有必要检查胚乳培养获得的植株的染色体倍数吗?为什么
1.1.2花药(花粉)培养
通过花粉(小孢子)培养技术获得单倍体已在许多植物中获得成功。当获得单倍体后,往往会出现二倍体和自然加倍后的二倍体。这种方法的缺点是需要诱导愈伤组织,然后通过组织培养分化成再生植株,但并不是每个小孢子都能无性繁殖。另外,二倍体以后,因为适应性问题,很难生长或结果。花药培养育种效率低,绿苗诱导率低,染色体加倍困难也是原因。从理论上讲,玉米花药培养是快速获得玉米纯系的有效途径。但到目前为止,玉米花药培养获得的纯系和杂种很少大面积用于生产[5]。目前国内外研究表明,愈伤组织诱导率可达2%,绿苗率可达2%。
1.1.3远缘杂交单亲染色体消失。
在远缘杂交中,可能是由于亲本体细胞分裂周期不同步,导致亲本一方染色体丢失,从而产生单倍体。
1.1.4延迟授粉诱导
延迟授粉,即使花粉管到达胚囊,卵细胞也因失去受精能力而不能受精,但受花粉管刺激后容易分裂,从而进行孤雌生殖,形成单倍体植株。去雄后延迟授粉可以大大提高孤雌生殖的诱导率[6]。原因可能是授粉促进了胚乳的形成,从而保证了孤雌生殖幼胚的顺利发育。
1.1.5辐射感应
花或雄花粉经X射线处理后,用射线照射,再由去雄的母本授粉,从而影响受精,诱导孤雌生殖产生单倍体。
1.1.6用单倍体启动基因
1950年,美国北鲁普国王种子公司发现了一种高频单倍体诱导材料。EdCoe(1956)发现了这一材料的价值,并引入了两个显性标记基因(R-nj,P1)来控制籽粒性状和植株性状。经过两次回交和两次自交,命名为Stock6。在育种实践中,以Stock6为父本,以诱导育种材料为母本,约有3%的单倍体胚[7]。Hagberg(1980)在大麦中发现了一个部分显性单倍体启动子(hap)突变体,控制异常胚和胚乳的败育或存活,其纯合后代可产生10% ~ 15%的单倍体。刘继林(2001)从美国引进玉米诱导系Stock6,并以其为父本在WBM、辽绿等6个玉米群体中诱导单倍体。通过对诱导后代的种子、植株标记和植株育性的鉴定,获得了一些双单倍体材料。
2单倍体水平育种——单倍体鉴定
单倍体的鉴定方法主要包括形态学鉴定、解剖学鉴定、细胞遗传学鉴定、射线照射、遗传标记、分子标记等。形态鉴定和遗传标记主要用于玉米诱导单倍体的鉴定。
2.1形态学和解剖学鉴定方法
通过形态学和解剖学特征鉴定单倍型是一种直观方便的方法。玉米单倍体细胞的染色质数量只有二倍体细胞质的一半,因此其细胞和细胞核变小。叶表皮气孔和保卫细胞的大小和数量也可以通过解剖学观察来区分单倍体和二倍体。因为细胞变小,营养器官和生殖器官发生变化,植株变矮,所以在苗期可以通过目测选择大部分单倍体。单倍体在正常生长状态下往往比其标准型小得多;在幼苗生长初期,主根和齿鞘的长度差异明显;苗期,玉米单倍体的第一片叶较短;比较胚和盾状体的大小也可以对单倍体进行初步鉴定。玉米单倍体的成株高度约为同基因型纯合二倍体姊妹株的70%,叶面积约为后者的35%。另外,单倍体植株的特点是开花早,持续时间长;花畸形,败育,结果少;单倍体植株矮小,叶、花、花药和气孔较小,花序较密,花较多,花丝较短,而相应的二倍体则相反[8]。
2.2细胞遗传学鉴定方法
最准确的方法是观察顶端分生组织压缩的体细胞或减数分裂分裂细胞中的染色体数目,这可以区分单倍体和非整倍体。利用光度计分析细胞核中的DNA含量,但不能区分单倍体和非整倍体单倍体,而且检测速度慢,需要仪器设备,不适合在田间大规模鉴定。
2.3射线照射法
植物对辐射的敏感度随着倍数的变化而变化,这是生物学的一般规律。基本方法是用电离射线照射(例如X射线)叶片的一部分,先看到绿色消退,然后发生辐射性坏死。关键是探索不同作物的最佳剂量和照射时间。如果掌握得好,这种方法可以成为最简单实用的鉴定方法之一。
2.4遗传标记法
利用遗传标记筛选单倍体,可以减少根据形态差异进行筛选时经常遇到的误差。因此,利用遗传标记已成为最可靠、最有效的单倍体鉴定方法。在玉米中,成功地使用了著名的纳瓦霍标记基因R-nj。Coe的Stock6和宋的高优1的单倍体诱导系引入了籽粒和植株颜色发育的遗传标记基因。农大高邮1诱导率高,繁殖容易,克服了Stock6的重要缺陷。在目前的杂交世代中,母本籽粒的胚面可增大,标记更清晰。
