利用玉米单倍体育种技术培育优质玉米DH系

2018-01-21赵静红赵海涛王菁菁孙冲霞刘新颖

农业工程学报 2018年32期

赵静红，赵海涛，李勃，王菁菁，孙冲霞，刘新颖，越刚

（吉林省吉林市农业科学院，吉林吉林 132101）

关健词：玉米；单倍体育种；玉米DH系；技术措施；应用效果

单倍体育种是目前最先进的育种手段之一。具体方法是利用植物组织培养技术（如花药离体培养等）或特殊诱导技术产生单倍体植株，再通过化学或者物理方法使染色体组加倍（如用秋水仙素处理，自然加倍等方法），使植物恢复正常染色体数，从而恢复植物的育性。之后再从中选育出性状优良的基因纯合的自交系，通过杂交选育出优良的玉米杂交品种。

经诱导后得到的玉米单倍体植株中由隐性基因控制的性状，虽经染色体加倍，但由于没有显性基因的掩盖而容易显现，可以让我们有目的的选择材料，这对诱变育种和突变遗传研究很有好处。在诱导频率较高时，单倍体能在植株上较充分地显现重组的配子类型，可提供新的遗传资源和选择材料。玉米单倍体育种技术可以更多更好的选择出优良的玉米自交系，这项技术极大地提高了玉米的产量水平和育种效率，为人类粮食作物的生产开辟了十分广阔的前景。

一、玉米DH系的特性

1、玉米DH系的群体特性

通过利用单倍体育种技术所生产出来的DH群体，作为一个基础性的研究群体，属于完全重合和永久分离的群体。相对于传统育种方式，它能够有效消除常规育种早代育种过程中杂合位点较多的局面，大大提高了育种过程中纯合基因型的出现频率，提高工作效率，提高试验成功率。理论上，在进行遗传性状分析时，所要求的群体规模仅相当于F群体的平方根数。DH群体作为一种醇和的永久性群体，可以在不同环境、不同季节进行重复试验，能够有效控制外界环境变化对试验结果产生的误差，提高实验分析的准确性和科学性，是研究单倍体育种过程中研究基因类型与外界环境变化之间关系的理想材料。

2、玉米DH系的植株特性

利用玉米单倍体育种技术培养出来的玉米DH系在田间表现出优势的生长性状，同一个玉米DH系株高、穗位、株型等性状表现一致，这是常规育种方式培养的自交系所无法比拟的。通过采用QTL分析方法[1]，进一步分析发现，控制玉米DH系群体穗位高度的加性效应可能是主要基因作用方式之一。

3、玉米DH系的穗部特征

通过理论研究和实践研究发现，同一个玉米DH系穗行中，不同自交系果穗的穗型、粒型、颜色等性状表现出均匀一致。玉米穗粒数、玉米穗长度、玉米穗轴直径平均表现和变异性方面之间的差异性不显著。通过广泛理论研究可以得知，控制玉米穗轴颜色的遗传性状基因基本固定，且穗行数属于显性遗传。在种植过程中，一旦出现穗轴颜色或者籽粒颜色发生变化、存在明显的性状分离时，可以断定在这个玉米DH系培育过程中，可能因为串粉形成的杂交一代种子进一步自交，导致遗传性状分离。

从同一个玉米DH系在同一种种植环境下的籽粒性状表现情况来看，经过单倍体育种技术处理过的DH系玉米籽粒容积和质量都比亲本籽粒性状有所提高，父本和母本所生产的子代农艺性状得到了显著改善。进一步利用QTL分析方法对玉米DH群体品质性状、籽粒、蛋白质、油分含量、淀粉含量检测发现，不存在三个品质性状相同的QTL位点。此外，通过检测还发现，玉米籽粒中油分含量、淀粉含量、蛋白质含量均出现了双向超轻分离现象，超越亲本的优势值存在较大差异，其中油分含量超清值范围最大，其次是蛋白质含量，最后是淀粉含量[2]。

