小麥×玉米遠(yuǎn)緣雜交育種技術(shù)

飛從志 張文明 孫永海

摘要 ? ?小麥×玉米遠(yuǎn)緣雜交，后代體細(xì)胞中父本染色體消失，經(jīng)激素2，4-D誘導(dǎo)獲得小麥單倍體植株，再經(jīng)染色體加倍，獲得純合體，能夠穩(wěn)定遺傳。本文論述了小麥×玉米遠(yuǎn)緣雜交育種的優(yōu)勢(shì)，介紹了其技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期為該技術(shù)的應(yīng)用推廣提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?小麥;玉米;遠(yuǎn)緣雜交;育種技術(shù)

中圖分類號(hào) ? ?S512.1;S513 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?B

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）15-0034-01 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

目前，分子生物學(xué)日益成熟，分子育種技術(shù)也隨之發(fā)展，有力地提高了育種的質(zhì)量。采用小麥親本雜交后代與玉米進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，經(jīng)2，4-D誘導(dǎo)和組織培養(yǎng)形成單倍體胚及植株，再經(jīng)染色體加倍，結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)，達(dá)到了單代純化小麥新品系的能力[1-2]。雖然單倍體幼胚誘導(dǎo)受親本、激素、光、溫等多因素影響，但小麥與玉米遠(yuǎn)緣雜交能大大縮短小麥育種年限，加快育種進(jìn)程，節(jié)省人力、物力，在小麥育種上有廣闊的推廣前景和現(xiàn)實(shí)意義。本文分析了小麥遠(yuǎn)緣雜交育種優(yōu)勢(shì)，闡述了小麥×玉米遠(yuǎn)緣雜交育種技術(shù)，展望了小麥×玉米雜交對(duì)高效改進(jìn)小麥育種的巨大潛力和發(fā)展前景[3-4]。

1 ? ?不同育種方式比較

1.1 ? ?傳統(tǒng)育種

按照常規(guī)育種程序，運(yùn)用傳統(tǒng)雜交育種方式對(duì)小麥品種進(jìn)行基因改良，按基因分離規(guī)律和自由組合規(guī)律一般需要6～8年時(shí)間才能篩選出農(nóng)藝性狀相對(duì)整齊一致的穩(wěn)定純合群體，再經(jīng)過(guò)多區(qū)域試驗(yàn)需要的時(shí)間更長(zhǎng)，延長(zhǎng)了培育時(shí)間與周期，且投入了大量資源，再加上自交后純合品種依然存在各種缺點(diǎn)。由于多方面因素的影響，在選育過(guò)程中會(huì)有優(yōu)良性狀流失。

1.2 ? ?小麥單倍體育種

1.2.1 ? ?花藥培養(yǎng)?，F(xiàn)階段，很多植物采取花粉、花藥培養(yǎng)的方式培育出單倍體植株，禾本科作物（水稻、高粱、玉米等）也可采取這一方式培育出植株。同時(shí)，單倍體加倍技術(shù)的研究也有了很大的進(jìn)展。大量研究證實(shí)，由于自身基因的原因，小麥采取花藥培養(yǎng)的效果較差，出現(xiàn)了大規(guī)模白化苗。

1.2.2 ? ?球莖大麥法。球莖大麥在大麥單倍體育種中得到廣泛運(yùn)用，運(yùn)用大麥雜交后代與球莖大麥雜交，后者的染色體會(huì)消失，從而誘導(dǎo)單倍體，再經(jīng)染色體加倍獲得純合體[5]。小麥雜交后代與球莖大麥雜交，針對(duì)小麥基因型而言，與5B、5A染色體有關(guān)的Kr基因選擇性較大，難以同外源植物相交配。同時(shí)，小麥同球莖大麥雜交后，球莖大麥染色體依然存在，父本中不良基因摻雜到了小麥中，使雜交后代基因型更加復(fù)雜多樣，在雜交后代中表達(dá)出來(lái)，從而增加了選育難度。

