全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(12): 2247−2252 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家科技支撑计划项目(2011BAD35B03)和引进国际先进农业科学技术计划(948计划)项目(2011-G3)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 陈新民, E-mail: chenxinmin@caas.cn
Received(收稿日期): 2013-03-14; Accepted(接受日期): 2013-07-26; Published online(网络出版日期): 2013-09-29.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130929.1536.003.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.02247
小麦与玉米杂交产生小麦单倍体与双单倍体的稳定性
陈新民* 王凤菊 李思敏 张文祥
中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081
摘 要: 小麦与玉米杂交是诱导小麦单倍体最有效的途径之一, 但单倍体和双单倍体产生频率不稳定影响了该技术的
应用。选用 13个小麦杂种 F1代单交组合与玉米杂交, 研究了不同小麦生长环境、生长素处理、培养基和壮苗处理对单
倍体及双单倍体产生频率的影响。小麦生长在大田, 去雄后割穗培养与玉米杂交平均得胚率为 23.9%, 每个杂交穗平均
得胚数 6.8个, 均是返青后从大田移回冷温室盆栽的 3倍以上; 不同小麦杂交组合间胚产生频率存在明显差异。生长素
Dicamba蘸穗处理平均得胚率是 21.5%, 与 2,4-D处理得胚率(21.1%)无显著差异, 但不同杂交组合间差异显著。B5培养
基幼胚萌发率为 70.9%~88.3%, 平均 82.0%; 1/2 MS培养基胚萌发率为 70.0%~86.0%, 平均 76.6%; 两种培养基平均胚萌
发率无显著差异。试管苗经壮苗培养基壮苗处理与试管苗经移栽壮苗处理后加倍效率分别是 67.6%和 8.6%。移栽壮苗
处理的苗分蘖少, 生长较弱, 加倍处理后存活率低和加倍率低是其单倍体加倍效率低的原因。
关键词: 小麦×玉米; 单倍体; 激素处理; 培养基
Stable Production of Wheat Haploid and Doubled Haploid by Wheat × Maize Cross
CHEN Xin-Min*, WANG Feng-Ju, LI Si-Min, and ZHANG Wen-Xiang
Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: One of the most effective ways to produce wheat haploid is the method of crossing wheat with maize. However, the
problem of unstable frequencies in haploid and doubled haploid production affects its application. In this study, 13 wheat F1
hybrids crossed with maize to explore the effects of wheat growth condition, hormone treatment, culture medium, and strong
seedling treatment on production of haploid and doubled haploid. The frequency of embryo formation was 23.9% and the number
of embryos per spike was 6.8 for the wheat plants grown in filed and then detached before pollination and hydroponically cultured
after pollination. The efficiency of this method was three times higher than that of the method with plants transplanted into pot
after green recovering in early spring and then grown in the unheated greenhouse condition. Embryo formation frequencies were
obviously different among wheat crosses. There was no significant difference in the frequency of embryo formation between
treatments of dipping spike with Dicamba (21.5%) and 2,4-D (21.1%). However, wheat cross had significant effect on embryo
formation. The mean frequency of embryo germination on B5 medium was 82.0%, ranging from 70.9% to 88.3%, whereas aver-
aged frequency of embryo germination was 76.6% on 1/2 MS medium, ranging from 70.0% to 86.0%. There was no significant
difference between the two culture media in embryo germination. The efficiency of doubled haploid production for the seedlings
treated with culture medium and transplanted into pot was 67.6% and 8.6%, respectively. Most of seedlings transplanted into pot
had no tiller and grew weakly; this is the reason for low frequency of survival plant and very low frequency of doubling after col-
chicine treatment.
