植物單倍體育種及其在玉米育種中的應(yīng)用淺析

1、    植物單倍體育種及其在玉米育種中的應(yīng)用淺析    陳雙摘 要 隨著社會(huì)發(fā)展和時(shí)代進(jìn)步，新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。玉米是最為主要的糧食作物之一，人們對(duì)其需求量日益增多，但在種種現(xiàn)實(shí)因素的影響下，玉米常規(guī)育種及栽培面臨著一系列困境。單倍體育種是植物育種的一種有效方式。基于此，從單倍體育種著手，重點(diǎn)探究其在玉米育種中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞 單倍體育種;玉米育種;應(yīng)用：s513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：b doi：10.19415/ki.1673-890x.2020.24.101經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，我國(guó)人口持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)玉米這一主要糧食的需求量也日漸上漲

2、。為了滿足實(shí)際需求，必須培育優(yōu)質(zhì)的玉米品種，若是以傳統(tǒng)的育種方式為主，必然不能達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)如今需科學(xué)應(yīng)用生物技術(shù)手段，即單倍體育種，及時(shí)優(yōu)化育種模式，提高效率與質(zhì)量，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。1 植物單倍體育種技術(shù)1.1 單倍體的獲得單倍體育種是現(xiàn)如今應(yīng)用廣泛且最為優(yōu)良的育種方式，主要是指應(yīng)用一定的技術(shù)來(lái)獲得單倍體植株，再以化學(xué)或物理方式實(shí)現(xiàn)加倍，使植物獲得正常染色體數(shù)。獲得單倍體的途徑主要有2種：1）體內(nèi)發(fā)生，涉及自發(fā)產(chǎn)生、假受精等，假受精常發(fā)生于玉米雜交;2）應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)展開(kāi)離體培養(yǎng)，主要方式以無(wú)菌操作為主，接種幼胚，使單倍體細(xì)胞分裂，逐漸發(fā)育，成為正常植株。離體培養(yǎng)的培養(yǎng)基內(nèi)

3、需要添加一定量的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。1.2 鑒定最先提出的鑒定方法為遺傳標(biāo)記法，這一方法應(yīng)用較為普遍，且準(zhǔn)確率較高。最為快速的鑒定方法為從形態(tài)學(xué)角度出發(fā)進(jìn)行判斷。通常情況下，與純合二倍體植株相比，單倍體植株僅有70%左右的高度。實(shí)踐研究表明，當(dāng)玉米從二倍體轉(zhuǎn)換成單倍體時(shí)，組織化學(xué)成分發(fā)生一定的變化，主要為有機(jī)水含量增加，無(wú)機(jī)水含量降低。此時(shí)，應(yīng)用紫外分光光度計(jì)可對(duì)二倍體與單倍體進(jìn)行鑒定。2 植物單倍體育種技術(shù)在玉米育種中的應(yīng)用2.1 花藥培養(yǎng)玉米育種過(guò)程中，最為普遍的單倍體技術(shù)為花藥培養(yǎng)。通常情況下，取下仍處于孕穗期玉米的未成熟雄穗，將其放置一段時(shí)間。在接種前期，使用醋酸洋紅進(jìn)行處理，明確具體的發(fā)

4、育時(shí)期。把小孢子發(fā)育單核中晚期與雙核早期的花藥摘下，置于培養(yǎng)基中，25 d左右后，再將其轉(zhuǎn)放在再生培養(yǎng)基當(dāng)中。然后進(jìn)行加倍處理，再自交，產(chǎn)生種子。另一育種方式是以胚狀體來(lái)誘導(dǎo)愈傷組織。盡管花粉植株染色體能夠自然加倍，但頻率卻不太理想，因此往往會(huì)以秋水仙素來(lái)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)加倍1?，F(xiàn)如今，花藥離體培養(yǎng)已經(jīng)大大縮短了玉米育種年限，但因材料選用不同，誘導(dǎo)的最終效果也受到時(shí)間、培養(yǎng)體系等直接或間接的影響，目前仍舊未得到統(tǒng)一。2.2 孤雌生殖stock6是最早的孤雌生殖誘導(dǎo)系，育種過(guò)程中用stock6作父本，誘導(dǎo)育種材料母本。在不同的環(huán)境下，單倍體發(fā)生率存在明顯的差異。為了將單倍體與二倍體進(jìn)行區(qū)分，應(yīng)當(dāng)以

