第26卷第5期2000 年9月
作 物 学 报
A CTA A GRONOM I CA S I N I CA
Ξ
. 26, N o . 5V o l
Sep . , 2000
玉米高频率孤雌生殖单倍体诱导系的选育与鉴定
刘志增 宋同明
(中国农业大学植物科技学院 北京100094)
ΞΞ
提 要 本试验从单倍体诱导系Stock 6与高油玉米群体BHO 的杂交后代中经过不断的测交和选择, 育成了我国第一个孤雌生殖单倍体诱导系
农大高诱1号。在16个测交组合中高诱一号对411自交系
的单倍体诱导率最高(9. 2%) ; 而对H 4自交系的单倍体诱导率最低(1. 92%) ; 其平均单倍体诱导率为
5. 34%。以黄绿苗自交系Syn 695yg 为测验种, 高诱1号的诱导率达5. 8%, 较Stock 6高出5倍; 同时其籽
粒N avaj o 标记较之Stock 6更加明显, 而且还结合了ABP 1紫色植株标记和独特的大胚面标记。高诱1号的花粉量大、繁殖容易, 是用于诱导孤雌生殖单倍体的优良授粉者。关键词 玉米; 孤雌生殖单倍体; 单倍体诱导系; 选育1The Breedi n g and I den ti f i ti w ith H i gh Frequ -ency i L I U Zh i 2ing
(College of P S cience and T echnology , China A g ricultural U niversity . B eij ing 100094)
Abstract T h rough successive testcro sses and selecti on s in subsequen t generati on s of a hybrid
bet w een hap l o id inducer Stock 6and Beijing H igh O il populati on (BHO ) , w e have devel oped the first parthenogenesis hap l o id inducer 2CAU Inducer in Ch ina . In six teen testcro sses w ith CAU Inducer as po llinato r , the induced hap l o id percen tages w ere deter m ined . T he frequency of hap l o id induced from inbred 411w as the h ighest (9. 2%) , and that from inbred H 4w as the l ow est (1. 92%) . T he average percen tage of hap l o id induced from all of the six teen m aterialsw as 5. 34%.W ith virescen t inbred line Syn 695yg as hap l o id tester , the percen tage of hap l o id induced by CAU Inducer w as 5. 8%, about six ti m es as that induced by Stock 6. A part from mo re obvi ous N avaj o m arker than that of Stock 6, CAU Inducer als o has purp le p lan t m arker conditi oned by A B P l genes and large ger m face . M o reover , w ith its large po llen shedding and easy p ropagati on , CAU Inducer is a good m aterial fo r parthenogenesis hap l o id inducing . Key words M aize ; Parthenogenesis hap l o id ; H ap l o id inducer ; B reeding ; CAU Inducer
利用单倍体育种以缩短育种年限、实现配子体选择, 是几代育种家的梦想。但是由于获取单倍体技术上的原因, 这一愿望一直未能实现。自从Coe 于1959年发现玉米高频孤雌生殖诱导系Stock 6以来[1], 育种家利用Stock 6杂交可以诱导产生大量母本单倍体。孤雌生殖诱导系具有杂交诱导母本雌配子体形成高频单倍体的能力, 符合单倍体育种的基本要求, 从而使玉米单倍体育种变为一种现实的育种方法成为可能。但是在实践中发现, Stock 6存在许多严重的缺陷, 如花粉量很少或者不散粉、自交结实性很差、穗粒腐病严重、籽粒N avaj o 遗传标
ΞΞΞ
国家自然科学基金项目(39570439
)
现在河北农业大学农学院工作(邮编071001 保定市) 收稿日期:1999205206, 接受日期:1999212226
5期 刘志增等:玉米高频率孤雌生殖单倍体诱导系的选育与鉴定
