除草剂诱导玉米孤雌生殖新技术的应用及问题

 　　用除草剂诱导玉米孤雌生殖作为玉米自交系选育的新方法已开始在育种上应用。本文根据多年研究和应用实践，对该技术的诱导效果、诱导机理、技术特点、倍性和伪株问题、技术的特殊用途，以及该技术的发展潜力做了介绍和讨论。

　　《玉米科学》是经国家新闻出版署和国家科委批准出版的全国性科技期刊。近年来，玉米科学已经发展成为我国唯一的玉米学术刊物，在国内学术界具有较大影响。本刊双月15日出版，大16开本，152页，每期定价15.00元，全年90.00元，邮发代号12-137。

　　自从玉米杂交种利用以来，人们一直在探索加快自交系选育速度的育种方法。1980 年代初，我国遗传育种工作者开始利用秋水仙素诱导玉米孤雌生殖的自交系选育方法及细胞遗传学研究[1-10]，此后该技术又得到进一步完善并成功育成玉米自交系[3-5]。1990 年代中期开始，我国相继引进 stock 6 等诱导系并开始单倍体育种技术和诱导系改良研究[11-13]，该技术成为目前最受推崇的玉米自交系选育技术。但在育种实践中人们发现，上述方法仍存在一些问题给大规模应用带来一定困难。例如秋水仙素诱导对人体健康的安全问题，花粉污染及操作效率问题;诱导系诱导的种子挑选、单倍体加倍、诱导 1 代授粉，以及部分试材的显色问题等。2011 年，本课题组发明了用除草剂诱导玉米孤雌生殖技术以及与其配套的处理方法并获多项国家发明专利，现已在育种上应用。

　　根据多年研究和应用实践，本文对除草剂诱导玉米孤雌生殖的诱导效果、技术特点，以及理论与技术问题进行探讨，旨在为该技术的推广应用提供参考。

　　1 除草剂诱导玉米孤雌生殖机理和技术特点

　　1.1 诱导机理

　　该技术是利用某些除草剂(氟乐灵、甲基胺草磷、炔苯酰草胺)具有的通过阻止细胞分裂来杀死杂草的功能，用来诱导玉米孤雌生殖。诱导机理与秋水仙素相同，即当玉米花丝被药剂处理后，在细胞不分裂的情况下染色体被加倍，进而形成二倍体种子。关于药物诱导玉米孤雌生殖的胚胎学研究国内外罕见报道。对二倍体胚纯合体的来源，目前推测认为由未减数的卵细胞而来。认为是由于减数分裂时第二次减数分裂被破坏而使染色体加倍的结果，即当已减数的单倍的子核仍停留在一个细胞中时，两子核相互融合形成一个二倍的“自体融合”的核[10]。比较认同的是 Chase 提出的“卵细胞提前分裂”假说，他设想在卵细胞的细胞质或助细胞中存在一种抑制卵细胞在受精前分裂的物质，正常受精时花粉管的分泌物可以解除这种抑制物[10]。有国内研究者推测，化学诱导剂可能起到这种花粉管分泌物的作用，通过钝化这种抑制物的抑制作用而启动卵细胞分裂。胚乳的来源有两种可能，一是像其它植物的无融合生殖一样，极核不经授精而自发分裂发育成胚乳，二是由珠心细胞发育而成。

　　1.2 技术特点

　　与秋水仙素诱导和单倍体诱导技术相比，该技术具有以下优点：一是除草剂属于低毒农药，毒性低且使用剂量小，因此对人畜和环境更加安全，使用者乐于接受;二是操作时不必特别小心，因而速度快、效率高;三是不经过授粉过程，因此不受阴雨天气、湿度、气温、时间早晚的影响，全天候都可以操作;四是由于诱导一代属于正常的二倍体，散粉正常而不存在自交授粉或杂交授粉困难，因而在诱导第一代就可以用其作父本提前测配，即比 stock

　　6 单倍体诱导还要提前一代;五是不需要诱导授粉、种子挑选、染色体加倍等过程，程序简便;六是与其配套的处理方法如纸浆糊法、滴药法、隔苞掐丝法可以有效避免处理操作时的花粉污染，无需遮挡和隔离，可以在完全开放的条件下操作，便于大规模应用。又由于诱导处理时已将生长 4～5 天的花丝切掉，处理后未结粒的花丝继续生长并从苞叶伸出的则很短，有效避免了常规方法中未结粒的花丝继续伸长、增多，致使花丝外露、胀破纸袋而发生的花粉二次污染。