5、遺傳標(biāo)記法為主，將r-nj與p1直接導(dǎo)入，觀察胚、胚乳與莖稈顏色，若是胚中出現(xiàn)紫色盾狀體，胚乳中出現(xiàn)色頂冠，莖稈顏色為紫色，則可明確鑒定結(jié)果。2.3 玉米單倍體加倍2.3.1 自然加倍相關(guān)研究報(bào)告表明，自然加倍僅占整體的10%左右，這是因?yàn)閱伪扼w植株雌雄不調(diào)。在研究過(guò)程中，chalyk2指出最多有1.2%的植株能夠經(jīng)自然加倍轉(zhuǎn)變?yōu)槎扼w，一般情況下自然加倍的頻率以及成功率較低，甚至有部分材料不會(huì)產(chǎn)生自然加倍。由此可見(jiàn)，若是以自然加倍的方式為主，必然不能滿足現(xiàn)如今的育種要求。因此，必須應(yīng)用生物技術(shù)，以人工加倍的方式為主，得到更多的二倍體。2.3.2 人工加倍人工加倍過(guò)程中常用的試劑包括秋水仙素、

6、氟樂(lè)靈等，現(xiàn)如今在育種時(shí)應(yīng)用較為廣泛且加倍效果良好的則為秋水仙素。應(yīng)用方式為注射法、浸種法等，將秋水仙素用于根尖或莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)。采用注射法需要確定最適宜的濃度。魏俊杰等3將濃度為0.01%、0.05%、0.10%的秋水仙素注射到莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析與對(duì)比，發(fā)現(xiàn)濃度為0.01%時(shí)效果最佳，若是未能控制好濃度，反而會(huì)影響植株的健康生長(zhǎng)。將10%甘油水溶液與0.05%秋水仙素混合，用量約0.5 ml，直接注射至內(nèi)子葉，經(jīng)過(guò)分析與對(duì)比發(fā)現(xiàn)其效果極佳，可大大提高效率。浸種法是最為簡(jiǎn)便的一種方式，采用這一方式也需要確定浸種液的濃度。濃度和處理方式不同，加倍率也有著明顯的差異4。gayen等5探究了秋水仙素濃

7、度（0.03%、0.06%、0.10%）、處理方式（胚芽處切口、不切口）及浸種時(shí)間（6 h、12 h、24 h）對(duì)加倍率的影響，經(jīng)過(guò)具體的分析、對(duì)比，發(fā)現(xiàn)將切口的種子放置于0.06%濃度的秋水仙素中約12 h左右效果最佳，此時(shí)的加倍率達(dá)到了18%。除此以外，還有兩種操作方式，即培養(yǎng)基滲入法以及浸根法。前一種操作方式主要應(yīng)用于花藥培養(yǎng)法，將愈傷組織放置在加入秋水仙素的培養(yǎng)基中，使其加倍、分化。例如，wan等6將愈傷組織放置于0.05%左右秋水仙素培養(yǎng)基中，當(dāng)將時(shí)間延長(zhǎng)至72 h時(shí)，發(fā)現(xiàn)加倍率達(dá)到了100%;barnabas等7選用同樣的方式，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濃度較高，則效果更加良好。浸根法就是

8、將根部放置于溶液當(dāng)中浸泡一定時(shí)間，seaney等8將玉米幼苗根系浸在0.05%秋水仙素溶液中24 h，最終效果為11株雄花可散粉。2.4 優(yōu)勢(shì)與具體應(yīng)用植物單倍體育種具有保留有利效用、快速獲得純系等明顯優(yōu)勢(shì)，這一生物技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了極其廣泛的應(yīng)用。例如，美國(guó)、德國(guó)的育種公司主要就應(yīng)用單倍體育種方式來(lái)處理玉米種子。相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，德國(guó)kws公司以這一育種方式為主獲得2000純系/年。現(xiàn)如今，經(jīng)過(guò)研究與試驗(yàn)，美國(guó)也先后育成玉米單倍體誘導(dǎo)性，以更為全面、先進(jìn)的方式培育玉米，保證其產(chǎn)量與品質(zhì)。我國(guó)科學(xué)院也重點(diǎn)研究了單倍體育種，最開(kāi)始研究的是孤雌生殖，通過(guò)對(duì)比分析與篩選，確定了近400個(gè)優(yōu)良性狀，

