王嬋 劉建勛 王托和 張立榮 趙向田

摘要? ? 本文從單倍體育種的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)出發(fā)，闡述了單倍體育種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及其在玉米種質(zhì)創(chuàng)新上的應(yīng)用方向，提出在張掖市利用單倍體育種進(jìn)行玉米種質(zhì)改良的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為今后開(kāi)展單倍體育種、加快玉米種質(zhì)創(chuàng)新提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 玉米;單倍體育種;種質(zhì)創(chuàng)新

中圖分類號(hào)? ? S513;S336? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）10-0032-02

Abstract? ? Based on the characteristics and advantages of haploid breeding，this paper introduced the development status of haploid breeding technology at home and abroad and the direction of application on maize germplasm innovation，put forward the unique advantages to develop haploid breeding in Zhangye City，in order to provide reference for haploid breeding and accelerates maize germplasm innovation in the future.

Key words? ? maize;haploid breeding;germplasm innovation

玉米是我國(guó)也是我國(guó)種植范圍最廣、用途最多、產(chǎn)量最高的作物，通過(guò)生物育種實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效是提高玉米產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)。單倍體育種技術(shù)現(xiàn)已成為與分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)、轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)相媲美的三大生物育種技術(shù)之一，又因其快速、高效、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外各大種子公司選系及工程化、商業(yè)化育種的重要手段。

1? ? 單倍體育種的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? ? 單倍體育種的優(yōu)勢(shì)

單倍體育種是指利用孤雌生殖、孤雄生殖和無(wú)配子生殖產(chǎn)生單倍體，再經(jīng)過(guò)染色體加倍恢復(fù)育性，從而獲得純合自交系的育種方法。單倍體的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：①只有1組染色體，單倍體染色體的加倍，相當(dāng)于同質(zhì)結(jié)合，僅需2代就能得到遺傳上穩(wěn)定，性狀不分離的二倍體純系植株;②具有個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育所必需的全套基因，在適宜條件下可以正常生長(zhǎng);③植株矮小、葉面積小、花器較小、高度不育，因而不能產(chǎn)生正常種子，不能直接應(yīng)用，加倍后才能用于育種[1]。

單倍體的特點(diǎn)決定了它是極為珍貴的育種材料。一是單倍體經(jīng)染色體加倍形成的純合二倍體，性狀穩(wěn)定，僅需2代即可獲得100%純合的材料，而常規(guī)育種獲得穩(wěn)定的育種材料需要6～8代;二是不同于雜合體，單倍體形成的純合二倍體沒(méi)有顯性性狀的遮蓋，淘汰不利隱性性狀更為便利，從而獲得優(yōu)良純合個(gè)體;三是加倍后的DH（doubled haploid）系可以直接用于育種，同時(shí)也是基因定位等遺傳研究的好材料，也可以作為轉(zhuǎn)基因的受體[2]（表1）。

單倍體育種通過(guò)育種頂層設(shè)計(jì)，整合育種資源，以系統(tǒng)科學(xué)思想為指導(dǎo)，以工程思維和技術(shù)方法為手段實(shí)現(xiàn)育種目標(biāo)。單倍體可以實(shí)現(xiàn)工程化育種，從而解決我國(guó)種業(yè)育種體系不健全、沒(méi)有完整的產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈、以經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)的育種模式，起到優(yōu)化育種產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈、加強(qiáng)設(shè)計(jì)育種、減少育種過(guò)程對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴。單倍體育種系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其生產(chǎn)過(guò)程完全可以從育種企業(yè)獨(dú)立出來(lái)，由第三方公司代生產(chǎn)，提高了資源利用效率，降低了生產(chǎn)成本。

1.2? ? 單倍體育種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

自1921年人類首次從曼陀羅花藥培養(yǎng)中獲得單倍體植株后，單倍體育種技術(shù)先后在煙草、白菜型油菜和甘藍(lán)型油菜中成功應(yīng)用。截至20世紀(jì)80年代，已在玉米、水稻、棉花、番茄、小麥和油菜等70個(gè)屬、206 種作物中得到了單倍體。但單倍體自然發(fā)生機(jī)率僅為0.05%～0.10%，遠(yuǎn)不能適應(yīng)規(guī)模化商業(yè)育種的需求。如何進(jìn)一步提高誘導(dǎo)頻率，將單倍體育種技術(shù)與雜交育種、誘變育種、遠(yuǎn)緣雜交等結(jié)合應(yīng)用，仍然是育種家們?cè)谖磥?lái)幾年研究的重點(diǎn)方向。

