利用單倍體誘導技術創制高產優質多抗宜機收玉米新種質研究進展

劉素玲 吳占清 康宇靜 陳 威 許海良 李會寬 李雪松

（開封市農林科學研究院，河南開封 475004）

玉米是糧食兼優質飼料和工業原料作物，在我國糧食生產中占有舉足輕重的地位。盡快培育出高產、優質、多抗、宜機收玉米新品種是當前我國玉米育種發展的方向。目前，河南省乃至我國玉米育種技術普遍存在育種周期長、耗費資源多、成效慢等特點。單倍體誘導技術是利用單倍體誘導系通過雜交誘發產生單倍體，再通過染色體組加倍使植物恢復正常染色體數，從而獲得純合基因型的一種育種方法，也稱作單倍體育種。目前，全世界已有250余種作物應用了單倍體誘導技術，有12種作物培育出來自栽培種的DH系。利用單倍體誘導系可以明顯提高親本產生單倍體的概率，簡單易行，是目前制備單倍體最常用、最經濟的方法之一[1]。單倍體誘導技術具有種質純合快、目標性強、成效快、節省人力物力等特點，大大提高了玉米新品種選育速度。借助開封市科技計劃項目支持，利用單倍體誘導技術與常規育種技術相結合，開展了高產、優質、多抗、宜機收玉米新種質研究，旨在創制一批綜合農藝性狀優良、高產、優質、多抗、宜機收的玉米骨干自交系材料，從而培育出符合目標性狀且具有良好推廣應用前景的玉米新品種，加快玉米育種進程，盡快解決我國玉米生產上的實際問題，并為我國玉米生產提供有力的科技支撐和保障。

1 研究方法

本研究采用開封市農林科學研究院擁有的2 000多個優良玉米自交系，選擇具有目標性狀材料進行組培，可獲得200多份F1代材料作母本，以誘導率高、花粉量大、結實性好的自有誘導系MT-1作父本進行雜交，于母本吐絲后進行授粉，收獲后選擇結實性好的果穗，在果穗上挑選無色胚芽、紫色粒頂、胚近三角形的準單倍體，種植后進行田間鑒定，選擇田間表現為植株矮小細弱、葉片和莖稈均呈綠色的植株進行加倍，結合田間抗病性和農藝性狀鑒定創制一批具有高產、優質、多抗、宜機收等優良性狀的玉米骨干育種材料，并在此基礎上根據配合力分析組配優良的雜交組合，培育高產、優質、多抗、宜機收的優良雜交玉米新品種。

2 技術關鍵

2.1 單倍體誘導系的選擇

獲得單倍體的方法主要有自然發生和人工誘導2種。自然發生單倍體的概率極低，發生率一般不超過0.1%[2]。人工誘導單倍體的方法有遠緣雜交、花藥培養、小孢子培養、孤雌生殖和單倍體誘導系誘導等[3]。玉米單倍體的研究及DH系在玉米育種上的利用始于1947年，Chase[4]最先將選育的優良DH系用于雜交種的組配。目前，國內誘導系普遍存在誘導率低、花粉不育、繁殖性能下降、病害發生嚴重等缺陷。MT-1是開封市農林科學研究院從國外引進并通過改良轉化為自有的一個優良誘導系，具有誘導率高、花粉量大、結實性好等優點，可保證單倍體誘導技術的成功。

2.2 單倍體的篩選

單倍體在田間表現為植株矮小細弱，葉片和莖稈均呈綠色，其果穗表現為胚芽無色、粒頂紫色、胚近三角形。通過認真篩選，并對單倍體進行加倍后，田間和室內篩選出產量高、品質好、抗倒、抗病、抗逆性強、適宜機械收獲的骨干育種材料，進行配合分析，組配雜交組合，培育出優良的玉米雜交種。具體玉米雜交種選育技術流程見圖1。

2.3 單倍體加倍方法

單倍體加倍分為自然加倍和人工加倍。自然加倍的加倍率受種質基礎材料、生態環境、播期等條件的影響，加倍率較低，一般在1%～5%之間。人工加倍有浸種法、浸根法、浸芽法、注射法和點心法等方法，加倍率較自然加倍有所提高，以浸種法加倍率較高。本研究采用0.6 mg/mL的秋水仙素浸種，加倍率可達20%～30%，高的可達70%以上，能夠保證單倍體成功加倍為雙單倍體。

3 選育進程

3.1 利用單倍體誘導技術加快育種進程

2017年夏，在開封市八里灣姬坡農場玉米試驗基地，根據高產、優質、多抗、宜機收育種目標，選擇符合育種目標的自交系材料進行組配，收獲F1代種子。2017年底至2018年初在海南用單倍體誘導系MT-1對F1代雜交種植株進行誘導，產生單倍體F1代種子。2018年在開封市八里灣姬坡農場夏播，選擇誘導成功的單倍體植株，同時收獲種子。2018年底至2019年初在海南用0.6 mg/mL秋水仙素浸種，然后播種，田間選擇加倍成功的雙單倍體，并根據育種目標選擇優良的雙單倍體單株，用于2018年夏播組配雜交組合。通過以上技術，選育出高產、優質、多抗、宜機收的純合骨干自交系材料85份，且具有配合力高、抗病性好、抗倒伏、灌漿速度快、品質優良等特點。2020年繼續對獲得的自交系材料進行組培和鑒定篩選，參加河南省中間試驗。2021年，選育出的玉米新品種開青一號已通過河南省審定，多個優良品系正在參加河南省中間試驗，不久將會陸續選育一大批高產、優質、多抗、宜機收的優良玉米新品種。

