玉米单倍体诱导系吉科诱115的选育及诱导效果初探

姜 龙， 金 戈， 周 岚， 陈殿元， 于海燕， 李剑明， 于晓明， 高华洋， 隋 昕， 李宛泽

(吉林农业科技学院农学院， 吉林 吉林 132101)

玉米(ZeaMays. L.)是我国重要的农作物之一，无论是种植面积还是总产量均列在全国首位，但近些年的气候变化对选育高产、抗病等优良玉米品种提出了更高的要求，粮食安全及粮食增产增收对我国来讲至关重要[1-2]。良种对玉米增产的贡献率由43%提高到50%，其中单倍体技术作为选育良种重要育种技术之一，逐步实现了全技术链(诱导、鉴别和加倍)的整体性自主创新[3-4]。单倍体技术更在迅速成为现代玉米育种的关键核心技术，其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[5]。

目前，国内育种专家不断在诱导系Stock 6的基础上进行改良创新，以期进一步提高其诱导率，呈现了良好的发展态势[6-7]。然而，多数诱导系都进行了植物新品种保护权的申请，不利于科研单位之间的交流和使用。鉴于此，本课题组开展了以JKW 33×RWS作为遗传基础进行诱导系的选育工作，并以不同类型杂交种和自交系为母本，测定了新选诱导系的诱导率，通过探究诱导系在诱导过程中的关键因素如花丝长度、田间生长环境(温度和湿度)对新选诱导率的影响，为更好地应用DH育种技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料组配

吉林农业科技学院玉米育种课题组于2017年北方夏季授粉工作时，发现国外玉米材料JKW 33可产生单倍体植株，而后同年冬在海南三亚以外引诱导系RWS为父本，配制JKW 33×RWS组合作为选系基础群体。经北方一季(6—9月)、海南三季(9月至次年5月)的“南北穿梭育种”法、系谱法并结合邓昆鹏[8]选育糯玉米诱导系的方法进行各世代诱导材料的严格筛选。对当选诱导系进行诱导率的测定，最终命名新选诱导系为吉科诱115，于2020年3月在海南三季扩繁该系。

1.2 玉米单倍体的识别与鉴定

以Chase[9]提出的遗传标记鉴定法为基础，即诱导后的杂交果穗籽粒胚乳紫色、胚无色为单倍体。将杂交诱导成功的果穗收获，收获后即刻在果穗上进行穗上鉴定并挑选单倍体，将当选的单倍体籽粒精细播种，精细田间管理，去杂去伪后统计最终单倍体成株数。

1.3 母本基因型材料对诱导率的影响

为了实验的准确性，选择了杂交种共15个(吉林省内联合体参试的吉科玉1105等，适宜吉林省内多数生态区生长)、自交系共5个作为母本来验证母本基因型材料对诱导率的影响。供试材料名称见表1。

表1 供试材料名称及血缘

供试材料血缘 杂交种吉科玉1105J15×K1020吉科玉187J18×K188吉科玉1202PH6WC×K133吉科玉288J28×PH4CV吉科玉420J122×K202先玉335PH6WC×PH4CV郑单958郑58×昌7-2翔玉998Y822×X923-1JK8PHB1M×昌7-2吉科玉109J236×K188吉科玉120J110×K1202天农9T106×W08吉科玉125J161×K91华农887B8-2-1×京66天育108YTH001×TCB01自交系PH6WCPH01N/PH09B郑58掖478变异株JK18PH6WC×郑58JK28PH4CV×PHB1MJK288PH6WC×昌7-2

杂交授粉10穗以上，测定新育成的父本诱导系的诱导率。诱导率计算公式参照杨耀迥等[10]的计算方法，如下：

诱导率(%)=(成活单倍体株数/总单倍体粒数)×100%。

1.4 母本花丝长度对诱导率的影响

以玉米自交系J 15、玉米自交系群体Ⅰ、杂交组合吉科玉188(吉林省生产试验)和杂交种吉科玉818(吉林省区域试验)为母本，新选诱导系吉科诱115为父本进行授粉杂交。杂交诱导时，母本花丝长度设置为<10 cm和≥10 cm。

