花药培养技术在小麦种质资源创制及育种中的应用

王 炜 叶春雷 杨随庄 陈 琛 罗俊杰

（1甘肃省农业科学院生物技术研究所，兰州 730070；2西南科技大学小麦研究所，绵阳 621010）

花药培养是指将发育到特定阶段的花药给予一定的预处理，利用无菌操作技术将其接种至培养基上，在特定的温度、光照等环境条件的诱导下，使其偏离正常的花粉发育途径，不形成配子，而是如体细胞一样分裂分化，最终形成单倍体植株的一种培养方法。单倍体植株可经自然或人工加倍后形成纯合材料，这使得杂交后代分离的时间得到缩短，因此这项技术自诞生以来，就受到了育种家的重视。1964年，印度学者Guha率先在曼陀罗上通过花药培养获得了单倍体植株。在此后的20多年间，该技术在多国科学家的努力下得到蓬勃发展，先后在200多种植物中获得成功，获得了一大批小麦、大麦、水稻、油菜、辣椒等重要农作物的种质资源，并育成若干在生产上大面积应用的品种[1-2]。我国在小麦花药培养技术的研究和应用方面一直处于国际前列，目前在小麦花药培养中应用最广泛的愈伤组织诱导培养基N6、C17、W14、癸等均为我国科学家所研制[3-5]。第一个在世界上大面积应用种植的小麦花培品种京花1号则是在1984年由北京农林科学院的胡道芬等[6]育成的；此后花培764、花培1号、京花3号等多个累计推广超过百万亩的花培品种的育成，彰显了我国在花药培养技术方面的卓越成就。目前以小麦、水稻等作物花药培养为代表的花培育种技术已成为生物技术应用于育种实践的重要组成部分。

1 小麦花培育种的优点

利用花药培养技术进行新品种选育的方法，一般简称为花培育种；利用该技术育成的品种，则简称为花培品种。与常规杂交育种技术相比，小麦花培育种由于省去了杂交后代群体分离的时间，因此至少缩短育种时间3年（表1）；同时相应提高了选择效率，研究表明经花培育成审定品种的选择效率是同期常规育种的3.22倍[7]。

表1 小麦花培育种与常规杂交育种进程比较

2 花药培养技术在小麦种质资源创制中的应用

种质资源的创制是育种中的基础性工作，丰富的种质资源对于加快新品种选育具有良好的支撑和推动作用，因而许多育种家历来都很重视这项工作。花药培养一般情况下并不会产生变异，然而由于其能够缩短变异后代的分离时间、减少检测世代的数量，从而提高工作效率，因此花药培养技术与种质资源创制方法的有机结合，可快速获得育种家所需的性状变异材料。

2.1 与常规育种技术结合创制新种质花药培养技术与常规育种技术（杂交、回交、复交等）相结合，可快速获得各类抗病、优质、高产的种质材料。马鸿翔等[8]采用多个抗源复合杂交与花药培养技术相结合的方法，创制出了稳定对赤霉病、白粉病和纹枯病3种病害兼抗的种质材料；黄冰艳等[9]利用该技术在较短的时间内创制出了一批具有矮秆、早熟、抗病、高蛋白以及综合性状优良的小麦新种质；王成社[10]则在1～2年的时间内培育出了6个黑糯小麦和4个抗条锈病小麦材料；海燕等[11]相继创制小麦新种质1100余份，并应用其中5份种质培育出了4个小麦新品种。

2.2 小麦远缘杂交结合创制新种质远缘杂交是引进外源基因并进行种质创制的常用方法之一，但后代往往会疯狂分离，且目前尚无对这种分离进行有效人工控制的技术，因此大多数后代均需较长世代才可稳定，而通过花药培养技术可有效缩短后代分离的时间。翁跃进等[12]对普通小麦与顶芒山羊草的杂交后代进行了花药培养，创制出了6份异源附加系；陆瑞菊等[13]通过花药培养与远缘杂交相结合的方法选育出了1份双重二体异附加系和2份代换-附加系；聂道泰等[14]通过花药培养技术获得了若干小麦抗条锈病和黄矮病新种质；贾旭等[15]通过对普通小麦与中间偃麦草的杂交后代进行花药培养，相继创制了103个抗病种质，其中兼抗3种以上病害的有29份。

2.3 与诱变技术结合创制新种质包含航天育种、辐射诱变、化学诱变等在内的诱发突变技术是种质资源创制中重要的方法，得到相关研究者的广泛应用。但突变体在早期世代经常是以杂合状态或呈嵌合体状态出现，一般需要4～6代才能获得稳定纯合的突变体，而采用花药培养技术只需2～3代即可。宣朴等[16]利用Co-γ辐射诱变技术与花药培养技术相结合的方法，创制出了6112、7419、H203等小麦新种质；刘录祥等[17]则将核辐射诱变技术与花药培养技术相结合，创制了J33、YS1Z7、H89等多个耐盐小麦新种质；Zhao 等[18]通过该方法创制出了在农艺性状和花药培养特性方面均表现良好的小麦新品系H307，该品系在千粒重、株高和绿苗产率等方面均超过国外相似研究所获得的材料。