57 1
记表达较弱等, 因此无法直接利用。国外通过杂交改良的方法已经从Stock 6中衍生出了一些
[4]
新的诱导系, 如法国的S W 14[2]、俄罗斯的K rasnodar M arkers [3]和摩尔多瓦的Z M S 等。这些诱导系的利用价值已经大大超出Stock 6。遗憾的是, 一些改良成功的高频诱导系已经申请了专利权, 因此, 限制了国际间材料的自由交换。作为玉米生产大国和育种大国, 对于一项能够给玉米育种进程带来巨大变化的育种新技术, 我们应当尽快掌握并加以运用。而要建立我国自主的玉米单倍体育种体系, 就必须从Stock 6的改良入手。虽然Stock 6引入时间不长, 但经过连续数代的大群体测交和高强度选择, 我们已经获得了单倍体诱导率达5%～6%、遗传标记显著增强、花粉量大、抗病性好的新诱导系农大高诱1号。现将其选育过程和性状特点总结如下。
1 材料与方法
1. 1 选育的基础材料
原始孤雌生殖诱导系Stock 6, :籽粒N avaj o 斑纹, 由A 1A 2C 1C 2R 2n j , 12C 2BP 1互补基因控制。是本实验室的一个高油改良群体, 胚面很大avaj o 斑纹标记(胚部) 达3级, 植株呈深紫色, 是与Stock 6。于是我们利用(BHO ×Stock 6) 的后代。1. 2 后代处理程序
对于(BHO ×Stock 6) 的分离后代S 1～S 5分别从1996年冬至1998年冬在北京和海南岛按系谱法进行选择。各代的选择重点包括:单倍体诱导率、籽粒N avaj o 标记、植株ABP 1标记、籽粒大胚性状、花粉量、结实性以及抗病性等。单倍体诱导率性状从S 2代开始选择。籽粒
[5]
N avaj o 标记按7级标准划分。
1. 3 分离系诱导单倍体频率的测定方法
在上述分离后代中, 对于具有籽粒N avaj o 标记和ABP 1紫色植株标记的穗行(或单株) 进行单倍体诱导率的测定。具体方法是, 采用具有黄绿苗隐性性状的自交系Syn 695yg 为单倍体测验种, 取被测单株的花粉给单倍体测验种授粉, 每个被测单株至少授粉7穗以上。在收获的测交籽粒中, 根据N avaj o 显性遗传标记所具有的紫色糊粉层和紫色胚芽的特点, 凡是胚和糊粉层均为紫色的籽粒即为正常杂交的二倍体。而单倍体籽粒的糊粉层为紫色(正常3n 胚乳) , 胚部无色; 胚面较小, 且凹陷较深。然而籽粒N avaj o 标记的表达有时受遗传背景的影响, 所以对于经过筛选后的“单倍体”籽粒还需要借助于植株遗传标记进一步鉴定。将从
“单倍体”种植于温室营养钵中, 出苗后, 单倍体表现为黄苗, 而Syn 695yg 测验种中所选得的
二倍体苗的叶鞘为紫色、叶片为绿色, 二者极易分清。如果测验种采用普通玉米材料, 则根据植株的ABP 1标记, 凡是幼苗叶鞘为紫色的都不是单倍体, 而正常的绿苗即为单倍体。
为了验证上述鉴定单倍体方法的可靠性, 从上述鉴定出的绿色幼苗中抽查了部分样本进行根尖压片, 在显微镜下观察了细胞染色体的数目。
单倍体诱导率=单倍体苗数 测交结实粒数×100%
作 物 学 报 26卷572
1. 4 诱导系诱导单倍体的效率
高诱1号为授粉者, 给Syn 695、411、478w x 、230、531、H 4、黄野4、白107、水6、海218、N 971431×8、230×411、Syn 695×411、H 4×Syn 695、411×丹340、农大368、H 4×Syn 695等16个自交系和杂交种授粉。每个杂交组合授粉10～20穗左右。单倍体鉴定方法同上。
1998年冬在海南以育成的孤雌生殖单倍体诱导系
2 结果与分析
2. 1 单倍体诱导性状的选择
通过对(BHO ×Stock 6) 后代S 2～S 4连续3代的诱导率测定发现, S 2代中优良标记穗行(BHO ×Stock 6) (2) 22的第5株具有0. 55%的单倍体诱导率(见表1) , 是S 2代中诱导率较高
表1 农大高诱一号家系的诱导率表现
Table 1 The percen tage of haploi d i n duced by i n a
Agr i cultural Un i versity (CAU ) I nducer 世代
Generati ons
S 3
系谱
Pedigree B ) (2S (2) 527B S (2) 222528B S (2) 2225210B S (2) 22252821B S (2) 22252823B S (2) 22252824B S (2) 22252825B S (2) 22252826B S (2) 22252827 B S (2) 222528210B S (2) 222528211B S (2) 222528212B S (2) 222528213B S (2) 222528214单倍体数
H ap l oids
[***********]38883335
[1**********]11
[***********][***********]
l (%)
2. 911. 260. 913. 151. 221. 144. 064. 514. 093. 215. 914. 693. 434. 495. 826. 17。对其S 3×Stock 6) (5, 单株单倍体诱导率介于0. 91%～3. 15%, 这是所有S 3
