DH血缘对玉米单倍体诱导率和自然加倍率的影响

卜华虎 王晓清 肖建红 张宁 杨慧珍 任志强

摘要 通过对4份Lancaster种质进行双列杂交和统计分析，研究含有DH系的基础材料对单倍体诱导率、散粉率和自然加倍率的影响。结果表明，不同基因型材料的诱导率为3.6%～11.4%，散粉率为11.4%～40.0%，自然加倍结实率为3.4%～14.1%；来源不同的单倍体株系的诱导率、散粉率以及结实率均表现出相同的趋势，由高到低排序依次为双亲都为DH系的基础材料、双亲有1个为DH系的基础材料、双亲无DH系的基础材料。以含有DH系的基础材料具有较高的诱导率、散粉率和结实率。将优秀自交系与选育的DH系进行杂交，有助于提高诱导效率和加倍效率，使优良基因充分聚合，实现轮回上升式改良种质的目标，旨在为提高单倍体育种效率提供理论依据。

关键词 单倍体；诱导率；自然加倍；双列杂交

中图分类号 S513  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）13-0033-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.008

Effects of DH Blood Relationship on Haploid Induction Efficiency and Natural Doubling of Maize

BU Hua-hu1， WANG Xiao-qing2， XIAO Jian-hong1 et al

（1.Shanxi Institute of Organic Dryland Farming， Shanxi Agricultural University， Taiyuan， Shanxi 030031; 2. College of Life Sciences， Shanxi Agricultural University， Taiyuan， Shanxi 030031）

Abstract Through diallel hybridization and statistical analysis of four Lancaster germplasms， the effects of basic materials containing DH lines on haploid induction rate， pollen dispersal rate and natural doubling rate were studied. The results showed that the induction rate of different genotypes was 3.6%-11.4%， the loose pollen rate was 11.4%-40.0%， and the natural doubling seed setting rate was 3.4%-14.1%. The induction rate， pollen dispersal rate and seed setting rate of haploid lines from different sources showed the same trend， both parents were in the order of basic material of DH line > one parent was the basic material of DH line > both parents had no basic material of DH line. The basic materials containing DH lines had high induction rate， pollen dispersal rate and seed setting rate. Based on the analysis results， crossing the excellent inbred lines with the selected DH lines would help to improve the induction efficiency and doubling efficiency， to make the excellent genes fully aggregate， and to achieve the goal of improving Germplasm in a cyclical upward manner， aiming to provide a theoretical basis for improving the efficiency of haploid breeding.

Key words Haploid;Induction rate;Natural doubling;Diallel hybridization

基金項目 生物育种工程项目“中熟、耐旱玉米种质资源创新及新品种选育”（YZGC145）；有机旱作农业研发专项“抗旱玉米种质创新及新品种选育”（YCX2020404）。

作者简介 卜华虎（1986—），男，安徽滁州人，副研究员，硕士，从事作物遗传育种、资源创新以及生化和分子生物学研究工作。通信作者，研究员，硕士，从事玉米遗传研究工作。

收稿日期 2022-08-31

玉米是我国的第一大作物，2020年我国玉米种植面积达4 126万hm2，总产量达到26 067万t，而单产仅是国际先进水平的2/3，具有相当大的提升空间。玉米的传统育种技术需要经过6～10代的自交选择，耗时长，见效慢。近年来，单倍体育种技术越来越受到育种家的重视，与分子标记辅助育种、转基因育种并称现代玉米育种的核心技术［1-5］。单倍体育种能够显著缩短育种年限，一般只需要1代自交即可获得纯合自交系。单倍体技术的推广应用已突破了传统的育种技术模式，使我国在该领域实现了从无到有再到优的跨越式发展［6］。

近年来，国内外育种公司已将玉米单倍体育种技术广泛运用到商业化育种中，不断提高玉米育种速度和效率［7-9］，玉米单倍体的加倍率、散粉率和结实率受到诸多因素的影响，自然和化学加倍法效率依然偏低［10］。诱导率低、散粉时间短、散粉量少、雌雄不协调、结实率低等成为限制单倍体育种技术发展的主要因素［10］。玉米单倍体自然加倍率低，多数材料自然加倍率低于5%，有些材料甚至不发生自然加倍［12-13］。近年来，相继发现了用加倍功能的除草剂和其他化学试剂能够提高单倍体加倍率，但综合加倍效率低，在化学药剂加倍的处理过程中，部分单倍体植株因受到药害导致死亡。因而，诱导率和加倍率的提高成为影响单倍体育种效率的关键［14］。

“瑞德×兰卡斯特”模式是世界第1对典型的杂种优势模式，兰卡斯特类群是目前国内外主要的杂种优势群之一［15-18］。研究表明，不同遗传类型材料的诱导率有不同，其中兰卡斯特类群材料产生的单倍体的频率最高，要显著高于瑞德、唐四平头、旅大红骨和其他种质类群［19-20］。鉴于此，笔者研究了含有DH系的兰卡斯特类群基础材料对诱导率、散粉率和自然加倍率的影响，探索含有DH系的基础材料组对单倍体育种的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为本课题组保存的4种兰卡斯特类群自交系：瑞普909F、WQ12、DH17-2-14和DH17-3-8，其中瑞普909F和WQ12为不含DH血缘的自交系，DH17-2-14和DH17-3-8为单倍体，4种自交系的来源见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 基础群体的构建。

将4种Lancaster血缘的玉米自交系瑞普909F、WQ12、DH17-2-14、DH17-3-8进行双列杂交，共计12种排列，授粉杂交后得到12个F1代，这12个F1代构成试验的基础群体。