单倍体诱导系诱导的种子可分为三种类型:胚乳糊粉层为紫色或紫红色,胚部也为紫色或紫红色;胚乳糊粉层有紫色或紫红色标记,胚芽部分无色。糊粉层和胚乳胚芽不着色,无标记[2]。
2.5分子标记法
唐飞宇等(2004)利用SSR标记从玉米孤雌生殖中检测二倍体,取得了明显的效果[9]。
三种多倍体的再合成
染色体加倍可以自然发生,其频率可以通过选择来提高。此外,还发展了人工诱导加倍的方法。
3.1自然加倍
大多数单倍体雄花是高度不育的。然而,在少数情况下,单倍体雄穗会自然地完全或部分加倍,从而产生正常的花粉。有证据表明,一个单倍体植株的少数体细胞一般是雌雄同体的,正常花粉粒很少,所以单倍体自然加倍的频率只占全部单倍体植株的1%。很多材料的自然加倍率不到5%,有的材料不自然加倍。单纯的单倍体自然加倍难以满足育种实践的要求,必须进行人工加倍。
3.2人工加倍
通常雄穗育性的自然恢复率不超过20%,因此通过化学处理使染色体数目加倍显得尤为必要。一般来说,用0.06% ~ 0.5%的秋水仙碱溶液处理单倍体幼苗,可使单倍体雄穗的加倍率提高到20% ~ 50%。Kato(2002)利用一氧化二氮气体使单倍型加倍,分别获得了4个自交系和杂种[10]。
自然加倍特性可以通过再选择来改善。以两个DH系为亲本材料,通过下一轮的品系选择,可以提高新选单倍体雄穗的自然加倍频率,育性恢复率从9.4%提高到33%,甚至达到43%。
4单倍体育种的发展前景
单倍体技术在玉米育种中的应用前景十分诱人,它具有以下优点:快速获得纯系;在单倍体中,基因互作可以简化,超显性效应可以消除,有利的加性和加性上位性效应可以保留。有害的、致死的、半致死的隐性基因也是可以淘汰的。但是单倍体育种技术也有缺点:不能有效打破不良基因的连锁;基因之间重组的概率低;单倍体诱导频率不高。另外,二倍体重组时染色体很难加倍。目前二倍体频率可达15%-25%。此外,单倍体已在一些国家用于玉米育种,一些高频诱导物已获得专利,这限制了材料的国际交流。如果中国想在玉米育种中使用这项技术,就必须创造自己的单倍体诱导系。
单倍体育种是种质扩增和育种材料改良的有机结合。先将目标诱导材料进行有效重组改良,积累足够多的有利基因位点,再通过单倍体技术获得纯系,将大大发挥单倍体育种的优势,大大提高育种效率。此外,双单倍体群体在遗传学研究中具有重要的研究价值,可用于构建遗传图谱、基因定位和克隆[2]。除了进一步完善单倍体诱导体系,提高单倍体诱导率外,今后的工作还应着重于单倍体加倍技术。杜娟等(1999)利用有性杂交重组有利基因型后进行花药培养,快速获得玉米纯系[11],建立了玉米单倍体育种新体系,不仅具有理论意义,而且具有巨大的生产潜力。
参考
1.郭春生,郭志春,桂英.中国玉米花药培养和单倍体育种[J].载于:Y . P . S . Bajaj(编辑),《农业和林业中的生物技术》,1994,第25卷:玉米,斯平格尔出版社,柏林,149-161
2.梁,祁廷祥,许。单倍体技术在玉米育种中的应用及新进展[J].玉米科学学报,2004,12 (3): 13-15,18)
3.刘志增,宋。玉米杂交诱导孤雌生殖单倍体的研究进展[J].玉米科学学报,1999,7 (2): 16-19。
4.史泰源。药物诱导玉米孤雌生殖的研究[J].杂项作物,20,2000 (1): 17-20
5.郭一鸣,杨应根,郭忠灿。玉米花药培养和单倍体育种的新进展[J].中国植物学通报,2001,18 (1): 23-30
6.姜瑜,王玉民,王仲伟,等.我国玉米单倍体育种技术的研究进展[J].玉米科学学报,2008,16 (6): 48-57
7.韩学理,唐启林,曹模举,等. Stock6杂交诱导单倍体鉴定方法的初步研究[J].玉米科学学报,2006,14 (1): 64-66。
8.赵燕明、董、张锁良等。玉米单倍体育种技术的研究与应用进展[J].玉米科学学报,2007,15 (5): 60-64。
9.唐飞宇,王菲,王国英。利用SSR标记检测玉米孤雌生殖中的二倍体[J].江西农业大学学报,2004,26 (6): 859-862
10.蔡卓,许,唐长明,等.玉米单倍体育种的研究进展[J].玉米科学学报,2008,16 (1): 1-5。
11.杜娟,穆秋华,贾玉峰,等.利用桥组合转移法提高玉米花药培养诱导率的研究[J].玉米科学学报,1999,7 (3): 16-18。