DH血緣對玉米單倍體誘導率和自然加倍率的影響

卜華虎 王曉清 肖建紅 張寧 楊慧珍 任志強

摘要 通過對4份Lancaster種質進行雙列雜交和統計分析，研究含有DH系的基礎材料對單倍體誘導率、散粉率和自然加倍率的影響。結果表明，不同基因型材料的誘導率為3.6%～11.4%，散粉率為11.4%～40.0%，自然加倍結實率為3.4%～14.1%；來源不同的單倍體株系的誘導率、散粉率以及結實率均表現出相同的趨勢，由高到低排序依次為雙親都為DH系的基礎材料、雙親有1個為DH系的基礎材料、雙親無DH系的基礎材料。以含有DH系的基礎材料具有較高的誘導率、散粉率和結實率。將優秀自交系與選育的DH系進行雜交，有助于提高誘導效率和加倍效率，使優良基因充分聚合，實現輪回上升式改良種質的目標，旨在為提高單倍體育種效率提供理論依據。

關鍵詞 單倍體；誘導率；自然加倍；雙列雜交

中圖分類號 S513? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）13-0033-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.008

Effects of DH Blood Relationship on Haploid Induction Efficiency and Natural Doubling of Maize

BU Hua-hu1， WANG Xiao-qing2， XIAO Jian-hong1 et al

（1.Shanxi Institute of Organic Dryland Farming， Shanxi Agricultural University， Taiyuan， Shanxi 030031; 2. College of Life Sciences， Shanxi Agricultural University， Taiyuan， Shanxi 030031）

Abstract Through diallel hybridization and statistical analysis of four Lancaster germplasms， the effects of basic materials containing DH lines on haploid induction rate， pollen dispersal rate and natural doubling rate were studied. The results showed that the induction rate of different genotypes was 3.6%-11.4%， the loose pollen rate was 11.4%-40.0%， and the natural doubling seed setting rate was 3.4%-14.1%. The induction rate， pollen dispersal rate and seed setting rate of haploid lines from different sources showed the same trend， both parents were in the order of basic material of DH line > one parent was the basic material of DH line > both parents had no basic material of DH line. The basic materials containing DH lines had high induction rate， pollen dispersal rate and seed setting rate. Based on the analysis results， crossing the excellent inbred lines with the selected DH lines would help to improve the induction efficiency and doubling efficiency， to make the excellent genes fully aggregate， and to achieve the goal of improving Germplasm in a cyclical upward manner， aiming to provide a theoretical basis for improving the efficiency of haploid breeding.

Key words Haploid;Induction rate;Natural doubling;Diallel hybridization

基金項目 生物育種工程項目“中熟、耐旱玉米種質資源創新及新品種選育”（YZGC145）；有機旱作農業研發專項“抗旱玉米種質創新及新品種選育”（YCX2020404）。

作者簡介 卜華虎（1986—），男，安徽滁州人，副研究員，碩士，從事作物遺傳育種、資源創新以及生化和分子生物學研究工作。通信作者，研究員，碩士，從事玉米遺傳研究工作。

收稿日期 2022-08-31

玉米是我國的第一大作物，2020年我國玉米種植面積達4 126萬hm2，總產量達到26 067萬t，而單產僅是國際先進水平的2/3，具有相當大的提升空間。玉米的傳統育種技術需要經過6～10代的自交選擇，耗時長，見效慢。近年來，單倍體育種技術越來越受到育種家的重視，與分子標記輔助育種、轉基因育種并稱現代玉米育種的核心技術［1-5］。單倍體育種能夠顯著縮短育種年限，一般只需要1代自交即可獲得純合自交系。單倍體技術的推廣應用已突破了傳統的育種技術模式，使我國在該領域實現了從無到有再到優的跨越式發展［6］。