1.2.3 ? ?小麥×玉米遠(yuǎn)緣雜交誘導(dǎo)單倍體。20世紀(jì)80年代，Laurie等采取小麥×玉米誘導(dǎo)小麥單倍體植株，經(jīng)細(xì)胞學(xué)觀察得知，該幼胚屬于單倍體胚，將玉米花粉授在小麥上，1 d后雜種胚出現(xiàn)了21條小麥染色體、10條玉米染色體，授粉7 d后雜種胚中只有21條小麥染色體、微核。隨后許多專家學(xué)者對(duì)此方法進(jìn)行了研究，取得了突破性進(jìn)展，小麥×玉米遠(yuǎn)緣雜交誘導(dǎo)單倍體得到了廣泛的運(yùn)用。利用小麥與玉米進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，通過(guò)玉米染色體的消失獲得小麥單倍體胚，再經(jīng)幼胚離體培養(yǎng)及染色體加倍獲得DH系，是小麥單倍體育種的一種重要途徑[6]。

2 ? ?小麥×玉米遠(yuǎn)緣雜交育種技術(shù)

2.1 ? ?親本選擇

2.1.1 ? ?小麥自身基因型限制。蔡 ?華等[1]研究表明，不同小麥雜交組合遠(yuǎn)緣雜交的得胚率差異顯著，在試驗(yàn)中，雖然難以避免環(huán)境的干擾，然而各種小麥基因型間的區(qū)別是最關(guān)鍵的。筆者用不同小麥雜交組合與同一種玉米雜交，得胚率有很大差異。因此，誘導(dǎo)得胚率與小麥的基因型有較大的關(guān)聯(lián)。

2.1.2 ? ?父本玉米的選擇。針對(duì)小麥單倍體而言，玉米基因型發(fā)揮著重要的誘導(dǎo)作用。例如，王廣金[2]選用糯玉米、甜玉米與普通玉米3種基因型同2個(gè)小麥進(jìn)行雜交試驗(yàn)，結(jié)果表明，甜玉米、糯玉米、普通玉米平均得胚率分別為8.71%、6.54%、5.65%。筆者分別用甜玉米、糯玉米、普通玉米給同一小麥雜交組合授粉，研究結(jié)果表明，在得胚率方面，甜玉米最高，其次為糯玉米。采用3種玉米給同一個(gè)小麥品種進(jìn)行授粉，研究結(jié)果證實(shí)，三者在得胚率上差異明顯。陳新民等[3]研究指出，在誘導(dǎo)單倍體影響方面，玉米基因型高于小麥基因型。因此，在小麥與玉米遠(yuǎn)緣雜交中，父本玉米應(yīng)選擇具有高配合力的玉米。

2.2 ? ?花期調(diào)節(jié)

由于生育期不同，小麥和玉米在同期播種是花期不遇的。冬天、春天是小麥生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，但是并不是玉米種植時(shí)期，此時(shí)玉米大多數(shù)植株較矮、花粉含量較低。在春秋季，正是玉米生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，這時(shí)由于環(huán)境的影響小麥已經(jīng)無(wú)法控制，植株倒伏現(xiàn)象嚴(yán)重，農(nóng)藝性狀較差，難以成為最佳母本。對(duì)此，可采取小麥、玉米分期播種的方式，再配備先進(jìn)設(shè)備，注重肥水管理，以此來(lái)對(duì)花期進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。筆者用分期播種玉米調(diào)節(jié)花期實(shí)現(xiàn)花期相遇，成功實(shí)現(xiàn)雜交。

2.3 ? ?去雄授粉時(shí)期的選擇

由于在染色體數(shù)目、基因組成等方面，小麥與玉米存在顯著差異，遠(yuǎn)緣雜交不親和性較為明顯。玉米花粉活性和小麥柱頭接受玉米花粉的能力是影響雜交成功與否的關(guān)鍵因素。由于自身基因的影響，柱頭識(shí)別異源花粉能力被嚴(yán)重影響，為了能夠獲取活力十足的新鮮玉米花粉，最好在晴朗天氣的9：00—10：00對(duì)剛開花的玉米花粉進(jìn)行認(rèn)真采集。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然都是新鮮的玉米花粉，對(duì)于得胚率而言，不同花期花粉是重要的影響因素。玉米花粉授精能力隨花期的延長(zhǎng)而降低。因此，授粉時(shí)最好使用剛開花的玉米花粉，再通過(guò)反復(fù)授粉，以此來(lái)有效減小對(duì)小麥遠(yuǎn)緣雜交不親和性的影響。具體操作時(shí)，在小麥開花前2 d，柱頭頂端出現(xiàn)了分叉呈毛茸狀時(shí)，實(shí)行去雄授粉。

