化學(xué)試劑誘導(dǎo)玉米孤雌生殖選育自交系概述

胡穎 杜相飛 王冬雪 馮漢宇

摘? ? 要：從介紹孤雌生殖、化學(xué)試劑誘導(dǎo)玉米孤雌生殖定義入手，對(duì)誘導(dǎo)劑、誘導(dǎo)方法、誘導(dǎo)玉米孤雌生殖的機(jī)理、植株的結(jié)實(shí)特性、孤雌生殖系的鑒定、影響因素等進(jìn)行綜述，對(duì)存在的問題及解決途徑進(jìn)行展望，希望能為玉米育種工作者進(jìn)行化學(xué)試劑誘導(dǎo)玉米孤雌生殖研究提供參考。

關(guān)鍵詞：玉米;誘導(dǎo)試劑;結(jié)實(shí)率;孤雌生殖

中圖分類號(hào)：S513? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.03.017

Breeding of Inbred Lines Through Chemical-Induced Maize Parthenogenesis

HU Ying1， DU Xiangfei2， WANG Dongxue2， FENG Hanyu2

（1.Chengde Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Chengde， Hebei 067000， China;2.Sinofarm Seeds（Group）Company Limited， Beijing 100028， China）

Abstract： The concept of parthenogenesis and chemical-induced maize parthenogenesis were introduced in this paper， induced chemical， treatment methods， induction maize parthenogenesis mechanism， the seed rate trait of the plants， identification of parthenogenesis line and the affect factors were reviewed， the problems existed and solutions were forecasted， we hope that provide a reference for maize breeding workers studying chemical-induced maize parthenogenesis.

Key words： maize; induced chemicals; seed rate of the plants; parthenogenesis

植物孤雌生殖是指雌配子體不經(jīng)授精而在其他因素刺激下或基因控制下發(fā)育形成種子的生殖方式，是無融合生殖的主要類型[1]。誘導(dǎo)玉米孤雌生殖選育自交系，是在控制玉米雌穗不接受玉米花粉的條件下，使用誘導(dǎo)物質(zhì)刺激雌穗結(jié)實(shí)，然后繁殖，選育玉米自交系。化學(xué)試劑誘導(dǎo)玉米孤雌生殖就是在人工控制條件下，不經(jīng)過受精，采用化學(xué)試劑誘導(dǎo)玉米孤雌生殖選育自交系，該技術(shù)育種周期短，效率高、用地少、簡(jiǎn)便省事、成本低，可把大多數(shù)優(yōu)良基因固定在一個(gè)材料中，能克服遠(yuǎn)緣雜交障礙，創(chuàng)造新種質(zhì)，是一種快速創(chuàng)造優(yōu)良種質(zhì)資源的玉米育種技術(shù)之一，在選育自交系上具有廣闊的發(fā)展前景[2-3]。

1 誘導(dǎo)劑與誘導(dǎo)方法

誘導(dǎo)劑主要有兩類，一類是化學(xué)藥劑，主要有馬來酰胼、秋水仙堿和二甲基亞砜;另一類是除草劑，主要包括戊炔草胺、甲基胺草磷、胺磺靈、氟樂靈、二甲戊靈誘和炔苯酰草胺等[4]。誘導(dǎo)方法主要有噴施法、注射法、噴注法、涂抹法和子房處理等。噴施法，先剪去一些花絲，保留1～2 cm花絲，噴2 mL左右處理液處理花絲;噴注法，先剪去一些花絲，保留1～2 cm花絲，拔取中部一些花絲，出現(xiàn)凹槽，噴注2 mL誘導(dǎo)劑在花絲或花柱上，噴藥后用硫酸紙袋套好;注射法，為避免花粉污染，用注射器針頭穿過紙袋向苞葉或穗子里注入2 mL處理液;涂抹法，把處理液涂抹在苞葉上;子房處理就是把雌穗苞葉剝開，在其表面噴藥后合上苞葉，噴施法較注射法操作簡(jiǎn)單，只是雜株率高[5]，處理時(shí)期有抽絲前、抽絲后1，2，3，4，5 d，處理時(shí)間點(diǎn)一般選擇早上4：00—7：30或下午6時(shí)后。

