簡(jiǎn)析玉米單倍體育種技術(shù)要點(diǎn)

郭玲玲 郭曉霞 王鳳蓮 張方圓

摘 要 單倍體育種是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，尤其是在我國(guó)北方，玉米生產(chǎn)占有很大的比重，因此，對(duì)單倍體育種技術(shù)進(jìn)行研究，有利于促進(jìn)玉米的生產(chǎn)效率和玉米培育生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。基于此，對(duì)玉米單倍體育種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞 單倍體育種;玉米;影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：S335.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.30.112

玉米是我國(guó)農(nóng)業(yè)作物的重要組成部分，如何開(kāi)發(fā)并應(yīng)用新的玉米栽培技術(shù)，是玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對(duì)的重要問(wèn)題。單倍體育種可以迅速獲得純合體，縮短育種年限，因此，做好單倍體育種工作是當(dāng)前玉米種植產(chǎn)業(yè)中的重要工作。基于此，就玉米單倍體育種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和探討。

1 玉米單倍體育種的相關(guān)工作

1.1 選育優(yōu)良種子

選擇優(yōu)良的玉米種子，是開(kāi)展玉米單倍體育種工作的重要基礎(chǔ)，也是提高玉米產(chǎn)量的有效途徑。1）工作人員必須對(duì)玉米栽培地進(jìn)行考察，觀察并記錄玉米種植地的氣候和土壤特點(diǎn)等環(huán)境條件信息，分析土壤中各種成分的含量，并以土壤成分指標(biāo)為依據(jù)，選擇最適合生長(zhǎng)的玉米種子[1]。2）在選種的過(guò)程中，工作人員應(yīng)首先觀察玉米種子的外觀，檢查玉米種子是否飽滿(mǎn)、有無(wú)磕傷等，并對(duì)玉米種子的發(fā)芽率及該玉米種子發(fā)育后的產(chǎn)量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，選用最合適的玉米種子。3）栽種前，工作人員必須對(duì)選用的種子進(jìn)行二次檢查，篩選出壞種。在栽種時(shí)，還應(yīng)該使用合適濃度的殺菌劑對(duì)種子進(jìn)行殺菌，提升種子的發(fā)芽率，對(duì)玉米病蟲(chóng)害進(jìn)行預(yù)防。

1.2 合理密植

合理密植也是玉米單倍體育種過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，如果玉米在種植時(shí)間距過(guò)近，在玉米植株長(zhǎng)大的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)葉片互相遮擋、土地養(yǎng)分不足等現(xiàn)象，不利于玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，因此，必須對(duì)玉米進(jìn)行合理密植。1）在栽種以前，選擇并標(biāo)記玉米的播種位置，玉米播種間距要根據(jù)不同種類(lèi)的生長(zhǎng)需求進(jìn)行界定。2）確定好位置后，按照預(yù)先標(biāo)記好的位置進(jìn)行栽種工作。播種時(shí)，應(yīng)注意播種的深度，以確保留給種子合適的成長(zhǎng)空間;要注意將上層熟土和底層生土分開(kāi)，翻土充分;播種完畢后踩土，使土壤緊密程度適中。

1.3 做好施肥工作

施肥工作大致分為底肥、種肥和追肥。1）在播種之前，工作人員將肥料施入播種穴內(nèi)，施肥深度為種子下8～10 cm。2）在播種時(shí)，肥料應(yīng)該施在玉米種子下方3～5 cm[2]。3）玉米播種完畢后，就可以根據(jù)玉米生長(zhǎng)狀況開(kāi)展追肥工作。施肥時(shí)，需要先對(duì)土壤中的養(yǎng)分含量進(jìn)行測(cè)量并記錄，然后根據(jù)不同品種玉米的生長(zhǎng)需求在土壤內(nèi)施加有機(jī)肥，要注意把控施肥的量，過(guò)多的有機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致燒根，不利于玉米生長(zhǎng)。

2 玉米的單倍體育種技術(shù)

2.1 花藥培養(yǎng)

