CN102440179A - 玉米孤雌生殖诱导系的选育方法和在选育玉米自交系中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玉米孤雌生殖诱导系的选育方法和在玉米自交系选育中的应用，利用玉米孤雌生殖诱导系能够诱导母本材料进行孤雌生殖产生母本单倍体从而实现快速、规模化且程序简单地选育高度纯合的玉米自交系，创造大量新的玉米育种资源的方法。应用高频率孤雌生殖诱导系桂诱1号作为父本，与优良的玉米育种种质资源杂交，利用授粉果穗上显著的籽粒紫色标记挑选出单倍体籽粒以及植株上的紫色标记区分非单倍体植株，单倍体植株经过染色体加倍成为正常二倍体后自交即产生了新的高度纯合的玉米自交系。新自交系即可应用于玉米杂交组合配制选育玉米新品种。使自交系选育时间比传统系谱选育法缩短3-4年时间，缩短了玉米新品种育种周期。

Description

玉米孤雌生殖诱导系的选育方法和在选育玉米自交系中的应用

技术领域

本发明涉及一种玉米孤雌生殖诱导系的选育和在选育玉米自交系中的应用，属于农作物育种技术领域。

背景技术

玉米是我国第一大粮食作物，具有单位面积生物产量及籽粒产量高，增产潜力及遗传改良潜力巨大，适应性广，营养丰富，畜牧业、工业等行业应用广泛等特点，在国民经济、国家粮食安全保障中具有重要作用。

在世界粮食生产发展历史进程中，随着可用于作物生产的土地资源日益减少，提高单产成为提高粮食总产的首要途径。玉米的遗传改良经验表明，对玉米单产增长影响最大的因素是遗传改良，其作用约为35％～40％。在化肥使用量达到饱和之后，遗传改良的贡献率更大(戴景瑞，2000)。

玉米总产量的大幅度提高主要归功于杂交种的普及应用。通过遗传改良选育强优势杂交种，不断提高玉米品种的单产潜力和播种面积，实现单产和总产的持续提高。玉米是最早利用杂种优势选育新品种并深刻影响世界粮食安全的作物。现在利用杂种优势原理进行玉米遗传改良已成为玉米育种最普遍采用的方法(黄益勤，2004)。

玉米强优势杂交种选育的成功很大程度上取决于育种所运用的方法。玉米育种是周期性长，复杂性强，难度大的一项工作。常规育种方法通过自交系选育、组配组合并初步进行鉴定、通过区试审定到市场推广，至少需要8-10年时间。自交系选育是常规育种过程中最耗时费力，但却是新品种选育过程中最重要的一环。目前，按常规育种方法选育一个成熟自交系少则需耗时3-5年，多者6-8年。如何快速选育自交系，进而显著缩短育种周期，加快新品种选育速度是广大育种家竭力追求的目标。

纵观植物育种技术的发展历史，育种家一直在试图利用各种新技术走捷径，对加快育种进程进行了各种尝试。其中在玉米育种领域，利用玉米孤雌生殖诱导系诱导玉米育种材料选育玉米自交系，是众多探索中最有希望和最有潜力的方法之一。这一技术也被称为单倍体育种技术。目前单倍体育种技术已经大量地应用于玉米育种和遗传研究实践中，成为许多育种公司特别是国际玉米种业巨头如美国先锋等选育自交系的主要方法。

利用单倍体方法选育玉米自交系，能够十分显著地缩短玉米自交系及玉米新品种的选育年限，显著提高育种效率。简明扼要的讲，单倍体技术就是玉米育种技术领域的火箭级技术，其最突出优势及显著特点是快速、高效和规模化。由于从单倍体到双单倍体纯系(自交系)只需一个世代，因而可显著缩短自交系的选育年限，大幅缩短育种周期，提高育种效率，实现玉米优良新品种的快速选育。

该技术近年来在国际国内获得广泛认可和重视，结合常规育种技术以及基因工程技术等使单倍体育种技术如虎添翼，在玉米育种资源创新，自交系和新品种选育研究中崭露头角。

玉米自交系的常规选育方法为利用群体或者杂交种连续自交6-8代，得到遗传组成上基本为同质结合的个体，比如99％同质。而玉米双单倍体纯系为单倍体植株直接进行染色体加倍而成，遗传组成为100％同质，它比常规方法经过多年自交选育的自交系还要纯。

