基于不同生態(tài)氣候的玉米單倍體自然加倍效果初探

李劍明，姜 龍，于海燕，于曉明，高華洋，徐 輝，秦宗星，陳 祥

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，吉林 132101)

玉米作為我國(guó)重要的糧、經(jīng)、飼兼用作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位[1-2]。單倍體技術(shù)大大提高了玉米新品種產(chǎn)出速度，是現(xiàn)代玉米育種的“加速器”[3-5]。單倍體需要進(jìn)行染色體加倍形成DH系后，才能在育種實(shí)踐中加以應(yīng)用，單倍體的染色體加倍主要分為化學(xué)加倍和自然加倍[6-8]，張坤明等[9]對(duì)單倍體的化學(xué)加倍方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為浸種法對(duì)玉米單倍體的加倍效果較為突出。李顏[10]以先玉335產(chǎn)生的單倍體子粒成熟胚為試驗(yàn)材料，對(duì)玉米單倍體成熟胚組培加倍技術(shù)進(jìn)行了研究。關(guān)于單倍體在自然環(huán)境下加倍特性的相關(guān)研究，尤其是結(jié)合不同遺傳背景材料、不同自然加倍地點(diǎn)的研究報(bào)道較少。

本研究利用吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院玉米育種課題組自主培育的高頻孤雌生殖誘導(dǎo)系吉科誘115誘導(dǎo)的玉米單倍體為供試材料，對(duì)不同地點(diǎn)、不同遺傳的玉米單倍體自然加倍率進(jìn)行了相關(guān)探究，目的在于探索玉米單倍體自然加倍的實(shí)用技術(shù)，以指導(dǎo)玉米單倍體育種實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北方玉米育種基地位于吉林省吉林市九站地區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯43°52，東經(jīng)126°38′，該地區(qū)生態(tài)類(lèi)型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3 ℃～5 ℃，七月平均氣溫最高，一般在21 ℃～23 ℃，常年降雨量700 mm左右。

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院南繁育種基地位于海南省三亞市南濱農(nóng)場(chǎng)紅衛(wèi)隊(duì)，地理坐標(biāo)為北緯18°23′，東經(jīng)109°11′，該地區(qū)生態(tài)類(lèi)型屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫24 ℃～26 ℃，常年降雨量1 400～1 600 mm，素有“天然溫室”“熱作寶地”等美稱(chēng)。

表1 供試親本材料名稱(chēng)及血緣

1.2 試驗(yàn)材料

供試雜交種中墾玉206、禾育203、農(nóng)單476、先玉1503、迪卡159均購(gòu)自玉米種子經(jīng)銷(xiāo)店，上述雜交種為近年來(lái)在東北地區(qū)生產(chǎn)上應(yīng)用較多的玉米雜交種，遺傳基因優(yōu)良。玉米單倍體誘導(dǎo)系吉科誘115由吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院玉米育種課題組提供，誘導(dǎo)率均值為10%。試驗(yàn)材料遺傳基礎(chǔ)及名稱(chēng)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單倍體的誘導(dǎo)及籽粒鑒別 2018年，在吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北方玉米育種基地九站播種母本禾育203、中墾玉206、迪卡159、先玉1503、農(nóng)單476和父本誘導(dǎo)系吉科誘115?；ㄆ跁r(shí)對(duì)母本去雄后進(jìn)行雜交誘導(dǎo)，精細(xì)田間管理。收獲雜交誘導(dǎo)果穗時(shí)，自然晾干后根據(jù)Chase[11]提出的單倍體籽粒Navajo遺傳標(biāo)記鑒定法進(jìn)行單倍體籽粒的室內(nèi)鑒定，將精細(xì)挑選后的單倍體籽粒均分3等份。

1.3.2 單倍體的自然加倍 以海南南濱農(nóng)場(chǎng)、吉林九站作為單倍體自然加倍地點(diǎn)，2019年春、夏在吉林九站進(jìn)行單倍體的春播、夏播試驗(yàn)，2019年冬在海南南濱農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行單倍體的冬播試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)單倍體雄穗育性的自然恢復(fù)情況進(jìn)行田間記錄調(diào)查。

