全 文 ：植　物　学　报　 1995, 37( 4): 255— 258
Acta Botanica S inica
莜麦与玉米的远缘杂交
　　孙敬三　路铁刚
　　　 (中国科学院植物研究所 ,北京 100044)
王景林　孙秀华　　
(首都师范大学生物系 ,北京 100037)　　　
杨　才　王秀英
(河北省张家口地区坝上农业科学研究所 ,张北县 076450)
摘　　要
莜麦 (Avena nuda L. )和玉米 ( Zea mays L. )杂交有一定的受精率和成胚率。人工传粉后
玉米花粉能很快在莜麦柱头上萌发并长入莜麦花柱中 ,在 68%的莜麦花柱中可观察到不只
一条玉米花粉管。对授粉后的 163个莜麦子房进行制片观察 ,发现受精率可达 11. 04% ,其中
只形成胚而无胚乳的卵细胞单受精占 3. 07% ,只形成胚乳而无胚的中央细胞单受精占
1. 84% ,既形成胚又形成胚乳的双受精占 6. 13%。 从授过玉米花粉的大约 2200朵莜麦小花
中收获 18粒种子 ,对 12株实生苗根尖染色体计数表明 ,其中 9株为单倍体 ( 2n= 21) , 3株为
二倍体 ( 2n= 42)。结果证明 ,通过莜麦和玉米杂交后玉米染色体的消除可以获得莜麦单倍体。
关键词　莜麦 ;玉米 ;远缘杂交 ;染色体消除 ;单倍体诱导
⒇
NAKED OAT× MAIZE HYBRIDIZATION
Sun Jing-san and Lu Tie-gang
( Inst itute of Botany, Academia S inica , Bei jing 100044)
Wang Jing-lin and Sun Xiu-hua
(Depar tment of B iology, Cap ital Normal Universi ty , Bei jing 100037)
Yang Cai and Wang Xiu-ying
( Bashang Inst itu te of Agr icul tural Sciences , Zh angbei 076450)
Abstract
There is a certain f requency of fertilization and embryo productiv ity in naked oat
( Avena nuda L. )× maize ( Zea mays L. ) crosses. The maize pollen readily g erminated
on the naked oat stigma and mo re than one pollen tubes g rew into the sty le in about
⒇ 收稿日期: 1994-03-10　接受日期: 1994-06-30
　* 中国科学院“八五”育种项目。
68% o f f lo rets. In a sample of 163 f lo rets fix ed afte r po llination, 5 ( 3. 07% ) had only an embry-
o , 3 ( 1. 84% ) had only an endo sperm and 10 ( 6. 13% ) had bo th. Ove rall, 9 haploid and 3 diploid naked
oat plants w ere obtained fr om 12 seeds which fo rmed fo llowing application o f maize po llen to about
2200 emascula ted naked oat flo rets. Preliminary studies indicated that elimina tion of the
maize chromosomes occurred early in the embryo and endo sperm development. This
method giv es a new approach for obtaining haploid naked oat.
