玉米单倍体诱导系及其在育种中的应用研究芦连勇;崔俊明;卢道文;孙海潮;牛永锋;王海莉【摘要】利用单倍体诱导系选育玉米自交系这一新的育种方法能够快速提供来自供体亲本的稳定纯系,大大缩短自交系选育年限,加快育种进程,提高选育效率.就玉米单倍体诱导系在育种应用中的3个方面进行了论述与探讨,揭示了提高单倍体诱导系诱导率和建立高效的单倍体加倍方法,以及对单倍体诱导系诱导性状的遗传规律和诱导机制研究等问题是目前单倍体诱导系在玉米育种应用中亟待解决的问题.玉米单倍体诱导系在玉米育种中显示出巨大的应用前景.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2011(039)009【总页数】3页(P5145-5147)【关键词】玉米单倍体诱导系;育种应用;发展前景【作者】芦连勇;崔俊明;卢道文;孙海潮;牛永锋;王海莉【作者单位】河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000;河南省安阳市农业科学院,河南安阳,455000【正文语种】中文【中图分类】S513选育优良玉米杂交种的基础和关键在于选育出综合性状表现优良的双亲自交系。
常规育种技术手段选育玉米自交系，获得一个纯系一般需要4～6年时间，耗费大量的人力、物力、财力。
目前，我国95%以上的玉米育种力量选育玉米新品种的技术手段都是利用系谱法、回交法和二环系法等常规育种技术手段。
常规育种技术手段存在的主要缺点是培育新品种周期长、速度慢、效率低不能适应现代育种产业化的激烈竞争要求，因此育种技术创新的主要方向之一就是利用优异种质快速选育玉米自交系和杂交种。
近年来利用单倍体诱导系诱导玉米单倍体这一新的快速育种方法倍受关注。
为此，笔者对玉米单倍体诱导系及其在育种中的应用进行综述。
1 玉米单倍体诱导系介绍1.1 选育历程与进展 1949年，Chase提出了单倍体诱导选系的方法。
利用自然发生或人工培育的单倍体植株经人工或自然加倍获得纯合的二倍体，再从中选育自交系［1］。
1950年，Coe得到1个具有白色胚乳和紫色糊粉层的玉米自交系，经研究发现其有孤雌生殖能力，将其命名为Stock6。
Stock6成为世界上第1个被广泛利用的孤雌生殖诱导系。
Coe发现该自交系后代中可产生大约2.52%的单倍体植株。
Coe在1956年把控制籽粒性状和植株性状的2种显性标记基因R-nj 导入Stock6，经过自交和回交2代处理，显性色素基因可达到90%纯合，其基因型为ABPICR-njy;表现型为植株具有深紫色的叶片、茎秆、雄穗和花药，是由A1A2C2BPI互补基因控制;果穗籽粒为白色硬粒型，籽粒顶端有紫色斑块和紫色胚芽，籽粒Navajo斑纹，由A1A2C1C2R-nj互补基因控制。
因此其具有3重性状标记，如使用绿色植株与黄色籽粒的玉米材料作母本，Stock6作父本杂交，可根据杂交籽粒胚乳颜色、籽粒顶端和胚芽的颜色以及植株颜色3方面的表现型予以鉴定，鉴别出二倍体和单倍体籽粒和植株［2－5］。
1964年，Coe将控制色素形成的C基因的显性抑制基因C-1导入Stock6，以具有紫色盾状体的材料作母本来诱导单倍体，证明了Stock6诱导单倍体特性的可遗传性和潜在的利用价值［3］。
以后的研究证明Stock6单倍体诱导率通过选择可以大幅提高。
另外，Coe等将控制籽粒糊粉层和胚芽色素形成的ACR-nj基因和控制不定根叶鞘和茎杆色素形成的ABPI基因导入Stock6，使Stock6成为具有籽粒和植株双显性遗传标记的孤雌生殖单倍体诱导系，使Stock6具备了在育种中应用的必要条件［3］。