2 誘導(dǎo)玉米孤雌生殖的機(jī)理

誘導(dǎo)劑的種類不同，其誘導(dǎo)機(jī)理也不一樣。秋水仙堿引起細(xì)胞C型有絲分裂、多極有絲分裂，抑制紡錘體的形成，使染色體加倍;二甲基亞砜誘導(dǎo)某些植物孤雌生殖，可直接獲得純合二倍體;馬來酰胼是一種強(qiáng)烈的染色體斷裂劑，致于二倍體胚的來源，據(jù)已有文獻(xiàn)推測(cè)可能是單倍體卵細(xì)胞或未減數(shù)的卵細(xì)胞，二倍體胚乳來源可能是未受精極核或珠心細(xì)胞[6]。史振聲[7]認(rèn)為，有學(xué)者推測(cè)鈍化卵細(xì)胞胞質(zhì)中或助細(xì)胞中存在一種抑制卵細(xì)胞在受精前分裂的抑制物正常授精時(shí)花粉管的分泌物可解除這種抑制物，化學(xué)誘導(dǎo)劑有可能起到花粉管分泌物的作用，鈍化那種抑制物，啟動(dòng)卵細(xì)胞分裂，經(jīng)誘導(dǎo)劑的作用而加倍，導(dǎo)致遺傳上純合二倍體胚的形成。氟樂靈、甲基胺草磷、炔苯酰草胺等通過阻止細(xì)胞分裂的殺草功能誘導(dǎo)玉米孤雌生殖，氟樂靈具有與二甲戌靈相同的除草機(jī)理和功能，但配制后保存時(shí)間短些[8]，氟樂靈在低濃度短時(shí)間處理下就可誘導(dǎo)小麥根尖分生組織細(xì)胞有絲分裂發(fā)生變異，導(dǎo)致出現(xiàn)染色體數(shù)目加倍、多極化、不均等分裂、染色體成環(huán)等現(xiàn)象[9]。

3 誘導(dǎo)植株的結(jié)實(shí)特性與誘導(dǎo)率

調(diào)查誘導(dǎo)玉米當(dāng)代材料的小花數(shù)、結(jié)實(shí)穗數(shù)、結(jié)實(shí)粒數(shù)，可計(jì)算出結(jié)實(shí)（株）穗率和結(jié)實(shí)粒率，結(jié)實(shí)（株）穗率高并不代表結(jié)實(shí)粒率高，結(jié)實(shí)粒率高也不代表結(jié)實(shí)（株）穗率高，兩者之間沒有必然的關(guān)系。孤雌生殖Pa0（誘導(dǎo)結(jié)實(shí)當(dāng)代）以1粒為主，誘導(dǎo)結(jié)實(shí)1粒的占半數(shù)以上，平均結(jié)實(shí)在2.5粒左右[10]，播種442粒Pa0種子，其中266粒出苗，出苗率為60.18%，花期選擇優(yōu)良單株進(jìn)行套袋自交留種共182株，正常結(jié)實(shí)的植株為133株（Pa1種植一代單株），平均結(jié)實(shí)率為30.09%，不同玉米品種的Pa1代的結(jié)實(shí)率有差異[11]。趙佐宇[12]用二甲基亞砜、馬來酰胼和秋水仙堿處理5～6個(gè)玉米雌穗可獲得一個(gè)二倍體純系，王俊強(qiáng)等[13]在2015年按照獲得純系數(shù)除以處理雌穗小花數(shù)計(jì)算誘導(dǎo)率，則處理4～5穗可產(chǎn)生1個(gè)純系，近期的試驗(yàn)表明，結(jié)實(shí)株一般在30%～80%，結(jié)實(shí)粒率平均在1.5粒·株-1，有的達(dá)3～5粒，每誘導(dǎo)2株可獲得1個(gè)純系[7]。

4 孤雌生殖系的后代鑒定

鑒定孤雌生殖系的方法有田間、室內(nèi)、染色體鑒定和同工酶分析等。田間鑒定是通過田間觀測(cè)Pa2代的穗行，根據(jù)幼苗、葉形、株高、株形、花藥和花絲等性狀表現(xiàn)是否整齊一致，確認(rèn)是否為孤雌生殖純系;室內(nèi)鑒定是通過考種果穗性狀是否一致判斷是否為純系;染色體鑒定是通過顯微鏡檢測(cè)其染色體是否為二倍體;同工酶分析主要通過酶帶的一致性確認(rèn)是否為純系[14]。Pa1種子大部分都能正常發(fā)芽出苗，約28.4%的植株中途死亡或得不到種子，Pa2（種植2代）種子在田間種植，株間長勢(shì)、長相整齊一致，與常規(guī)自交系相比，其遺傳穩(wěn)定性沒有差異，雖然Pa2代中只有8%左右的純合系，但是絕大多數(shù)的株系在很短時(shí)間（Pa3、Pa4代）內(nèi)得到純合[15]。趙念力等[2]于2011年按穗行對(duì)70份材料進(jìn)行田間鑒定，對(duì)苗、葉色、株形、雄穗形狀、花藥和花絲的顏色、株高、穗位、抽穗、吐絲和成熟期等進(jìn)行觀察，結(jié)果表明Pa2多偏母本或父本型，且大多數(shù)表現(xiàn)分離，其中純系頻率為17.1%，觀察了部分根尖和花粉母細(xì)胞染色體，結(jié)果表明Pa1和Pa2代植株中6.1%是純合二倍體植株，85%～90%植株是二倍體細(xì)胞占絕對(duì)多數(shù)的混合體植株，但絕大多數(shù)株系在短時(shí)間內(nèi)可以形成純合二倍體[16]，這與谷明光等[17]根系細(xì)胞染色體觀察結(jié)果基本相似。