2.4 与转基因技术结合创制新种质近年来随着分子生物学技术的快速发展，转基因技术成为作物种质资源创制及培育品种方面具有巨大开发应用潜力的新技术。在小麦转基因研究中，采用花药培养技术将获得的单倍体材料作为转化受体，经染色体加倍后，外源基因可迅速纯合并能够稳定遗传，该技术的优点是外源基因可免受等位基因干扰，且转基因植株不存在显隐性，因此引起了一些研究者的关注，并进行了有益的探索[19-20]。在基于农杆菌介导法的转基因研究中，结合花药培养技术，张艳敏等[21]成功地获得了携带甜菜碱醛脱氢酶和胆碱氧化物酶等外源基因的转基因再生植株；Chauhan等[22]则获得了可稳定表达抗旱基因HVA1的转化植株。在基于基因枪法和花药培养相结合的小麦转基因研究中，史勇[23]获得了经PCR检测为阳性的3个转基因植株；高洁等[24]则通过系统研究，获得了基因枪转化小麦花药的最佳参数组合，同时获得了在T0纯合的转基因植株。

3 花药培养技术在小麦育种中的应用

小麦花培育种经过将近半个世纪的发展，目前已被认为是常规育种的重要补充[25]，被多个研究单位应用于育种实践中，先后育成了京花1号[6]、Florin[26]、花培 764[27]、北京 8686[28]、生抗 2 号[29]、花培6 号[30]、Robijs[31]、陇春 31 号[32]、京花 11 号[33]等 50多个小麦品种，并在生产中应用（表2），为小麦生产作出了一定的贡献。可以看出，我国在小麦花培育种上最为突出，处于世界领先地位。在欧洲，Lantos等[34]以法国、德国和匈牙利等国的多个育种实验室冬小麦为供试材料，对花培育种效率进行了评估，结果表明花培育种是一种较为有效且成本低廉的育种方法。此外，刘录祥等[17，35]、宣朴等[36-37]在世界上率先将辐射育种、航天育种与花培育种进行了有机结合，成功建立了诱变细胞工程育种技术体系，先后育成了航麦901、航麦247、川辐5号、H6756、YS217、H89等多个小麦新品种（系）。

表2 利用花药培养技术育成的小麦品种

4 小麦花培育种的主要影响因素

4.1 花培亲本的选配亲本选配在大部分植物的杂交育种中是决定育种工作成效的关键因素之一，因而育种工作者都非常重视这项工作。在小麦花培育种中，由于小麦花药培养中存在较强的基因型依赖性[38]，因此除了需要考虑常规杂交育种中选配亲本的一般原则之外，还需选择双亲或双亲之一具有优良的花药培养特性，否则因产生的绿苗数量较少而使得育种后代群体偏小，导致品种选育成功的概率降低。

4.2 小麦花药培养效率小麦花药培养效率是影响小麦花培育种成效的必要条件之一。较低的花药培养效率导致产生的绿苗数量不足，若要满足育种需要，则需接种更多的花药，因而会导致工作量增加，失去了花培育种的优势。国内外的研究表明，供试材料的基因型[39-41]、预处理方式[42]、花药中小孢子的发育时期[43]、接种密度[44]、培养基的组成及激素配比[44-46]、培养条件（光照、温度）[2，47]等，均可对培养效率产生影响。因此，需要对这些影响小麦花药培养效率的因素进行系统研究，提高愈伤组织诱导率和绿苗生产率，优化小麦花药培养技术体系，不断提高花药培养效率。

4.3 田间鉴定选育小麦花培育种从工作程序上可分为花药培养和田间鉴定选育两个过程。田间鉴定选育的技术水平直接决定了能否最终选育出综合性状优良的品种（系）[48]，因此花培育种者除了加强实验室花药培养的工作外，还需特别重视观察和鉴定花培后代材料在田间的农艺、品质和产量性状，从中选育出符合育种目标的材料。

5 结语

小麦花药培养技术是最早应用于育种实践的生物技术之一，由于能够缩短育种周期、提高育种效率，受到了育种家的广泛注意。经过几代科学家的不懈努力，技术体系得到不断优化，培养效率日益提高，育成了一批品种在生产上推广应用，目前已成为生物技术应用于育种实践最为成功的方法，也成为常规杂交育种的重要补充。同时该技术还可与诱变育种、远缘杂交、分子标记辅助选择育种及转基因育种等技术进行有机结合，充分地显示了其重要的应用价值。然而，通过追踪国内外相关研究结果并结合笔者多年的研究发现，与常规育种相比，利用该技术育成的品种偏少。究其原因，一是从事相关研究的人员和科研单位较少，国内外目前仅有七八家单位，从业人员不足百人；二是小麦花药培养效率还较低，大部分研究中愈伤组织诱导率和绿苗生产率均在10%以下；三是与田间鉴定选育技术结合不紧密，花培育种者花了较多时间和精力放在实验室的花药培养工作中，因而在品种选育的关键阶段投入的精力不够。因此，今后应从以下方面着手，一是要不断优化小麦花药培养技术体系，显著提高花药培养效率；二是要加强田间鉴定选育工作，在时间和精力不足的情况下积极与从事常规杂交育种工作的人员进行联合攻关；三是要加大技术骨干的培养力度，并加强技术及具有优良花药培养特性亲本材料的交流。