生物技術在玉米育種中的應用

□ 周恪馳 何長安 紀春學 王 輝 張 恒

（黑龍江省農業科學院克山分院，黑龍江 克山 161005）

引 言

玉米是我國非常重要的農產品，是人們非常喜愛的糧食作物。要想提升玉米的產量和質量，增加玉米的相關性能，將生物技術應用在玉米育種當中可以發揮相應效果。我國常規玉米育種技術有著較長的發展時間，但是常規玉米育種技術導致玉米育種的時間較長，效率無法提升，并且在玉米目標品種選擇方面需要消耗較長的時間。因此，在現代社會中需要使用更加先進的技術，比如生物技術，將其與常規育種技術相互結合，能夠有效提升育種的效果，獲得高產、優質的玉米品種。

一、生物技術的發展歷程

在研究生物技術時，主要依靠的是生命科學相關原理，生產的生物制品所使用的是生物體系和工程原理。利用生物技術可以制造出新的物種，屬于非常先進并且現代化的學科技術。隨著生物技術的不斷發展，其發展歷程可以分為三個階段。

（一）傳統生物技術階段

進入20世紀之后，科學技術有了明顯的提升，人們開始研究生物技術。當時的生物技術所使用的是微生物發酵方式，從而形成新的產品。而隨著生物技術的不斷發展和進步，生物技術不僅僅是在化學和微生物領域中進行應用，已經開始向其他產品方向轉變，比如糧食領域中，利用生物技術可以生產很多人們日常生活中所需要的產品包括酒精、檸檬酸等，這進一步推動了生物技術的更好發展。

（二）近代生物技術發展過程

在20世紀30年代至70年代這一階段，生物技術不斷發展，取得了顯著的成果。比如在抗生素工業、氨基酸發酵以及酶制劑工程等方面都有突出的成就，說明生物技術的發展速度越來越快。其中最先進的就是植物組織培養技術，主要是使用人工培養基的方法對植物組織進行培養，并且在此基礎之上完成了細胞工程研究工作。利用生物技術可以將植物原生質體、懸浮細胞以及植物的根、莖、葉等器官培育成另一種植物，能夠加快植物繁殖速度。在60年代，原生質體培養技術就已經取得了明顯的效果，充分利用合質體細胞技術獲得了巨大的成功。

（三）現代生物技術階段

1.基因工程

生物的主要遺傳物質是DNA，生物技術利用DNA組合進行實驗已經取得成功，并建立起基因工程。基因工程主要運用的是植物基因分離、載體構建、受體導入、篩選培養、鑒定這五個步驟來實現目標。在受體細胞當中融入天然的或外源基因，并進行基因組整合，這樣能夠將外源基因的表達在植物個體中呈現。

2.細胞工程

細胞工程主要是在離體組織或細胞水平上對植物進行培養和增殖，這樣能夠增加具有優良性狀植株的繁殖量，研發植物新品種。細胞工程包括植物原生質體培養、體細胞和器官培養、體細胞無性系變異體的篩選和人工種子等內容。其中體細胞雜交是對植物的細胞進行融合，從而研發出全新的植物品種。在植物當中的每一個體細胞都具有誘導成胚的可能性，并且優點較多，包括繁殖速度快，不受地區、季節和氣候等自然條件的限制等。人工種子技術所利用的是胚狀體發生體系促進植物的繁殖，將種子功能在體胚中體現。當前，人工種子主要是由體細胞胚（胚狀體）加上保護性外殼（人工種皮）及提供胚發育的營養（人工胚乳）三部分組成，但是受到其他因素的限制，人工種子技術并沒有取得十分顯著的成果。

二、生物技術在農作物育種中的應用

通過對生物技術的不斷研究，人們發現將生物技術應用在農作物育種當中可以起到很好的效果，并且所形成的育種方式也非常的多樣化，有很多的培養方式。

（一）作物組織培養

將生物技術用在農作物組織培養當中的主要目的是進行優良品種的培育。對于無性繁殖作物進行脫毒和快速繁殖時，可以使用農作物組織培養技術，這和種質資源保存之間有密切聯系。在20世紀60年代時，就已經成功研發出莖尖培養方法，應用在蘭花培育方面獲得了大量的繁殖效果，自此之后開始將農作物組織培養技術應用在農作物快速繁殖和脫毒種苗研究中。一直發展到現在已經有超過100多種的植物實現快速繁殖的目標，能夠獲得很好的小植株，然后在工業化生產當中作為商品存在。對于農作物組織培養工作進行細致的分析之后，我們可以發現雜種胚敗育的問題普遍存在于胚胎培養、雜交育種工作當中，可以取出早期生長胚利用組織培養方法來培育雜種植物。在農作物選育優良品種當中，胚胎培養可以說是提供一個全新的發展途徑。

