植物單倍體育種及其在玉米育種中的應用淺析

陳雙

摘 要 隨著社會發展和時代進步，新興技術不斷涌現，為現代農業發展創造了有利條件。玉米是最為主要的糧食作物之一，人們對其需求量日益增多，但在種種現實因素的影響下，玉米常規育種及栽培面臨著一系列困境。單倍體育種是植物育種的一種有效方式。基于此，從單倍體育種著手，重點探究其在玉米育種中的應用。

關鍵詞 單倍體育種;玉米育種;應用

中圖分類號：S513 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.24.101

經濟飛速發展的背景下，我國人口持續增長，對玉米這一主要糧食的需求量也日漸上漲。為了滿足實際需求，必須培育優質的玉米品種，若是以傳統的育種方式為主，必然不能達到既定標準。因此，現如今需科學應用生物技術手段，即單倍體育種，及時優化育種模式，提高效率與質量，滿足人們日益增長的需求。

1 植物單倍體育種技術

1.1 單倍體的獲得

單倍體育種是現如今應用廣泛且最為優良的育種方式，主要是指應用一定的技術來獲得單倍體植株，再以化學或物理方式實現加倍，使植物獲得正常染色體數。獲得單倍體的途徑主要有2種：1）體內發生，涉及自發產生、假受精等，假受精常發生于玉米雜交;2）應用組織培養技術展開離體培養，主要方式以無菌操作為主，接種幼胚，使單倍體細胞分裂，逐漸發育，成為正常植株。離體培養的培養基內需要添加一定量的植物生長調節劑。

1.2 鑒定

最先提出的鑒定方法為遺傳標記法，這一方法應用較為普遍，且準確率較高。最為快速的鑒定方法為從形態學角度出發進行判斷。通常情況下，與純合二倍體植株相比，單倍體植株僅有70%左右的高度。實踐研究表明，當玉米從二倍體轉換成單倍體時，組織化學成分發生一定的變化，主要為有機水含量增加，無機水含量降低。此時，應用紫外分光光度計可對二倍體與單倍體進行鑒定。

2 植物單倍體育種技術在玉米育種中的應用

2.1 花藥培養

玉米育種過程中，最為普遍的單倍體技術為花藥培養。通常情況下，取下仍處于孕穗期玉米的未成熟雄穗，將其放置一段時間。在接種前期，使用醋酸洋紅進行處理，明確具體的發育時期。把小孢子發育單核中晚期與雙核早期的花藥摘下，置于培養基中，25 d左右后，再將其轉放在再生培養基當中。然后進行加倍處理，再自交，產生種子。另一育種方式是以胚狀體來誘導愈傷組織。盡管花粉植株染色體能夠自然加倍，但頻率卻不太理想，因此往往會以秋水仙素來進行處理，實現加倍[1]。現如今，花藥離體培養已經大大縮短了玉米育種年限，但因材料選用不同，誘導的最終效果也受到時間、培養體系等直接或間接的影響，目前仍舊未得到統一。

2.2 孤雌生殖

Stock6是最早的孤雌生殖誘導系，育種過程中用Stock6作父本，誘導育種材料母本。在不同的環境下，單倍體發生率存在明顯的差異。為了將單倍體與二倍體進行區分，應當以遺傳標記法為主，將R-nj與P1直接導入，觀察胚、胚乳與莖稈顏色，若是胚中出現紫色盾狀體，胚乳中出現色頂冠，莖稈顏色為紫色，則可明確鑒定結果。

2.3 玉米單倍體加倍

2.3.1 自然加倍

相關研究報告表明，自然加倍僅占整體的10%左右，這是因為單倍體植株雌雄不調。在研究過程中，Chalyk[2]指出最多有1.2%的植株能夠經自然加倍轉變為二倍體，一般情況下自然加倍的頻率以及成功率較低，甚至有部分材料不會產生自然加倍。由此可見，若是以自然加倍的方式為主，必然不能滿足現如今的育種要求。因此，必須應用生物技術，以人工加倍的方式為主，得到更多的二倍體。

2.3.2 人工加倍

人工加倍過程中常用的試劑包括秋水仙素、氟樂靈等，現如今在育種時應用較為廣泛且加倍效果良好的則為秋水仙素。應用方式為注射法、浸種法等，將秋水仙素用于根尖或莖尖生長點。采用注射法需要確定最適宜的濃度。魏俊杰等[3]將濃度為0.01%、0.05%、0.10%的秋水仙素注射到莖尖生長點，經過分析與對比，發現濃度為0.01%時效果最佳，若是未能控制好濃度，反而會影響植株的健康生長。將10%甘油水溶液與0.05%秋水仙素混合，用量約0.5 mL，直接注射至內子葉，經過分析與對比發現其效果極佳，可大大提高效率。浸種法是最為簡便的一種方式，采用這一方式也需要確定浸種液的濃度。濃度和處理方式不同，加倍率也有著明顯的差異[4]。Gayen等[5]探究了秋水仙素濃度（0.03%、0.06%、0.10%）、處理方式（胚芽處切口、不切口）及浸種時間（6 h、12 h、24 h）對加倍率的影響，經過具體的分析、對比，發現將切口的種子放置于0.06%濃度的秋水仙素中約12 h左右效果最佳，此時的加倍率達到了18%。

除此以外，還有兩種操作方式，即培養基滲入法以及浸根法。前一種操作方式主要應用于花藥培養法，將愈傷組織放置在加入秋水仙素的培養基中，使其加倍、分化。例如，Wan等[6]將愈傷組織放置于0.05%左右秋水仙素培養基中，當將時間延長至72 h時，發現加倍率達到了100%;Barnabas等[7]選用同樣的方式，進行多次實驗，發現濃度較高，則效果更加良好。浸根法就是將根部放置于溶液當中浸泡一定時間，Seaney等[8]將玉米幼苗根系浸在0.05%秋水仙素溶液中24 h，最終效果為11株雄花可散粉。