單倍體可以自發(fā)產(chǎn)生或者利用植物雌、雄配子組織培養(yǎng)產(chǎn)生。目前，獲得單倍體主要有2種方式：一是植物單倍體組織離體培養(yǎng);二是孤雌生殖，包括遠(yuǎn)緣雜交、化學(xué)誘導(dǎo)、輻射誘導(dǎo)、誘導(dǎo)系雜交誘導(dǎo)。在我國(guó)廣泛應(yīng)用的則為花藥培養(yǎng)和誘導(dǎo)系雜交誘導(dǎo)。

花藥培養(yǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在十字花科作物（如油菜）中，在小麥和大麥等禾本科作物上也有報(bào)道，但僅限于個(gè)別易誘導(dǎo)的特殊基因型上，離規(guī)?；瘧?yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離。

誘導(dǎo)系雜交誘導(dǎo)獲得單倍體是玉米獲得單倍體的主要方法。Stock6是最早發(fā)現(xiàn)的孤雌生殖誘導(dǎo)系。但由于其誘導(dǎo)率較低，不少學(xué)者在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳改良，選育出WS14、KMS、ZMS、MHI、RWS等高頻誘導(dǎo)系[2]。我國(guó)第1個(gè)單倍體誘導(dǎo)系是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的農(nóng)大高誘導(dǎo)1號(hào)，打破了國(guó)外對(duì)單倍體誘導(dǎo)系的壟斷。隨后，不少綜合性狀優(yōu)良、誘導(dǎo)頻率高且穩(wěn)定的單倍體誘導(dǎo)系不斷被創(chuàng)制出來(lái)。農(nóng)大高誘5號(hào)誘導(dǎo)率超過(guò)8%，且誘導(dǎo)率穩(wěn)定，籽粒色澤標(biāo)記清楚，農(nóng)藝性狀和繁殖性能均較好。吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成的吉高誘3號(hào)，誘導(dǎo)率最高可達(dá)15.94%[3]。此外，帶有新的籽粒高油、黃綠色苗等的誘導(dǎo)系也即將（或已）投入使用[4]。這種誘導(dǎo)方式要攻克的難題在于不斷選育出新型誘導(dǎo)材料，大幅提高誘導(dǎo)率或使準(zhǔn)單倍體的鑒別技術(shù)趨于簡(jiǎn)化。

單倍體的鑒定方法包括遺傳標(biāo)記鑒定法、形態(tài)學(xué)鑒定法、細(xì)胞學(xué)鑒定法、解剖學(xué)鑒定法、流式細(xì)胞儀鑒定法、分子標(biāo)記鑒定法和生理生化鑒定法。

形態(tài)學(xué)鑒定法雖然直觀簡(jiǎn)便，但需要植物生長(zhǎng)發(fā)育到某個(gè)特定的時(shí)期才能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)的木本植物檢測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)。玉米由于誘導(dǎo)系自身攜帶有籽粒色澤和植株色澤標(biāo)記基因，用此方法鑒定單倍體準(zhǔn)確率可高達(dá)98%。細(xì)胞學(xué)鑒定能直接反映植株的倍性，是鑒定植株倍性最準(zhǔn)確、最有效的方法。目前，用流式細(xì)胞儀可快速檢測(cè)植物的倍性，且適合于多種植物。但該設(shè)備費(fèi)用較高，不適于實(shí)驗(yàn)室使用。分子標(biāo)記鑒定法利用標(biāo)記位點(diǎn)鑒定植物倍性，所用儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、便于操作，是目前應(yīng)用最廣泛的單倍體檢測(cè)方法。常見(jiàn)單倍體加倍方法為自然和人工加倍2種。自然加倍一般概率較低，易受環(huán)境和基因型等因素的影響，規(guī)?；瘧?yīng)用時(shí)不建議采用。人工加倍是恢復(fù)單倍體倍性的主要方法。一般用秋水仙素誘變劑進(jìn)行浸根、浸芽、浸泡分蘗等人工加倍方法。研究發(fā)現(xiàn)，用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)也能誘導(dǎo)染色體加倍。近年來(lái)還有報(bào)道，加入萘嵌戊烷和一些除草劑類物質(zhì)也可使植物染色體加倍[5]。