二、利用玉米单倍体育种技术培育优质玉米DH系的技术措施

1、材料收集和处理

收集优良的受体材料：Mo17、吉846、先玉335、郑单958、九育27、通单24等，诱导系采用中国农大培育出来的玉米诱导系“农大高诱1号”，将诱导系与受体材料错期播种，通过诱导系的花粉去诱导受体材料的雌穗，得到的种子进行单倍体籽实鉴定去除杂合种，第二年将单倍体材料种植于田间，用人工加倍的方法进行染色体加倍，用以恢复单倍体材料的育性。对单倍体加倍形成的二倍体材料为双单倍体材料，对其进行自交得到后代为DH系（双单倍体），通过性状考察和配合力测试，再从中选择高产、高抗、高配合力、优质的玉米DH系。

2、技术路线

单倍体材料的获得。利用诱导系诱导受体材料后，需要通过对籽实的胚的颜色来鉴别单倍体籽粒，胚乳糊粉层呈现紫色或紫红色标记、胚芽部位无色的籽粒为单倍体籽粒。单倍体的染色体加倍方法有化学方法、自然加倍、人工方法等。我们结合化学加倍和人工加倍的方法对单倍体材料进行加倍，提高加倍成功率，使其恢复育性。

利用孤雌生殖技术来进行单倍体育种在全国还是比较前沿的一项研究，本课题将选用高诱导率的诱导系提升玉米受体材料形成单倍体的诱导率，利用最新的人工染色体加倍技术提升单倍体材料的加倍成功率达到20%-30%。得到性状优良的玉米DH系，可以直接应用于下一步的育种研究，大大节约育种年限，提高育种效率。经过筛选和鉴别得到高产、高抗、高配合力、优质的玉米DH系1个，其可作为玉米育种的优良自交系。

三、应用效果分析

1、大大缩短自交选育时间，提高育种效率

通过选用高诱导率的诱导系进行单倍体育种，可以在较短时间内获得玉米醇和自交系。这个方法主要包含以下几方面操作步骤，先是将F1代单倍体诱导型花粉杂交，从杂交果穗中筛选出单倍体玉米种子，然后就可以培养正常散粉的单倍体植株，获得D1代，或者通过采集花粉花药进行组织培养，获得相应材料。

D1代经过加倍处理之后，能够得到双单倍体，这样所得到的双单倍体，在一个世代就可以得到纯合的重组二倍体，通过加倍处理获得二倍体的纯合性在理论上是100%纯和，可以很好的将其应用在遗传研究和育种研究中。从选择的基础材料授粉开始得到的纯合自交系，只需要经过2-3代的种植，所以，相对于传统育种方式，育种时间大大缩短。如果借助于南繁加代方式，在一年之内就可以获得较好的自交系。因此，利用玉米单倍体育种技术，培育优质的玉米双单倍体，能够有效缩短自交系的选育时间，加速推广育种进程，具有广阔的应用前景。

2、拓宽了种质与群体改良

通过选育出高产的DH系，并将其作为原始材料，随机组合匹配，进行下一轮的单倍体选择，能够实现玉米产量、生理性状、农艺性状为指标的种质资源拓宽。在玉米育种过程中，对通过轮回选择或者其他育种手段被选育出来的高产DH系进行再利用，这对于培育携带含有产量、抗病虫害性能、抗力性能等众多有利等位基因的自交系有很大帮助，是一种快速简单而有效的手段。玉米DH系培养有效应用于基础群体的创建与改造，在进行轮回选择过程中，能够更好的诱导产生玉米DH系，对实现玉米基因频率改造有着很好的效果。

3、定位基因的理想材料

在进行玉米育种过程中，所选择的大多数目标性状是数量性状，而这方面的症状常常受到多方面进行控制，同时也会受到外界环境因素影响。因此在进行数量性状遗传研究过程中，需要构建完善的群体。利用玉米单倍体育种技术培育优质玉米DH系虽然所含有的信息量相对较少，但是在整个DH群体中，每一个DH系都是一个遗传上纯合的株系，能够实现无限制的繁殖，适合对玉米外表性状进行有效鉴定分析，是QTL定位的理想群体。