（二）體細胞雜交體

這種技術能夠創造更高的經濟價值，并且獲得的新品種擁有很強的適應性。隨著體細胞雜交技術的不斷發展，所獲得的成果非常顯著。其中受到人們廣泛關注的是原西德、美國和日本等國的專家，將番茄的葉肉細胞與馬鈴薯的塊莖細胞相融合，成功選育了番茄薯和薯番茄新品種，這種品種的特點是能夠在地面上的區域種植番茄，而地下部分能夠獲得馬鈴薯。

（三）人工種子

當前，一些種子具有不結實的特點，并且售價非常昂貴。因此，我們可以利用人工種子技術，對這些種子進行繁殖培養。這種技術可以有效地縮短育種時間，并且進行人為控制，使農作物的生長發育和抗性都能滿足需求，能夠預防種性退化問題。人工種子可以更好地進行生產、運輸和播種，并且能夠方便發芽和出苗。現代社會中一部分蔬菜人工種子已經在工廠中進行生產，并取得很明顯的效果。

（四）轉基因育種

對農作物中的基因進行轉移，從而獲得新的優良品種是轉基因育種技術的主要原理。利用轉基因技術可以培育出更加優良的農作物品種，比如可以增加農作物的抗寒、抗旱、抗鹽、抗病蟲害等抗逆特性及品質。

（五）分子標記輔助育種

分子標記輔助育種技術是利用分子標記基因的方法，將分子與目標形狀基因進行緊密的連接。這樣可以方便我們對種質資源進行鑒定和篩選，更加具有針對性，能夠更好地對后代進行育種。并且分子標記輔助育種技術能夠分析和評價種質資源和親本之間的關系，具有很多的用途。這種技術的特點在于選擇效率更高、更加準確，尤其是進行隱性基因控制性狀選擇時有著突出效果。

三、玉米育種應用分子標記技術

將生物技術應用在玉米育種當中已經擁有很多年的歷程，并且獲得了顯著的成績。常規的玉米育種方法主要是利用形態學和生化標記的方式開展相關工作。但是這一過程受到標記數量少的限制，以及環境影響嚴重的限制，導致玉米育種的質量一直無法滿足需求。而使用DNA分子標記技術之后進行玉米育種可以擁有很好的效果，并且已經發展了很多年，技術相對成熟，因此是當前玉米育種技術中非常重要的技術之一，能夠促進玉米種植行業的更好發展。

（一）連鎖圖譜的構建及基因定位

連鎖圖譜的構建及基因定位技術，主要是將玉米內部的基因與遺傳標記現象對位置的連鎖圖譜表示出來，充分利用遺傳因素圖譜的創建功能，能夠進一步滿足克隆、重組和定位功能的實現，技術應用在玉米分子遺傳學定位中擁有重要的作用。在實際進行玉米育種的過程中，利用分子標記技術能夠充分的實現玉米遺傳因素圖譜應用的效果，能夠為基因定位工作奠定基礎。進入20世紀80年代之后，我國在分子標記技術方面不斷研究，并取得了相應的成績，有效地拓寬了遺傳連鎖圖譜技術的應用范圍。在當前的玉米育種工作中，使用分子標記技術，可以產生很好的效果，提升玉米品種的抗逆、產量、株行等性能，可以使相關工作開展得更加順利。

（二）遺傳多樣性的分析

在玉米的基因當中所表現出的基因特點很多，多樣性是其中的一個特點，主要體現在遺傳多樣性方面。正是因為玉米的遺傳具有多樣性的特點，所以能夠證明玉米的外界逆境緩沖能力很好，而且對于不同的環境有著很強的適應能力，在不同的環境下也能穩定生長。對玉米的遺傳多樣性特點進行研究和分析，可以幫助我們更好地對玉米資源進行保護，而且能夠劃分玉米優勢種群、雜交育種權責，給它們提供一定的基礎。對基因進行識別和利用時主要應用的是分子標記技術，擁有非常明顯的特點，比如價值更高效果更好，可以對玉米種子進行優選，提高玉米的種植效果。

