复合技术与玉米种质创新

    玉米是世界上三大作物之一,对于国民经济和人们生活具有重要的意义。也是我国主要的粮食作物之一，玉米自交系间杂种优势给人们带来巨大的经济效益，但是玉米育种中面临着推广品种单一化，育种材料遗传基础越来越狭窄，基因库日益贫乏的缺点。至1994年，四大核心种质约占86.3%。“八五”期间，我国审定的玉米主要品种的种质来源是瑞得和兰卡斯特各占25.6%，四平头，旅大红骨各占17.9%和10.7% 。四大种质占到79.9%。种质的单一化，必然导致严重的不良后果，使农业生产遭到严重的损失。1970年美国玉米小斑病T小种大流行，而使70%的玉米杂交种严重减产。有利重组体的数量受到遗传资源狭窄的限制，将使育种工作进展缓慢，甚至停滞不前。种质缺乏成为玉米育种的瓶颈，种质的创新工作成为急待解决的问题。  　 近代生物技术的兴起极大地提高了人们创造变异和利用变异的能力。为了更好地使生物技术应用于农业生产，就必需了解各种生物技术的优缺点和各种生物技术结合的途径，以便更好地应用于玉米的种质创新和育种中去。1.种质创新的技术类型 花药培养 是应用于玉米育种较为有效的手段。可以比常规的育种方法缩短育种年限2-4年。因为单倍体植株不存在显隐性的问题，一旦发生突变，即可以表达，有利于性状的选择。吴甲林（1983）、母秋华等（1980，1982）等先后培育出多个花培自交系，并用利用其组配了在生产上大面积推广的优良的杂交种。虽然花药培养具有有利的特点，但同小麦和水稻相比仍然没有显著的优势。提高玉米花粉愈伤组织诱导率和绿苗分化率是提高玉米花培能力的重要因素。 孤雌生殖 利用孤雌生殖合成纯系，是单倍体育种的另一途径。应用孤雌生殖简便易行，没有花培苗越冬的问题。由于直接获得二倍体的频率较高，并且逾越了染色体加倍的障碍。玉米孤雌生殖的诱导可以经过杂交、温度处理、射线处理、利用异源的细胞质、授粉前后的药物处理以及未授粉子房的培养等的方式进行，也可以不经过授粉直接通过药物处理获得。如以MH和DMSO的组合、GA3、NAA-KT、N6培养基、6-BA等方法进行诱导。郭乐群等（1997）利用药物诱导孤雌生殖技术获得了玉米纯系540，并且组配了优良的组合。 幼胚培养 玉米的幼胚被可以用于产生有植株再生能力的愈伤组织。MS培养基应用得最为广泛，2,4-D是诱发愈伤组织产生的唯一的激素，除去2,4- D的培养基可以再生植株。由于愈伤组织在培养过程中可产生体细胞无性系变异，因此可作为一种创造玉米新种质的方法。张举仁等（1991）利用这种方法筛选出了多个耐盐、配合力较高的自交系。 外源DNA导入 外源DNA导入的可以利用整体植株的卵细胞受精卵或者早期的胚细胞转化DNA，方法简便。单胚珠或者多胚珠的单双子叶植物均可以应用，育种时间短，易于稳定。可以任意选择生产上的当家的品种进行外源DNA的导入，达到目的性状的转移。Dewet等利用外源DNA导入实现了玉米叶斑病抗性的转移，Ohta（1986）等得到了胚乳基因的高频率的转移。基因工程 玉米的基因工程研究发展迅速，已经产生了转基因植株，转化方法和目的基因都增多。美国国际作物遗传公司将一种对于害虫有杀伤力的细菌毒蛋白基因拼接到只生活在玉米植株体内的某些微生物，伴随着玉米植株的 生长，微生物也随之生长，抵御玉米穿孔虫的侵袭，确保玉米在不施用大量昂贵的杀虫剂情况下增产。但是目前对于一般的研究单位尚没有达到实用的程度。 物理诱变 电离辐射主要包括γ射线、X射线、中子和β射线等。其中应用最多的是γ射线和X射线，由于其穿透力较强，可以激活原子的内层的电子，使其离子化可以与其他的原子或者分子相结合，造成原子结合方式的转变。