Keywords: Wheat × maize cross; Haploid; Hormone treatment; Culture medium
小麦与玉米杂交 , 因玉米染色体与小麦纺锤体的不
亲和性 , 杂合子在最初的几次细胞分裂中会使玉米染色
体全部丢失, 产生仅有小麦21条染色体的单倍体, 经过幼
胚培养获得单倍体苗, 再经染色体加倍, 就可获得纯合双
单倍体DH (doubled haploid)[1-2]。用这种方法产生单倍体
有3个优点: 第一, 由于玉米对小麦可交配Kr基因的不敏
感, 杂交得胚率远高于小麦×球茎大麦[3-4]; 第二, 单倍体
的产生对于小麦基因型无严格的选择性 , 不同基因型的
小麦均能获得单倍体 [2,5-7], 特别是花药培养不能产生愈
伤组织或植株的小麦基因型, 在小麦×玉米中具有较高的
2248 作 物 学 报 第 39卷
胚和植株产生率[8], 这一点优于小麦花药培养; 第三, 无
白化苗产生, 无体细胞变异, 较易得到稳定的纯合单倍体,
这对于遗传研究有重要价值。单倍体育种可缩短育种年限,
提高育种效率。小麦与玉米杂交, 在杂交的当年就可获得
纯合双单倍体 , 再经一个生长季的种子繁殖就可参加产
量鉴定试验, 比常规杂交育种可缩短3~4年, 特别对于一
年一季的冬小麦尤为重要; DH群体还是遗传研究和QTL
定位研究的永久群体。因此, 该技术是产生小麦单倍体最
有效的途径。自Laurie等[9]首次获得小麦×玉米单倍体植株
后 , 国内外许多学者均进行了有关研究并应用于育种实
践[10-11]。国外利用这种方法已培育许多小麦品种在生产上
应用。如在加拿大, 从1997年开始利用DH育种技术, 至
2011年已审定小麦品种25个, 其中23个是应用小麦×玉米
DH技术培育的, 2009年DH品种种植面积占全国小麦面积
的1/3 [12]。我们从1992年开始小麦×玉米产生小麦单倍体
和双单倍体的技术研究 , 虽然在国内率先建立了利用小
麦与玉米杂交产生小麦双单倍体技术体系 , 并利用该技
术首先培育了小麦新品种 [13], 但是由于实验条件和一些
技术方面的问题 , 单倍体胚和植株产生频率以及单倍体
加倍效率还不稳定, 在育种实际应用中存在一些问题。
本文旨在研究小麦生长环境条件、不同激素处理和不
同培养基对小麦×玉米产生单倍体的影响及不同壮苗处理
方法对单倍体加倍的效果, 为利用该技术稳定、高频率产
生 DH提供参考。
1 材料与方法
1.1 植物材料
2012 年试验所用冬小麦杂种 F1代 13 个组合(表 1)均
由中国农业科学院作物科学研究所小麦品质育种课题组
组配, 玉米杂交种 CRC1引自加拿大农业与农业食品部谷
物研究中心(Cereal Research Centre, Agriculture and Agri-
Food Canada)。
1.2 去雄授粉
玉米分期种植在温室, 小麦种植在大田。为了延长杂
交时间, 在返青后将一部分组合从田间移回冷温室盆栽,
抽穗后选择开花前一天的小麦穗子去雄授粉。大田材料采
用割穗培养法, 即于去雄次日 9:00 至 10:00 从基部剪穗,
在实验室中(20~23 )℃ 授玉米花粉 , 授粉后插入 1/2 MS
(含大量和微量元素)+8 mL L−1亚硫酸+20 g L−1蔗糖营养
液, 并于 16:00 至 17:00 放入生长室, 培养条件为: 温度
18~20℃, 相对湿度 60%~70%, 光周期 16 h光/8 h暗。授
粉后 1 d, 用 100 mg L−1的 2,4-D溶液蘸穗处理杂交穗一
次; 授粉 2 d后, 第二次蘸穗处理。每隔 2 d更换一次培
养液。对于盆栽材料, 去雄后第二天上午移至实验室授粉,
16:00 至 17:00 将授粉后的材料放入生长室(生长条件同
上)。授粉后 1 d用 100 mg L−1的 2,4-D溶液蘸穗处理杂交
穗一次, 授粉 2 d后, 第二次蘸穗处理。
比较了 2,4-D和 Dicamba两种激素的效果, 其浓度均
为 100 mg L−1, 处理方法一致。
1.3 胚培养
授粉后 14~16 d, 剥取籽粒 , 在超净工作台上先用
70%酒精表面灭菌 30 s, 再用 0.1%升汞灭菌 10 min, 经无
菌水充分冲洗 3~4 次后, 于解剖镜下剥出幼胚, 分别用
1/2 MS培养基(含蔗糖 2%, 琼脂 7.5 g L−1)和 B5培养基(含
蔗糖 2%, 琼脂 10 g L−1)培养。接种后先在 4℃冰箱中(黑
暗)处理 2~3 d, 然后放在室温黑暗条件下 2 d, 最后在
20~23℃、光周期 16 h光/8 h暗条件下培养。
1.4 壮苗及春化处理
当幼苗生长到 3~5 cm时, 将一部分幼苗转入壮苗培
养基(1/2 MS+多效唑 0.5 mg L−1 + IAA 0.2 mg L−1), 在
11~15 , ℃ 每日 16 h光照条件下培养 2周; 另一部分幼苗
移栽至小花盆, 在相同温度、光照和 60%湿度条件下生长
2 周 , 每周施用适量稀释 16 倍的营养液 (N P K=∶ ∶
20 20 20) 3∶ ∶ 次。当幼苗产生 1~3个分蘖时, 在 2~6℃春
化处理 1 个月(光照 16 h d−1), 再于壮苗生长环境下生长
3~4 d, 最后进行加倍处理。
1.5 加倍处理
移出幼苗并剪掉根(留1~2 cm), 用0.2%秋水仙素溶液
+DMSO (每10 mL加1滴), 在室温、黑暗、通气条件下处
理3~4 h, 用自来水冲洗3~4 h, 然后移栽至壮苗生长环境