Chase使用的 A358，Trynov和 Zavalishina使用的 ZMS(Zarodyshevy Marker Saratovsky)，Chalyk使用的KMS(Korichnevy Marker saratovsky)及MHI(Modovian Haploid Inducer)等都可以诱导产生3%左右的单倍体胚［2］。
由于Stock6具有诱导母本雌配子体形成单倍体频率高的能力，目前已成为玉米育种中利用最多的诱导系材料。
育种家利用Stock6作父本诱导了大量的母本单倍体，从中获得的部分玉米自交系已在生产上利用。
张铭堂用单交种Oh43×Mo17作母本，用Stock6作父本，杂交获得660穗共305 100粒种子，经植株和籽粒标记性状选择，最后共获得249个双倍体纯系;经同工酶分析、形态性状鉴别和产量测试，成功育成2个玉米自交系应用于生产中［4］。
但是导入标记基因的Stock6在育种应用中发现存在缺陷，如花粉量少，穗粒腐病严重，结实性差，诱导率下降，因此国内外的育种家对Stock6进行了进一步加工。
通过杂交改良的方法相继育成了诱导率更高、综合性状有所改善的单倍体诱导系，如摩尔多瓦的ZMS、法国的SW14和俄罗斯的Krasnodar Markers。
中国农业大学用1个高油玉米改良群体BHO和Stock6杂交，经多代培育成功选育出“农大高诱1号”单倍体诱导系，该诱导系诱导率高达5.8%，比Stock6高出5倍左右，已应用于育种实践中;华中农业大学利用从美国引进的玉米单倍体诱导系Stock6作父本，与辽旅、WBM等6个玉米群体杂交进行单倍体诱导，经对诱导后代的植株育性、成株标记和籽粒鉴定已获得了一些双单倍体材料。
吉林省农业科学研究院利用Stock6作父本，与M278杂交进行单倍体诱导，经连续6代的测交和选择，成功选育出了高频率诱导系“吉高诱系3号”，平均诱导率达10%以上。
这些新的诱导系诱导率整体上有了提高，而且适应当地的生态环境，在育种中的利用价值已超越Stock6，但是这些从Stock6中选育出的衍生系都带有Stock6的缺陷，而目前用于改良Stock6的基础材料十分有限，因此限制了新的单倍体诱导系的选育［5］。
1.2 优点及诱导方法玉米双单倍体技术能够快速提供来自供体亲本的稳定纯系，大大缩短自交系选育年限，加快育种进程。
目前，世界上有250多个作物物种应用了双单倍体育种，12个物种中培育了300多个来自于栽培种的双单倍体系［2］。
与传统育种方法相比较，单倍体诱导选系方法实现了对配子体的直接选择，只需2～3代就可得到100%纯合的自交系，大大提高育种效率。
单倍体可以自然发生也可以诱导产生。
单倍体自然发生频率一般不超过0.1%，在育种实践中难以利用，因此，育种中常采用人工诱导的方法获得单倍体。
人工诱导可以显著提高单倍体发生频率。
人工诱导单倍体的方法主要有，①离体诱导:离体条件下培养花药或花粉，获得单倍体或纯合二倍体花粉植株;离体诱导的方法尚未得到规模化应用。
②利用射线处理、化学药物诱导孤雌生殖。
③活体诱导:单倍体诱导系杂交诱导单倍体;玉米中发现孤雌生殖单倍体诱导系Stock6而使单倍体育种成为了可能。
这3种方法比较，前2种方法获得单倍体的频率较低，并会伴生混倍体;而第3种方法单倍体诱导系杂交诱导单倍体具有操作简便、成本较低、诱导频率高等优点，是前2种方法无法比拟的。
