小麦×玉米远缘杂交育种技术

飞从志 张文明 孙永海

摘要    小麦×玉米远缘杂交，后代体细胞中父本染色体消失，经激素2，4-D诱导获得小麦单倍体植株，再经染色体加倍，获得纯合体，能够稳定遗传。本文论述了小麦×玉米远缘杂交育种的优势，介绍了其技术要点，对其应用前景进行了展望，以期为该技术的应用推广提供参考。

关键词    小麦;玉米;远缘杂交;育种技术

中图分类号    S512.1;S513        文献标识码    B

文章编号   1007-5739（2020）15-0034-01                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

目前，分子生物学日益成熟，分子育种技术也随之发展，有力地提高了育种的质量。采用小麦亲本杂交后代与玉米进行远缘杂交，经2，4-D诱导和组织培养形成单倍体胚及植株，再经染色体加倍，结合分子标记技术，达到了单代纯化小麦新品系的能力[1-2]。虽然单倍体幼胚诱导受亲本、激素、光、温等多因素影响，但小麦与玉米远缘杂交能大大缩短小麦育种年限，加快育种进程，节省人力、物力，在小麦育种上有广阔的推广前景和现实意义。本文分析了小麦远缘杂交育种优势，阐述了小麦×玉米远缘杂交育种技术，展望了小麦×玉米杂交对高效改进小麦育种的巨大潜力和发展前景[3-4]。

1    不同育种方式比较

1.1    传统育种

按照常规育种程序，运用传统杂交育种方式对小麦品种进行基因改良，按基因分离规律和自由组合规律一般需要6～8年时间才能筛选出农艺性状相对整齐一致的稳定纯合群体，再经过多区域试验需要的时间更长，延长了培育时间与周期，且投入了大量资源，再加上自交后纯合品种依然存在各种缺点。由于多方面因素的影响，在选育过程中会有优良性状流失。

1.2    小麦单倍体育种

1.2.1    花药培养。现阶段，很多植物采取花粉、花药培养的方式培育出单倍体植株，禾本科作物（水稻、高粱、玉米等）也可采取这一方式培育出植株。同时，单倍体加倍技术的研究也有了很大的进展。大量研究证实，由于自身基因的原因，小麦采取花药培养的效果较差，出现了大规模白化苗。

1.2.2    球茎大麦法。球茎大麦在大麦单倍体育种中得到广泛运用，运用大麦杂交后代与球茎大麦杂交，后者的染色体会消失，从而诱导单倍体，再经染色体加倍获得纯合体[5]。小麦杂交后代与球茎大麦杂交，针对小麦基因型而言，与5B、5A染色体有关的Kr基因选择性较大，难以同外源植物相交配。同时，小麦同球茎大麦杂交后，球茎大麦染色体依然存在，父本中不良基因掺杂到了小麦中，使杂交后代基因型更加复杂多样，在杂交后代中表达出来，从而增加了选育难度。

1.2.3    小麦×玉米远缘杂交诱导单倍体。20世纪80年代，Laurie等采取小麦×玉米诱导小麦单倍体植株，经细胞学观察得知，该幼胚属于单倍体胚，将玉米花粉授在小麦上，1 d后杂种胚出现了21条小麦染色体、10条玉米染色体，授粉7 d后杂种胚中只有21条小麦染色体、微核。随后许多专家学者对此方法进行了研究，取得了突破性进展，小麦×玉米远缘杂交诱导单倍体得到了广泛的运用。利用小麦与玉米进行远缘杂交，通過玉米染色体的消失获得小麦单倍体胚，再经幼胚离体培养及染色体加倍获得DH系，是小麦单倍体育种的一种重要途径[6]。

2    小麦×玉米远缘杂交育种技术

2.1    亲本选择

2.1.1    小麦自身基因型限制。蔡  华等[1]研究表明，不同小麦杂交组合远缘杂交的得胚率差异显著，在试验中，虽然难以避免环境的干扰，然而各种小麦基因型间的区别是最关键的。笔者用不同小麦杂交组合与同一种玉米杂交，得胚率有很大差异。因此，诱导得胚率与小麦的基因型有较大的关联。

2.1.2    父本玉米的选择。针对小麦单倍体而言，玉米基因型发挥着重要的诱导作用。例如，王广金[2]选用糯玉米、甜玉米与普通玉米3种基因型同2个小麦进行杂交试验，结果表明，甜玉米、糯玉米、普通玉米平均得胚率分别为8.71%、6.54%、5.65%。笔者分别用甜玉米、糯玉米、普通玉米给同一小麦杂交组合授粉，研究结果表明，在得胚率方面，甜玉米最高，其次为糯玉米。采用3种玉米给同一个小麦品种进行授粉，研究结果证实，三者在得胚率上差异明显。陈新民等[3]研究指出，在诱导单倍体影响方面，玉米基因型高于小麦基因型。因此，在小麦与玉米远缘杂交中，父本玉米应选择具有高配合力的玉米。