Key words　 Avena nuda; Zea mays; Wide cro sses; Chromosome elimination; Hap-
loid production
国内外的研究表明 ,小麦和玉米的属间杂交有很高的受精率 ,利用杂合子分裂过程中
玉米染色体的自发消除 ,可以获得小麦单倍体 [1— 6 ]。莜麦在禾谷类植物中是难于诱导单倍
体的物种之一 ,其花药培养至今只得到少量单倍体植株 [7 ]。为了探索诱导莜麦单倍体的其
它途径 ,我们对莜麦×玉米的受精作用和胚胎发育进行了研究 ,证明莜麦同小麦类似 ,在
和玉米进行杂交时 ,同样也有一定的受精率和成胚率 ,并从杂交后代中可以直接获得莜麦
单倍体植株。
1　材料 和 方法
用作母本的莜麦 ( Avena nuda L. )为农家品种“三分三” ,早春播种于大田 ,于开花前
1— 2 d进行人工去雄 ,去雄后的穗子立即套袋隔离。在莜麦开花当天 ,从种植于温室的玉
米 ( Zea mays L. )雄穗上采集新鲜花粉 ,给莜麦逐花授粉 ,授粉后仍套袋隔离。于授粉后的
24、 48和 72 h剥取子房用卡诺固定液 (乙醇∶乙酸= 3∶ 1)固定 24 h,然后换入 70%乙醇
中于 5℃冰箱中保存。 材料经 Schi ff试剂整体染色 [8 ]后进行常规石蜡制片 ,切片厚度 9—
12μm。切片脱蜡后经固绿复染 ,封固于加拿大树胶中。杂交后代根尖染色体的计数 ,采取
低温 ( 0— 4℃ , 24 h )预处理和乙酸洋红压片法进行。
2　实　验　结　果
人工授粉后玉米花粉在莜麦柱头上能较好地萌发并长入花柱 ,经常可以看到在同一
花柱中有多条玉米花粉管同时生长 (图版Ⅰ , 1箭头 ) ,其中有部分花粉管尖端膨大 (图版
Ⅰ , 2箭头 ) ,表现出远缘杂交的不亲和性。生长正常的花粉管大部分可以顺利抵达珠孔 ,
并由珠孔穿过一个助细胞进入胚囊 ,释放出两个精子。也有少部分花粉管经过珠孔时并不
进入 ,而继续沿着外珠被和子房内壁的间隙向前伸长。 在那些进入珠孔的花粉管中 ,也有
一些并不插入助细胞 ,而是通过珠被和珠心细胞间的间隙进入胚囊 (图版Ⅰ , 7、 8箭头 ) ,
将花粉管内含物释放于胚囊腔中 (图版Ⅰ , 8双箭头 )。上述经过助细胞进入胚囊的玉米花
粉管释放的两个精子可分别和莜麦的卵细胞和中央细胞融合 ,形成合子和初生胚乳核 ,并
分别发育成胚和胚乳 (图版Ⅰ , 3、 6,图 6箭头示球形胚 )。除了双受精之外 ,莜麦和玉米杂
交时还经常发生卵细胞或中央细胞单独受精的情况 ,结果分别形成只具胚而无胚乳 (图版
Ⅰ , 4、 5,图 4中箭头示胚 ) ,或只具胚乳而无胚的颖果。
256 植　　物　　学　　报　　　　　　　　　　　　　　 37卷　
和小麦×玉米的情况 [1 ]类似 ,莜麦和玉米杂交所形成的胚和胚乳的核型也极不稳定 ,
在合子和胚乳核分裂过程中 ,玉米染色体常常游离在纺锤体之外 ,或滞留在赤道板上 ,不
能和莜麦染色体同步到达两极组成新的子核 ,而被遗弃在细胞质中形成微核 (图版Ⅰ , 3、 5
箭头 )。经过几个细胞分裂周期之后 ,玉米染色体则会全部被排除 ,最后形成只具莜麦染色
体的胚或胚乳。具有胚及胚乳的颖果 ,可以在植株上发育至成熟。在经玉米花粉授粉的大
约 2200朵莜麦小花中 ,共收获 18粒种子 ,播种后有 12粒萌发 ,长成植株。 根尖染色体计
数表明 ,这些实生苗中有 9株为单倍体 ( 2n= 21) (图 1) , 3株为二倍体 ( 2n= 42) ,估计后者
可能是单倍体自然加倍而来。 只具胚而无胚乳的颖果虽然也可以进行一定程度的发育 ,
并且呈现明显的绿色 (未受精的子房不发育
且呈白色 ) ,但无法形成成熟种子 ,最终败
育。
对授粉后不同时间固定的子房进行制
片观察 ,统计其受精率和成胚率 ,结果列于
表 1。由表 1的数字可以看出 ,莜麦×玉米
的受精率可达 11. 04% ,其中只形成胚而无
胚乳的卵细胞单受精占 3. 07% ,只形成胚
乳而无胚的中央细胞单受精占 1. 84% ,同
时形成胚和胚乳的双受精占 6. 13%。 总成
胚率 (双受精和卵细胞单受精数字之和 )为
9. 20% 。而且即便在那些未发生受精作用的
子房中 ,也发现不少 (约 57% )有玉米花粉
管长入。
图 1　莜麦×玉米子代植株的根尖压片 ,
示单倍性莜麦染色体数 ( 2n= 21)