1.2.2

不同血缘单倍体的诱导。

将基础群体中的12个F1代自交后，得到的F2代各种植3行，全部用农大高诱5号进行诱导，诱导获得的果穗中选取6个果穗作为1组，共3次重复（表2）。基于R-nj遗传标记筛选系统，选取糊粉层为紫色、胚芽为白色的籽粒作为准单倍体。所有供试诱导材料均为F1代，所有参试材料均种植在晋中市东阳试验基地。

1.2.3 单倍体的识别与鉴定。

将所有的准单倍体籽粒单粒播种于田间，种植密度为10.5万株/hm2，根据苗期表型鉴定单倍体植株［6］。单倍体苗期鉴定方法为：在相同的管理条件下，单倍体植株往往比较矮小，叶片较少、狭窄、直立，生长缓慢；杂交植株则株型高大，生活力较强，长势较为旺盛［21］，田间依此标准去除杂株。统计总籽粒数、准单倍体数和田间杂株数。

1.2.4 田间加倍和授粉。

准单倍体植株雌穗吐丝前及时给雌穗套袋防止授精，在雄穗散粉期仔细观察雄穗，若有散粉迹象，提前对雌穗进行剪花丝处理，一旦发现雄穗有散粉的情况，立刻授粉并挂牌，每个植株授粉3次［22］。统计散粉株数和结实株数。

1.3 数据分析

采用数据籽粒表型初筛和苗期形态学特征鉴定单倍体植株，计算实际诱导率、散粉率和结实率［23-24］，利用DPS数据处理软件进行方差分析。

散粉率=散粉株数/单倍体总株数×100%；

结实率=单倍体自交结实株数/单倍体总株数×100%；

实际诱导率=单倍体植株/总杂交籽粒数×100%。

2 结果与分析

2.1 不同材料的单倍体诱导率

从图1和表2可以看出，不同基础群体材料之间诱导率存在差异，平均诱导率最高的是DH17-2-14×DH17-3-8，为11.93%；平均诱导率最低的是WQ12×瑞普909F，为3.63%。其中双亲都为DH系的诱导率最高，平均诱导率为11.92%，双亲有一个为DH系的平均诱导率为7.26%，双亲无单倍体诱导率最低，平均诱导率为4.00%。其中利用双亲DH系建立基础群体的后代诱导率高于单个DH系建立的基础群体，普通群體建立的基础群体诱导率较低，三者有显著差异，不同材料组成的基础材料也具有显著性差异。

2.2 不同材料的散粉率

从图2和表3可以看出，不同基础群体材料之间散粉率存在差异，平均散粉率最高的是DH17-2-14×DH17-3-8，为41.20%；平均散粉率最低的是瑞普909F×WQ12，为11.40%。其中双亲都为DH系的散粉率最高，平均散粉率为41.02%，双亲有1个为DH系的平均散粉率为29.45%，双亲无单倍体散粉率最低，平均散粉率为11.97%。其中利用双亲DH系建立基础群体的后代散粉率高于单个DH系建立的基础群体，而普通群体建立的基础群体散粉率较低，3者有显著性差异。

2.3 不同材料的自然加倍率结实率

从图3和表4可以看出，不同基础群体材料之间结实率存在差异，平均结实率最高的是DH17-3-8×DH17-2-14，为14.07%；平均结实率最低的是瑞普909F×WQ12，为3.43%。其中双亲为DH系的结实率最高，平均结实率为13.99%，双亲有1个为DH系的平均结实率为9.23%，双亲无单倍体结实率最低，平均结实率为3.47%。其中，利用双亲DH系建立基础群体的后代结实率高于单个DH系建立的基础群体，而普通群体建立的基础群体较低，3者有显著性差异，不同材料组成的基础材料也具有显著性差异。

3 结论与讨论

单倍体植株往往长势弱，自然散粉结实率低。张晓慧等［25］对77份玉米材料进行单倍体诱导、自然加倍等方面研究表明，平均诱导率为9%～16%，雄穗加倍率2.8%～48.4%，雌穗加倍率90%左右，自交结实株率0～14.9%，平均结实率为3.5%左右，授粉结实株率20.7%～31.3%。孙瑞等［26］通过研究高诱5号平均诱导率为3.13%。大多数育种材料自然加倍率仅在0～10%［27-28］。徐国良等［29］研究表明，不同材料单倍体的雌穗自然加倍率为84.30%～97.44%；雄穗自然加倍率较低，加倍率为5.62%～19.19%。刘治先等［30］认为，单倍体诱导率不因基础材料的不同而异。Eder等［31］研究表明，母体基因型对诱导率有显著影响。祁志云等［32］研究也表明，相同诱导系对不同母本材料诱导率差别明显；黎亮等［33］也得出相同的结论。

4 结论

通过对含有DH系血缘材料组成的基础材料诱导率、散粉率和自然加倍率研究，结果表明农大高诱5号平均诱导率为7.5%，平均散粉率为28.5%，平均结实率为9.1%。且不同基础材料的诱导率、散粉率和结实率不同，达到显著性差异，与前人研究结果相似。DH系血缘材料组成的基础材料表现出双亲都为DH系的基础材料优于双亲有1个为DH系的基础材料，而双亲无DH系的基础材料表现较差。普通玉米种质不论在诱导率、散粉率和结实率都较低，不利于大规模商业化运用，而利用DH系组建基础材料，能够显著增加诱导率、散粉率和结实率，利用DH系经过2轮轮回选择，再经过杂交诱导所获得的单倍体雄穗散粉率和结实率分别是原始群体直接诱导单倍体的6.99和9.86倍［34］。可以通过组建DH基础材料，使目标性状相关有益基因频率逐步累加，达到轮回上升式育种，明确育种目标，提高育种速率，为加快单倍体育种提供理论依据。

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