化学试剂诱导玉米孤雌生殖选育自交系概述

胡颖 杜相飛 王冬雪 冯汉宇

摘    要：从介绍孤雌生殖、化学试剂诱导玉米孤雌生殖定义入手，对诱导剂、诱导方法、诱导玉米孤雌生殖的机理、植株的结实特性、孤雌生殖系的鉴定、影响因素等进行综述，对存在的问题及解决途径进行展望，希望能为玉米育种工作者进行化学试剂诱导玉米孤雌生殖研究提供参考。

关键词：玉米;诱导试剂;结实率;孤雌生殖

中图分类号：S513         文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.03.017

Breeding of Inbred Lines Through Chemical-Induced Maize Parthenogenesis

HU Ying1， DU Xiangfei2， WANG Dongxue2， FENG Hanyu2

（1.Chengde Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Chengde， Hebei 067000， China;2.Sinofarm Seeds（Group）Company Limited， Beijing 100028， China）

Abstract： The concept of parthenogenesis and chemical-induced maize parthenogenesis were introduced in this paper， induced chemical， treatment methods， induction maize parthenogenesis mechanism， the seed rate trait of the plants， identification of parthenogenesis line and the affect factors were reviewed， the problems existed and solutions were forecasted， we hope that provide a reference for maize breeding workers studying chemical-induced maize parthenogenesis.

Key words： maize; induced chemicals; seed rate of the plants; parthenogenesis

植物孤雌生殖是指雌配子体不经授精而在其他因素刺激下或基因控制下发育形成种子的生殖方式，是无融合生殖的主要类型[1]。诱导玉米孤雌生殖选育自交系，是在控制玉米雌穗不接受玉米花粉的条件下，使用诱导物质刺激雌穗结实，然后繁殖，选育玉米自交系。化学试剂诱导玉米孤雌生殖就是在人工控制条件下，不经过受精，采用化学试剂诱导玉米孤雌生殖选育自交系，该技术育种周期短，效率高、用地少、简便省事、成本低，可把大多数优良基因固定在一个材料中，能克服远缘杂交障碍，创造新种质，是一种快速创造优良种质资源的玉米育种技术之一，在选育自交系上具有广阔的发展前景[2-3]。

1 诱导剂与诱导方法

诱导剂主要有两类，一类是化学药剂，主要有马来酰胼、秋水仙碱和二甲基亚砜;另一类是除草剂，主要包括戊炔草胺、甲基胺草磷、胺磺灵、氟乐灵、二甲戊灵诱和炔苯酰草胺等[4]。诱导方法主要有喷施法、注射法、喷注法、涂抹法和子房处理等。喷施法，先剪去一些花丝，保留1～2 cm花丝，喷2 mL左右处理液处理花丝;喷注法，先剪去一些花丝，保留1～2 cm花丝，拔取中部一些花丝，出现凹槽，喷注2 mL诱导剂在花丝或花柱上，喷药后用硫酸纸袋套好;注射法，为避免花粉污染，用注射器针头穿过纸袋向苞叶或穗子里注入2 mL处理液;涂抹法，把处理液涂抹在苞叶上;子房处理就是把雌穗苞叶剥开，在其表面喷药后合上苞叶，喷施法较注射法操作简单，只是杂株率高[5]，处理时期有抽丝前、抽丝后1，2，3，4，5 d，处理时间点一般选择早上4：00—7：30或下午6时后。

2 诱导玉米孤雌生殖的机理

诱导剂的种类不同，其诱导机理也不一样。秋水仙碱引起细胞C型有丝分裂、多極有丝分裂，抑制纺锤体的形成，使染色体加倍;二甲基亚砜诱导某些植物孤雌生殖，可直接获得纯合二倍体;马来酰胼是一种强烈的染色体断裂剂，致于二倍体胚的来源，据已有文献推测可能是单倍体卵细胞或未减数的卵细胞，二倍体胚乳来源可能是未受精极核或珠心细胞[6]。史振声[7]认为，有学者推测钝化卵细胞胞质中或助细胞中存在一种抑制卵细胞在受精前分裂的抑制物正常授精时花粉管的分泌物可解除这种抑制物，化学诱导剂有可能起到花粉管分泌物的作用，钝化那种抑制物，启动卵细胞分裂，经诱导剂的作用而加倍，导致遗传上纯合二倍体胚的形成。氟乐灵、甲基胺草磷、炔苯酰草胺等通过阻止细胞分裂的杀草功能诱导玉米孤雌生殖，氟乐灵具有与二甲戌灵相同的除草机理和功能，但配制后保存时间短些[8]，氟乐灵在低浓度短时间处理下就可诱导小麦根尖分生组织细胞有丝分裂发生变异，导致出现染色体数目加倍、多极化、不均等分裂、染色体成环等现象[9]。