5 影響玉米孤雌生殖頻率的因素

5.1 誘導(dǎo)劑種類、濃度、處理時(shí)期和誘導(dǎo)方法

誘導(dǎo)劑種類、濃度、處理時(shí)期和誘導(dǎo)方法影響結(jié)實(shí)。誘導(dǎo)劑種類不同，誘導(dǎo)率不一樣，不同的藥劑組合誘導(dǎo)孤雌生殖的效果差異很大。合適的誘導(dǎo)濃度，如0.1%秋水仙堿+0.1%二甲基亞砜誘導(dǎo)效果較好，最佳處理時(shí)期和方法是吐絲前向苞葉內(nèi)注射誘導(dǎo)劑 [18]，除草劑一般60～80 μmol·L-1的誘導(dǎo)效果最好。關(guān)于處理時(shí)期和方法到目前為止，還沒有比較權(quán)威一致的說法，趙念力等[22]認(rèn)為抽絲3 d噴藥效果最佳，這可能是抽絲3 d卵細(xì)胞處于活躍狀態(tài)對(duì)藥劑敏感，所以誘導(dǎo)效果好;有的認(rèn)為抽絲后5 d為最佳，優(yōu)于其他時(shí)期或花絲處理，優(yōu)于子房處理[19]，可能與花絲長短對(duì)試劑敏感程度不同，或拔出花絲的部位頂端直徑的差異及凹槽深度不同有關(guān)，致使花柱或子房獲得不等量的藥劑而影響誘導(dǎo)效果。

5.2 誘導(dǎo)材料的基因型和不同年份

同一化學(xué)試劑對(duì)不同基因型玉米孤雌生殖誘導(dǎo)率不同，同一材料不同年份誘導(dǎo)效果不同。蘭卡群誘導(dǎo)率高于瑞德群誘導(dǎo)率，糯玉米高于普通玉米。育種者在今后誘導(dǎo)玉米孤雌生殖過程中要充分考慮基因型等因素，以便高效育種[20]。基因的純合與孤雌生殖誘導(dǎo)有關(guān)，基因型越復(fù)雜孤雌生殖的誘導(dǎo)頻率越高，不同材料誘導(dǎo)順序?yàn)殡s交種好于群體材料，群體材料優(yōu)于高代材料。此外早熟品種低于晚熟品種，當(dāng)?shù)赝茝V品種誘導(dǎo)率均處在前列，因此，在對(duì)誘導(dǎo)材料的選擇上要優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)赝茝V或種植適宜的品種、自交系[21]，同一品種或基因型不同年份誘導(dǎo)效果不同，這可能是兩年所用材料的遺傳背景和環(huán)境差異造成的。

6 存在的問題與展望

玉米育種難在選系，重在組配，中心問題是配合力，能否選育出優(yōu)良的玉米雜交種，重點(diǎn)在于選育優(yōu)良自交系，然而從目前的文獻(xiàn)報(bào)道來看，此項(xiàng)技術(shù)還存在一些問題，需要進(jìn)一步完善，比如誘導(dǎo)獲得的種子，并不完全都是理想的純系，其中還含有非整倍體、雜合體等，后代表現(xiàn)并不穩(wěn)定，然而從選系的速度看，快于常規(guī)選系方法，從效率看，又優(yōu)于單倍體選系法，大多數(shù)的株系在很短時(shí)間（Pa3、Pa4代）內(nèi)可得到純合[13]。而且獲得的純合系具有整齊度好、遺傳性穩(wěn)定等特點(diǎn)，可直接用來配制雜交組合，且配制的組合整齊度優(yōu)于常規(guī)自交系組合[22]，孤雌生殖系的遺傳性狀和配合力與常規(guī)選育的自交系無異，Pa2代進(jìn)行測(cè)交，經(jīng)農(nóng)藝性狀調(diào)查、產(chǎn)量比較和配合力分析，可選育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的玉米雜交種[23]。

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