Chase(1949)提出利用单倍体技术获取玉米自交系。利用自然发生或人工培育的单倍体植株，经过自然或人工加倍获得双单倍体纯系，实现玉米自交系的快速选育。

1959年Coe选育出了玉米孤雌生殖诱导系Stock6。将某玉米材料为母本，Stock6做父本杂交，杂交果穗上约有1％左右的籽粒为单倍体，这些单倍体籽粒经染色体加倍后即为双单倍体。这一发现使玉米单倍体育种技术得到快速发展，使杂交诱导玉米单倍体选育玉米自交系的技术难度降低，成功率大大提高。

以普通玉米材料用Stock6诱导单倍体时，通过其携带的两个显著的遗传标记确定单倍体。由于Stock6具Navajo标记，表现为紫色糊粉层和紫色胚尖，受A1A2C1C2R-nj互补基因控制。其诱导材料果穗上一般有四种籽粒类型，分别为紫色糊粉层和紫色胚尖(简称：紫顶紫胚)，紫色糊粉层和无色胚尖(简称：紫顶白胚)，无色糊粉层和紫色胚尖(简称：白顶紫胚)，无色糊粉层和无色胚尖(简称：白顶白胚)。其中紫顶白胚类型为拟单倍体。拟单倍体利用Stock6携带的紫色植株的遗传标记结合其他农艺性状进行判断。紫色植株的遗传标记受A1A2C2BP1互补基因控制。即可通过黑暗条件下发芽的胚根颜色，苗期以及成株期植株颜色及长势长相，进一步确定单倍体植株。在黑暗条件下发芽表现紫色胚根的幼苗，或幼苗时期表现为紫色叶鞘，生长势强，成株期表现植株高大，叶片肥大，紫色花药等性状的植株均为正常杂交的二倍体。而单倍体幼苗或植株表现为长势慢，植株瘦弱、矮小，叶片较直立，白色条纹等性状。

虽然利用Stock6诱导单倍体选育自交系程序简单，容易操作，然而Stock6仅为1％的诱导率还是太低了。玉米孤雌生殖诱导系诱导率的高低成为玉米单倍体育种技术能否成功高效应用的关键。因而选育优良的玉米孤雌生殖诱导系成为玉米单倍体育种的首要任务。综合来说，优良的玉米孤雌生殖诱导系至少应该具有以下方面的优点：诱导率高，遗传标记表达强，花粉量大，自身繁殖系数高，抗主要病害。

由于Stock6在诱导率严重偏低、繁殖性能等方面存在严重缺陷，制约了该项技术的大规模高效率应用。Stock6的诱导实践表明，其诱导率仅为1％左右，且遗传标记表达较弱、花粉量少、穗粒腐病严重、结实少，繁殖困难。鉴于Stock6本身具有的缺点突出，国内外许多育种家相继对其进行了改良。SW14(Lashermes，1988)，ZMS(Chalyk ST，1994)，农大高诱一号(刘志增，2000)，吉高诱3号(才卓，2007)等新改良的孤雌生殖诱导系的诱导率及综合农艺性状均显著优于Stock6，有力促进了玉米单倍体育种技术的发展及应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种玉米孤雌生殖诱导系的选育方法，还提供一种该玉米孤雌生殖诱导系在选育玉米自交系中的应用。

一种玉米孤雌生殖诱导系的选育方法，包括以下步骤：

步骤1：利用玉米材料DMFC04.662构建选育玉米孤雌生殖诱导系的基础群体：DMFC04.662×农大高诱一号；

步骤2：对基础群体F1的回交或自交分离后代分别通过系谱法对主要农艺性状进行选择；主要农艺性状包括：植株ABP1紫色标记、株高、雄花分支数、散粉特性、花粉量、果穗结实性及大小斑病、瘤黑粉病抗性；同时对测交果穗上籽粒的Navajo标记表达强度进行考察记载，选择Navajo标记表达强度高的相应单株或穗行；

