单倍体诱导技术在糯玉米育种上的应用研究概述

贺囡囡 韦桂旺 冯云敢 蒙云飞 韦爱娟 卢生乔

摘 要 利用单倍体诱导技术能够缩短糯玉米的育种进程，获得优良的材料，从而筛选出高产、优质、高抗的糯玉米新品种。从单倍体的诱导、鉴定和加倍方法3方面介绍单倍体诱导技术的相关知识及其在糯玉米育种中的应用。

关键词 单倍体；诱导；糯玉米；育种

中图分类号：S513 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2016）12--02

糯玉米是由于普通玉米上的第9条染色体的第59位点上的WX基因突变成wx基因而形成的特殊的玉米类型，因胚乳具黏性得名，也可以称之为黏玉米或蜡质玉米[1]。由于糯玉米的胚乳淀粉结构特殊，糯性和风味独特，所以糯玉米成为很多人喜爱的食品。此外，糯玉米还可以做成糯玉米馇和糯玉米粉等食用，同时也是良好的工业原料和畜禽饲料[2]。糯玉米籽粒中含有丰富的营养成分，其中淀粉含量大约有70%～75%，蛋白质含量10%左右（有些糯玉米品种籽粒蛋白质含量可达14.5%），脂肪含量4%～5%。另外，还含有多种维生素等，而且蛋白质、VA、VB1、VB2的含量均高于水稻。因此，糯玉米经济价值很高，如果作为蔬菜水果玉米开发利用，是一种发展潜力极高的新型玉米产业。1 760 a前糯玉米就已经在中国形成，最初可能起源于云南西双版纳地带，现主要集中在广西、贵州、云南和四川等地，但是国外较早开展糯玉米的研究。1937年，美国开始研究糯玉米，1942年育成了首个糯玉米杂交种。中国对糯玉米研究始于20世纪70年代末，1975年山东烟台农科所从名为衡白多的非糯品种中获得了糯质突变体，育成名为烟单5号的糯玉米。1980年以后，糯玉米的研究得到迅速发展。

利用单倍体诱导系杂交诱发产生单倍体后，通过染色体组加倍让植物恢复正常的染色体数目、获得纯合基因型的育种方法就是单倍体诱导技术，又称为单倍体育种。常规的育种方式，连续自交7代以后，才能得到纯度约为99.2%的自交系，而使用单倍体育种技术，一般只要2个世代便可得到纯合体。因此，使用单倍体育种技术能够缩短糯玉米的育种进程，同时还能获得优良的材料，从而更快地筛选高产、优质、高抗的糯玉米新品种，但单倍体育种技术在糯玉米研究方面的报道相对较少。文章从单倍体的诱导、鉴定和加倍方法3方面介绍单倍体诱导技术的相关知识及其在糯玉米育种中的应用。

1 糯玉米单倍体的诱导方法

单倍体产生的方法主要有2种：自然发生产生单倍体和人工诱导产生单倍体。但是糯玉米自然发生产生单倍体的频率很低，这会限制单倍体诱导技术在糯玉米育种上的应用。因此，目前单倍体的产生主要靠人工诱导的方法，包括远缘杂交、组织培养、物理或化学方法诱导以及利用单倍体诱导系培育糯玉米单倍体等。下面主要介绍组织培养、物理或化学方法诱导和利用单倍体诱导系培育糯玉米单倍体。

1.1 组织培养

利用组织培养技术获得单倍体的方法主要是对花粉或花药进行培养，其原理是利用植物细胞的全能性。基本过程：首先以单核期的花药作原材料，用组织培养技术培育出愈伤组织或胚状体后，再经过分化培养成幼苗，进而生根培养，最后形成单倍体植株。据不完全统计，花药培养已经在250多种高等植物中获得了成功，在普通玉米上进行花药培养的技术也已经成熟，所以在糯玉米上使用该技术可行性很高。

1.2 物理或化学方法诱导

通过授不同种类的花粉，从而引起未受精的卵细胞发育；用X射线或紫外线等先照射成熟的糯玉米花粉，再给正常的糯玉米授粉，刺激卵细胞发育；用化学制剂如植物生长调节剂等处理未授粉的糯玉米果穗，也能引起孤雌生殖，产生单倍体。

1.3 利用单倍体诱导系培育糯玉米单倍体

Stock 6是Coe于1959年发现的玉米单倍体诱导系，它是世界上首个选育的玉米单倍体诱导系。但是Stock 6的自交结实和散粉较差，刘纪麟[3]在2001年用Stock 6作父本对6个玉米群体进行单倍体诱导，得到一些新的诱导系材料；吉林省农科院[4]也于2006年选育出诱导率高、农艺性状好的高诱3号。刘坚[5]等从Stock 6单倍体诱导系中选育出了3个诱导系对4个糯玉米杂交种进行诱导，发现不同诱导系的诱导率差异极显著，不同糯玉米杂交种被诱导率差异也极显著。因此，利用单倍体诱导系能提高糯玉米单倍体产生的概率，选择高诱导率的诱导系和合适的基础材料容易获得单倍体。利用单倍体诱导系培育糯玉米单倍体的方法简单，操作容易，是目前最常用的制备单倍体的方法。