1.5 温度、湿度对诱导率的影响

以杂交种吉科玉189、吉科玉918、新玉668(均为吉林省内联合体区试)、玉米自交系群体Ⅱ为母本，新选诱导系吉科诱115为父本，进行授粉杂交。记录杂交诱导期间的田间温度和湿度，为确保试验结果的相对一致性，授粉时间控制在每天09：30—10：30时。

2 结果与分析

2.1 诱导性状和Navajo标记性状的选择

由表2可知，吉科诱115的选育历程，通过对JKW 33×RWS后代连续自交选择发现，S1代果穗籽粒的Navajo标记和单倍体诱导率都超过了其亲本个体，其中第2株诱导率最高，为4.43%；对该株后代进一步严格筛选，淘汰诱导率低、农艺性状差的株系。从S1代开始，不断自交，同时测定其每个植株的诱导率，S2代-12-14诱导率最高，达6.63%；S3代-12-14-1诱导率最高，达12.55%，也是历代中诱导率最高的，较突出；S4代-12-14-1-6的诱导率最高，达8.78%，且在此代，其诱导系株型、各项性状和籽粒标记性状基本稳定；在第5代时将S4代材料-12-14-1-6果穗种植成穗行进一步筛选农艺性状优良的株系，测定的诱导率均值为9.80%；又经一代自交，在S6代将其命名为吉科诱115。

表2 JKW 33×RWS部分家系诱导率

世代来源穗行单倍体数/个测交粒数/个诱导率/%S1JKW33×RWS-12255644.43S2JKW33×RWS-12-14527846.63-12-54310024.29-12-69122813.99-12-84213593.09-12-96521812.98S3JKW33×RWS-12-14-1129612.55-12-14-4455298.51-12-14-7879758.92-12-5-8659456.88-12-6-3172456.93-12-8-17564611.61S4JKW33×RWS-12-14-1-2253167.92-12-14-1-46715624.29-12-14-1-58312216.80-12-14-1-6627068.78-12-14-1-7657998.14-12-14-7-18312586.60-12-14-7-3628906.97-12-14-7-4637698.19-12-14-7-6587697.54-12-14-7-7374917.54-12-14-7-9258283.02-12-8-1-28110597.65-12-8-1-4364458.09-12-8-1-55817013.41-12-8-1-76913175.24-12-8-1-8364587.86-12-8-1-96412215.24S5JKW33×RWS-12-14-1-2-1323778.48-12-14-1-6-2656639.80-12-14-7-4-1344128.26-12-14-7-6-1323748.56-12-8-1-4-17810087.74-12-8-1-8-1344587.42S6JKW33×RWS-12-14-1-6-2-1(吉科诱115)

RWS的对不同种质类群的平均诱导率为6.0%[11]，吉科诱115的诱导率是RWS的1.63倍。吉科诱115除具有良好的标记性状之外，综合农艺性状突出，具体描述性状见表3。由表3可知，吉科诱115在株高上较RWS高52 cm，株高性状的优势，有利于隔离诱导工作的规模化进行；雄穗分支数量及主枝长度均较RWS高，表明吉科诱115的持续散粉潜能更大；抗大斑病性强于RWS，说明吉科诱115对不良环境的抵御能力更强；散粉期较早，可与早熟类玉米材料花期良好相遇，以便更好开展单倍体诱导工作。

表3 吉科诱115部分农艺性状特征

诱导系株高/cm穗位/cm雄穗分枝数/个雄穗主枝长/cm散粉期/d抗大斑病等级/级JKY115169951119.5613RWS11782615.4655

2.2 吉科诱115的诱导率验证分析

以不同地区参试的吉科玉系列玉米杂交种、当前吉林地区主推的杂交种以及课题组骨干自交系为母本材料，以吉科诱115为父本材料进行杂交诱导，结合Chase[9]提出的遗传标记鉴定法，统计吉科诱115的诱导效果，见表4。由表4可知，吉科诱115的诱导率均值为8.81%。其中对课题组培育的重点杂交组合吉科玉120的诱导率最高，为12.16%，对参加联合体区域试验的吉科玉1105诱导率最低，为6.43%，表明母本遗传血缘对单倍体诱导率具有重要影响。