　　2 除草剂诱导玉米孤雌生殖的问题与讨论

　　2.1 关于诱导效果

　　最终能够得到多少个纯系是人们对该项技术最关心的问题。诱导效果可用纯系获得率表示，纯系获得率取决于诱导率和真伪率。方便起见，诱导率可用结实株率表示即平均每株结实的粒数。真伪率即指所获得的个体中纯合体所占的比率。多年试验表明，以 F1 或 F2 做诱导，结实株一般在 30%～80%不等，结实株率一般平均在 1.5 粒/株左右，结实多的果穗有的达 3 粒～5 粒甚至更多。自交系的结实株率一般在 0.7 粒/株左右。较低的原因，一方面可能由于遗传基础不够丰富，另一方面可能也与自交系的穗粒数较少有关。对诱导二代鉴定结果表明，纯合穗行比率一般在 50%左右。综合结实株率和纯合体比例，每诱导 2 株最终可获得 1 个纯系。研究表明，不同血缘、不同品种、不同世代、不同类型试材的获得率存在差异[14]。

　　2.2 关于伪株和花粉污染问题

　　在以往的秋水仙素诱导中，最令人头痛的就是花粉污染问题，尽管采取许多办法，例如用工具遮挡、清晨赶在散粉之前、或在小雨天操作等等，但效果仍不理想。新的处理方法，采取将花丝截成断面并随即用药液覆盖断面的施药方法，使每根花丝都能着药，花丝暴露面积小且被药液隔离，因而可完全避免花粉污染。尽管新的处理方法解决了花粉污染问题，但仍存在一定数量的伪株。关于伪株问题，以往人们更多地归咎于操作不严而导致的花粉污染。本文以爆裂玉米、糯玉米为试材，将试验设在普通玉米田间并将其去雄以此验证花粉污染。结果表明其伪株与普通玉米花粉无关，可见并不是由于花粉污染所致。既然该种子仍是由诱导而来，但却又不是纯系，说明该种子来自二倍体细胞。结合前人研究，这种伪株可能与其他无融合生殖途径及细胞质有关：一是由胚珠体细胞如珠心、珠被细胞不经过减数分裂直接发育成胚囊，进而形成二倍体胚(不定胚);二是由孢原组织、造孢组织、大孢子母细胞(胚囊母细胞)不经减数分裂形成二倍体孢子，而进一步发育成二倍体胚;三是由细胞质控制的性状。目前与细胞质有关的遗传性状已知的不多，但是大家熟悉的白化苗、质核互作不育就是典型的例子。

　　2.3 关于倍性问题

　　化学诱导玉米孤雌生殖，人们往往会担心所得品系的倍性问题。在以往的药物诱导玉米孤雌生殖研究中也有发现在诱导 1 代根尖等体细胞中均会出现一定数量的混倍体，但进一步跟踪研究发现这些体细胞的染色体数目变异并不会延续到花粉母细胞。认为混倍体植株从营养生长进人生殖生长，正常的二倍体细胞比非整倍体细胞更具选择优势，因此在下一代中能恢复为正常的染色体数目[1-2]。本文推测，二倍体玉米与其他同源或异源多倍体植物相比，非整倍体的雌雄配子正常存活的可能性较小。

　　2.4 技术应用的扩展

　　2.4.1 用于遗传诱导加倍失败植株的加倍

　　对遗传诱导单倍体植株未能加倍成功的植株进行诱导处理。由于全株细胞均为单倍体，因此所获籽粒 100%属于纯系。根据目前报道的单倍体育种加倍率，除草剂诱导自交系按较低的 40%～50%结实株率计算，可望使单倍体育种加倍率提高到 30%。

　　2.4.2 在彩色玉米育种上的应用

　　由于单倍体诱导技术需要用标记胚和糊粉层(Navajo 斑纹)的办法来区分种子真伪，因此对于一些果皮有色的材料(如紫玉米、红玉米、褐色玉米)，糊粉层有色的材料(如黑玉米、紫玉米等)，胚或胚尖有色的材料，以及在带有 C1-I 基因的材料上则无法应用。而化学诱导却不受此限制，因此应用范围更广。

　　2.4.3 在果皮育种上的应用

　　果皮基因型与母体茎叶的基因型一致，性状分离是在 F2 以穗为单位而不是在 F1 以粒为单位进行，性状分离要比胚和胚乳推迟一代，并且只有在 F3 和 F4 连续两代穗行纯合才能判断出是否为纯系，因此采用常规方法耗时长。除草剂诱导使基因型在诱导当代(F1)纯合，在下一代便可获得纯合单穗(相当于 F2)，因此比常规方法提前 2 代。同时，所需群体仅是常规方法的 1/16，选育成本降低。