植物的每個(gè)細(xì)胞都包含著該物種的全部遺傳信息，從而具備發(fā)育成完整植株的遺傳能力，因此，可以采用花藥培養(yǎng)的方法進(jìn)行育種。花藥培養(yǎng)的流程通常包括。1）在玉米穗還未完全成熟時(shí)，將雄性的玉米穗取下進(jìn)行顯微鏡下的切片檢查。加入染液使樣本更加清晰、便于觀察，通過(guò)顯微鏡觀察確定玉米的花粉發(fā)育期，從而確定花藥培養(yǎng)的時(shí)間。由于玉米花粉發(fā)育期與培育玉米的生長(zhǎng)性狀緊密相關(guān)，因此需要嚴(yán)格控制花粉取樣時(shí)間，從而確保育種的高效性和高質(zhì)量。2）將適宜培養(yǎng)的花藥取出后，應(yīng)盡快將其放入特定的培養(yǎng)基中，待一定時(shí)間后細(xì)胞分化形成單倍體幼苗后，進(jìn)行單倍體育種處理。3）使用試劑處理（如秋水仙素）使染色體數(shù)目加倍，獲得雙倍的單染色體，然后進(jìn)行自交產(chǎn)生單倍體純合子種子。花藥培養(yǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行多次雜交，在較短的代數(shù)內(nèi)就可以獲得單倍體的種子[3]。但是由于在培育過(guò)程中，種子受誘導(dǎo)素及環(huán)境等多方面的影響，成功率并不確定，這也是花藥培育面臨的問(wèn)題之一。

2.2 Stock6單倍體育種技術(shù)

Stock6單倍體育種技術(shù)具有較高的誘導(dǎo)成功率，是近年來(lái)研究和應(yīng)用較為廣泛的單倍體育種方法之一。Stock6單倍體育種技術(shù)首先需要選擇受精核，具體的受精過(guò)程還受到速度的影響，花粉粒中的兩個(gè)精核可能形成不同的受精形式。1）一個(gè)精核先進(jìn)入卵細(xì)胞，并與卵細(xì)胞進(jìn)行結(jié)合，而另一個(gè)精核的死亡率較高，從而形成二倍體或紫胚芽尖。2）一個(gè)精核與極核進(jìn)行受精，而另一個(gè)死亡，形成其他的細(xì)胞或部位。與花藥培育類(lèi)似的是Stock6單倍體育種也不需要進(jìn)行多次自交，一般經(jīng)過(guò)2～3代的培育就可以得到單倍體種子。但需要注意的是，在使用Stock6單倍體育種技術(shù)時(shí)，必須選擇它作為父本，雜交的數(shù)目也應(yīng)該盡可能較大，從而提高單倍體育種的成功率。

2.3 單倍體的鑒定方法

單倍體的鑒定方法有許多種，如細(xì)胞遺傳學(xué)方法、形態(tài)學(xué)方法、射線照射法等。在當(dāng)前的單倍體育種中，最常用的鑒定方法是標(biāo)記法。標(biāo)記法的主要工作流程是在玉米種子中進(jìn)行基因的標(biāo)記，這樣便于對(duì)基因進(jìn)行觀察。且不同的部位使用不同的顏色，更有利于進(jìn)行單倍體的培育。利用基因標(biāo)記法可以迅速地排除非單倍體，提高單倍體育種的成功率[4]。在實(shí)際的單倍體育種過(guò)程中，工作人員需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行方法的選擇，從而確保單倍體育種的工作質(zhì)量。

2.4 單倍體加倍的方法

在進(jìn)行單倍體育種的過(guò)程中，必須先將單倍體進(jìn)行加倍，成為二倍體之后才能培育后代。因此，進(jìn)行單倍體加倍也是十分重要的工作。常用的單倍體加倍方法有自然單倍體加倍和人工單倍體加倍。1）自然單倍體加倍。通常，玉米植株的花粉粒是比較少的，且在自然的情況下，單倍體進(jìn)行加倍的概率相對(duì)較低，在單倍體植株的自然生長(zhǎng)過(guò)程中，僅有較少的一部分可以完成自然加倍，因此，在玉米的單倍體育種過(guò)程中較少采用自然單倍體加倍的方法。2）人工單倍體加倍主要依靠秋水仙素，通常選用單倍體的根尖或莖尖作為生長(zhǎng)點(diǎn)，將秋水仙素使用注射和涂抹的方法作用于生長(zhǎng)點(diǎn)。在使用秋水仙素進(jìn)行單倍體處理的過(guò)程中，必須明確秋水仙素的濃度，因?yàn)椴煌呐嘤h(huán)境和植株對(duì)秋水仙素的濃度要求不同。除了秋水仙素濃度，由于秋水仙素在不同的溫度環(huán)境下作用效率不同，因此培育環(huán)境的溫度也是影響單倍體育種成功率的因素之一。由于受環(huán)境、試劑、種子等多方面的影響，雖然人工加倍比自然加倍的成功率高，但人工加倍的成功率一般也只有30%～50%。