近年來，國內外育種公司已將玉米單倍體育種技術廣泛運用到商業化育種中，不斷提高玉米育種速度和效率［7-9］，玉米單倍體的加倍率、散粉率和結實率受到諸多因素的影響，自然和化學加倍法效率依然偏低［10］。誘導率低、散粉時間短、散粉量少、雌雄不協調、結實率低等成為限制單倍體育種技術發展的主要因素［10］。玉米單倍體自然加倍率低，多數材料自然加倍率低于5%，有些材料甚至不發生自然加倍［12-13］。近年來，相繼發現了用加倍功能的除草劑和其他化學試劑能夠提高單倍體加倍率，但綜合加倍效率低，在化學藥劑加倍的處理過程中，部分單倍體植株因受到藥害導致死亡。因而，誘導率和加倍率的提高成為影響單倍體育種效率的關鍵［14］。

“瑞德×蘭卡斯特”模式是世界第1對典型的雜種優勢模式，蘭卡斯特類群是目前國內外主要的雜種優勢群之一［15-18］。研究表明，不同遺傳類型材料的誘導率有不同，其中蘭卡斯特類群材料產生的單倍體的頻率最高，要顯著高于瑞德、唐四平頭、旅大紅骨和其他種質類群［19-20］。鑒于此，筆者研究了含有DH系的蘭卡斯特類群基礎材料對誘導率、散粉率和自然加倍率的影響，探索含有DH系的基礎材料組對單倍體育種的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為本課題組保存的4種蘭卡斯特類群自交系：瑞普909F、WQ12、DH17-2-14和DH17-3-8，其中瑞普909F和WQ12為不含DH血緣的自交系，DH17-2-14和DH17-3-8為單倍體，4種自交系的來源見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 基礎群體的構建。

將4種Lancaster血緣的玉米自交系瑞普909F、WQ12、DH17-2-14、DH17-3-8進行雙列雜交，共計12種排列，授粉雜交后得到12個F1代，這12個F1代構成試驗的基礎群體。

1.2.2

不同血緣單倍體的誘導。

將基礎群體中的12個F1代自交后，得到的F2代各種植3行，全部用農大高誘5號進行誘導，誘導獲得的果穗中選取6個果穗作為1組，共3次重復（表2）。基于R-nj遺傳標記篩選系統，選取糊粉層為紫色、胚芽為白色的籽粒作為準單倍體。所有供試誘導材料均為F1代，所有參試材料均種植在晉中市東陽試驗基地。

1.2.3 單倍體的識別與鑒定。

將所有的準單倍體籽粒單粒播種于田間，種植密度為10.5萬株/hm2，根據苗期表型鑒定單倍體植株［6］。單倍體苗期鑒定方法為：在相同的管理條件下，單倍體植株往往比較矮小，葉片較少、狹窄、直立，生長緩慢；雜交植株則株型高大，生活力較強，長勢較為旺盛［21］，田間依此標準去除雜株。統計總籽粒數、準單倍體數和田間雜株數。

1.2.4 田間加倍和授粉。

準單倍體植株雌穗吐絲前及時給雌穗套袋防止授精，在雄穗散粉期仔細觀察雄穗，若有散粉跡象，提前對雌穗進行剪花絲處理，一旦發現雄穗有散粉的情況，立刻授粉并掛牌，每個植株授粉3次［22］。統計散粉株數和結實株數。

1.3 數據分析

采用數據籽粒表型初篩和苗期形態學特征鑒定單倍體植株，計算實際誘導率、散粉率和結實率［23-24］，利用DPS數據處理軟件進行方差分析。

散粉率=散粉株數/單倍體總株數×100%；

結實率=單倍體自交結實株數/單倍體總株數×100%；

實際誘導率=單倍體植株/總雜交籽粒數×100%。

2 結果與分析

2.1 不同材料的單倍體誘導率

從圖1和表2可以看出，不同基礎群體材料之間誘導率存在差異，平均誘導率最高的是DH17-2-14×DH17-3-8，為11.93%；平均誘導率最低的是WQ12×瑞普909F，為3.63%。其中雙親都為DH系的誘導率最高，平均誘導率為11.92%，雙親有一個為DH系的平均誘導率為7.26%，雙親無單倍體誘導率最低，平均誘導率為4.00%。其中利用雙親DH系建立基礎群體的后代誘導率高于單個DH系建立的基礎群體，普通群體建立的基礎群體誘導率較低，三者有顯著差異，不同材料組成的基礎材料也具有顯著性差異。