下缓苗2周, 再逐渐升温, 抽穗后维持在18~22 , ℃ 直到收
获。抽穗时将所有植株的穗及时套上羊皮纸袋以防异交,
收获时调查结实率, 凡结实者为加倍成功者。
1.6 统计分析
对不同激素处理试验, 随机将每3个杂交穗混合, 为
一个重复, 统计得胚率, 共3个重复, 数据经反正弦转化
后再行统计分析。对不同培养基试验, 每个组合每种培养
基6个重复 , 每重复接种6~10个胚(因为不同组合的得胚
率有差异), 按照随机区组试验统计分析。加倍处理效率
(%)=结实植株数/加倍处理植株数×100。
2 结果与分析
2.1 不同生长条件对得胚率的影响
在返青时将小麦移栽至冷温室花盆, 这样比大田早抽
穗 7 d左右, 可多一周时间与玉米杂交。但盆栽与割穗培养
两种条件下, 与玉米杂交得胚率存在明显差异(表 1)。盆栽 6
个组合得胚率在 5.8%~10.4%间, 平均 7.8%; 每个杂交穗得
胚 1.0~2.5 个, 平均 1.8 个。而割穗培养 7 个组合得胚率为
12.5%~29.6%, 平均 23.9%; 每个杂交穗得胚 3.6~8.5 个, 平
均 6.8个。小麦生长在大田, 去雄后割穗培养与玉米杂交, 平
均得胚率和每个杂交穗平均得胚数均是盆栽的 3倍以上。不
同小麦杂交组合间胚产生频率存在明显差异。
2.2 不同激素处理对得胚率的影响
Dicamba和 2,4-D处理对小麦与玉米杂交诱导单倍体
胚频率无显著影响(表 2)。Dicamba 处理 4 个组合得胚率
为 16.2%~27.8%, 平均 21.5%; 2,4-D 处理胚产生率为
第 12期 陈新民等: 小麦与玉米杂交产生小麦单倍体与双单倍体的稳定性 2249
表 1 不同生长条件下小麦×玉米得胚率
Table 1 Embryo Formation by wheat × maize method under different growing conditions
组合
Cross
授粉穗
No. of spikes
pollinated
授粉小花数
No. of florets
pollinated
得胚数
No. of
embryos
formed
得胚率
Frequency of
embryos formed
(%)
每穗胚数
No. of embryos
per spike
盆栽 Plants transplanted into pot during green recovering in early spring
中麦 175/CA0996 Zhongmai 175/CA0996 14 293 21 7.2 1.5
CA0816/石麦 15 CA0816/Shimai 15 8 210 17 8.1 2.1
CA0816/保 5067 CA0816/Bao 5067 12 276 18 6.5 1.5
CA0415/CA0477 7 120 7 5.8 1.0
轮选 987/CA9722 Lunxuan 987/CA9722 18 394 35 8.9 1.9
轮选 987/中麦 175 Lunxuan 987/Zhongmai 175 13 317 33 10.4 2.5
平均 Mean 7.8 1.8
割穗培养 Plants grown in field and then detached and hydroponically cultured after emasculation
CA0415/CA0391 20 577 71 12.3 3.6
CA0996/中麦 175 CA0996/Zhongmai 175 16 454 111 24.4 6.9
CA0998/CA0816 19 545 153 28.1 8.1
轮选 987/CA0477 Lunxuan 987/CA0477 22 654 127 19.4 5.8
轮选 987/中麦 175 Lunxuan 987/Zhongmai 175 8 228 62 27.2 7.8
CA0629/CA0816 8 224 51 22.8 6.4
扬麦 16/扬麦 15 Yangmai 16/Yangmai 15 83 2177 589 27.1 7.1
扬麦 16/中麦 895 Yangmai 16/Zhongmai 895 76 2185 647 29.6 8.5
平均 Mean 23.9 6.8
表 2 不同激素处理效应
Table 2 Effect of different hormone treatments
组合
Cross
授粉小花数
No. of florets
pollinated
颖果数
No. of
caryopses
颖果率
Frequency of
caryopses (%)
得胚数
No. of embryos
formed
得胚率
Frequency of
embryos formed (%)
100 mg L−1 Dicamba处理 Treated with 100 mg L−1 Dicamba
CA0415/CA0391 292 243 83.2 55 18.8
CA0996/中麦 175 CA0996/Zhongmai 175 178 158 88.8 41 23.0
CA0998/CA0816 259 208 80.3 72 27.8
轮选 987/CA0477 Lunxuan 987/CA0477 266 206 77.4 43 16.2
平均 Mean 82.4 21.5
100 mg L−1 2,4-D处理 Treated with 100 mg L−1 2,4-D