步骤3：对步骤2所获得的单株或穗行进行诱导率选择；利用中选单株或穗行做父本，与单倍体诱导率测验种BIO9540杂交，并对杂交果穗进行籽粒Navajo标记筛选，统计单倍体苗数并计算单倍体诱导率，单倍体诱导率＝单倍体苗数/测交果穗结实籽粒数×100％；

步骤4：对步骤3所获得的单倍体诱导率数据进行统计分析，选择单倍体诱导率高的单株或穗行作为下一轮筛选的目标材料，淘汰诱导率低的单株或穗行；

步骤5：对步骤4所获得的目标单株或穗行的自交果穗进行籽粒Navajo标记筛选；挑选顶端着色面积大，颜色较深，着色度均匀的籽粒作为下一轮筛选的材料；

步骤6：重复步骤2-5至自交六代，选择诱导率高、结实性好，花粉量大、散粉性好、抗大小斑病、丝黑穗病及纹枯病、锈病、植株较高，穗行整齐一致、熟期适中的穗行作为目标自交系，定名为桂诱1号。

玉米孤雌生殖诱导系即桂诱1号在选育玉米自交系中的应用，包括以下步骤：

A1、诱导单倍体；用孤雌生殖诱导系桂诱1号作为父本对大批量符合育种目标的玉米育种种质资源进行诱导杂交授粉，收获当季母本植株上的果穗，利用果穗上籽粒的颜色标记进行鉴定分类，表现为胚乳顶端糊粉层有紫色标记，而胚芽顶端无紫色标记的籽粒即为拟单倍体籽粒；

A2、单倍体幼苗染色体加倍；对步骤A 1所获得的拟单倍体籽粒精细播种，在幼苗期至成株期利用叶鞘色、幼苗或植株长势长相等农艺性状确认单倍体幼苗，拔除非单倍体幼苗；对单倍体幼苗进行药剂处理使其染色体加倍，或不使用药剂处理任其自然加倍；对加倍后能够散粉、吐丝的单株逐株自交授粉，并收获自交果穗；

A3、鉴定及利用；对步骤A2中所获得的果穗进行脱粒，播种，详细考察该果穗及其穗行的综合农艺性状，表现为穗行内植株整齐一致没有分离的穗行即为新的玉米自交系，新的自交系即可进入杂交组合配制环节选育新品种。

本发明利用玉米孤雌生殖诱导系能够诱导母本材料进行孤雌生殖产生母本单倍体从而实现快速、规模化且程序简单地选育高度纯合的玉米自交系，创造大量新的玉米育种资源的方法。应用本发明中创新的高频率孤雌生殖诱导系桂诱1号(诱导率高达14％以上)作为父本，与优良的玉米育种种质资源杂交，利用授粉果穗上显著的籽粒紫色标记挑选出单倍体籽粒以及植株上的紫色标记区分非单倍体植株，单倍体植株经过染色体加倍成为正常二倍体后自交即产生了新的高度纯合的玉米自交系。新自交系即可应用于玉米杂交组合配制选育玉米新品种。应用这一方法，使自交系选育时间比传统系谱选育法缩短3-4年时间，缩短了玉米新品种育种周期。

应用本发明对玉米育种行业的积极作用：

一种玉米孤雌生殖诱导系的选育及利用其诱导单倍体进行快速、高效及规模化选育玉米自交系的优点有：1、实现配子体选择，提高选择效率；2、减少自交系选育年限，缩短育种周期；3、减少育种成本，提高育种效率；4、高纯度自交系是杂交种整齐一致性的必要条件，有利于杂交种的生产应用；5、基础材料到高度纯纯度自交系一步到位，减少种质资源自交分离环节产生的大量中间材料，极大减轻仓储压力。6、提高对热带种质的诱导效果，有利于利用热带种质的优异基因资源，促进热带亚热带地区玉米新品种选育。

附图说明

图1为桂诱1号诱导单倍体测交果穗表现，A为BIO9540×桂诱1号，B为BIO9540×农大高诱一号；

图2为应用桂诱1号快速、高效选育新自交系及新品种流程。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1、一种玉米孤雌生殖诱导系的选育方法