利用单倍体诱导系诱导玉米单倍体这一新的快速育种方法目前已成为国外先锋公司(DuPont-pioneer)、孟山都公司(Monsonto)、先正达公司、KWS公司等进行玉米育种的一种重要方法。
2 玉米单倍体诱导系在育种中的应用研究2.1 利用单倍体诱导系选育玉米自交系玉米单倍体诱导系目前分为2种:父本单倍体诱导系和母本单倍体诱导系。
父本单倍体诱导系含有不确定配子体基因(ig)。
Kermicle在1969年第1次阐述了父本单倍体的频率由自然产生的0.012 5% 提高到3.000 0%是由于不确定配子体基因的作用;母本单倍体诱导系常用来作为父本给目标母本植株授粉，在杂交F1代中将产生一定比例的单倍体种子［6］。
怎样对单倍体诱导系杂交F1代的单倍体个体进行鉴定和单倍体个体的染色体加倍，是利用单倍体诱导系选育玉米自交系的重要环节。
目前，国内外在玉米诱导产生单倍体的鉴定上主要利用形态学鉴定法和遗传标记法。
(1)形态学鉴定法:植株生活力较弱，出苗顶土力较差，植株较矮，叶片较短颜色较浅，在正常的生长状态下常常比它的标准类型要小得多，雄穗不育或育性很低。
通过上述植株形态可以较容易地鉴定出单倍体植株。
通过比较玉米籽粒胚和盾片的大小也能够对单倍体作出初步鉴定，此法具有简便快速的优点;不足之处在于经验因素大，鉴定结果准确性较差，只能与其他鉴定方法结合使用［2］。
(2)遗传标记法:利用具有在不同遗传背景下能稳定表达的显性性状标记的基因型作供粉种，根据植株显性性状表达与否可将孤雌生殖来源的单倍体或双单倍体与杂交产生的杂合体快速区分开来。
单倍体诱导系带有颜色标记基因R1-nj从母本单倍体诱导系杂交获得的种子，如果糊粉层(RRr)和胚(Rr)均有色，则为杂交二倍体;如果糊粉层(rrr)和胚(rr)均无色，则为自交二倍体;如果糊粉层有色(RRr)而胚无色(r)，则为单倍体种子［3－5］。
单倍体个体的染色体加倍主要是自然加倍和人工加倍。
自然加倍和人工加倍的染色体加倍效率决定了单倍体植株产生后代的数量。
(1)自然加倍是指自然状态下单倍体各部分组织的体细胞发生的自然加倍现象。
单倍体自然加倍机制目前尚不清楚，细胞的加倍可能是核内加倍、核内有丝分裂、细胞融合等原因。
在一般情况下，单倍体植株表现为雌雄不调，单倍体植株雄穗的正常花粉粒很少，所以单倍体的自然加倍频率仅占全部单倍体植株的10%［7］。
有些材料不发生自然加倍，但从自然加倍的广泛程度来讲，单倍体回复二倍性是细胞的一种本能反应。
大部分杂交诱导出来的玉米单倍体的雌穗都能够正常吐丝，90%以上的雌穗是自然可育的，然而雄穗的自然育性要比雌穗低得多，基因型不同的材料间存在很大差异性。
一般情况下雄穗的自然育性都不超过20%，因此大部分单倍体植株不能自交结实。
雄穗育性问题已成为单倍体诱导系育种应用中的限制性问题，因此仅仅依靠单倍体的自然加倍难以满足育种实践要求，必须对其进行人工加倍。
(2)人工加倍目前主要是利用秋水仙素和氮氧气体处理来加倍单倍体植株的染色体数目。
秋水仙素的加倍效果与多种因素有关。
在一定范围内，试剂浓度、处理时间与加倍效果呈正相关，如秋水仙素浓度过高，处理时间过长都会加重药害。
Han 等在2006年使用0.06% ～0.50%秋水仙素溶液处理单倍体幼苗，将单倍体雄穗的加倍频率提高到20% ～50%。
1979年白守信等利用细胞助渗剂二甲基亚砜与秋水仙素配合可有效提高加倍效率［8］。
2002年Kato利用N2O气体加倍染色体技术处理单倍体诱导系产生的单倍体，结果发现在压强为6 kg/cm2时处理玉米单倍体幼苗2 d，可明显提高可育雄穗和雌穗的比例［9］。