S 4
分离系中诱导率最高的穗行, 其中第8株的诱导率最高, 达3. 15%。同时该穗行的姊妹行的诱导率也比较高。通过严格选择, 上述穗行的籽粒N avaj o 标记已经不再分离并且保持了BHO 亲本大胚面的特
点。至S 4代, 上述诱导率最高的S 3单株(BHO
注:(1) B S (2) 表示(BHO ×Stock6) F 1的第2个自交株; (2) 单倍体测验种为Syn695yg 。
×Stock 6) (2) 222528的 N ote :(1) B S (2) m eans the second selfed p lant of (BHO ×Stock 6) F 1; (2) the hap l oid
tester is Syn 695yg . 后裔穗行平均诱导率达4. 21%, 单株最高诱导率达6%左右。由于S 4穗行在标记性状和株型性状上已经基本稳定, 于是在下一代将其中最优秀的单株(BHO ×Stock 6) (2) 2
22528213进行繁殖, 并定名为农大高诱1号(简称高诱1号) 。从表中可以看出, 高诱1号的单倍体诱导率达5. 8%, 而Stock 6在1865粒测交粒中仅仅诱导出17粒单倍体, 其诱导率为0. 91%, 因此高诱1号的单倍体诱导率较Stock 6高出5倍之多。
2. 2 遗传标记性状的选择
从S 1代开始, 对于籽粒N avaj o 斑纹和紫色植株标记逐代进行严格筛选。在S 2代穗行(BHO ×Stock 6) (2) 22中, 所有自交果穗的籽粒均具有N avaj o 斑纹标记, 表明该穗行中控制籽粒N avaj o 斑纹的互补基因A 1A 2C 1C 2R 2n j 已经不再发生分离。但是不同籽粒间仍然存在着色斑深浅和斑块大小程度上的差异, 因此一些色素修饰基因可能还尚未纯合。通过对诱导
系N avaj o 斑纹标记的不断选择, 已经使胚部标记从S 2代的3级提高到S 4代的4级。由A 1A 2BP 1显性互补基因控制的紫色植株标记在自交后代中纯合的速度比较慢, 直到S 5代仍有一些穗行还在分离。据试验观察, 在紫色植株性状已经纯合的不同穗行间, 仍然存在由紫红色至紫黑色不同程度上的差异, 因此, 通过选择可以获得紫黑色植株的后代。但是紫黑色植株的雄穗散粉性能较差, 而且雌穗生长缓慢, 往往雌雄不调。育成的高诱1号诱导系同时具有纯合的N avaj o 斑纹标记和紫色植株标记, 其N avaj o 斑纹标记由供体亲本Stock 6的3级提高到4级, 而紫色植株标记仍保持在原来水平。
在选育诱导系的原始材料中, 高油群体BHO 具有独特的大胚面性状, 经过选择在高诱1号中结合了这一性状。由于大胚面对小胚面表现部分显性, 因此, 以具有大胚面性状的高诱1号与普通玉米材料杂交, 二倍体籽粒表现为较大的胚面, 而单倍体籽粒的胚面则很小, 二者差异比较明显, 所以有利于在籽粒阶段对单倍体的鉴别N avaj o 标记而言, 是一个很好的补充。
除了良好的标记性状而外, 高诱1, 因此, 2. 3 高诱1高诱1, 通过籽粒N avaj o 斑纹标记并结合, 但由于N avaj o 标记易受环境和遗传背景的影响, 。这时还需借助于另一个遗传标记紫色植株标记对不确定的籽粒作进一步的鉴别。为了验证ABP 1紫色植株标记鉴定单倍体的可靠性, 对于从上述不同测交组合中鉴定出的绿苗进行了根尖压片。根据显微观察结果, 所有被观察材料的根尖细胞染色体数目均为10条。表明紫株标记与N avaj o 标记不同, 在各种遗传表2 高诱1号诱导单倍体的频率背景下均能正常表达, Table 2 Frequenci es of haploi d i n duced by CAU I nducer 因此, 利用紫株标记即单倍体数测交粒数Total 平均诱导率A verage
材料取样穗数Ears
percentage of hap l oid Total testcrossed
可对单倍体进行准确M aterials sa mp led 鉴定。但是紫株标记的应用远不如N avaj o 标记方便, 所以以多种标记综合运用的效果更佳。
在诱导单倍体方面, 高诱1号对各种材料均具有诱导孤雌生殖单倍体的能力。由表2可见, 高诱1号从411、Syn 695和411×230中诱导单倍体的频
hap l oids [***********][***********]831
kernels [***********][***********][***********]3691641
induced (%)
9. 28. 658. 017. 47. 036. 025. 54. 934. 674. 644. 633. 763. 763. 22. 191. 935. 34
411411 230Syn 695411 Syn 695海218H ai 218水六Shuiliu 411 340
8N 971431
H 4 syn 695
531
农大368CAU 368白107Bai 107
230478w x
黄野四H uangyesi
H 4
平均[***********]27141411
率最高, 分别达到9.
