简析玉米单倍体育种技术要点

2021-12-25郭玲玲郭晓霞王凤莲张方圆

南方农业 2021年30期

郭玲玲，郭晓霞，王凤莲，张方圆

（河南金博士种业股份有限公司，河南郑州 450000）

玉米是我国农业作物的重要组成部分，如何开发并应用新的玉米栽培技术，是玉米产业发展必须面对的重要问题。单倍体育种可以迅速获得纯合体，缩短育种年限，因此，做好单倍体育种工作是当前玉米种植产业中的重要工作。基于此，就玉米单倍体育种技术进行详细的分析和探讨。

1 玉米单倍体育种的相关工作

1.1 选育优良种子

选择优良的玉米种子，是开展玉米单倍体育种工作的重要基础，也是提高玉米产量的有效途径。1）工作人员必须对玉米栽培地进行考察，观察并记录玉米种植地的气候和土壤特点等环境条件信息，分析土壤中各种成分的含量，并以土壤成分指标为依据，选择最适合生长的玉米种子［1］。2）在选种的过程中，工作人员应首先观察玉米种子的外观，检查玉米种子是否饱满、有无磕伤等，并对玉米种子的发芽率及该玉米种子发育后的产量等进行统计调查，选用最合适的玉米种子。3）栽种前，工作人员必须对选用的种子进行二次检查，筛选出坏种。在栽种时，还应该使用合适浓度的杀菌剂对种子进行杀菌，提升种子的发芽率，对玉米病虫害进行预防。

1.2 合理密植

合理密植也是玉米单倍体育种过程中需要注意的问题，如果玉米在种植时间距过近，在玉米植株长大的过程中，会出现叶片互相遮挡、土地养分不足等现象，不利于玉米的生长发育，因此，必须对玉米进行合理密植。1）在栽种以前，选择并标记玉米的播种位置，玉米播种间距要根据不同种类的生长需求进行界定。2）确定好位置后，按照预先标记好的位置进行栽种工作。播种时，应注意播种的深度，以确保留给种子合适的成长空间；要注意将上层熟土和底层生土分开，翻土充分；播种完毕后踩土，使土壤紧密程度适中。

1.3 做好施肥工作

施肥工作大致分为底肥、种肥和追肥。1）在播种之前，工作人员将肥料施入播种穴内，施肥深度为种子下8～ 10 cm。2）在播种时，肥料应该施在玉米种子下方3～ 5 cm［2］。3）玉米播种完毕后，就可以根据玉米生长状况开展追肥工作。施肥时，需要先对土壤中的养分含量进行测量并记录，然后根据不同品种玉米的生长需求在土壤内施加有机肥，要注意把控施肥的量，过多的有机肥会导致烧根，不利于玉米生长。

2 玉米的单倍体育种技术

2.1 花药培养

植物的每个细胞都包含着该物种的全部遗传信息，从而具备发育成完整植株的遗传能力，因此，可以采用花药培养的方法进行育种。花药培养的流程通常包括。1）在玉米穗还未完全成熟时，将雄性的玉米穗取下进行显微镜下的切片检查。加入染液使样本更加清晰、便于观察，通过显微镜观察确定玉米的花粉发育期，从而确定花药培养的时间。由于玉米花粉发育期与培育玉米的生长性状紧密相关，因此需要严格控制花粉取样时间，从而确保育种的高效性和高质量。2）将适宜培养的花药取出后，应尽快将其放入特定的培养基中，待一定时间后细胞分化形成单倍体幼苗后，进行单倍体育种处理。3）使用试剂处理（如秋水仙素）使染色体数目加倍，获得双倍的单染色体，然后进行自交产生单倍体纯合子种子。花药培养的主要优点是不需要进行多次杂交，在较短的代数内就可以获得单倍体的种子［3］。但是由于在培育过程中，种子受诱导素及环境等多方面的影响，成功率并不确定，这也是花药培育面临的问题之一。

2.2 Stock6 单倍体育种技术

Stock6 单倍体育种技术具有较高的诱导成功率，是近年来研究和应用较为广泛的单倍体育种方法之一。Stock6 单倍体育种技术首先需要选择受精核，具体的受精过程还受到速度的影响，花粉粒中的两个精核可能形成不同的受精形式。1）一个精核先进入卵细胞，并与卵细胞进行结合，而另一个精核的死亡率较高，从而形成二倍体或紫胚芽尖。2）一个精核与极核进行受精，而另一个死亡，形成其他的细胞或部位。与花药培育类似的是Stock6 单倍体育种也不需要进行多次自交，一般经过2～3 代的培育就可以得到单倍体种子。但需要注意的是，在使用Stock6 单倍体育种技术时，必须选择它作为父本，杂交的数目也应该尽可能较大，从而提高单倍体育种的成功率。

