利用玉米單倍體育種技術培育優質玉米DH系

趙靜紅，趙海濤，李 勃，王菁菁，孫沖霞，劉新穎，越 剛

（吉林省吉林市農業科學院，吉林 吉林 132101）

關健詞：玉米；單倍體育種；玉米DH系；技術措施；應用效果

單倍體育種是目前最先進的育種手段之一。具體方法是利用植物組織培養技術（如花藥離體培養等）或特殊誘導技術產生單倍體植株，再通過化學或者物理方法使染色體組加倍（如用秋水仙素處理，自然加倍等方法），使植物恢復正常染色體數，從而恢復植物的育性。之后再從中選育出性狀優良的基因純合的自交系，通過雜交選育出優良的玉米雜交品種。

經誘導后得到的玉米單倍體植株中由隱性基因控制的性狀，雖經染色體加倍，但由于沒有顯性基因的掩蓋而容易顯現，可以讓我們有目的的選擇材料，這對誘變育種和突變遺傳研究很有好處。在誘導頻率較高時，單倍體能在植株上較充分地顯現重組的配子類型，可提供新的遺傳資源和選擇材料。玉米單倍體育種技術可以更多更好的選擇出優良的玉米自交系，這項技術極大地提高了玉米的產量水平和育種效率，為人類糧食作物的生產開辟了十分廣闊的前景。

一、玉米DH系的特性

1、玉米DH系的群體特性

通過利用單倍體育種技術所生產出來的DH群體，作為一個基礎性的研究群體，屬于完全重合和永久分離的群體。相對于傳統育種方式，它能夠有效消除常規育種早代育種過程中雜合位點較多的局面，大大提高了育種過程中純合基因型的出現頻率，提高工作效率，提高試驗成功率。理論上，在進行遺傳性狀分析時，所要求的群體規模僅相當于F群體的平方根數。DH群體作為一種醇和的永久性群體，可以在不同環境、不同季節進行重復試驗，能夠有效控制外界環境變化對試驗結果產生的誤差，提高實驗分析的準確性和科學性，是研究單倍體育種過程中研究基因類型與外界環境變化之間關系的理想材料。

2、玉米DH系的植株特性

利用玉米單倍體育種技術培養出來的玉米DH系在田間表現出優勢的生長性狀，同一個玉米DH系株高、穗位、株型等性狀表現一致，這是常規育種方式培養的自交系所無法比擬的。通過采用QTL分析方法[1]，進一步分析發現，控制玉米DH系群體穗位高度的加性效應可能是主要基因作用方式之一。

3、玉米DH系的穗部特征

通過理論研究和實踐研究發現，同一個玉米DH系穗行中，不同自交系果穗的穗型、粒型、顏色等性狀表現出均勻一致。玉米穗粒數、玉米穗長度、玉米穗軸直徑平均表現和變異性方面之間的差異性不顯著。通過廣泛理論研究可以得知，控制玉米穗軸顏色的遺傳性狀基因基本固定，且穗行數屬于顯性遺傳。在種植過程中，一旦出現穗軸顏色或者籽粒顏色發生變化、存在明顯的性狀分離時，可以斷定在這個玉米DH系培育過程中，可能因為串粉形成的雜交一代種子進一步自交，導致遺傳性狀分離。

從同一個玉米DH系在同一種種植環境下的籽粒性狀表現情況來看，經過單倍體育種技術處理過的DH系玉米籽粒容積和質量都比親本籽粒性狀有所提高，父本和母本所生產的子代農藝性狀得到了顯著改善。進一步利用QTL分析方法對玉米DH群體品質性狀、籽粒、蛋白質、油分含量、淀粉含量檢測發現，不存在三個品質性狀相同的QTL位點。此外，通過檢測還發現，玉米籽粒中油分含量、淀粉含量、蛋白質含量均出現了雙向超輕分離現象，超越親本的優勢值存在較大差異，其中油分含量超清值范圍最大，其次是蛋白質含量，最后是淀粉含量[2]。

二、利用玉米單倍體育種技術培育優質玉米DH系的技術措施

1、材料收集和處理

收集優良的受體材料：Mo17、吉846、先玉335、鄭單958、九育27、通單24等，誘導系采用中國農大培育出來的玉米誘導系“農大高誘1號”，將誘導系與受體材料錯期播種，通過誘導系的花粉去誘導受體材料的雌穗，得到的種子進行單倍體籽實鑒定去除雜合種，第二年將單倍體材料種植于田間，用人工加倍的方法進行染色體加倍，用以恢復單倍體材料的育性。對單倍體加倍形成的二倍體材料為雙單倍體材料，對其進行自交得到后代為DH系（雙單倍體），通過性狀考察和配合力測試，再從中選擇高產、高抗、高配合力、優質的玉米DH系。