2%、8. 01%和8. 65%, 而从黄野四和H 4中诱导单倍体的频率最低, 分别仅为2. 19%和1.
93%, 最高诱导率与最低诱导率相差4倍之多。显然, 母本基因型对于单倍体诱导率具有重要
影响。高诱1号诱导16个基因型材料产生单倍体的平均频率为5. 34%。
3 讨论
选育玉米孤雌生殖诱导系在我国尚属初次尝试。我们最初的目标是要改造Stock 6的散粉性和结实性, 但是在选择的过程中发现, 标记性状和诱导率性状均具有较大的遗传变异性, 于是对这些性状也加以严格选择。在所有选择性状中, 单倍体诱导率性状是核心。正是通过大量的单株诱导率测定, 才从分离群体中发现了诱导率超亲, 并且同时结合了N avaj o 斑纹标记、ABP 1紫株标记、大胚面标记和良好的散粉性以及结实性等双亲的有利性状于一身的个体, 并最终育成高诱1号。高诱1号在所有有利性状上均超越了Stock 6, 以Syn 695yg 为测验种其单倍体诱导率较Stock 6提高5倍之多。
通过对单倍体诱导率的鉴定表明, 高诱1, 但其诱导效率与被诱导材料的基因型有很大关系, 数倍。Chase 的[6], 因此推测诱导率的差异似。在本试验中, 高诱1号对16个基因型的平均(一般为杂交种或改良群体) 的结实粒数为450粒计算, 450×5. 34%=24粒单倍体。我们利用秋水仙素对单倍体进行简单处理, 已经可以获得23%的加倍率(资料待发表) , 这样用高诱1号每杂交一个果穗即可获得24×23%=5. 5株纯系。育种家每代只需用高诱1号给选系的基础材料授粉500个左右的果穗, 所诱导出的单倍体而产生的纯系就足以达到能够控制的鉴定规模。
籽粒N avaj o 标记是选择单倍体的关键性状。该性状的遗传非常复杂, 除了A 1A 2Bz 1Bz 2C 1C 2R 2n j 7个必须的显性互补基因外, 还有P r 1和in 等修饰基因, C 1、R 1、Bz 1、
[7～8]
。在诱导系的选育中N avaj o 标记逐代加深的原因Bz 2、P r 1和R 2n j 等基因则具有剂量效应
可能就是修饰基因纯合或基因剂量效应的结果。作为另外一类籽粒显性性状, 大胚面标记有利于在籽粒阶段对单倍体的鉴别。这对于表型易受影响的N avaj o 标记而言, 是一个很好的补充。试验结果表明, 利用由ABP 1显性基因控制的紫株标记来鉴别单倍体是可靠的。但是紫株标记的应用远不如N avaj o 标记方便, 所以以多种标记综合运用的效果更佳。高诱1号集三种优良标记于一身, 且花粉量大、综合性状好等, 因此是诱导单倍体的理想诱导系。
高诱1号的育成缩小了我国在该领域与先进国家之间的差距, 为我国开展单倍体育种创造了物质基础。参 考 文 献
1 Coe E H . A m er N at , 1959, 93:381～382
2 L asher m es, P, M Beckert . T heor A pp l Genet , 1988, 76:405～4103 Shatskaya O A , E R Zabirova , V S Shcherbak et al . M aize Genet Coop N e w s L ett , 1994, 68:514 Chalyk S T. E uphy tica , 1994, 79:13～18
5 刘志增, 宋同明. 中国农业大学学报, 1998, 3(增刊) :6～106 Chase S S . B ot R ev , 1969, 35:117～1677 宋同明. 北京:科学出版社, 1989, 46～608 张铭堂. 科学农业(台湾) . 1995, 43(3～4) :89～119
第26卷第5期2000 年9月
作 物 学 报
A CTA A GRONOM I CA S I N I CA
Ξ
. 26, N o . 5V o l
Sep . , 2000
玉米高频率孤雌生殖单倍体诱导系的选育与鉴定
刘志增 宋同明
(中国农业大学植物科技学院 北京100094)
ΞΞ
提 要 本试验从单倍体诱导系Stock 6与高油玉米群体BHO 的杂交后代中经过不断的测交和选择, 育成了我国第一个孤雌生殖单倍体诱导系
农大高诱1号。在16个测交组合中高诱一号对411自交系
的单倍体诱导率最高(9. 2%) ; 而对H 4自交系的单倍体诱导率最低(1. 92%) ; 其平均单倍体诱导率为
5. 34%。以黄绿苗自交系Syn 695yg 为测验种, 高诱1号的诱导率达5. 8%, 较Stock 6高出5倍; 同时其籽
粒N avaj o 标记较之Stock 6更加明显, 而且还结合了ABP 1紫色植株标记和独特的大胚面标记。高诱1号的花粉量大、繁殖容易, 是用于诱导孤雌生殖单倍体的优良授粉者。关键词 玉米; 孤雌生殖单倍体; 单倍体诱导系; 选育1The Breedi n g and I den ti f i ti w ith H i gh Frequ -ency i L I U Zh i 2ing
