玉米单倍体诱导系Stock6及其在玉米育种中的应用

2017-06-27邱荣华李辉田顺顺王文佳杨万立

种子科技 2017年6期

关键词：单倍体自交系紫色

邱荣华，李辉，田顺顺，王文佳，杨万立

（聊城大学农学院，山东聊城252000）

玉米单倍体诱导系Stock6及其在玉米育种中的应用

邱荣华，李辉，田顺顺，王文佳，杨万立

（聊城大学农学院，山东聊城252000）

玉米单倍体育种可缩短育种周期、提高育种效率，利用玉米单倍体诱导系诱导玉米单倍体简单易行，单倍体筛选方便。简述了玉米单倍体诱导系Stork6的发现、改良及在玉米育种中的应用。

玉米；单倍体；Stock6；育种；应用

玉米是世界第二大粮食作物、我国第一大粮食作物，玉米生产普遍采用杂交种，利用杂种优势。而玉米杂交品种的选育，首先需要选育大量的自交系，然后利用自交系组配杂交种。目前，国内外自交系选育基本上采用系谱法、二环系法、回交法等方法[1]，利用这些方法获得一个优良的自交系至少需进行连续6代以上的人工自交与选择，育种周期长，难以满足玉米生产对品种更新换代的需求。

围绕缩短育种年限、提高育种效率，育种人员不断探索缩短自交系选育的方法。1922年，Dorothy Bergner首次在野生曼陀罗中发现了单倍体，以后在烟草、番茄、小麦、玉米等植物上获得了单倍体，随之从单倍体到纯合二倍体用于育种的技术路线逐步形成，即利用自然发生或人工诱导的单倍体，经自然或人工加倍获得双单倍体植株（DH），也就是纯系，用于育种。1932年，Morrison第一个从单倍体获得了绝对纯合的番茄品系[2]，从单倍体到纯合二倍体品系用于育种的技术路线得到验证。从诱导单倍体到单倍体加倍获得双单倍体仅需2年，且双单倍体只有一套染色体，没有等位基因，没有超显性效应，在选系过程中，利于保留加性上位效应，淘汰有害的隐性基因，提高有利基因型的遴选频率，有效地提高育种效率。

早期的玉米单倍体，主要是品种间、自交系间或品种与自交系间杂交产生的孤雌生长单倍体，但自然杂交产生单倍体的概率极低，一般不超过0.1%[3]；远缘杂交采取延迟授粉、物理射线、化学药剂等人工措施，虽能提高单倍体产生的概率，但诱导效果不太稳定；尽管目前花药或花粉培养技术获得了较大发展，建立了稳定的玉米花药（花粉）组织培养再生系统，而受基因型和技术复杂性的制约，也未能在育种实践中广泛应用。而玉米单倍体诱导系Stock6的发现及改良，使玉米单倍体育种简便易行，并逐渐呈现出规模化发展的趋势。

1 玉米单倍体诱导系Stork6的发现与改良

1946年，NorthUP King公司发现一个具有紫色糊粉层的玉米材料，表现为硬粒、白色籽粒及粉质胚乳，因无育种价值，送给明尼苏达大学Charles Burnham教授。1948—1950年，Coe作为Charles Burnham的硕士研究生搜集了这个系统并命名为Stock6[4]。经过几年的试验发现，在这个Stock6的自交后代中产生了3%左右的单倍体，进而用它作杂交父本产生了2.29%的孤雌生殖单倍体，因此可作父本诱导玉米单倍体，用于单倍体育种。但由于单倍体的诱导频率低，在田间大群体内鉴定单倍体是不可能的，为便于识别杂交后代产生单倍体，后来人们导入两个显性的遗传标记基因R-nj和PI。R-nj的基因效应是胚中形成紫色盾片和胚乳糊粉层中产生紫色冠顶，是双重遗传标记；PI的效应则是形成紫色茎秆。

用带有三重遗传标记的Stock6给黄粒或白粒的绿株玉米授粉，杂交籽粒表现可分为3种类型：一类是紫胚和紫色冠顶的籽粒，为双受精的杂交二倍体；二是胚无色、冠顶紫色的籽粒，为未受精卵、受精极核细胞形成的单倍体籽粒；三是胚和冠顶均无紫色的籽粒，可能是受异源花粉污染所致。因此，可以通过胚和胚乳的颜色把单倍体子粒挑选出来。但由于籽粒R-nj标记的表达有时受遗传背景的影响，籽粒色素标记弱，容易出现误判，种植初选的准单倍体籽粒，借助于PI植株标记进一步田间鉴定单倍体。尽管如此，Stock6还存在很多缺陷，如诱导率低、雄花对温度敏感、散粉性不好及遗传标记受遗传背景影响等。

