陈双

摘 要 随着社会发展和时代进步，新兴技术不断涌现，为现代农业发展创造了有利条件。玉米是最为主要的粮食作物之一，人们对其需求量日益增多，但在种种现实因素的影响下，玉米常规育种及栽培面临着一系列困境。单倍体育种是植物育种的一种有效方式。基于此，从单倍体育种着手，重点探究其在玉米育种中的应用。

关键词 单倍体育种;玉米育种;应用

中图分类号：S513 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.24.101

经济飞速发展的背景下，我国人口持续增长，对玉米这一主要粮食的需求量也日渐上涨。为了满足实际需求，必须培育优质的玉米品种，若是以传统的育种方式为主，必然不能达到既定标准。因此，现如今需科学应用生物技术手段，即单倍体育种，及时优化育种模式，提高效率与质量，满足人们日益增长的需求。

1 植物单倍体育种技术

1.1 单倍体的获得

单倍体育种是现如今应用广泛且最为优良的育种方式，主要是指应用一定的技术来获得单倍体植株，再以化学或物理方式实现加倍，使植物获得正常染色体数。获得单倍体的途径主要有2种：1）体内发生，涉及自发产生、假受精等，假受精常发生于玉米杂交;2）应用组织培养技术展开离体培养，主要方式以无菌操作为主，接种幼胚，使单倍体细胞分裂，逐渐发育，成为正常植株。离体培养的培养基内需要添加一定量的植物生长调节剂。

1.2 鉴定

最先提出的鉴定方法为遗传标记法，这一方法应用较为普遍，且准确率较高。最为快速的鉴定方法为从形态学角度出发进行判断。通常情况下，与纯合二倍体植株相比，单倍体植株仅有70%左右的高度。实践研究表明，当玉米从二倍体转换成单倍体时，组织化学成分发生一定的变化，主要为有机水含量增加，无机水含量降低。此时，应用紫外分光光度计可对二倍体与单倍体进行鉴定。

2 植物单倍体育种技术在玉米育种中的应用

2.1 花药培养

玉米育种过程中，最为普遍的单倍体技术为花药培养。通常情况下，取下仍处于孕穗期玉米的未成熟雄穗，将其放置一段时间。在接种前期，使用醋酸洋红进行处理，明确具体的发育时期。把小孢子发育单核中晚期与双核早期的花药摘下，置于培养基中，25 d左右后，再将其转放在再生培养基当中。然后进行加倍处理，再自交，产生种子。另一育种方式是以胚状体来诱导愈伤组织。尽管花粉植株染色体能够自然加倍，但频率却不太理想，因此往往会以秋水仙素来进行处理，实现加倍[1]。现如今，花药离体培养已经大大缩短了玉米育种年限，但因材料选用不同，诱导的最终效果也受到时间、培养体系等直接或间接的影响，目前仍旧未得到统一。

2.2 孤雌生殖

Stock6是最早的孤雌生殖诱导系，育种过程中用Stock6作父本，诱导育种材料母本。在不同的环境下，单倍体发生率存在明显的差异。为了将单倍体与二倍体进行区分，应当以遗传标记法为主，将R-nj与P1直接导入，观察胚、胚乳与茎秆颜色，若是胚中出现紫色盾状体，胚乳中出现色顶冠，茎秆颜色为紫色，则可明确鉴定结果。

2.3 玉米单倍体加倍

2.3.1 自然加倍

相关研究报告表明，自然加倍仅占整体的10%左右，这是因为单倍体植株雌雄不调。在研究过程中，Chalyk[2]指出最多有1.2%的植株能够经自然加倍转变为二倍体，一般情况下自然加倍的频率以及成功率较低，甚至有部分材料不会产生自然加倍。由此可见，若是以自然加倍的方式为主，必然不能满足现如今的育种要求。因此，必须应用生物技术，以人工加倍的方式为主，得到更多的二倍体。

2.3.2 人工加倍

人工加倍过程中常用的试剂包括秋水仙素、氟乐灵等，现如今在育种时应用较为广泛且加倍效果良好的则为秋水仙素。应用方式为注射法、浸种法等，将秋水仙素用于根尖或茎尖生长点。采用注射法需要确定最适宜的浓度。魏俊杰等[3]将浓度为0.01%、0.05%、0.10%的秋水仙素注射到茎尖生长点，经过分析与对比，发现浓度为0.01%時效果最佳，若是未能控制好浓度，反而会影响植株的健康生长。将10%甘油水溶液与0.05%秋水仙素混合，用量约0.5 mL，直接注射至内子叶，经过分析与对比发现其效果极佳，可大大提高效率。浸种法是最为简便的一种方式，采用这一方式也需要确定浸种液的浓度。浓度和处理方式不同，加倍率也有着明显的差异[4]。Gayen等[5]探究了秋水仙素浓度（0.03%、0.06%、0.10%）、处理方式（胚芽处切口、不切口）及浸种时间（6 h、12 h、24 h）对加倍率的影响，经过具体的分析、对比，发现将切口的种子放置于0.06%浓度的秋水仙素中约12 h左右效果最佳，此时的加倍率达到了18%。

除此以外，还有两种操作方式，即培养基渗入法以及浸根法。前一种操作方式主要应用于花药培养法，将愈伤组织放置在加入秋水仙素的培养基中，使其加倍、分化。例如，Wan等[6]将愈伤组织放置于0.05%左右秋水仙素培养基中，当将时间延长至72 h时，发现加倍率达到了100%;Barnabas等[7]选用同样的方式，进行多次实验，发现浓度较高，则效果更加良好。浸根法就是将根部放置于溶液当中浸泡一定时间，Seaney等[8]将玉米幼苗根系浸在0.05%秋水仙素溶液中24 h，最终效果为11株雄花可散粉。