步骤1：2008年春，利用具有抗大小斑病及丝黑穗病等优良抗病性状的玉米材料DMFC04.662构建选育玉米孤雌生殖诱导系的基础群体(DMFC04.662×农大高诱一号)。基础群体亲本DMFC04.662及农大高诱一号由中国农业大学惠赠(DMFC04.662及农大高诱一号可联系中国农业大学购买)。

步骤2：对(DMFC04.662×农大高诱一号)基础群体F1的回交或自交分离后代(回交一代、自交一代至六代)分别通过系谱法对主要农艺性状进行选择。主要农艺性状包括：植株ABP1紫色标记、株高、雄花分支数、散粉特性、花粉量、果穗结实性及大小斑病、瘤黑粉病抗性。同时对测交果穗上籽粒的Navajo标记表达强度进行考察记载，选择Navajo标记表达强度高的相应单株或穗行。

步骤3：对步骤2所获得的单株或穗行进行诱导率选择。利用中选单株或穗行做父本，与单倍体诱导率测验种BIO9540杂交，并对杂交果穗进行籽粒Navajo标记筛选。BIO9540为从印度引进的热带杂交种。测交籽粒表现为胚乳顶端糊粉层有紫色标记，而胚芽顶端无紫色标记的即为拟单倍体籽粒。拟单倍体播种后根据幼苗叶鞘颜色，长势长相等综合性状判断单倍体。统计单倍体苗数并计算单倍体诱导率。

单倍体诱导率＝单倍体苗数/测交果穗结实籽粒数×100％

步骤4：对步骤3所获得的单倍体诱导率数据进行统计分析，选择单倍体诱导率高的单株或穗行作为下一轮筛选的目标材料，淘汰诱导率低的单株或穗行。

步骤5：对步骤4所获得的目标单株或穗行的自交果穗进行籽粒Navajo标记筛选。挑选顶端着色面积大，颜色较深，着色度均匀的籽粒作为下一轮筛选的材料。

步骤6：重复步骤2-5至自交六代，选择诱导率高、结实性好，花粉量大、散粉性好、抗大小斑病、丝黑穗病及纹枯病、锈病、植株较高，穗行整齐一致、熟期适中的穗行[DMFC04.662×农大高诱一号]黄2-11-2-2-2-1作为目标自交系，定名为桂诱1号。

桂诱1号农艺性状表现：株高204cm，穗位高68cm，主雄穗长37.8cm，雄花分支数8.6；抗瘤黑粉病，纹枯病，中抗锈病和大小斑病；出苗至散粉57天，散粉时间4-5天；花粉量大，结实性好；果穗长13cm，穗粗2.8cm，穗行数12行，每穗结实120粒，籽粒饱满。

表1孤雌生殖诱导系桂诱1号选育过程中对诱导率的选择(测验种为BIO9540)

实施例2、应用玉米孤雌生殖诱导系快速、高效和规模化选育高纯度玉米自交系的方法，包括以下步骤：

1、诱导单倍体。用孤雌生殖诱导系桂诱1号作为父本对大批量符合育种目标的玉米育种种质资源进行诱导杂交授粉，收获当季母本植株上的果穗，利用果穗上籽粒的颜色标记进行鉴定分类，表现为胚乳顶端糊粉层有紫色标记，而胚芽顶端无紫色标记的籽粒即为拟单倍体籽粒。

2、单倍体幼苗染色体加倍。对步骤1所获得的拟单倍体籽粒精细播种，在幼苗期至成株期利用叶鞘色、幼苗或植株长势长相等农艺性状确认单倍体幼苗，拔除非单倍体幼苗。对单倍体幼苗进行药剂处理使其染色体加倍，或不使用药剂处理任其自然加倍。对加倍后能够散粉、吐丝的单株逐株自交授粉，并收获自交果穗。

3、鉴定及利用。对步骤2中所获得的果穗进行脱粒，播种，详细考察该果穗及其穗行的综合农艺性状，表现为穗行内植株整齐一致没有分离的穗行即为新的玉米自交系。新的自交系即可进入杂交组合配制环节选育新品种。