9、可用于玉米育種。隨后，我國(guó)多個(gè)單位對(duì)玉米單倍體育種展開(kāi)了更加深入的研究，也都因地制宜地育成加倍單倍體，現(xiàn)如今已經(jīng)建設(shè)了多個(gè)試驗(yàn)區(qū)。3 玉米單倍體育種面臨的困境在應(yīng)用單倍體技術(shù)的過(guò)程中，影響該技術(shù)應(yīng)用有效性的主要因素是物質(zhì)本身的遺傳特性和外部環(huán)境因素。育種材料具有不同的生長(zhǎng)環(huán)境，因此單倍體培育速率相差很大。隨著生物技術(shù)的進(jìn)步，單倍體育種技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于玉米品種改良和胚芽質(zhì)量創(chuàng)新9。雖然單倍體育種已經(jīng)廣為人知，但在種種因素的影響下，這一育種手段在應(yīng)用過(guò)程中仍舊面臨著一定的困境：1）單倍體發(fā)生頻率低，故需要大規(guī)模植株，但部分育種材料不易獲得，盡管可針對(duì)試驗(yàn)研究收集材料，但很難在短時(shí)間內(nèi)大量獲得;

10、2）鑒別過(guò)程中存在難度，如今優(yōu)良誘導(dǎo)性頻繁出現(xiàn)，要想快速實(shí)現(xiàn)純系鑒別，則應(yīng)當(dāng)及時(shí)解決誘導(dǎo)頻率低等種種問(wèn)題，以打破不良基因連鎖限制，克服加倍困難問(wèn)題。4 新形勢(shì)下玉米單倍體育種發(fā)展趨勢(shì)在科學(xué)技術(shù)不斷革新的今天，生物工程技術(shù)正在完善與成熟，利用這些技術(shù)積累足夠有利基因位點(diǎn)之后，再進(jìn)行單倍體育種，能夠獲得性狀更加優(yōu)良的純系，將單倍體育種的優(yōu)勢(shì)充分呈現(xiàn)出來(lái)，大大提升玉米育種的質(zhì)量與效率。在今后的研究過(guò)程中，應(yīng)繼續(xù)探索合適的誘導(dǎo)條件，以誘導(dǎo)單倍體和二倍體，并借助分子標(biāo)記和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，擴(kuò)大單倍體誘導(dǎo)基因型的范圍，以提高單倍體誘導(dǎo)成功率。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步深入研究與試驗(yàn)，玉米單倍體育種的發(fā)展趨勢(shì)極其明朗：1）以工程

11、化理念為主，優(yōu)化單倍體育種體系，明確研究方向，逐漸形成高效玉米育種技術(shù)體系;2）更加快速地獲取基礎(chǔ)材料，并對(duì)不易獲得的特殊材料展開(kāi)探究與挖掘，解決部分材料不易獲得的困境;3）加強(qiáng)測(cè)配工作，實(shí)現(xiàn)大范圍規(guī)?；茫懤m(xù)解決種種問(wèn)題，加快玉米育種技術(shù)的變革。隨著對(duì)單倍體物種研究的不斷深入，以及遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，玉米單倍體技術(shù)將不斷得到優(yōu)化，單倍體物種的技術(shù)體系將不斷完善10。單倍體育種技術(shù)在玉米遺傳和育種研究中得到了更廣泛的應(yīng)用，在提高玉米產(chǎn)量和多樣性、基因改造和生殖質(zhì)量創(chuàng)新方面發(fā)揮著重要作用。5 結(jié)語(yǔ)將植物單倍體育種技術(shù)應(yīng)用至玉米育種中是新形勢(shì)下培育優(yōu)良玉米品種、同步增產(chǎn)增質(zhì)的主流趨勢(shì)

12、。與其他育種技術(shù)相比，單倍體育種具有生物安全性能高、育種周期短等優(yōu)勢(shì)，符合現(xiàn)階段我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的實(shí)際需求。在具體的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將單倍體育種與傳統(tǒng)育種有機(jī)整合，同時(shí)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，保證玉米品種的優(yōu)良特性，提高育種效率以及產(chǎn)量水平，并為更加深入的研究提供可參考的實(shí)際依據(jù)。參考文獻(xiàn)：1 王江浩，尤帥，趙愛(ài)菊，等.玉米單倍體的誘導(dǎo)加倍技術(shù)及其應(yīng)用研究j.河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，20（1）：70-75，79.2 chalyk s t. properties of maternal haploid maize plants and potential application to maize b

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