2.4 优势与具体应用

植物单倍体育种具有保留有利效用、快速获得纯系等明显优势，这一生物技术在国内外已经有了极其广泛的应用。例如，美国、德国的育种公司主要就应用单倍体育种方式来处理玉米种子。相关调查结果显示，德国KWS公司以这一育种方式为主获得2000纯系/年。现如今，经过研究与试验，美国也先后育成玉米单倍体诱导性，以更为全面、先进的方式培育玉米，保证其产量与品质。我国科学院也重点研究了单倍体育种，最开始研究的是孤雌生殖，通过对比分析与筛选，确定了近400个优良性状，可用于玉米育种。随后，我国多个单位对玉米单倍体育种展开了更加深入的研究，也都因地制宜地育成加倍单倍体，现如今已经建设了多个试验区。

3 玉米单倍体育种面临的困境

在应用单倍体技术的过程中，影响该技术应用有效性的主要因素是物质本身的遗传特性和外部环境因素。育种材料具有不同的生长环境，因此单倍体培育速率相差很大。随着生物技术的进步，单倍体育种技术越来越多地应用于玉米品种改良和胚芽质量创新[9]。虽然单倍体育种已经广为人知，但在种种因素的影响下，这一育种手段在应用过程中仍旧面临着一定的困境：1）单倍体发生频率低，故需要大规模植株，但部分育种材料不易获得，尽管可针对试验研究收集材料，但很难在短时间内大量获得;2）鉴别过程中存在难度，如今优良诱导性频繁出现，要想快速实现纯系鉴别，则应当及时解决诱导频率低等种种问题，以打破不良基因连锁限制，克服加倍困难问题。

4 新形势下玉米单倍体育种发展趋势

在科学技术不断革新的今天，生物工程技术正在完善与成熟，利用这些技术积累足够有利基因位点之后，再进行单倍体育种，能够获得性状更加优良的纯系，将单倍体育种的优势充分呈现出来，大大提升玉米育种的质量与效率。在今后的研究过程中，应继续探索合适的诱导条件，以诱导单倍体和二倍体，并借助分子标记和转基因技术，扩大单倍体诱导基因型的范围，以提高单倍体诱导成功率。经过进一步深入研究与试验，玉米单倍体育种的发展趋势极其明朗：1）以工程化理念为主，优化单倍体育种体系，明确研究方向，逐渐形成高效玉米育种技术体系;2）更加快速地获取基础材料，并对不易获得的特殊材料展开探究与挖掘，解决部分材料不易获得的困境;3）加强测配工作，实现大范围规模化利用，陆续解决种种问题，加快玉米育种技术的变革。随着对单倍体物种研究的不断深入，以及遗传学和分子生物学的飞速发展，玉米单倍体技术将不断得到优化，单倍体物种的技术体系将不断完善[10]。单倍体育种技术在玉米遗传和育种研究中得到了更广泛的应用，在提高玉米产量和多样性、基因改造和生殖质量创新方面发挥着重要作用。

5 结语

将植物单倍体育种技术应用至玉米育种中是新形势下培育优良玉米品种、同步增产增质的主流趋势。与其他育种技术相比，单倍体育种具有生物安全性能高、育种周期短等优势，符合现阶段我国现代农业生产与发展的实际需求。在具体的实验研究过程中，应当将单倍体育种与传统育种有机整合，同时发挥优势，保证玉米品种的优良特性，提高育种效率以及产量水平，并为更加深入的研究提供可参考的实际依据。

参考文献：

[1] 王江浩，尤帅，赵爱菊，等.玉米单倍体的诱导加倍技术及其应用研究[J].河北农业科学，2016，20（1）：70-75，79.

[2] Chalyk S T. Properties of maternal haploid maize plants and potential application to maize breeding[J].Euphytica，1994，79：13-18.

[3] 魏俊杰，池书敏，刘志增.关于玉米单倍体人工加倍方法及花粉活力测定的初步研究[J].玉米科学，2001（3）：12-13.

[4] 刘志增，宋同明.玉米单倍体雌雄育性的自然恢复以及染色体的化学加倍[J].作物学报，2000（6）：947-952.

[5] Gayen P， Sarkar K. Cytomixis in maize haploids[J].Indian Journal of Genetics and Plant Breeding，1996，56（1）：79-85.

[6] Wan Y J， Petolino， Widholm J. Eficient production of doubledhaploid plants through colchicine treatment of anther derivedmaize callus[J].Theor Appl Genet，1989，77（6）：889-892.

[7] Barnabas B， Obert B， Kovacs G. Colchicine， an efficient genome doubling agent for maize （Zea mays L.）microsporescultured in anthero[J].Plant Cell Reports，1999，18（10）：858-862.

[8] Seaney P R. Studies on monoploidy in maize[M].New York：Cornell University，1955.

[9] 戴惠學，胡俏强，陈舜权.玉米单倍体育种研究进展及展望[J].金陵科技学院学报，2011，27（4）：44-48.

[10] 赵静红，赵海涛，李勃，等.利用玉米单倍体育种技术培育优质玉米DH系[J].农业工程技术，2018，38（32）：74，76.

（责任编辑：刘 昀）