版社，2002：172-177.

[2]（蘇）C.C.霍赫洛夫單倍體與育種[M].北京：農業出版社，1976：2.

[3]陳文俊，李明媚．玉米單倍體誘導育種技術體系與應用前景[J]．農業科技通訊，2009(12)：112-115．

[4]陳紹江，黎亮，李浩川.玉米單倍體育種技術[M].北京：中國農業大學出版社，2009：15.

[5]劉志增，宋同明.玉米高頻率孤雌生殖單倍體誘導系的選育與鑒定[J].作物學報，2000，26（5）：570-574.

[6]李剛，王金艷，馬駿.玉米孤雌生殖誘導系的選育及其利用[J].遼寧農業科學，2012(6)：56-58.

[7]才卓，徐國良，劉向輝，等.玉米單倍體誘導選系研究(簡報)[J].玉米科學，2004，12(1)：10-11.

[8]姜龍，慈佳賓，崔學宇，等．不同生態條件下玉米單倍體誘導率和加倍率研究[J].吉林農業大學學報，2014，36(2)：139-143．

[9]徐玉波，任保財，張寶石，等.玉米單倍體誘導系的雜種優勢利用研究[J].遼寧農業科學，2010(3)：40-43.