表4 吉科诱115诱导效果统计

母本名称授粉穗数/穗单倍体株数/株杂交诱导总粒数/粒诱导率/%吉科玉110579915396.43吉科玉1876536987.59吉科玉1202511514118.15吉科玉2886120118910.09吉科玉42058412716.60先玉33559910059.85郑单9586147141110.41翔玉9985151137510.98JK8711313908.13吉科玉1095757939.46吉科玉12058569912.16天农969010368.69吉科玉1255708178.57华农8875769198.27天育108710614827.15PH6WC69012837.01郑5889110498.76JK186829678.48JK2863430311.22JK2885455418.31平均8.81

2.3 花丝长度、温度和湿度对单倍体诱导率的影响

方差分析结果表明，授粉期母本花丝长度、温度和湿度均对单倍体诱导率存在影响， 但差异未达5%显著水平， 结果见表5。

表5 花丝长度、温度和湿度对单倍体诱导率的影响方差分析

花丝长度对玉米单倍体诱导率的影响列于表6。由表6数据可知，供试母本材料花丝长度对单倍体诱导系影响较大。另外，各个母本材料呈现花丝长度>10 cm时均高于花丝长度<10 cm时的诱导率的一个趋势。

表6 不同花丝长度下的单倍体诱导率

母本名称花丝长度/cm总粒数/粒单倍体株数/株单倍体诱导率/%J15>1011431018.83<10846273.19自交系群体Ⅰ>1016971589.31<10728314.25吉科玉188>1020381989.71<10539325.93吉科玉818>10768547.03<10677294.28

由表7可知，高温高湿的田间环境不利于单倍体的诱导，如吉科玉189在田间温度27 ℃，田间湿度53%时的诱导率为4.93%，低于田间温度24 ℃，田间湿度32%时的诱导率(7.85%)，但差异未超过5%，达到显著水平，另外3份玉米种质材料吉科玉918、新玉668、自交系群体Ⅱ与上述诱导结果一致。

表7 温度和湿度对单倍体诱导率的影响

母本名称温度/湿度总粒数/粒单倍体株数/株单倍体诱导率/%吉科玉18924℃,32%420337.8527℃,53%365184.93吉科玉91824℃, 32%411184.3827℃,53%787293.68新玉66824℃,32%898687.5727℃,53%666304.50自交系群体Ⅱ24℃, 32%322216.5227℃,53%618264.20

3 讨论与结论

近年来，国内外各大育种公司已将玉米DH育种技术运用于商业化育种中，极大地加速了玉米育种进程[12-14]。单倍体诱导工作往往是开展单倍体育种的第一步，然而诱导系诱导率低、持粉时间短、抗病性差、结实率低等诸多限制因素，使得单倍体诱导工作尚未实现“工厂化”[15-16]。

3.1 新型玉米单倍体诱导系的选育

本研究以外引玉米材料JKW 33与诱导系RWS杂交(JKW 33×RWS)的F1代作为基础材料，按系谱法连续6代自交进行严格鉴选，同时兼顾植株ABP 1标记，最终发现(JKW 33×RWS)-2-4-1-6-2-1单株诱导率最高，达9.80%，与吉高诱3号[17]诱导率(10%)接近，命名为吉科诱115。吉科诱115具有温带血缘，在吉林地区的气候条件下还具有综合农艺性状好、抗大斑病强、持粉期长等潜力，可有效在吉林地区及相似生态区开展单倍体诱导工作。

3.2 母本材料及生长条件对玉米单倍体诱导率的影响

本研究结果表明，不同母本遗传血缘下的玉米单倍体诱导率存在显著差异，变幅为4.86%～12.16%，与才卓等[17]的研究结论类似；长花丝(>10 cm)时玉米单倍体诱导率较高，但差异不显著。另外，高温高湿的田间环境不利于开展单倍体的诱导工作。