本方法所述的人工药剂处理是指利用秋水仙素或类似物的溶液对单倍体籽粒或者幼苗进行浸种、浸芽(Gayen，1994，Deimling，1997，Eder and Chalyk，2002)或者注射幼苗生长点(Zabirova，1996)等处理，使单倍体幼苗染色体加倍成为正常的二倍体的染色体加倍方法。

自然加倍是指不经过任何人工干预的自然条件下，单倍体幼苗在生长过程中自发进行染色体加倍成为正常二倍体。

玉米育种种质资源是指各种玉米群体、杂交种、农家种及相应的分离后代、自交系等。

本发明提供一种玉米孤雌生殖诱导系的选育及利用该诱导系实现简单、快速、高效、规模化选育高纯度玉米自交系的育种方法。新选育的孤雌生殖诱导系具有诱导率高，抗大小斑病，丝黑穗病，植株较高，雄花分支多，花粉量大等适于规模化快速高效选育玉米自交系的要求，且对热带种质具有更明显的标记表现，易于单倍体籽粒的观察鉴定。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种玉米孤雌生殖诱导系的选育方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用玉米材料DMFC04.662构建选育玉米孤雌生殖诱导系的基础群体：DMFC04.662×农大高诱一号；

步骤2：对基础群体F1的回交或自交分离后代分别通过系谱法对主要农艺性状进行选择；主要农艺性状包括：植株ABP1紫色标记、株高、雄花分支数、散粉特性、花粉量、果穗结实性及大小斑病、瘤黑粉病抗性；同时对测交果穗上籽粒的Navajo标记表达强度进行考察记载，选择Navajo标记表达强度高的相应单株或穗行；

步骤3：对步骤2所获得的单株或穗行进行诱导率选择；利用中选单株或穗行做父本，与单倍体诱导率测验种BIO9540杂交，并对杂交果穗进行籽粒Navajo标记筛选，统计单倍体苗数并计算单倍体诱导率，单倍体诱导率＝单倍体苗数/测交果穗结实籽粒数×100％；

步骤4：对步骤3所获得的单倍体诱导率数据进行统计分析，选择单倍体诱导率高的单株或穗行作为下一轮筛选的目标材料，淘汰诱导率低的单株或穗行；

步骤5：对步骤4所获得的目标单株或穗行的自交果穗进行籽粒Navajo标记筛选；挑选顶端着色面积大，颜色较深，着色度均匀的籽粒作为下一轮筛选的材料；

步骤6：重复步骤2-5至自交六代，选择诱导率高、结实性好，花粉量大、散粉性好、抗大小斑病、丝黑穗病及纹枯病、锈病、植株较高，穗行整齐一致、熟期适中的穗行作为目标自交系，定名为桂诱1号。

2.根据权利要求1所得的玉米孤雌生殖诱导系即桂诱1号在选育玉米自交系中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

A1、诱导单倍体；用孤雌生殖诱导系桂诱1号作为父本对大批量符合育种目标的玉米育种种质资源进行诱导杂交授粉，收获当季母本植株上的果穗，利用果穗上籽粒的颜色标记进行鉴定分类，表现为胚乳顶端糊粉层有紫色标记，而胚芽顶端无紫色标记的籽粒即为拟单倍体籽粒；

A2、单倍体幼苗染色体加倍；对步骤A1所获得的拟单倍体籽粒精细播种，在幼苗期至成株期利用叶鞘色、幼苗或植株长势长相等农艺性状确认单倍体幼苗，拔除非单倍体幼苗；对单倍体幼苗进行药剂处理使其染色体加倍，或不使用药剂处理任其自然加倍；对加倍后能够散粉、吐丝的单株逐株自交授粉，并收获自交果穗；

A3、鉴定及利用；对步骤A2中所获得的果穗进行脱粒，播种，详细考察该果穗及其穗行的综合农艺性状，表现为穗行内植株整齐一致没有分离的穗行即为新的玉米自交系，新的自交系即可进入杂交组合配制环节选育新品种。

Images