现代玉米育种新技术探析

摘要：玉米是我国主要饲料、工业原料和粮食作物。随着社会经济的快速发展，对玉米的产量和品质提高又有了新的要求，而传统的玉米育种技术已无法满足快速发展的经济形势，因此，新的育种技术应运而生。本文主要介绍了现代玉米遗传育种的过程中应用的主要技术与方法，比较了各种方法的优缺点，以供在农业生产中进行参考。

关键词：玉米；遗传育种；技术

中图分类号：S513 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-12-32-2

玉米属天然的异花传粉作物，其田间组成是高度异质态，个体基因型是高度杂合态，这就决定在玉米天然授粉群体内，比较株间的表现型意义不大；同时，因为个体基因型处于高度的杂合态，故导致表型的选择并不可靠，一定要对大量的个体进行测交或者后代的鉴定，才可确定表型性状是否真实并且可遗传。所以，在玉米育种的过程中，一般情况下都要经过多代的选择、比较，才能育出新的自交系或品种。

然而，随着时间的推移，可以提供给育种专家们的玉米基因资源日渐匮乏，依靠自然变异和传统意义上的人工代代选择在时间上已经基本无法满足经济的快速发展对玉米产量不断增加的要求。这就催生了各种新的育种技术的产生，如单倍体育种，诱变育种及基因工程、分子标记技术等生物技术应用于育种过程中，这些技术与传统育种方法相结合，创造出了更为丰富的遗传基因材料以供研究，也让育种工作更具有可控性，很大程度上缩短了育种时间，使玉米育种工作具有良好的发展前景。

1 单倍体育种法

双单倍体（doubled haploid，DH）育种是指利用单倍体诱导系结合标记性状诱发，再通过染色体组加倍（包括自然加倍和人工处理加倍）等手段使植物回复正常染色体数的一种育种方法。

由于高等植物在自然条件下产生单倍体的频率非常低，而通过人工诱导的方法，如花粉（花药）离体培养，远缘杂交、化学药剂诱导、孤雌生殖诱导系诱导等多种方法可使获得单倍体的频率大大提高。跟传统杂交育种方法相比较，单倍体育种技术因其快速、准确、稳定等特点受到了育种专家们的重视。

1.1 单倍体育种技术应用于玉米育种的优点

一是缩短了育种时间。一般传统育种方法选育纯合的自交系想要达到稳定状态至少需要6代以上，而单倍体技术只需要诱导和加倍2代即可以达到纯合，大大缩短了育种时间；二是选择准确性高。一般传统的育种方法基本都从表型上进行选择，而基因型处于高度的杂合态，在选择的时候容易出现误选的可能性，而由于利用单倍体育种方法得到的双单倍体植株的基因型和表现型是完全一致的，提高了选择准确性，而且在选择由隐性基因控制的优良性状时更加具有明显的优势；三是所得到的双单倍体可以达到高度纯合和稳定。利用传统育种方法所得到的自交系只能是相对的纯合和稳定，在之后长期的制种和繁育过程中可能出现性状分离和衰退的现象，而通过单倍体育种技术所得到的双单倍体（DH）系是经过染色体加倍得到的，在基因型上可达到完全纯合，具有很强的稳定性，后期不会出现分离现象，能够长期用于育种工作。

1.2 单倍体技术应用于玉米育种的技术难点

一是单倍体的获得较难。因为自然中单性或孤雄生殖单倍体异常罕见，所以获得单倍体材料也有一定的难度。不过随着科学技术的发展，通过孤雌生殖诱导系诱导手段获得的单倍体因对基础材料基因型依赖小、操作简便、成本不高等优势，成为了玉米单倍体育种的首选技术；二是单倍体的加倍不易。因为单倍体的高度不育，通过自然中的变异加倍效率非常低，而且容易受到外界环境的影响，而目前应用最多的人工加倍方法就是利用秋水仙素等化学物质处理单倍体植株的根尖或者茎尖生长点，虽然加倍效率相较自然加倍效率明显提高，但是工作量大、操作复杂、费时等问题也同样成为了单倍体育种技术需要克服的难点。

2 诱变育种法

诱变育种是指用物理、化学因素诱导动植物的遗传特性发生变异，再从变异群体中选择符合人们某种要求的单株或个体，进而培育成新的品种或种质的育种方法。当前，在作物育种上应用的诱变方法主要分为物理诱变和化学诱变等。