2? ? 單倍體育種技術(shù)在玉米種質(zhì)改良上的應(yīng)用

2.1? ? 快速選育DH系

單倍體育種技術(shù)可在2個(gè)世代內(nèi)得到100%純合的玉米自交系，再經(jīng)過(guò)2年的測(cè)交組合試驗(yàn)，從選育自交系到育成雜交種只需4年時(shí)間，與常規(guī)育種相比省工省時(shí)，可以明顯縮短育種周期[2]。

雙單倍體植株每一品系都一個(gè)純合的二倍體材料，可進(jìn)行穩(wěn)定繁殖，且無(wú)顯性和隱性互作的干擾，在各種環(huán)境下均可以進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。與常規(guī)法相比較，采用該群體進(jìn)行數(shù)據(jù)收集可減小環(huán)境的誤差，消除了早代競(jìng)爭(zhēng)的影響，大大提高了QTL定位的準(zhǔn)確性。利用雙單體群體可快速建立近等基因系，并對(duì)這些位點(diǎn)的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究[3]。

2.2? ? 群體改良

常規(guī)育種中輪回選擇基礎(chǔ)群體中若某個(gè)體基因型雜合程度高，被選擇后在帶入有利基因的同時(shí)也帶入大量隱性的有害基因。而單倍體育種技術(shù)可消除這種顯性基因?qū)﹄[性基因的遮蓋，增加選擇的準(zhǔn)確性，提高選擇效率。同時(shí)，單倍體雌穗在進(jìn)行廣泛分離的過(guò)程中，其分離的選擇以及種質(zhì)在一定的程度上為玉米種質(zhì)創(chuàng)新提供了可能性。

2.3? ? 突變體的篩選

單倍體只有一套染色體，沒(méi)有顯隱性關(guān)系，易受外界環(huán)境的影響產(chǎn)生突變。突變可在自交系1～2代進(jìn)行鑒定，經(jīng)加倍處理，突變位點(diǎn)純合，是選擇良好突變材料的基礎(chǔ)。同時(shí)，如果能從突變體中選出有利變異對(duì)其進(jìn)行改良，為優(yōu)良基因的選育提供變異材料，則有利于玉米種質(zhì)創(chuàng)新和遺傳研究。

2.4? ? 雜交種親本材料提純復(fù)壯

親本種子純度是玉米制種的關(guān)鍵因素之一，直接影響雜交種的使用價(jià)值。多年繁殖后，親本原來(lái)的優(yōu)良性狀會(huì)逐漸減弱或消失，嚴(yán)重時(shí)失去應(yīng)用價(jià)值。而使用單倍體育種技術(shù)產(chǎn)生單倍體，然后加倍形成DH系，使發(fā)生混雜或退化的玉米種子親本恢復(fù)其純度和優(yōu)良特性。

2.5? ? 提高親本選擇效率

單倍體育種技術(shù)能提高目標(biāo)性狀選擇的準(zhǔn)確性。在單倍體時(shí)期，結(jié)合目標(biāo)性狀進(jìn)行有效選擇，可在一定程度上減輕工作量，具有一定的可行性或準(zhǔn)確性。同時(shí)，還能有利于DH系鑒定等后續(xù)相關(guān)的工作，并能幫助育種人員選育出性狀優(yōu)良的玉米新品種。