(College of P S cience and T echnology , China A g ricultural U niversity . B eij ing 100094)
Abstract T h rough successive testcro sses and selecti on s in subsequen t generati on s of a hybrid
bet w een hap l o id inducer Stock 6and Beijing H igh O il populati on (BHO ) , w e have devel oped the first parthenogenesis hap l o id inducer 2CAU Inducer in Ch ina . In six teen testcro sses w ith CAU Inducer as po llinato r , the induced hap l o id percen tages w ere deter m ined . T he frequency of hap l o id induced from inbred 411w as the h ighest (9. 2%) , and that from inbred H 4w as the l ow est (1. 92%) . T he average percen tage of hap l o id induced from all of the six teen m aterialsw as 5. 34%.W ith virescen t inbred line Syn 695yg as hap l o id tester , the percen tage of hap l o id induced by CAU Inducer w as 5. 8%, about six ti m es as that induced by Stock 6. A part from mo re obvi ous N avaj o m arker than that of Stock 6, CAU Inducer als o has purp le p lan t m arker conditi oned by A B P l genes and large ger m face . M o reover , w ith its large po llen shedding and easy p ropagati on , CAU Inducer is a good m aterial fo r parthenogenesis hap l o id inducing . Key words M aize ; Parthenogenesis hap l o id ; H ap l o id inducer ; B reeding ; CAU Inducer
利用单倍体育种以缩短育种年限、实现配子体选择, 是几代育种家的梦想。但是由于获取单倍体技术上的原因, 这一愿望一直未能实现。自从Coe 于1959年发现玉米高频孤雌生殖诱导系Stock 6以来[1], 育种家利用Stock 6杂交可以诱导产生大量母本单倍体。孤雌生殖诱导系具有杂交诱导母本雌配子体形成高频单倍体的能力, 符合单倍体育种的基本要求, 从而使玉米单倍体育种变为一种现实的育种方法成为可能。但是在实践中发现, Stock 6存在许多严重的缺陷, 如花粉量很少或者不散粉、自交结实性很差、穗粒腐病严重、籽粒N avaj o 遗传标
ΞΞΞ
国家自然科学基金项目(39570439
)
现在河北农业大学农学院工作(邮编071001 保定市) 收稿日期:1999205206, 接受日期:1999212226
5期 刘志增等:玉米高频率孤雌生殖单倍体诱导系的选育与鉴定
57 1
记表达较弱等, 因此无法直接利用。国外通过杂交改良的方法已经从Stock 6中衍生出了一些
[4]
新的诱导系, 如法国的S W 14[2]、俄罗斯的K rasnodar M arkers [3]和摩尔多瓦的Z M S 等。这些诱导系的利用价值已经大大超出Stock 6。遗憾的是, 一些改良成功的高频诱导系已经申请了专利权, 因此, 限制了国际间材料的自由交换。作为玉米生产大国和育种大国, 对于一项能够给玉米育种进程带来巨大变化的育种新技术, 我们应当尽快掌握并加以运用。而要建立我国自主的玉米单倍体育种体系, 就必须从Stock 6的改良入手。虽然Stock 6引入时间不长, 但经过连续数代的大群体测交和高强度选择, 我们已经获得了单倍体诱导率达5%～6%、遗传标记显著增强、花粉量大、抗病性好的新诱导系农大高诱1号。现将其选育过程和性状特点总结如下。