山东农业科学院原子能所利用G060射线处理玉米自交系获得了具有株型理想、果穗较大、抗病性好等优良特点的自交系原武02，这是辐射育种取得的成功例子。  　 化学诱变 化学诱变效率大约是自发突变的100-1000倍。在玉米上运用的诱变剂主要是：甲基磺酸乙酯，N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍（MNNG），叠氮化钠（NaN3）、硫酸二乙酯（DES）和MNUA等。EMS是目前使用最广和效果最好的化学诱变剂，其诱导的突变大多是点突变。化学诱变的材料主要是种子、花粉等。目前处理是用EMS等与轻质的石蜡油混合，制备成浓度为0.1-0.2%的处理液，在适当的时间，把被处理的花药涂抹在花丝上即可。化学诱变可以用来进行自交系的性状改良。化学诱变的特点是对于供体的损伤较少，诱变的频率较低，但是有利的突变较多。也可以用来进行抗性突变种质的筛选，产生新的抗性基因类型。 另外，人们也进行了一些玉米上的原生质体、体细胞杂交等方面的研究，但是由于各种原因，目前在玉米种质创新方面还没有得到实际的应用,在此不作讨论。 2、种质创新技术的结合 在现代的育种实践中，除了上述的各种手段的单独使用以外，还可以将几种技术结合起来使用将更有利于玉米的种质的创新。 离体培养结合化学诱变技术 植物组织器官（包括花药等）在离体培养过程中本身的遗传性会发生改变，可以应用于植物品种的改良，种质的创新，两者的结合具有以下的优点：培养密度高，极大地提高选择的频率，减少土地占用和人力消耗；单细胞的培养突变几乎可以立刻表现出来，其表现不受相临细胞的干扰没有嵌和体现象；利用适当的选择剂，可以将突变细胞从混合细胞中有效地选择出来。 花药的诱变处理 γ，X射线辅照以后，剥取花药接种于适当的培养基上，诱导愈伤组织，照射到诱导培养之前可以间隔2-3天，以利于花药恢复正常生长提高其出愈能力。采用这种方法，能够避免射线对于培养基的不良的反应，但是可能影响培养的效果。先将处于单核靠边期的花药接种到培养基上，再进行照射，可以在一定程度上提高花粉发育的整齐度。 愈伤组织的诱变处理 愈伤组织诱变可以明显增加变异的程度以及离体突变选择的应用，可以作为诱变处理的对象，与常规的材料的处理不同之处在于，愈伤组织是处于无菌的环境的条件下，可以直接照射生长于培养皿或者三角瓶中的愈伤组织，避免污染。化学诱变可以采取直接向愈伤组织添加或者滴加诱变剂的方法。愈伤组织包括各种组织培养方法得到的愈伤组织。例如：胚培养，幼胚培养，花药培养，子房培养等等。 愈伤组织导入外源DNA 采取向愈伤组织滴加一定量的DNA溶液的方法，促使DNA的导入。因为任何具有活跃的代谢活动和持续分裂的地方都具有增加外源DNA导入频率的作用。例如，在花粉管通道技术中，在形成受精卵而进行的持续胚的分化的过程中，在植物的分生组织活跃的生长点附近具有吸收外源DNA的可能性。而愈伤组织具有持续的分裂和增殖的活性，而且愈伤组织吸收外源DNA具有更加可取之处，因为愈伤组织的细胞间隔或者细胞壁比其活体的细胞甚至生长点的细胞具有更高的DNA转化的频率。 总之，现代生物技术同玉米育种的结合趋势是利用物理化学或者生物的方法创造变异或者引入外源的基因，然后通过生物技术的方法固定转移这种变异，实现优良突变基因的重组，再通过常规育种的方法实现杂种优势。并且在实际的育种过程中，单纯使用那一种育种技术都不能达到体育种的要求，需要将各种生物技术结合起来，才能取得较好的育种效果。