2.3 单倍体的鉴定方法

单倍体的鉴定方法有许多种，如细胞遗传学方法、形态学方法、射线照射法等。在当前的单倍体育种中，最常用的鉴定方法是标记法。标记法的主要工作流程是在玉米种子中进行基因的标记，这样便于对基因进行观察。且不同的部位使用不同的颜色，更有利于进行单倍体的培育。利用基因标记法可以迅速地排除非单倍体，提高单倍体育种的成功率［4］。在实际的单倍体育种过程中，工作人员需要根据实际需求进行方法的选择，从而确保单倍体育种的工作质量。

2.4 单倍体加倍的方法

在进行单倍体育种的过程中，必须先将单倍体进行加倍，成为二倍体之后才能培育后代。因此，进行单倍体加倍也是十分重要的工作。常用的单倍体加倍方法有自然单倍体加倍和人工单倍体加倍。1）自然单倍体加倍。通常，玉米植株的花粉粒是比较少的，且在自然的情况下，单倍体进行加倍的概率相对较低，在单倍体植株的自然生长过程中，仅有较少的一部分可以完成自然加倍，因此，在玉米的单倍体育种过程中较少采用自然单倍体加倍的方法。2）人工单倍体加倍主要依靠秋水仙素，通常选用单倍体的根尖或茎尖作为生长点，将秋水仙素使用注射和涂抹的方法作用于生长点。在使用秋水仙素进行单倍体处理的过程中，必须明确秋水仙素的浓度，因为不同的培育环境和植株对秋水仙素的浓度要求不同。除了秋水仙素浓度，由于秋水仙素在不同的温度环境下作用效率不同，因此培育环境的温度也是影响单倍体育种成功率的因素之一。由于受环境、试剂、种子等多方面的影响，虽然人工加倍比自然加倍的成功率高，但人工加倍的成功率一般也只有30%～50%。

3 单倍体育种的影响因素分析

3.1 环境影响

环境因素对玉米单倍体育种的成功率有着决定性的影响，玉米种植地的土壤条件（湿度、有机肥的含量等）、环境状况（光照、空气质量等）、气候因素（降雨量、自然灾害等）等都会对玉米单倍体育种工作产生影响。除此之外，在使用秋水仙素对细胞进行处理时，温度也会对实验产生影响。由于在单倍体育种的过程中需要进行多次的杂交、自交及植株培育，如果玉米植株的生长条件与培育条件差异较大，就可能导致单倍体植株的成活率低。因此，环境因素是单倍体育种过程中需要注意的问题，工作人员需要根据所采用的方法，筛选出适宜玉米生长和培育的环境。

3.2 选择玉米植株的质量

除了环境因素，对单倍体育种成功率影响最大的就是所选择的玉米种子的质量。如果玉米种子质量不佳，在进行单倍体培育后很可能因多种因素而死亡，因此，在选择进行单倍体育种的玉米种子时，必须要选取形状稳定、品质较好的玉米种子，以提高玉米单倍体育种的成功率［5］。纯系也是玉米单倍体育种的追求目标，选取基因较为优秀的玉米种子，可以提高单倍体育种的纯种率。利用上述基因标记法等多种方法可以快速地进行纯系的筛选，简便快速的鉴别纯系也有利于提高单倍体育种的成功率。

3.3 大规模单倍体育种存在的问题

在选取了合适的生存环境、健康的玉米种子以后，就要考虑到大规模单倍体育种，目前单倍育种已经成为国外一些大公司满足玉米商业育种的主要手段，但是在市场化运行的背后仍然存在较大问题需要解决。1）单倍体发生的频率比较低，而且容易发生单倍体基因型不符合育种目标的情况，增加实验的成本。2）在单倍体的鉴别方面，因为单倍体育种技术不能有效打破不良基因的连锁，所以在实验方面的沉没成本更高；基因间的重组几率较低，直接导致需要更大体量的实验验证和筛选。3）此外，单倍体育种的科学实验往往没有办法进行跨国界的学术交流，无形之间增加了单个国家的实验付出。例如，一些高频诱导系已被申请专利，出于知识产权的过度保护，限制了国际间信息和材料的交流。因此，我国要进一步发展玉米单倍体育种技术及体系，就必须自主培育单倍体诱导系，只有将单倍体育种与种质扩增和育种材料的改良有机结合起来，才能实现对目标诱导材料的重组改良，在实验累积到一定次数之后，才可以利用足够的有利基因位点，用单倍体技术获得纯系，提高育种效率。