2.1 物理诱变育种

物理诱变育种包括电离辐射、激光辐照和空间辐射诱变育种。其基础原理均是当辐射或激光将能量传递到生物体时，生物体内各种分子便产生电离和激发等现象，并且异常活跃并相互作用，使分子与分子间的化学键断裂并与其他分子相互作用时形成新的化学键，引起分子性质的改变、染色体结构的变异和各种酶活性的改变等变化，继而引发生物体性状发生改变。

2.2 化学诱变育种

目前在玉米上使用最广和效果最好的化学诱变剂的是EMS（甲基磺酸乙酯），EMS是一种烷化剂，主要是通过将DNA的核苷酸鸟嘌呤烷基化后，使DNA在复制时发生错误，或者被烷基化的鸟嘌呤发生自动降解，使DNA链发生断裂、易位甚至是使细胞死亡。与其他诱变剂相比，其产生的点突变频率高且多为显性突变，而染色体畸变相对较少，可以对植物的某一特殊性状进行改良。

用EMS-石蜡油处理玉米成熟花粉，已在玉米育种中得到广泛应用。这种方法不仅能创造出新的突变资源，并且可能产生有用的突变体，可以为玉米生长发育等基础性研究提供更广泛的材料；而且用EMS诱变在创造玉米新种质时不存在安全性问题。

2.3 诱变育种的技术优势及局限性

诱变育种能够提高变异的频率，大幅改良某些性状，变异性状较稳定，在较短的时间内获得更多的优良变异类型材料，丰富种质资源，并可加速育种进程。

然而诱变育种的局限性是有利变异相对少，需要大量的处理供试材料，并且诱发突变的方向难以人为的掌握和控制，突变体也难以集中多个理想性状等。要想克服这些局限性，可以扩大诱变后代的群体，增加选择的机会，并且随着科学技术的发展，将诱变育种与传统育种、分子育种等方法相结合，提高诱变育种效率、突变体的利用率和选择的准确性。

3 生物技术在遗传育种中的应用

3.1 转基因技术在玉米育种中的应用

转基因技术就是利用基因工程技术，将优良的外源基因或者经过体外加工修饰后的内源基因转入同一物种或者不同物种中，对植物的相关性状进行改造或改良，该项研究的成功，使玉米育种工作进入了新时代。

玉米转基因育种的过程主要有：目的基因克隆、克隆载体及表达载体的构建、遗传转化、阳性植株的筛选、分子水平检测、生物学鉴定、优良组合组配、区试以及推广等技术环节。目前，在玉米转基因育种中应用最广的转化方法主要有农杆菌介导法、基因枪法和花粉管通道法等。

3.2 利用分子标记技术辅助育种

分子标记辅助育种技术是利用与目的性状基因紧密连锁的分子标记，鉴定和筛选具有目的性状的种质资源和育种后代，或分析和评价种质资源、亲本之间亲缘关系的一种方法，与传统育种根据表现型进行选择相比，该项技术具有选择效率高，结果准确等特点，特别是对隐形基因控制的性状选择更为高效。

在实际应用中可以利用分子标记进行种子纯度测定、种子真伪性鉴定、数量性状QTL定位、玉米QPM育种中的前景和背景选择等，其中应用较为普遍的是SSR和AFLP技术。该研究的关键在于鉴定出与重要农艺性状紧密连锁的分子标记，通过利用与目的性状紧密的DNA标记可以对目标性状进行间接选择。

3.3 生物技术育种中的优势及局限性

生物技术在玉米育种中的利用给育种工作开辟了一种全新的方法，使玉米育种工作可以按照育种专家的意愿进行设计和改良，使优良的性状可以得到更好的增强，不好的性状也可以通过基因干扰技术进行有效的抑制，并且可以使玉米具有一定的抗性，如抗虫、抗除草剂、耐盐碱、耐旱等优良品质。

但生物技术在实际利用中也有许多的限制因素。一是生物技术研究费用高昂，投入大；二是遗传转化中的转化体系还不是很稳定，转化效率相对还比较低，需要对大量的植物材料进行处理，工作量较大；三是在进行转基因阳性植株鉴定时也会存在一定的误差，基因表达的稳定性也需要进一步的加代验证；四是还有一种所谓的基因沉默现象，即新插入的基因常常是关闭的，基因不表达现象时有发生；五是目前转基因作物的安全性还有待进一步的验证，如引入抗除草剂基因，可能在物种间产生基因漂移现象，产生“超级杂草”，对生态环境可能造成影响，再有人们担心转基因食品的标记基因及其产物可能对人或动物健康有害，这些都造成转基因的粮食作物在推广上仍具有一定的困难和顾虑。

作者简介：李夏，硕士研究生，长春市农业科学院，初级职称，研究方向：玉米遗传育种。