1 材料与方法
1. 1 选育的基础材料
原始孤雌生殖诱导系Stock 6, :籽粒N avaj o 斑纹, 由A 1A 2C 1C 2R 2n j , 12C 2BP 1互补基因控制。是本实验室的一个高油改良群体, 胚面很大avaj o 斑纹标记(胚部) 达3级, 植株呈深紫色, 是与Stock 6。于是我们利用(BHO ×Stock 6) 的后代。1. 2 后代处理程序
对于(BHO ×Stock 6) 的分离后代S 1～S 5分别从1996年冬至1998年冬在北京和海南岛按系谱法进行选择。各代的选择重点包括:单倍体诱导率、籽粒N avaj o 标记、植株ABP 1标记、籽粒大胚性状、花粉量、结实性以及抗病性等。单倍体诱导率性状从S 2代开始选择。籽粒
[5]
N avaj o 标记按7级标准划分。
1. 3 分离系诱导单倍体频率的测定方法
在上述分离后代中, 对于具有籽粒N avaj o 标记和ABP 1紫色植株标记的穗行(或单株) 进行单倍体诱导率的测定。具体方法是, 采用具有黄绿苗隐性性状的自交系Syn 695yg 为单倍体测验种, 取被测单株的花粉给单倍体测验种授粉, 每个被测单株至少授粉7穗以上。在收获的测交籽粒中, 根据N avaj o 显性遗传标记所具有的紫色糊粉层和紫色胚芽的特点, 凡是胚和糊粉层均为紫色的籽粒即为正常杂交的二倍体。而单倍体籽粒的糊粉层为紫色(正常3n 胚乳) , 胚部无色; 胚面较小, 且凹陷较深。然而籽粒N avaj o 标记的表达有时受遗传背景的影响, 所以对于经过筛选后的“单倍体”籽粒还需要借助于植株遗传标记进一步鉴定。将从
“单倍体”种植于温室营养钵中, 出苗后, 单倍体表现为黄苗, 而Syn 695yg 测验种中所选得的
二倍体苗的叶鞘为紫色、叶片为绿色, 二者极易分清。如果测验种采用普通玉米材料, 则根据植株的ABP 1标记, 凡是幼苗叶鞘为紫色的都不是单倍体, 而正常的绿苗即为单倍体。
为了验证上述鉴定单倍体方法的可靠性, 从上述鉴定出的绿色幼苗中抽查了部分样本进行根尖压片, 在显微镜下观察了细胞染色体的数目。
单倍体诱导率=单倍体苗数 测交结实粒数×100%
作 物 学 报 26卷572
1. 4 诱导系诱导单倍体的效率
高诱1号为授粉者, 给Syn 695、411、478w x 、230、531、H 4、黄野4、白107、水6、海218、N 971431×8、230×411、Syn 695×411、H 4×Syn 695、411×丹340、农大368、H 4×Syn 695等16个自交系和杂交种授粉。每个杂交组合授粉10～20穗左右。单倍体鉴定方法同上。
1998年冬在海南以育成的孤雌生殖单倍体诱导系
2 结果与分析
2. 1 单倍体诱导性状的选择
通过对(BHO ×Stock 6) 后代S 2～S 4连续3代的诱导率测定发现, S 2代中优良标记穗行(BHO ×Stock 6) (2) 22的第5株具有0. 55%的单倍体诱导率(见表1) , 是S 2代中诱导率较高
表1 农大高诱一号家系的诱导率表现
Table 1 The percen tage of haploi d i n duced by i n a
Agr i cultural Un i versity (CAU ) I nducer 世代
Generati ons
S 3
系谱
Pedigree B ) (2S (2) 527B S (2) 222528B S (2) 2225210B S (2) 22252821B S (2) 22252823B S (2) 22252824B S (2) 22252825B S (2) 22252826B S (2) 22252827 B S (2) 222528210B S (2) 222528211B S (2) 222528212B S (2) 222528213B S (2) 222528214单倍体数
H ap l oids
[***********]38883335
[1**********]11
[***********][***********]
l (%)
2. 911. 260. 913. 151. 221. 144. 064. 514. 093. 215. 914. 693. 434. 495. 826. 17。对其S 3×Stock 6) (5, 单株单倍体诱导率介于0. 91%～3. 15%, 这是所有S 3
S 4
分离系中诱导率最高的穗行, 其中第8株的诱导率最高, 达3. 15%。同时该穗行的姊妹行的诱导率也比较高。通过严格选择, 上述穗行的籽粒N avaj o 标记已经不再分离并且保持了BHO 亲本大胚面的特
点。至S 4代, 上述诱导率最高的S 3单株(BHO