四、染色體工程的主要應用

染色體工程在具體的應用中主要有染色體操作、染色體組操作等方面，這是利用染色體的排列順序、結構方面來改變生物遺傳的特性。從玉米育種的染色體工程實際情況出發分析，主要是進行單倍體工程，其育種通過下述方式進行：孤雄生殖（花粉培養）、孤雌生殖（子房培養）、stock6單倍體技術。上述幾種技術是利用單倍體直接培養出純合二倍體，可以順利地培養出整株植株，促進育種效率的提升。Stock6屬于玉米自交體系的形式，根據使用的需要獲取更多單倍體，該方式被大量地應用到玉米育種中。

單倍體育種可以提高玉米自交系培育的速度，可以短時間內完成育種，目前有95%以上的育種應用系譜法、回交法等進行，但是單體培育周期短、純合度高等優勢被大量的應用。玉米單倍體可以自然發生，也可以采取干預措施發生，自然發生率較低，在0.1%左右。單倍體育種在作物育種方面可以產生非常好的效果，但是依然有明顯的不足，比如無法突破不良基因連鎖、基因間重組概率低、誘導頻率低等。此外，重組二倍體時，染色體加倍的難度較高。即使這樣，單倍體育種技術在玉米育種方面依然可以產生非常好的效果，如果將種質擴增和育種改良融合到一起，能夠有效地提升單倍體育種效果和質量。

五、基因工程在玉米育種中的應用

隨著現代科學技術的不斷發展，基因工程技術越來越成熟，通過對DNA進行重組或拼接能夠與生物學技術相配合，應用在玉米育種研究當中。所獲得的基因來源不同按照預先設計的方案進行拼接和重組，能夠形成新的DNA分子，將其應用到細胞當中，能夠改變物質的遺傳特性，從而形成新的產品。

六、生物技術在玉米育種工作中的展望

自從進入21世紀之后，科學技術水平的不斷提升，促進生物技術的發展速度不斷加快。盡管常規技術有著非常明顯的應用優勢，并且是當前玉米育種中的主要技術，但是隨著科學技術的不斷發展，生物技術的出現已經成為未來玉米育種工作中的主要趨勢。當前在農業育種行業當中開始廣泛應用生物育種技術，盡管起步時間較晚，有些技術并不成熟，還有很多問題沒有得到解決，但是相信我們不斷地研究和應用會總結出更好的解決方法，從而有效地提升玉米育種的質量和效率，因此我們必須對生物技術給予足夠的重視，使其能夠在玉米育種當中發揮應有的作用和價值。

七、推廣生物技術的措施

（一）加大宣傳力度

當前一些農戶對于生物技術缺乏全面的了解，從而限制了生物技術的使用，因此我們需要增強對生物技術的宣傳力度，比如利用廣播、電視、手機、宣傳單等增加宣傳的渠道，能夠擴大生物技術的宣傳范圍，強化農戶的認知。并且當地的政府部門應當在宣傳過程中發揮主導作用，根據當地的實際情況，制定科學合理的宣傳方式和宣傳內容，從而進一步增強生物技術的推廣效果。

（二）開展培訓活動

要想充分發揮出生物技術的作用，就需要有足夠強的專業性技術人員，因為生物技術的操作難度相對來說比較高，所以政府應當在進行生物技術宣傳講解的過程中，配備專業的技術人員進行集中的培訓。在培訓活動當中，讓農戶充分了解生物技術的操作方法和步驟，并且保證生物技術可以真正的應用到農業種植當中，從而增加農業種植的效果獲得更多的經濟效益。

結 語

在農業種植過程中生物技術已經成為必然的發展趨勢。隨著科學技術的不斷發展，研究人員在生物技術方面的研究深度也在不斷地增加，技術運用得更加合理和成熟會有更加顯著的應用效果。而且當前生物技術應用在玉米育種當中已經獲得顯著的成績，可以有效地提升玉米的各項性能，充分地展現出生物技術的重要性和價值。所以我們需要重視生物技術分析當前的發展現狀，并且制定科學合理的研究策略和推廣策略，使得農業種植中可以與生物技術充分融合，為我國農業的可持續發展作出貢獻。