Fig. 1　 Roo t-tip squa sh o f a seedling from naked
oa t× maize cro sses, showing haploid number
( 2n= 21) o f naked oa t ch romosomes
表 1　莜麦×玉米的受精率
Table 1　 Frequency o f fer tiliza tion in naked oa t× maize cro sses
授粉后天数
Days af ter
pol lination
观察子房数
No. of
ov aries
examined
双受精数
No. wi th
dou ble
fertili zation
(% )
单胚数
No. wi th
only an
em bryo
(% )
单胚乳数
No. w ith
only an
end osperm
(% )
总受精率
Total rate of
ferti lization
(% )
总成胚率
Total rate of
embryo fo rmat ion
(% )
1 55 2 ( 3. 64) 0 0 3. 64 3. 64
2 79 5 ( 6. 33) 2 ( 2. 53) 3 ( 3. 80) 12. 66 8. 86
3 29 3 ( 10. 34) 3 ( 10. 34) 0 20. 69 20. 69
总计
Total
163 10 ( 6. 13) 5 ( 3. 07) 3 ( 1. 84) 11. 04 9. 20
3　讨　　论
莜麦的营养价值已为人们所共知 ,近年又发现其对降低血脂 ,防治动脉粥样硬化、冠
心病、高血压病等均有明显的医疗保健作用 [ 9] ,是一种很有开发潜力的作物。 但是莜麦的
品种资源类型比较单一 ,需要通过杂交引入野生种质的某些优良性状 ,丰富莜麦的种质资
2574期　　 　　　　　　　　　　孙敬三等: 莜麦与玉米的远缘杂交
源。为了使远缘杂种尽快稳定 ,加速育种速度 ,曾进行过莜麦的花药培养 ,希望将单倍体育
种机制引入莜麦育种。然而莜麦的花药培养效率很低 ,其绿苗产生率只有 0. 6% [7 ]。国外
对燕麦属的另一物种普通燕麦 ( Avena sativa L. )进行花药培养 ,效果更差 ,接种 65000多
枚花药只得到 1株单倍体植株 [ 10] ,可见通过花药培养诱导燕麦属植物的单倍体难度很
大。利用莜麦×玉米的可杂交性及杂合子中玉米染色体自发消除的特点 ,可以高频率的获
得莜麦单倍体胚 ,而且莜麦×玉米双受精的比率较高 ,不经幼胚培养也可由实生苗直接获
得一定的单倍体莜麦植株 ,在这一点上比小麦×玉米诱导单倍体的程序更为简便 ,后者由
于杂交时多发生单受精 ,只形成胚而无胚乳 ,为了使无胚乳滋养的幼胚正常发育 ,必需进
行幼胚离体培养 [2, 6 ]。 当然如果将幼胚培养技术应用于莜麦×玉米 ,那些因无胚乳滋养而
败育的单胚则可有机会发育成有活力的单倍体植株 ,使莜麦单倍体的获得率进一步提高。
莜麦×玉米虽然也发生花粉管在花柱中先端膨大 ,花粉管向化性紊乱 ,不能准确地伸
入珠孔和进入助细胞等不亲和、不协调现象 ,但其受精率在属间杂交中仍然是很高的。这
种高受精率不但为诱导莜麦单倍体奠定了基础 ,也为莜麦的遗传改良创造了条件 ,因为在
杂合子中 ,玉米染色体上的一些特异的可转移因子有可能向莜麦基因组转移 ,引发莜麦发
生遗传性变异。
参 考 文 献
1　王景林 ,孙敬三 ,路铁刚等 . 小麦×玉米的受精作用和胚胎发育 . 植物学报 , 1991. 33: 647— 679
2　孙敬三 ,刘辉 ,路铁刚等 . 利用小麦×玉米获得小麦单倍体 . 植物学报 , 1992. 34: 817— 821
3　 Laurie D A, Benn et t M D. Wheat× maize h ybridization. Can J Genet Cytol , 1986. 28: 313— 316
4　 Laurie D A, Benn et t M D. The ef fect of th e cros sabili ty loci Kr1 and Kr2 on fert ili zat ion f requency in h exaploid
w heat× maize cross es. Theor Appl Genet , 1987. 73: 403— 409