注:(1) B S (2) 表示(BHO ×Stock6) F 1的第2个自交株; (2) 单倍体测验种为Syn695yg 。
×Stock 6) (2) 222528的 N ote :(1) B S (2) m eans the second selfed p lant of (BHO ×Stock 6) F 1; (2) the hap l oid
tester is Syn 695yg . 后裔穗行平均诱导率达4. 21%, 单株最高诱导率达6%左右。由于S 4穗行在标记性状和株型性状上已经基本稳定, 于是在下一代将其中最优秀的单株(BHO ×Stock 6) (2) 2
22528213进行繁殖, 并定名为农大高诱1号(简称高诱1号) 。从表中可以看出, 高诱1号的单倍体诱导率达5. 8%, 而Stock 6在1865粒测交粒中仅仅诱导出17粒单倍体, 其诱导率为0. 91%, 因此高诱1号的单倍体诱导率较Stock 6高出5倍之多。
2. 2 遗传标记性状的选择
从S 1代开始, 对于籽粒N avaj o 斑纹和紫色植株标记逐代进行严格筛选。在S 2代穗行(BHO ×Stock 6) (2) 22中, 所有自交果穗的籽粒均具有N avaj o 斑纹标记, 表明该穗行中控制籽粒N avaj o 斑纹的互补基因A 1A 2C 1C 2R 2n j 已经不再发生分离。但是不同籽粒间仍然存在着色斑深浅和斑块大小程度上的差异, 因此一些色素修饰基因可能还尚未纯合。通过对诱导
系N avaj o 斑纹标记的不断选择, 已经使胚部标记从S 2代的3级提高到S 4代的4级。由A 1A 2BP 1显性互补基因控制的紫色植株标记在自交后代中纯合的速度比较慢, 直到S 5代仍有一些穗行还在分离。据试验观察, 在紫色植株性状已经纯合的不同穗行间, 仍然存在由紫红色至紫黑色不同程度上的差异, 因此, 通过选择可以获得紫黑色植株的后代。但是紫黑色植株的雄穗散粉性能较差, 而且雌穗生长缓慢, 往往雌雄不调。育成的高诱1号诱导系同时具有纯合的N avaj o 斑纹标记和紫色植株标记, 其N avaj o 斑纹标记由供体亲本Stock 6的3级提高到4级, 而紫色植株标记仍保持在原来水平。
在选育诱导系的原始材料中, 高油群体BHO 具有独特的大胚面性状, 经过选择在高诱1号中结合了这一性状。由于大胚面对小胚面表现部分显性, 因此, 以具有大胚面性状的高诱1号与普通玉米材料杂交, 二倍体籽粒表现为较大的胚面, 而单倍体籽粒的胚面则很小, 二者差异比较明显, 所以有利于在籽粒阶段对单倍体的鉴别N avaj o 标记而言, 是一个很好的补充。
除了良好的标记性状而外, 高诱1, 因此, 2. 3 高诱1高诱1, 通过籽粒N avaj o 斑纹标记并结合, 但由于N avaj o 标记易受环境和遗传背景的影响, 。这时还需借助于另一个遗传标记紫色植株标记对不确定的籽粒作进一步的鉴别。为了验证ABP 1紫色植株标记鉴定单倍体的可靠性, 对于从上述不同测交组合中鉴定出的绿苗进行了根尖压片。根据显微观察结果, 所有被观察材料的根尖细胞染色体数目均为10条。表明紫株标记与N avaj o 标记不同, 在各种遗传表2 高诱1号诱导单倍体的频率背景下均能正常表达, Table 2 Frequenci es of haploi d i n duced by CAU I nducer 因此, 利用紫株标记即单倍体数测交粒数Total 平均诱导率A verage
材料取样穗数Ears
percentage of hap l oid Total testcrossed
可对单倍体进行准确M aterials sa mp led 鉴定。但是紫株标记的应用远不如N avaj o 标记方便, 所以以多种标记综合运用的效果更佳。
在诱导单倍体方面, 高诱1号对各种材料均具有诱导孤雌生殖单倍体的能力。由表2可见, 高诱1号从411、Syn 695和411×230中诱导单倍体的频
hap l oids [***********][***********]831
kernels [***********][***********][***********]3691641
induced (%)
9. 28. 658. 017. 47. 036. 025. 54. 934. 674. 644. 633. 763. 763. 22. 191. 935. 34
411411 230Syn 695411 Syn 695海218H ai 218水六Shuiliu 411 340
8N 971431
H 4 syn 695
531
农大368CAU 368白107Bai 107
230478w x
黄野四H uangyesi
H 4
平均[***********]27141411
率最高, 分别达到9.