2 糯玉米单倍体的鉴定方法

单倍体鉴定是糯玉米单倍体育种中非常重要的环节，鉴定方法有很多种，包括形态学鉴定法、解剖学鉴定法、细胞学鉴定法、分子标记法以及遗传标记法等等。下面主要介绍在糯玉米上应用较广的3种方法：形态学鉴定法和遗传标记法以及细胞学鉴定法。

2.1 形态学鉴定法

由于单倍体的染色体数目减少，导致营养和生殖器官变小，所以在正常的生长状态下糯玉米单倍体植株常比正常植株长势弱，因此，可以利用形态学特征来鉴定糯玉米单倍体植株。韩学莉[6]发现在苗期就可以通过株高鉴定出玉米单倍体植株。利用该方法鉴定糯玉米单倍体植株简便、快速，而且不需要专门的仪器。当然形态学鉴定法也有一些缺点，如经验因素比较大，导致结果准确性变差。

2.2 遗传标记法

遗传标记法是一种比较可靠的鉴定方法。Navajo标记基因R-nj在糯玉米中的应用非常成功。由单倍体诱导系诱导出的糯玉米籽粒分3种类型：一是胚乳糊粉层和胚芽部位均呈现紫色或紫红色；二是胚乳糊粉层呈紫色或紫红色标记，胚芽部位没有颜色；三是胚乳糊粉层和胚芽部位均没有颜色。其中，第一种和第三种类型的籽粒是二倍体籽粒，占大多数；第二种类型的籽粒为单倍体籽粒，所占的比例较小。

2.3 细胞学鉴定法

细胞学鉴定法是一种非常直接的鉴定方法，通过显微镜对染色体进行计数，就可以确定植株的倍数，它是目前确定染色体倍数最基本和最可靠的方法。但是该方法操作较复杂、鉴定速度慢，如果糯玉米单倍体数量较多时就会费时费力，如果换成一些染色体数目较多的植物，计数倍数性更加繁琐。

3 糯玉米单倍体的加倍方法

3.1 自然加倍

自然加倍是一种非常经济的方法，主要靠恢复育性达到自交结实的目的。一般情况下，糯玉米单倍体植株雌雄不协调，而单倍体自交结实率与单倍体雄穗的加倍率基本呈正相关。自然情况下，单倍体加倍频率一般是10%左右，然而许多材料的单倍体自然加倍率小于5%，并且有一些材料在自然情况下并不发生加倍。因此，仅靠单倍体的自然加倍难以满足糯玉米育种实践的要求，必需采用人工加倍的方法提高育性。

3.2 人工加倍

人工加倍最有效的方法是利用化学药剂破坏细胞有丝分裂的纺锤丝，两个子细胞染色体在有丝分裂后期并不移向两极，从而达到染色体加倍的目的。目前，经常利用化学药剂例如秋水仙素、二氧化氮和一些除草剂等对单倍体进行加倍，其中秋水仙素是最常用的化学加倍剂，主要方法有浸种法、浸根法、注射法和培养基掺入法以及生长点涂抹法等。其中生长点涂抹法和浸种法、浸根法效果较好，但必须育苗和移栽；注射法可以直接在田间对单倍体进行操作，而培养基掺入法是组织培养技术中常用的一种方法。但相关学者认为：如果去掉自然加倍的影响，人工化学加倍的效果并不十分显著，而且也不能忽略环境对糯玉米单倍体加倍效果的影响。因此有效的单倍体加倍方法也是单倍体诱导技术能否在糯玉米育种中广泛应用的问题之一。

4 展望

与常规育种相比，单倍体技术在糯玉米育种上的应用有以下优点：快速获得纯系，明显缩短育种的周期；流程简单，大大减少培育自交系所需要的人力、财力和时间；在单倍体中淘汰有害的隐性基因，不存在生物安全问题，十分适合我国当前育种的实际需要。但是，单倍体技术在糯玉米中的诱导率不高，重组二倍体时染色体加倍率也不高，因此如果有效的提高糯玉米单倍体的诱导率和加倍率，单倍体诱导技术在糯玉米育种中的应用前景将会十分诱人。而且糯玉米又是一种特用增值的玉米，随着农产品加工技术的深化和大型玉米加工企业的发展，糯玉米的生产发展前景也会更加广阔。

参考文献

[1]辛德财.鲜食糯玉米新组合评价指标体系的研究[D].天津：天津农学院，2010.

[2]孙祎振，张培忠，刘玉芬.糯玉米的育种目标及育种策略[J].作物研究，2004，18（1）：52-54.

[1] 辛德财.鲜食糯玉米新组合评价指标体系的研究[D].天津：天津农学院，2010.

[2] 孙祎振，张培忠，刘玉芬.糯玉米的育种目标及育种策略[J].作物研究，2004，18（1）：52-54.

[3] 陈文俊，李明媚.玉米单倍体诱导育种技术体系与应用前景[J].农业科技通讯，2009（12）：112-115.

[4]罗雁，陈良正.省级农科院在地方农业科技发展中的领军作用[J].农业科技管理，2006（7）.

[5]刘坚，方芳，徐洁，等.用单倍体诱导系诱导糯玉米单倍体[J].四川农业大学学报，2009，27（1）：47- 50.

[6]姜昱，王玉民，王中伟，等.我国玉米单倍体育种技术研究进展[J].玉米科学，2008，16（6）：48-51，57.

（责任编辑：赵中正）