3? ? 張掖發(fā)展單倍體育種的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

3.1? ? 生態(tài)條件好，單倍體誘導(dǎo)和加倍率高

張掖市位于河西走廊中部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)97°20′～102°12′、北緯37°28′～39°57′，海拔1 200～5 565 m。常年干燥少雨，蒸發(fā)量大，日照長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年平均日照時(shí)數(shù)為3 052.9 h，≥10 ℃的活動(dòng)積溫2 980 ℃，正常年份無(wú)霜期為152 d，晝夜溫差大，被譽(yù)為“天然種子生產(chǎn)王國(guó)”[6]。耕地多以灌漠土為主，土壤疏松，通透性好，蓄水保肥能力強(qiáng)，耕性良好，適宜各類作物栽培種植。研究表明，生態(tài)環(huán)境對(duì)單倍體的加倍率有顯著影響，在海南三亞的單倍體誘導(dǎo)率和加倍率顯著高于長(zhǎng)春、長(zhǎng)嶺，三亞更適合玉米單倍體誘導(dǎo)和加倍[7]。而周玉乾等[8]對(duì)海南三亞、甘肅隴南、甘肅張掖3個(gè)不同生態(tài)區(qū)單倍體自然加倍率研究發(fā)現(xiàn)，在甘肅張掖單倍體自然加倍率最高，可達(dá)5.4%。張掖市農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過(guò)多年的育種實(shí)踐表明，在甘肅張掖地區(qū)進(jìn)行玉米單位體誘導(dǎo)，單倍體遺傳標(biāo)記能夠在籽粒中充分發(fā)育，表達(dá)較好，自然加倍率高于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)。同時(shí)，張掖地區(qū)授粉期降雨量少，結(jié)實(shí)較好，籽粒飽滿，有利于后代植株生長(zhǎng)，誘導(dǎo)率介于10%～16%之間，最高可達(dá)16%，高于海南等地。甘肅張掖地區(qū)是單倍體誘導(dǎo)和加倍的最佳地區(qū)。

3.2? ? 種質(zhì)資源豐富，誘導(dǎo)基礎(chǔ)材料廣泛

張掖作為我國(guó)農(nóng)作物制種的精華地帶，擁有各類種子企業(yè)80多家，每年有雜交玉米、蔬菜、花卉、油菜制種面積約10萬(wàn)hm2，有各類作物品種1 000多個(gè)，為張掖市農(nóng)作物種質(zhì)資源的收集奠定了基礎(chǔ)。如果將這些種質(zhì)資源收集起來(lái)作為單倍體育種誘導(dǎo)的基礎(chǔ)材料，是豐富誘導(dǎo)基礎(chǔ)材料和提高誘導(dǎo)率的關(guān)鍵。研究表明，不同遺傳背景的基礎(chǔ)材料對(duì)單倍體誘導(dǎo)率存在影響，母本基因型不同單倍體誘導(dǎo)率存在差異[9];不同雜交模式下玉米基礎(chǔ)材料的單倍體誘導(dǎo)率不同[3]。研究人員如果將收集到的種質(zhì)資源進(jìn)行雜種類群劃分，按高誘導(dǎo)率的雜交模式進(jìn)行基礎(chǔ)材料雜交，這樣不但可以讓育種者掌握基礎(chǔ)材料的來(lái)源，也能提高誘導(dǎo)率。

單倍體育種是商業(yè)化育種的主要方式，杜邦先鋒種業(yè)、奧瑞金種業(yè)、甘肅金源種業(yè)等大型企業(yè)的單倍體育種已初具規(guī)?；?，單倍體生產(chǎn)總數(shù)在百萬(wàn)以上，在張掖已建立了大型的單倍體育種基地，極大地豐富了甘肅省種質(zhì)資源。同時(shí)，將單倍體育種技術(shù)與二環(huán)系選育、回交育種、輪回選育等傳統(tǒng)育種技術(shù)相結(jié)合，對(duì)創(chuàng)新作物種質(zhì)資源、培育作物新品種起到了積極作用，在張掖開(kāi)展單倍體工程化育種意義深遠(yuǎn)。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目? ?甘肅省青年科技基金（18JR3RG425）。

作者簡(jiǎn)介? ?王嬋（1984-），女，甘肅平?jīng)鋈耍r(nóng)藝師，從事玉米遺傳育種工作。

通信作者

收稿日期? ?2019-01-30