3 單倍體育種的影響因素分析

3.1 環(huán)境影響

環(huán)境因素對(duì)玉米單倍體育種的成功率有著決定性的影響，玉米種植地的土壤條件（濕度、有機(jī)肥的含量等）、環(huán)境狀況（光照、空氣質(zhì)量等）、氣候因素（降雨量、自然災(zāi)害等）等都會(huì)對(duì)玉米單倍體育種工作產(chǎn)生影響。除此之外，在使用秋水仙素對(duì)細(xì)胞進(jìn)行處理時(shí)，溫度也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。由于在單倍體育種的過(guò)程中需要進(jìn)行多次的雜交、自交及植株培育，如果玉米植株的生長(zhǎng)條件與培育條件差異較大，就可能導(dǎo)致單倍體植株的成活率低。因此，環(huán)境因素是單倍體育種過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，工作人員需要根據(jù)所采用的方法，篩選出適宜玉米生長(zhǎng)和培育的環(huán)境。

3.2 選擇玉米植株的質(zhì)量

除了環(huán)境因素，對(duì)單倍體育種成功率影響最大的就是所選擇的玉米種子的質(zhì)量。如果玉米種子質(zhì)量不佳，在進(jìn)行單倍體培育后很可能因多種因素而死亡，因此，在選擇進(jìn)行單倍體育種的玉米種子時(shí)，必須要選取形狀穩(wěn)定、品質(zhì)較好的玉米種子，以提高玉米單倍體育種的成功率[5]。純系也是玉米單倍體育種的追求目標(biāo)，選取基因較為優(yōu)秀的玉米種子，可以提高單倍體育種的純種率。利用上述基因標(biāo)記法等多種方法可以快速地進(jìn)行純系的篩選，簡(jiǎn)便快速的鑒別純系也有利于提高單倍體育種的成功率。

3.3 大規(guī)模單倍體育種存在的問(wèn)題

在選取了合適的生存環(huán)境、健康的玉米種子以后，就要考慮到大規(guī)模單倍體育種，目前單倍育種已經(jīng)成為國(guó)外一些大公司滿(mǎn)足玉米商業(yè)育種的主要手段，但是在市場(chǎng)化運(yùn)行的背后仍然存在較大問(wèn)題需要解決。1）單倍體發(fā)生的頻率比較低，而且容易發(fā)生單倍體基因型不符合育種目標(biāo)的情況，增加實(shí)驗(yàn)的成本。2）在單倍體的鑒別方面，因?yàn)閱伪扼w育種技術(shù)不能有效打破不良基因的連鎖，所以在實(shí)驗(yàn)方面的沉沒(méi)成本更高;基因間的重組幾率較低，直接導(dǎo)致需要更大體量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和篩選。3）此外，單倍體育種的科學(xué)實(shí)驗(yàn)往往沒(méi)有辦法進(jìn)行跨國(guó)界的學(xué)術(shù)交流，無(wú)形之間增加了單個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)付出。例如，一些高頻誘導(dǎo)系已被申請(qǐng)專(zhuān)利，出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的過(guò)度保護(hù)，限制了國(guó)際間信息和材料的交流。因此，我國(guó)要進(jìn)一步發(fā)展玉米單倍體育種技術(shù)及體系，就必須自主培育單倍體誘導(dǎo)系，只有將單倍體育種與種質(zhì)擴(kuò)增和育種材料的改良有機(jī)結(jié)合起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)誘導(dǎo)材料的重組改良，在實(shí)驗(yàn)累積到一定次數(shù)之后，才可以利用足夠的有利基因位點(diǎn)，用單倍體技術(shù)獲得純系，提高育種效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在玉米的單倍體育種過(guò)程中，工作人員要從多個(gè)角度出發(fā)，不斷發(fā)展、應(yīng)用玉米育種及栽培新技術(shù)，對(duì)雜交、自交等多項(xiàng)培育方法和玉米選種、合理密植等栽培技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，有效提高玉米單倍體育種成功率，促進(jìn)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：趙中正）