1.3.3 自然加倍率計(jì)算方法 吳鵬昊等[12]研究表明雄穗育性恢復(fù)是限制單倍體自然加倍的主要因素。本試驗(yàn)不作單倍體的雌穗育性研究。單倍體自然加倍率的計(jì)算方法如下：

自然加倍率(%) = (雄穗散粉株數(shù)/單倍體總株數(shù))×100%

表3 不同遺傳基礎(chǔ)的單倍體在不同地點(diǎn)自然加倍率方差分析

2 結(jié)果與分析

經(jīng)人工仔細(xì)鑒別和挑選，誘導(dǎo)系吉科誘115雜交誘導(dǎo)玉米雜交種中墾玉206、先玉1503、禾育203、農(nóng)單476和迪卡159雜交獲得的單倍體籽粒數(shù)分別為1 265、1 877、1 468、2 190和999粒。經(jīng)細(xì)胞學(xué)檢驗(yàn)，單倍體染色體數(shù)為10條，驗(yàn)證了人工挑選單倍體的準(zhǔn)確性。

將不同遺傳基礎(chǔ)的單倍體在不同地點(diǎn)自然加倍率表現(xiàn)列于表2。由表2可知，不同遺傳基礎(chǔ)的東北地區(qū)主推玉米品種的自然加倍率表現(xiàn)不同。其中，中墾玉206經(jīng)吉科誘115誘導(dǎo)后的單倍體自然加倍率均值最高，為11.7%，顯著高于迪卡159和先玉1503的自然加倍率均值。田間調(diào)查結(jié)果表明，中墾玉206雄性育性最強(qiáng)，農(nóng)單476雄穗育性最低。此外，同一遺傳基礎(chǔ)的材料在3個(gè)地點(diǎn)的自然加倍率，均以南濱冬播最高，自然加倍率均值達(dá)9.0%，九站夏播次之，為8.4%，九站春播最低，僅為2.8%，單倍體自然加倍率表現(xiàn)為：南濱冬播>九站夏播>九站春播。

對(duì)表2中的自然加倍率進(jìn)行方差分析，見(jiàn)表3。由表3可知，地點(diǎn)間單倍體的自然加倍率差異達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明不同地點(diǎn)間單倍體雄穗育性恢復(fù)存在真實(shí)差異。此外，不同材料遺傳基礎(chǔ)差異也達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明不同遺傳基礎(chǔ)的雜交種材料之間單倍體自然加倍率存在真實(shí)差異。

3 結(jié)論與討論

玉米單倍體自然加倍法具有對(duì)人畜、環(huán)境均安全，節(jié)約育種成本，縮減繁瑣的加倍環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)育種單位逐漸受到重視[13]。才卓等[14]研究表明，單倍體自然加倍率>10%是可能的；姜龍等[15]試驗(yàn)結(jié)果表明，海南三亞單倍體的加倍率顯著高于吉林長(zhǎng)春；于海燕等[16]研究表明，海南崖州較吉林公主嶺更適合于糯玉米單倍體的自然加倍。本研究結(jié)果表明，供試5份不同遺傳血緣的東北地區(qū)推廣面積較大的玉米雜交種經(jīng)吉科誘115誘導(dǎo)所產(chǎn)生的單倍體植株在不同地點(diǎn)的自然加倍率均不同，其中南濱冬播單倍體的自然加倍率高達(dá)9.0%，九站夏播次之，為8.4%，九站春播的加倍效果最差，僅為2.8%。

本研究中不同基因型材料經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的單倍體在不同地點(diǎn)的自然加倍率(雄穗育性)存在較大差異，這與岳堯海等[17]的研究結(jié)果一致。每年冬季吉林省內(nèi)多數(shù)的玉米科研育種單位都會(huì)利用海南有利的氣候條件，開(kāi)展玉米南繁育種工作[18]。但是南繁成本較高，常常制約著DH育種這一育種“加速器”在海南進(jìn)行。依據(jù)本研究結(jié)果，資金力量薄弱的單位可以選擇在吉林九站夏播種植進(jìn)行玉米單倍體自然的加倍。

此外，加強(qiáng)單倍體的田間管理水平，諸如水肥施用時(shí)間、病蟲(chóng)草害防治等則有利于單倍體植株的生長(zhǎng)和發(fā)育，對(duì)于提高其自然加倍效率是具有正向效應(yīng)的。