2.2 不同材料的散粉率

從圖2和表3可以看出，不同基礎群體材料之間散粉率存在差異，平均散粉率最高的是DH17-2-14×DH17-3-8，為41.20%；平均散粉率最低的是瑞普909F×WQ12，為11.40%。其中雙親都為DH系的散粉率最高，平均散粉率為41.02%，雙親有1個為DH系的平均散粉率為29.45%，雙親無單倍體散粉率最低，平均散粉率為11.97%。其中利用雙親DH系建立基礎群體的后代散粉率高于單個DH系建立的基礎群體，而普通群體建立的基礎群體散粉率較低，3者有顯著性差異。

2.3 不同材料的自然加倍率結實率

從圖3和表4可以看出，不同基礎群體材料之間結實率存在差異，平均結實率最高的是DH17-3-8×DH17-2-14，為14.07%；平均結實率最低的是瑞普909F×WQ12，為3.43%。其中雙親為DH系的結實率最高，平均結實率為13.99%，雙親有1個為DH系的平均結實率為9.23%，雙親無單倍體結實率最低，平均結實率為3.47%。其中，利用雙親DH系建立基礎群體的后代結實率高于單個DH系建立的基礎群體，而普通群體建立的基礎群體較低，3者有顯著性差異，不同材料組成的基礎材料也具有顯著性差異。

3 結論與討論

單倍體植株往往長勢弱，自然散粉結實率低。張曉慧等［25］對77份玉米材料進行單倍體誘導、自然加倍等方面研究表明，平均誘導率為9%～16%，雄穗加倍率2.8%～48.4%，雌穗加倍率90%左右，自交結實株率0～14.9%，平均結實率為3.5%左右，授粉結實株率20.7%～31.3%。孫瑞等［26］通過研究高誘5號平均誘導率為3.13%。大多數育種材料自然加倍率僅在0～10%［27-28］。徐國良等［29］研究表明，不同材料單倍體的雌穗自然加倍率為84.30%～97.44%；雄穗自然加倍率較低，加倍率為5.62%～19.19%。劉治先等［30］認為，單倍體誘導率不因基礎材料的不同而異。Eder等［31］研究表明，母體基因型對誘導率有顯著影響。祁志云等［32］研究也表明，相同誘導系對不同母本材料誘導率差別明顯；黎亮等［33］也得出相同的結論。

4 結論

通過對含有DH系血緣材料組成的基礎材料誘導率、散粉率和自然加倍率研究，結果表明農大高誘5號平均誘導率為7.5%，平均散粉率為28.5%，平均結實率為9.1%。且不同基礎材料的誘導率、散粉率和結實率不同，達到顯著性差異，與前人研究結果相似。DH系血緣材料組成的基礎材料表現出雙親都為DH系的基礎材料優于雙親有1個為DH系的基礎材料，而雙親無DH系的基礎材料表現較差。普通玉米種質不論在誘導率、散粉率和結實率都較低，不利于大規模商業化運用，而利用DH系組建基礎材料，能夠顯著增加誘導率、散粉率和結實率，利用DH系經過2輪輪回選擇，再經過雜交誘導所獲得的單倍體雄穗散粉率和結實率分別是原始群體直接誘導單倍體的6.99和9.86倍［34］。可以通過組建DH基礎材料，使目標性狀相關有益基因頻率逐步累加，達到輪回上升式育種，明確育種目標，提高育種速率，為加快單倍體育種提供理論依據。

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