国外通过杂交改良的方法，相继对Stock6进行了改良，选育出一批诱导率高、农艺性状良好的诱导系。如法国的SW14、摩尔多瓦的MHI、德国的RWS等。这些诱导系的利用价值已经大大超出Stock6[5]，目前德国、法国和美国的一些大公司已经选育出诱导率6%以上的诱导系，并开始商业化应用[6]。我国对玉米单倍体育种的研究起步比国外略晚，但已取得了很大进展，如中国农业大学从Stock6与高油玉米群体BH0的杂交后代中选育出高诱1号，单倍体诱导率介于1.92%～9.25%之间，平均诱导率为5.34%；吉林省农业科学院从Stock6与M278的杂交后代中，选育出吉高诱系3号，单倍体诱导率介于5.50%～15.94%，平均单倍体诱导率为10.40%，籽粒标记性状明显、稳定，花粉量大、结实性好、抗病性强；北京市农科院、山东省农科院、华中农业大学、四川农业大学等选育的单倍体诱导系都表现出较高的诱导率。

2 玉米Stork6诱导选系程序

2.1 杂交诱导单倍体

以单倍体诱导系作父本，籽粒黄色或白色、植株绿色的选系基础材料（包括由有目标性状配制的杂交组合、优良的商用杂交种、各类群体或其衍生的F1、F2代群体等）为母本。按父本∶母本为1∶（5～6）的比例播种，母本一般比父本早散粉7～10 d，根据父母本播种到开花时间，合理安排父母本播期，保证父母本花期相遇。母本雌穗伸出、未吐丝前，用羊皮纸袋将雌穗套住，待花丝抽出后，取诱导系的新鲜花粉进行授粉。由于花粉量少，第二天再重复一次。

2.2 单倍体鉴定筛选

杂交果穗成熟后收获脱粒，根据R-nj性状标记，筛选单倍体籽粒，凡具有紫色冠顶、无色胚的为准单倍体籽粒。准单倍体籽粒田间播种、生育期间，依据植株PI紫色标记及形态学特征对准单倍体进一步确认，单倍体植株一般叶鞘、茎秆绿色，叶片较少、狭窄、直立，植株瘦弱、生长缓慢、株高低，约是二倍体植株高度的70%；雌雄不协调，雄穗高度不育。凡植株叶鞘、茎秆紫色、粗大高壮者均不是单倍体，田间应剔除。

2.3 单倍体加倍

自然加倍是单倍体加倍的主要方法，自然状态下80%左右的单倍体雌穗可自然加倍，恢复育性，而雄穗的自然加倍频率为5%～10%。对于散粉株率低的单倍体基因型，利用秋水仙素、APM、拿草特、氟乐灵、安磺灵和一氧化二氮等化学药剂，通过浸种、浸根等进行人工加倍。

2.4 双单倍体的鉴定利用

同一果穗获得的双单倍体子粒播种后，如果植株长势整齐一致、无分离，可确认为纯合的双单倍体（DH）系。若农艺性状良好，符合自交系性状特征，便可进行配合力测定及杂交组合的组配。

3 单倍体诱导系在玉米育种中的应用现状及展望

近10多年来，美国孟山都公司、德国KWS公司及俄罗斯等国的一些玉米种子公司都在利用单倍体诱导系进行自交系选育，在DH育种方面均呈现大规模、高通量、流程化的选育模式，其中以德国KWS公司的技术相对成熟。据不完全统计，每年大约可产生1500～2000个纯系[7]。中国农业大学、华中农业大学、河北农业大学、吉林省农科院、山东农科院和辽宁省农业科学院等科研院所及种业公司相继开展了玉米DH育种[8]，并呈现快速发展的趋势。然而，玉米单倍体育种在实际应用中还存在单倍体诱导系诱导率低、长势较弱、雌雄不协调、遗传标记弱[9]、单倍体加倍率较低及形成的纯系组配成的杂交品种较少等问题。

随着诱导系诱导率的逐步提高、单倍体加倍技术的相对成熟及玉米诱导基础材料的合理选择，利用诱导系诱导玉米单倍体进行单倍体育种将成为今后玉米育种的主要方法之一。

[1]刘纪麟.玉米育种学（2版）[M]．北京：中国农业出版社，2002：172-177.

[2]（苏）C.C.霍赫洛夫单倍体与育种[M].北京：农业出版社，1976：2.

[3]陈文俊，李明媚．玉米单倍体诱导育种技术体系与应用前景[J]．农业科技通讯，2009(12)：112-115．

[4]陈绍江，黎亮，李浩川.玉米单倍体育种技术[M].北京：中国农业大学出版社，2009：15.

[5]刘志增，宋同明.玉米高频率孤雌生殖单倍体诱导系的选育与鉴定[J].作物学报，2000，26（5）：570-574.

[6]李刚，王金艳，马骏.玉米孤雌生殖诱导系的选育及其利用[J].辽宁农业科学，2012(6)：56-58.

[7]才卓，徐国良，刘向辉，等.玉米单倍体诱导选系研究(简报)[J].玉米科学，2004，12(1)：10-11.

[8]姜龙，慈佳宾，崔学宇，等．不同生态条件下玉米单倍体诱导率和加倍率研究[J].吉林农业大学学报，2014，36(2)：139-143．

[9]徐玉波，任保财，张宝石，等.玉米单倍体诱导系的杂种优势利用研究[J].辽宁农业科学，2010(3)：40-43.