2.2    花期调节

由于生育期不同，小麦和玉米在同期播种是花期不遇的。冬天、春天是小麦生长的关键时期，但是并不是玉米种植时期，此时玉米大多数植株较矮、花粉含量较低。在春秋季，正是玉米生长的关键时期，这时由于环境的影响小麦已经无法控制，植株倒伏现象严重，农艺性状较差，难以成为最佳母本。对此，可采取小麦、玉米分期播种的方式，再配备先进设备，注重肥水管理，以此来对花期进行有效调节。笔者用分期播种玉米调节花期实现花期相遇，成功实现杂交。

2.3    去雄授粉时期的选择

由于在染色体数目、基因组成等方面，小麦与玉米存在显著差异，远缘杂交不亲和性较为明显。玉米花粉活性和小麦柱头接受玉米花粉的能力是影响杂交成功与否的关键因素。由于自身基因的影响，柱头识别异源花粉能力被严重影响，为了能够获取活力十足的新鲜玉米花粉，最好在晴朗天气的9：00—10：00对刚开花的玉米花粉进行认真采集。试验结果表明，虽然都是新鲜的玉米花粉，对于得胚率而言，不同花期花粉是重要的影响因素。玉米花粉授精能力随花期的延长而降低。因此，授粉时最好使用刚开花的玉米花粉，再通过反复授粉，以此来有效减小对小麦远缘杂交不亲和性的影响。具体操作时，在小麦开花前2 d，柱头顶端出现了分叉呈毛茸状时，实行去雄授粉。

2.4    2，4-D处理

因小麦同玉米杂交后，胚乳迅速退化，不对其进行植物激素处理，因难以获取营养供应，杂种幼胚在早期时便会死去。为了能够解决这一问题，往往采用2，4-D处理授粉后的杂交穗来加快子房的发育，直到开展离体培养。目前，生产上常用节间注射法进行2，4-D处理效果较佳。小花滴注法、喷洒柱头法、蘸穗处理法由于硫酸纸套袋湿度过大致使小穗霉变，影响幼胚发育。2，4-D浓度是影响得胚率关键性因素。王广金[2]选用10、50、100、200、500 mg/kg等5种浓度的2，4-D溶液处理杂交穗，研究结果证实，100 mg/kg处理得胚率最高，其次为200 mg/kg。当浓度高达500 mg/kg时，杂交穗渐渐枯黄，最后死去。陈新民等[3]用50、150、200 mg/kg的2，4-D对杂交穗进行蘸穗处理，研究结果证实，处理浓度为150 mg/kg时得胚率最高。

相关研究指出，2，4-D重复处理有利于提高得胚率。笔者用授粉后5 h节间注入150 mg/kg 2，4-D，重复2次，取得了较好效果。

2.5    幼胚离体培养

小麦与玉米杂交后，因玉米染色体不存在，出现的杂种胚大多数发育不正常，虽然通过了激素处理，但常因胚营养不足而不能正常发育成单倍体。常用的方法是幼胚离体培养。授粉15 d后，笔者将通过实验室解剖获得的幼胚放入1/2MS培养基恒温离体培养，获得健壮幼苗。

2.6    单倍体植株加倍

小麦与玉米杂交后通过幼胚离体培养培育出大量单倍体植株，需通过人工加倍才可获取大量的双单倍体（DH）系，加强自交结实，进而有利于遗传的稳定，一般采取秋水仙素处理单倍体植株根部的方法予以加倍。

3    展望

小麦常规育种因周期长等缺点无法在實践中广泛应用。相对而言，利用小麦和玉米远缘杂交方法诱导的小麦DH群体，可有效预防白化苗的出现。小麦与玉米杂交，利用玉米染色体的消失而产生小麦单倍体，经染色体加倍后，第1代就可纯化获得双单倍体，虽然诱导单倍体胚产生频率不够稳定，但是有利于缩短育种时间、加快育种进程、丰富遗传研究理论，推广价值较大。

4    参考文献

[1] 蔡华，马传喜，司红起，等.利用小麦与玉米远缘杂交诱导小麦双单倍体的研究进展[J].麦类作物学报，2006（4）：154-157.

[2] 王广金.小麦与玉米杂交产生单倍体频率的研究[J].麦类作物学报，1998（6）：15-17.

[3] 陈新民，陈孝.小麦×玉米产生单倍体及双单倍体研究进展[J].麦类作物学报，1998（3）：3-5.

[4] 蔡华.利用小麦与玉米远缘杂交诱导小麦双单倍体的研究进展[D].合肥：安徽农业大学，2004.

[5] 李浩兵，张旭，刘朝辉，等.球茎大麦在大麦远缘杂交育种中的应用[J].麦类作物学报，1998（5）：8-10.

[6] 蔡华，马传喜，周淼平，等.小麦与玉米远缘杂交诱导小麦单倍体研究[J].麦类作物学报，2004（2）：11-14.