2%、8. 01%和8. 65%, 而从黄野四和H 4中诱导单倍体的频率最低, 分别仅为2. 19%和1.
93%, 最高诱导率与最低诱导率相差4倍之多。显然, 母本基因型对于单倍体诱导率具有重要
影响。高诱1号诱导16个基因型材料产生单倍体的平均频率为5. 34%。
3 讨论
选育玉米孤雌生殖诱导系在我国尚属初次尝试。我们最初的目标是要改造Stock 6的散粉性和结实性, 但是在选择的过程中发现, 标记性状和诱导率性状均具有较大的遗传变异性, 于是对这些性状也加以严格选择。在所有选择性状中, 单倍体诱导率性状是核心。正是通过大量的单株诱导率测定, 才从分离群体中发现了诱导率超亲, 并且同时结合了N avaj o 斑纹标记、ABP 1紫株标记、大胚面标记和良好的散粉性以及结实性等双亲的有利性状于一身的个体, 并最终育成高诱1号。高诱1号在所有有利性状上均超越了Stock 6, 以Syn 695yg 为测验种其单倍体诱导率较Stock 6提高5倍之多。
通过对单倍体诱导率的鉴定表明, 高诱1, 但其诱导效率与被诱导材料的基因型有很大关系, 数倍。Chase 的[6], 因此推测诱导率的差异似。在本试验中, 高诱1号对16个基因型的平均(一般为杂交种或改良群体) 的结实粒数为450粒计算, 450×5. 34%=24粒单倍体。我们利用秋水仙素对单倍体进行简单处理, 已经可以获得23%的加倍率(资料待发表) , 这样用高诱1号每杂交一个果穗即可获得24×23%=5. 5株纯系。育种家每代只需用高诱1号给选系的基础材料授粉500个左右的果穗, 所诱导出的单倍体而产生的纯系就足以达到能够控制的鉴定规模。
籽粒N avaj o 标记是选择单倍体的关键性状。该性状的遗传非常复杂, 除了A 1A 2Bz 1Bz 2C 1C 2R 2n j 7个必须的显性互补基因外, 还有P r 1和in 等修饰基因, C 1、R 1、Bz 1、
[7～8]
。在诱导系的选育中N avaj o 标记逐代加深的原因Bz 2、P r 1和R 2n j 等基因则具有剂量效应
可能就是修饰基因纯合或基因剂量效应的结果。作为另外一类籽粒显性性状, 大胚面标记有利于在籽粒阶段对单倍体的鉴别。这对于表型易受影响的N avaj o 标记而言, 是一个很好的补充。试验结果表明, 利用由ABP 1显性基因控制的紫株标记来鉴别单倍体是可靠的。但是紫株标记的应用远不如N avaj o 标记方便, 所以以多种标记综合运用的效果更佳。高诱1号集三种优良标记于一身, 且花粉量大、综合性状好等, 因此是诱导单倍体的理想诱导系。
高诱1号的育成缩小了我国在该领域与先进国家之间的差距, 为我国开展单倍体育种创造了物质基础。参 考 文 献
1 Coe E H . A m er N at , 1959, 93:381～382
2 L asher m es, P, M Beckert . T heor A pp l Genet , 1988, 76:405～4103 Shatskaya O A , E R Zabirova , V S Shcherbak et al . M aize Genet Coop N e w s L ett , 1994, 68:514 Chalyk S T. E uphy tica , 1994, 79:13～18
5 刘志增, 宋同明. 中国农业大学学报, 1998, 3(增刊) :6～106 Chase S S . B ot R ev , 1969, 35:117～1677 宋同明. 北京:科学出版社, 1989, 46～608 张铭堂. 科学农业(台湾) . 1995, 43(3～4) :89～119