2.4 ? ?2，4-D處理

因小麥同玉米雜交后，胚乳迅速退化，不對(duì)其進(jìn)行植物激素處理，因難以獲取營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，雜種幼胚在早期時(shí)便會(huì)死去。為了能夠解決這一問題，往往采用2，4-D處理授粉后的雜交穗來(lái)加快子房的發(fā)育，直到開展離體培養(yǎng)。目前，生產(chǎn)上常用節(jié)間注射法進(jìn)行2，4-D處理效果較佳。小花滴注法、噴灑柱頭法、蘸穗處理法由于硫酸紙?zhí)状鼭穸冗^(guò)大致使小穗霉變，影響幼胚發(fā)育。2，4-D濃度是影響得胚率關(guān)鍵性因素。王廣金[2]選用10、50、100、200、500 mg/kg等5種濃度的2，4-D溶液處理雜交穗，研究結(jié)果證實(shí)，100 mg/kg處理得胚率最高，其次為200 mg/kg。當(dāng)濃度高達(dá)500 mg/kg時(shí)，雜交穗漸漸枯黃，最后死去。陳新民等[3]用50、150、200 mg/kg的2，4-D對(duì)雜交穗進(jìn)行蘸穗處理，研究結(jié)果證實(shí)，處理濃度為150 mg/kg時(shí)得胚率最高。

相關(guān)研究指出，2，4-D重復(fù)處理有利于提高得胚率。筆者用授粉后5 h節(jié)間注入150 mg/kg 2，4-D，重復(fù)2次，取得了較好效果。

2.5 ? ?幼胚離體培養(yǎng)

小麥與玉米雜交后，因玉米染色體不存在，出現(xiàn)的雜種胚大多數(shù)發(fā)育不正常，雖然通過(guò)了激素處理，但常因胚營(yíng)養(yǎng)不足而不能正常發(fā)育成單倍體。常用的方法是幼胚離體培養(yǎng)。授粉15 d后，筆者將通過(guò)實(shí)驗(yàn)室解剖獲得的幼胚放入1/2MS培養(yǎng)基恒溫離體培養(yǎng)，獲得健壯幼苗。

2.6 ? ?單倍體植株加倍

小麥與玉米雜交后通過(guò)幼胚離體培養(yǎng)培育出大量單倍體植株，需通過(guò)人工加倍才可獲取大量的雙單倍體（DH）系，加強(qiáng)自交結(jié)實(shí)，進(jìn)而有利于遺傳的穩(wěn)定，一般采取秋水仙素處理單倍體植株根部的方法予以加倍。

3 ? ?展望

小麥常規(guī)育種因周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)無(wú)法在實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。相對(duì)而言，利用小麥和玉米遠(yuǎn)緣雜交方法誘導(dǎo)的小麥DH群體，可有效預(yù)防白化苗的出現(xiàn)。小麥與玉米雜交，利用玉米染色體的消失而產(chǎn)生小麥單倍體，經(jīng)染色體加倍后，第1代就可純化獲得雙單倍體，雖然誘導(dǎo)單倍體胚產(chǎn)生頻率不夠穩(wěn)定，但是有利于縮短育種時(shí)間、加快育種進(jìn)程、豐富遺傳研究理論，推廣價(jià)值較大。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] 蔡華，馬傳喜，司紅起，等.利用小麥與玉米遠(yuǎn)緣雜交誘導(dǎo)小麥雙單倍體的研究進(jìn)展[J].麥類作物學(xué)報(bào)，2006（4）：154-157.

[2] 王廣金.小麥與玉米雜交產(chǎn)生單倍體頻率的研究[J].麥類作物學(xué)報(bào)，1998（6）：15-17.

[3] 陳新民，陳孝.小麥×玉米產(chǎn)生單倍體及雙單倍體研究進(jìn)展[J].麥類作物學(xué)報(bào)，1998（3）：3-5.

[4] 蔡華.利用小麥與玉米遠(yuǎn)緣雜交誘導(dǎo)小麥雙單倍體的研究進(jìn)展[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[5] 李浩兵，張旭，劉朝輝，等.球莖大麥在大麥遠(yuǎn)緣雜交育種中的應(yīng)用[J].麥類作物學(xué)報(bào)，1998（5）：8-10.

[6] 蔡華，馬傳喜，周淼平，等.小麥與玉米遠(yuǎn)緣雜交誘導(dǎo)小麥單倍體研究[J].麥類作物學(xué)報(bào)，2004（2）：11-14.