5　 Laurie D A, Benn et t M D. The production of haploid wh eat plants f rom w heat× maize cros ses. Theor Appl
Genet , 1988. 76: 393— 397
6　 Laurie D A. Facto rs af fecting ferti lization f requency in cros ses of Tr iticum aestivum cv. Highb ury× Zea mays
cv. Seneca 60. Plant B reedin g , 1989. 103: 133— 140
7　孙敬三 ,路铁刚 , Sondah l M R.莜麦花药培养和单倍性悬浮细胞培养物的建立 . 植物学报 , 1991. 33: 417— 420
8　孙敬三 . 整体染色法 . 见:孙敬三 ,钱迎倩主编 ,植物细胞学研究方法 . 北京:科学出版社 , 1987. 40— 46
9　李成雄 ,王作柱 . 莜麦的栽培与育种 . 太原:山西人民出版社 , 1984.
10　 Rines H W. Oat an th er cul ture: Geno type effect s on callus initi ation and the production of a haploid plant. Crop
Sci , 1983. 23: 268— 272
图 版 说 明
1. 多条玉米花粉管 (箭头 )在同一莜麦花柱中生长。 2.莜麦花柱中先端膨大的玉米花粉管 (箭头 )。 3. 双受精后形
成的胚和胚乳 ,胚细胞质中可见玉米染色体形成的微核 (箭头 )。4.卵细胞单受精形成的胚 (箭头 ) (无胚乳 )。5. 卵细胞
单受精形成的胚 ,其细胞质中可见玉米染色体形成的微核 (箭头 ) (无胚乳 )。 6. 双受精后形成的胚 (箭头 )和胚乳。 7、 8.
同一胚囊的两张连续切片 ,示玉米花粉管 (单箭头 )未经过助细胞进入胚囊 ,并将其内含物释放于胚囊腔中 (图 8双箭
头 )。
Explanation of Plate
Avena nuda× Zea mays h ybridi zation.　 Fig. 1. A few pol len tu bes (ar row ) insid e the pis ti l. Fig. 2. A pollen
tube w ith sw elling t ip ( arrow ) insid e th e pis til. Fig. 3. Em bryo and endosp erm. Th ere are some micronuclei ( arrow )
f rom maize ch rom osome in th e cytoplasm of th e em bryo. Fig. 4. Emb ryo ( arrow ) f rom sing le fertili zation of egg cell
( w ithou t endosperm) . Fig. 5. A micronucleus ( arrow ) f rom maize ch romosome in th e cytoplasm of the em bryo fo rmed
f rom sing le fertili zation of egg cell. Fig. 6. Embryo ( arrow ) and end osperm fo rm ed f rom double fert ili zation. Fig. 7
and 8. Tw o serial sections f rom sam e ov ule, sh ow ing the pollen tube ( single arrow ) entering th e emb ryo sac w i thou t
passing th rough th e synergid and it s releas e of sub stance ( double arrow in fig. 8)
258 植　　物　　学　　报　　　　　　　　　　　　　　 37卷　
孙敬三等:莜麦与玉米的远缘杂交 图版 Ⅰ
Sun Jing- san et al .: Naked Oat× Maize Hybridiza tion PlateⅠ
See explanation at the end of tex t