3 诱导植株的结实特性与诱导率

调查诱导玉米当代材料的小花数、结实穗数、结实粒数，可计算出结实（株）穗率和结实粒率，结实（株）穗率高并不代表结实粒率高，结实粒率高也不代表结实（株）穗率高，两者之间没有必然的关系。孤雌生殖Pa0（诱导结实当代）以1粒为主，诱导结实1粒的占半数以上，平均结实在2.5粒左右[10]，播种442粒Pa0种子，其中266粒出苗，出苗率为60.18%，花期选择优良单株进行套袋自交留种共182株，正常结实的植株为133株（Pa1种植一代单株），平均结实率为30.09%，不同玉米品种的Pa1代的结实率有差异[11]。赵佐宇[12]用二甲基亚砜、马来酰胼和秋水仙碱处理5～6个玉米雌穗可获得一个二倍体纯系，王俊强等[13]在2015年按照获得纯系数除以处理雌穗小花数计算诱导率，则处理4～5穗可产生1个纯系，近期的试验表明，结实株一般在30%～80%，结实粒率平均在1.5粒·株-1，有的达3～5粒，每诱导2株可获得1个纯系[7]。

4 孤雌生殖系的后代鉴定

鉴定孤雌生殖系的方法有田间、室内、染色体鉴定和同工酶分析等。田间鉴定是通过田间观测Pa2代的穗行，根据幼苗、叶形、株高、株形、花药和花丝等性状表现是否整齐一致，确认是否为孤雌生殖纯系;室内鉴定是通过考种果穗性状是否一致判断是否为纯系;染色体鉴定是通过显微镜检测其染色体是否为二倍体;同工酶分析主要通过酶带的一致性确认是否为纯系[14]。Pa1种子大部分都能正常发芽出苗，约28.4%的植株中途死亡或得不到种子，Pa2（种植2代）种子在田间种植，株间长势、长相整齐一致，与常规自交系相比，其遗传稳定性没有差异，虽然Pa2代中只有8%左右的纯合系，但是绝大多数的株系在很短时间（Pa3、Pa4代）内得到纯合[15]。赵念力等[2]于2011年按穗行对70份材料进行田间鉴定，对苗、叶色、株形、雄穗形状、花药和花丝的颜色、株高、穗位、抽穗、吐丝和成熟期等进行观察，结果表明Pa2多偏母本或父本型，且大多数表现分离，其中纯系频率为17.1%，观察了部分根尖和花粉母细胞染色体，结果表明Pa1和Pa2代植株中6.1%是纯合二倍体植株，85%～90%植株是二倍体细胞占绝对多数的混合体植株，但绝大多数株系在短时间内可以形成纯合二倍体[16]，这与谷明光等[17]根系细胞染色体观察结果基本相似。

5 影响玉米孤雌生殖频率的因素

5.1 诱导剂种类、浓度、处理时期和诱导方法

诱导剂种类、浓度、处理时期和诱导方法影响结实。诱导剂种类不同，诱导率不一样，不同的药剂组合诱导孤雌生殖的效果差异很大。合适的诱导浓度，如0.1%秋水仙碱+0.1%二甲基亚砜诱导效果较好，最佳处理时期和方法是吐丝前向苞叶内注射诱导剂 [18]，除草剂一般60～80 μmol·L-1的诱导效果最好。关于处理时期和方法到目前为止，还没有比较权威一致的说法，赵念力等[22]认为抽丝3 d喷药效果最佳，这可能是抽丝3 d卵细胞处于活跃状态对药剂敏感，所以诱导效果好;有的认为抽丝后5 d为最佳，优于其他时期或花丝处理，优于子房处理[19]，可能与花丝长短对试剂敏感程度不同，或拔出花丝的部位顶端直径的差异及凹槽深度不同有关，致使花柱或子房获得不等量的药剂而影响诱导效果。

5.2 诱导材料的基因型和不同年份

同一化学试剂对不同基因型玉米孤雌生殖诱导率不同，同一材料不同年份诱导效果不同。兰卡群诱导率高于瑞德群诱导率，糯玉米高于普通玉米。育种者在今后诱导玉米孤雌生殖过程中要充分考虑基因型等因素，以便高效育种[20]。基因的纯合与孤雌生殖诱导有关，基因型越复杂孤雌生殖的诱导频率越高，不同材料诱导顺序为杂交种好于群体材料，群体材料优于高代材料。此外早熟品种低于晚熟品种，当地推广品种诱导率均处在前列，因此，在对诱导材料的选择上要优先考虑当地推广或种植适宜的品种、自交系[21]，同一品种或基因型不同年份诱导效果不同，这可能是两年所用材料的遗传背景和环境差异造成的。

6 存在的问题与展望

玉米育种难在选系，重在组配，中心问题是配合力，能否选育出优良的玉米杂交种，重点在于选育优良自交系，然而从目前的文献报道来看，此项技术还存在一些问题，需要进一步完善，比如诱导获得的种子，并不完全都是理想的纯系，其中还含有非整倍体、杂合体等，后代表现并不稳定，然而从选系的速度看，快于常规选系方法，从效率看，又优于单倍体选系法，大多数的株系在很短时间（Pa3、Pa4代）内可得到纯合[13]。而且获得的纯合系具有整齐度好、遗传性稳定等特点，可直接用来配制杂交组合，且配制的组合整齐度优于常规自交系组合[22]，孤雌生殖系的遗传性状和配合力与常规选育的自交系无异，Pa2代进行测交，经农艺性状调查、产量比较和配合力分析，可選育出高产、优质、多抗的玉米杂交种[23]。

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