　　2.4.4 在特殊材料上的应用

　　在玉米中常常遇到一些稀有的性状，人们一直试图探索他的利用价值，但都因难以获得纯系而无法进行。例如对双穗(twins)、双胚苗(一胚双苗)、一粒双胚(双面胚)、反向胚、对生叶、方形茎等等，这些虽然属于可遗传的性状，但却难以获得纯系。有些性状在选育过程中，即使获得较高的出现频率但真正达到纯合却极其困难。除了因其遗传行为复杂以外，双受精过程的基因重组也是导致出现概率较低的重要原因。由此可见，当群体达到一定规模时，采用化学诱导既可大幅度提高出现的机会，并有望实现性状的一次性纯合。

　　2.4.5 用于基因型的固定

　　通常在自交系选育中，由于原始材料的遗传背景不同而自交系选育的速度差异很大。有的经过几代便整齐一致，而有的经过十几代甚至有的经过几十代以后在穗行间仍出现差异。对于这些难以稳定的材料，则可以通过化学诱导而顺利解决。此外，在玉米生理生化及分子研究中，为了排除常规方法选育的自交系上非目的性状差异的干扰，同样可以通过化学诱导的方法将基因型固定，使株间基因型一致。

　　2.4.6 获得同源四倍体

　　如前面所述，诱导产生的籽粒有的来源于体细胞。从理论上分析，体细胞同样存在被加倍而发育成种子的可能。因此有机会获得另外一个副产物——同源四倍体玉米。

　　2.5 注意事项与问题讨论

　　2.5.1 试材选择及世代安排

　　研究表明不同世代的诱导率存在较大差异，以杂交种、群体或低代材料做诱导最好。一是杂交种、群体及低代材料的诱导率较高。二是由于来源于体细胞的杂合体占有一定比例，因此杂交种或低代材料的明显分离给后代的真伪鉴定带来了便利。同时，不同血缘材料对诱导剂的反应也存在较大差异[14]。

　　2.5.2 田间管理及伪株穗行的利用

　　首先是处理当代的田间管理。杂交种和低代材料植株较高特别是热带、亚热带材料，给诱导处理带来不便，因此可适当采取降低株高的措施，例如在前期通过适当干旱蹲苗及化控措施、利用夏播或在海南种植等;其次是对诱导二代的管理，为了便于对纯合穗行的鉴别，选地及田间管理要尽可能一致。经验表明，在海南种植诱导当代，接着在本地种植诱导 1 代，再到海南种植诱导 2 代，这样的世代安排较好。即处理世代和鉴定世代安排在海南种植，其植株生长较矮更便于诱导操作和穗行纯度的鉴定。为了减少浪费和降低成本，特别是当纯合穗行不足时对伪株穗行可以进行再次诱导，同时也可根据单株的田间表现进行适当筛选。

　　2.5.3 诱导潜力的挖掘

　　更高的诱导率是人们的期望所在。该技术的研究与应用尚属刚刚开始，有些方面还不够全面和深入。对于诱导剂品种、试剂浓度、使用计量、处理时期、给药方法，以及诱导剂是否还可以进行复配等等都有待进一步研究。相信通过努力，该技术的诱导效果将得到进一步提高。

　　参考文献

　　[1]赵佐宇，谷明光.化学药剂诱导玉米孤雌生殖植株的细胞遗传学研究[J].遗传学报，1988，

　　15(2)：89-94.

　　[2]谷明光，杨太兴，郭乐群，颜春洪，宋运淳.药物诱导玉米孤雌生殖植株的倍性变异[J].

　　遗传学报，1995，22(5)：406-412.

　　[3]赵佐宇，谷明光.药物诱导玉米孤雌生殖获得二倍体纯系[J]. 遗传学报，1984，11(1)：

　　39-46.

　　[4]刘全林,张寿昌，张玉俊.诱导玉米孤雌生殖选育自交系研究初报[J].玉米科学，1998，6

　　(3)：7-8.

　　[5]李祥昭，陈洪俭，胡文端.药物诱导玉米孤雌生殖选育自交系[J].安徽农业科学，1994，

　　22(1)：52-55.

　　[6]涂升斌，胡延玉，潘光堂，等.化学诱导玉米孤雌生殖的研究[J].四川农业大学学报，1994，

　　12(3)：423-430.

　　[7]丰 嵘，蔡群峰，张宝红.药剂诱导玉米孤雌生殖研究[J].西南农业大学学报，1994，16

　　(6)：566-568.

　　[8]王富德，张世苹，赵姝华.玉米无融合生殖系的农艺性状表现[J].辽宁农业科学，1997，

　　(4)：3-8.

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