3.2 借助分子標記和轉基因技術，提高單倍體誘導成功率

目前，國內外對玉米抗病性的抗性遺傳規律及功能基因定位分析已經開展了較為廣泛和深入的研究。國家玉米改良中心有關學者研究認為，玉米對腫囊腐霉菌引起的莖腐病抗性受一對質量基因控制，并把該基因定位在2 cm遺傳距離之內。中國農業大學有關學者研究表明，玉米莖腐病受多基因控制，但存在效應值很大的主效基因，目前已經把該病的一個主效基因定位在第10條染色體上500 kb范圍內，并開發了可以用于分子標記輔助選擇的功能基因標記。本研究采用單倍體育種誘導技術與分子標記輔助技術相結合的方法，以含有一定熱帶血緣的美國雜交種高抗玉米莖腐病優良選系材料X178為供體親本，與鄭58、PH6WC、PH4CV等一批國內目前生產上的骨干育種材料雜交，利用與目標基因緊密連鎖的SSR分子標記，遺傳距離在1 cm之內，遺傳交換率理論上很小，對目標抗病基因進行選擇，最后結合田間抗病性和農藝性狀鑒定，保證了目標基因的準確性，創制了一批高抗莖腐病骨干育種材料，從而加速了抗病性優良雜交玉米新品種培育進程。

3.3 熟練利用單倍體誘導技術與常規育種技術相結合的手段進行玉米育種

把單倍體誘導技術應用于玉米育種是現代科研單位培育優良玉米新品種、同步增產增質的主流趨勢。通過近5年的研究實施，建立了集單倍體誘導技術、常規育種技術、田間鑒定、配合力分析等技術手段為一體的玉米高效育種體系，形成了一套成熟單倍體誘導技術和常規育種相結合的高效育種技術流程。單倍體育種具有種質純合快、目標性強、成效快、節省人力物力等特點，團隊成員熟練掌握了單倍體誘導技術的操作及流程，加速了自交系選育過程中的純合速度，較常規育種縮短育種年限3～5年。單倍體誘導技術和常規田間選擇技術相結合，在單倍體階段，充分展現每個品種的特點，更快、更準確地選育出綜合性狀好、品質佳、抗性強、灌漿速度快的優良自交系，進而組配雜交組合，更具有目標性地選育優良玉米新品種。

4 展望

4.1 高產、優質、多抗、宜機收是未來玉米育種發展的方向

隨著人民生活水平的提高、餐食結構的變化，必將促進農業產業結構進一步調整。畜牧業的加快發展，需要擴大玉米種植面積，而我國農村勞動力不斷向城市轉移，務農人員越來越少，人工收獲玉米勞動強度大，農忙時常常出現勞動力短缺的現象。因此，玉米收獲機械化是擴大玉米種植面積的客觀需要。

適宜機械化收獲，要求玉米品種不僅單產高，而且具有抗倒性好、抗逆性強、穗位整齊、生育后期籽粒脫水速度快等特點。目前，我國玉米生產上普遍存在易倒伏、對莖腐病等病害抗性差、穗位不整齊、生育后期籽粒含水量大等影響機械化收獲的問題。因此，利用單倍體誘導技術培育高產、優質、多抗、宜機收的玉米新品種是我國未來玉米育種發展的方向。

4.2 利用單倍體誘導技術育種推動玉米產業的發展

單倍體育種技術與常規育種技術的有機結合，提高了育種的效率，開辟了育種新途徑，成為選育優良自交系的重要手段[5]，為我國玉米生產提供有力的科技支撐和保障。同時，通過該研究育成的玉米品種抗性強、適宜機收，在生產上大面積應用時，結合配套高產栽培技術措施的實施，能大大地減少化學農藥和化肥的施用次數，降低施用量，有利于保護生態環境。

4.3 單倍體誘導技術成為選育優良品種的重要手段

雖然我國對誘導系的研究起步較晚，但是通過專家們的努力已取得了顯著成效，中國農業大學育成了誘導系達5.8%的孤雌生殖單倍體誘導系農大高誘1號[6-7]；才 卓等[8]選育的吉高誘導系3號誘導率達到了10.4%；劉治先等[9]選育的HO1-HOS誘導率為2.44%～18.50%；開封市農林科學研究院有關學者選育的MT-1誘導率達10.3%。說明我國目前利用誘導系誘導單倍體已經獲得了很大的進步，隨著科學的發展，單倍體誘導技術將會在玉米育種領域起到更大的作用。