2、技術路線

單倍體材料的獲得。利用誘導系誘導受體材料后，需要通過對籽實的胚的顏色來鑒別單倍體籽粒，胚乳糊粉層呈現紫色或紫紅色標記、胚芽部位無色的籽粒為單倍體籽粒。單倍體的染色體加倍方法有化學方法、自然加倍、人工方法等。我們結合化學加倍和人工加倍的方法對單倍體材料進行加倍，提高加倍成功率，使其恢復育性。

利用孤雌生殖技術來進行單倍體育種在全國還是比較前沿的一項研究，本課題將選用高誘導率的誘導系提升玉米受體材料形成單倍體的誘導率，利用最新的人工染色體加倍技術提升單倍體材料的加倍成功率達到20%-30%。得到性狀優良的玉米DH系，可以直接應用于下一步的育種研究，大大節約育種年限，提高育種效率。經過篩選和鑒別得到高產、高抗、高配合力、優質的玉米DH系1個，其可作為玉米育種的優良自交系。

三、應用效果分析

1、大大縮短自交選育時間，提高育種效率

通過選用高誘導率的誘導系進行單倍體育種，可以在較短時間內獲得玉米醇和自交系。這個方法主要包含以下幾方面操作步驟，先是將F1代單倍體誘導型花粉雜交，從雜交果穗中篩選出單倍體玉米種子，然后就可以培養正常散粉的單倍體植株，獲得D1代，或者通過采集花粉花藥進行組織培養，獲得相應材料。

D1代經過加倍處理之后，能夠得到雙單倍體，這樣所得到的雙單倍體，在一個世代就可以得到純合的重組二倍體，通過加倍處理獲得二倍體的純合性在理論上是100%純和，可以很好的將其應用在遺傳研究和育種研究中。從選擇的基礎材料授粉開始得到的純合自交系，只需要經過2-3代的種植，所以，相對于傳統育種方式，育種時間大大縮短。如果借助于南繁加代方式，在一年之內就可以獲得較好的自交系。因此，利用玉米單倍體育種技術，培育優質的玉米雙單倍體，能夠有效縮短自交系的選育時間，加速推廣育種進程，具有廣闊的應用前景。

2、拓寬了種質與群體改良

通過選育出高產的DH系，并將其作為原始材料，隨機組合匹配，進行下一輪的單倍體選擇，能夠實現玉米產量、生理性狀、農藝性狀為指標的種質資源拓寬。在玉米育種過程中，對通過輪回選擇或者其他育種手段被選育出來的高產DH系進行再利用，這對于培育攜帶含有產量、抗病蟲害性能、抗力性能等眾多有利等位基因的自交系有很大幫助，是一種快速簡單而有效的手段。玉米DH系培養有效應用于基礎群體的創建與改造，在進行輪回選擇過程中，能夠更好的誘導產生玉米DH系，對實現玉米基因頻率改造有著很好的效果。

3、定位基因的理想材料

在進行玉米育種過程中，所選擇的大多數目標性狀是數量性狀，而這方面的癥狀常常受到多方面進行控制，同時也會受到外界環境因素影響。因此在進行數量性狀遺傳研究過程中，需要構建完善的群體。利用玉米單倍體育種技術培育優質玉米DH系雖然所含有的信息量相對較少，但是在整個DH群體中，每一個DH系都是一個遺傳上純合的株系，能夠實現無限制的繁殖，適合對玉米外表性狀進行有效鑒定分析，是QTL定位的理想群體。

四、結語

總之，在玉米育種過程中，利用單倍體育種技術選擇優質玉米DH系，僅僅是育種工作的一個基礎環節，更重要的是通過采取有效的測配技術，篩選出配合力度最高且農藝性狀最佳的新組合自交系，通過對新組合進行有效的鑒定和選育，最終得到最為優質的組合。

由此可以看出，玉米雜交育種的重要階段是要測配組合，并做好鑒定和篩選工作，通過進一步開展測配組合鑒定，分析所生產出的自交系基因型與外界環境之間的相互關系，進而進一步對DH系的配合力進行有效評價，從而選育出最佳的玉米品種組合。

在具體工作開展過程中，要確保單倍體育種技術加倍，單倍體育種技術與傳統雜交育種技術有效結合，確保培育出更多優良的雜交玉米品種，為接下來的進一步研究奠定堅實基礎，提供理想材料。