2.4 優勢與具體應用

植物單倍體育種具有保留有利效用、快速獲得純系等明顯優勢，這一生物技術在國內外已經有了極其廣泛的應用。例如，美國、德國的育種公司主要就應用單倍體育種方式來處理玉米種子。相關調查結果顯示，德國KWS公司以這一育種方式為主獲得2000純系/年。現如今，經過研究與試驗，美國也先后育成玉米單倍體誘導性，以更為全面、先進的方式培育玉米，保證其產量與品質。我國科學院也重點研究了單倍體育種，最開始研究的是孤雌生殖，通過對比分析與篩選，確定了近400個優良性狀，可用于玉米育種。隨后，我國多個單位對玉米單倍體育種展開了更加深入的研究，也都因地制宜地育成加倍單倍體，現如今已經建設了多個試驗區。

3 玉米單倍體育種面臨的困境

在應用單倍體技術的過程中，影響該技術應用有效性的主要因素是物質本身的遺傳特性和外部環境因素。育種材料具有不同的生長環境，因此單倍體培育速率相差很大。隨著生物技術的進步，單倍體育種技術越來越多地應用于玉米品種改良和胚芽質量創新[9]。雖然單倍體育種已經廣為人知，但在種種因素的影響下，這一育種手段在應用過程中仍舊面臨著一定的困境：1）單倍體發生頻率低，故需要大規模植株，但部分育種材料不易獲得，盡管可針對試驗研究收集材料，但很難在短時間內大量獲得;2）鑒別過程中存在難度，如今優良誘導性頻繁出現，要想快速實現純系鑒別，則應當及時解決誘導頻率低等種種問題，以打破不良基因連鎖限制，克服加倍困難問題。

4 新形勢下玉米單倍體育種發展趨勢

在科學技術不斷革新的今天，生物工程技術正在完善與成熟，利用這些技術積累足夠有利基因位點之后，再進行單倍體育種，能夠獲得性狀更加優良的純系，將單倍體育種的優勢充分呈現出來，大大提升玉米育種的質量與效率。在今后的研究過程中，應繼續探索合適的誘導條件，以誘導單倍體和二倍體，并借助分子標記和轉基因技術，擴大單倍體誘導基因型的范圍，以提高單倍體誘導成功率。經過進一步深入研究與試驗，玉米單倍體育種的發展趨勢極其明朗：1）以工程化理念為主，優化單倍體育種體系，明確研究方向，逐漸形成高效玉米育種技術體系;2）更加快速地獲取基礎材料，并對不易獲得的特殊材料展開探究與挖掘，解決部分材料不易獲得的困境;3）加強測配工作，實現大范圍規模化利用，陸續解決種種問題，加快玉米育種技術的變革。隨著對單倍體物種研究的不斷深入，以及遺傳學和分子生物學的飛速發展，玉米單倍體技術將不斷得到優化，單倍體物種的技術體系將不斷完善[10]。單倍體育種技術在玉米遺傳和育種研究中得到了更廣泛的應用，在提高玉米產量和多樣性、基因改造和生殖質量創新方面發揮著重要作用。

5 結語

將植物單倍體育種技術應用至玉米育種中是新形勢下培育優良玉米品種、同步增產增質的主流趨勢。與其他育種技術相比，單倍體育種具有生物安全性能高、育種周期短等優勢，符合現階段我國現代農業生產與發展的實際需求。在具體的實驗研究過程中，應當將單倍體育種與傳統育種有機整合，同時發揮優勢，保證玉米品種的優良特性，提高育種效率以及產量水平，并為更加深入的研究提供可參考的實際依據。

參考文獻：

[1] 王江浩，尤帥，趙愛菊，等.玉米單倍體的誘導加倍技術及其應用研究[J].河北農業科學，2016，20（1）：70-75，79.

[2] Chalyk S T. Properties of maternal haploid maize plants and potential application to maize breeding[J].Euphytica，1994，79：13-18.

[3] 魏俊杰，池書敏，劉志增.關于玉米單倍體人工加倍方法及花粉活力測定的初步研究[J].玉米科學，2001（3）：12-13.

[4] 劉志增，宋同明.玉米單倍體雌雄育性的自然恢復以及染色體的化學加倍[J].作物學報，2000（6）：947-952.

[5] Gayen P， Sarkar K. Cytomixis in maize haploids[J].Indian Journal of Genetics and Plant Breeding，1996，56（1）：79-85.

[6] Wan Y J， Petolino， Widholm J. Eficient production of doubledhaploid plants through colchicine treatment of anther derivedmaize callus[J].Theor Appl Genet，1989，77（6）：889-892.

[7] Barnabas B， Obert B， Kovacs G. Colchicine， an efficient genome doubling agent for maize （Zea mays L.）microsporescultured in anthero[J].Plant Cell Reports，1999，18（10）：858-862.

[8] Seaney P R. Studies on monoploidy in maize[M].New York：Cornell University，1955.

[9] 戴惠學，胡俏強，陳舜權.玉米單倍體育種研究進展及展望[J].金陵科技學院學報，2011，27（4）：44-48.

[10] 趙靜紅，趙海濤，李勃，等.利用玉米單倍體育種技術培育優質玉米DH系[J].農業工程技術，2018，38（32）：74，76.

（責任編輯：劉 昀）