CA0415/CA0391 285 104 36.5 17 6.0
CA0996/中麦 175 CA0996/Zhongmai 175 276 201 72.8 70 25.4
CA0998/CA0816 286 196 68.5 81 28.3
轮选 987/CA0477 Lunxuan 987/CA0477 296 166 56.1 73 24.7
平均 Mean 58.5 21.1
6.0%~28.3%, 平均 21.1%。但是 Dicamba 处理平均膨大颖果
率(82.4%)显著高于 2,4-D处理(58.5%)。不同杂交组合间胚产
生频率存在显著差异, 以 CA0998/CA0816 组合最高(28.1%),
与 CA0996/中麦 175 组合 (24.2%) 差异不显著, 显著高于轮
选 987/CA0477 (20.5%)和 CA0415/CA0391 (12.4%)组合。
2.3 不同培养基对幼胚萌发率的影响
B5培养基平均胚萌发率是82.0%, 变幅70.9%~88.3%;
1/2 MS 培养基胚萌发率在70.0%~86.0%间 , 平均76.6%;
统计分析表明两种培养基平均胚萌发率无显著差异(表3)。不
同杂交组合间平均胚萌发率差异显著, CA0998/CA0816组
合萌发率最高 (87.2%), 显著高于组合扬麦16/扬麦15
(73.2%)和轮选987/CA0477 (73.3%), 与组合 CA0415/CA0391
(79.2%)、CA0996/中麦 175 (81.9%)和扬麦 16/中麦 895
(81.3%)差异不显著。
2250 作 物 学 报 第 39卷
2.4 不同壮苗处理方法对单倍体加倍效率的影响
壮苗培养基培养的幼苗经秋水仙素浸根加倍处理后,
存活率和加倍效率分别是 92.0%和 67.6%, 而经移栽壮苗
处理的幼苗加倍处理后存活率和加倍效率分别是 46.2%
和 8.6%, 前者分别是后者的 2.0倍和 7.9倍(表 4)。试管苗
经移栽壮苗处理后分蘖少, 生长较弱, 经加倍处理后不仅
存活率低, 而且存活者加倍率低, 这是单倍体加倍效率低
的原因。
表 3 不同培养基胚培养效果
Table 3 Effect of different culture media on embryo culture
组合
Cross
接种胚数
No. of embryos cultured
萌发胚数
No. of germinated embryos
萌发率
Frequency of germination (%)
B5培养基 B5 medium
CA0415/CA0391 37 31 83.8
CA0996/中麦 175 CA0996/Zhongmai 175 56 49 87.5
CA0998/CA0816 60 53 88.3
轮选 987/CA0477 Lunxuan 987/CA0477 55 39 76.5
扬麦 16/扬麦 15 Yangmai 16/Yangmai 15 55 39 70.9
扬麦 16/中麦 895 Yangmai 16/Zhongmai 895 54 46 85.2
平均 Mean 82.0
1/2 MS培养基 1/2 MS medium
CA0415/CA0391 35 26 74.3
CA0996/中麦 175 CA0996/Zhongmai 175 42 49 76.2
CA0998/CA0816 57 66 86.0
轮选 987/CA0477 Lunxuan 987/CA0477 50 35 70.0
扬麦 16/扬麦 15 Yangmai 16/Yangmai 15 61 46 75.4
扬麦 16/中麦 895 Yangmai 16/Zhongmai 895 53 41 77.4
平均 Mean 76.6
表 4 不同壮苗处理方法加倍效果
Table 4 Effect of different strong seedling treatments on doubling
处理方法
Method for seedling treatment
加倍处理植株数
No. of plants treated
with colechicine
存活植株数
No. of survived
plants
存活率
Survival
frequency (%)
结实植株数
Plants with
seeds
加倍效率
Efficiency of
doubling (%)
移栽壮苗处理
Transfer plantlets to pot for strong seedling
325 150 46.2 28 8.6
壮苗培养基处理
Transfer plantlets to medium for strong seedling
485 446 92 328 67.6
3 讨论
小麦与玉米杂交诱导小麦单倍体后仅有极少部分胚
有胚乳,而且胚乳总是异常并退化, 不能提供胚生长发育
所需要的营养物质[1,4], 如果不用生长素处理,让胚在植株
上生长到胚培养时, 几乎所有的胚已退化消失 [9]。因此,
生长素的处理对于维持单倍体胚生长到可以进行幼胚培
养阶段必不可少。一般常用生长素 2,4-D, 但也有人用
Dicamba[14-15]。Knox 等[16]在硬粒小麦与玉米杂交中发现
Dicamba 处理较 2,4-D 处理得胚率显著提高, 但二者使用
了不同浓度。在小麦与玉米杂交试验中未见 Dicamba 与
2,4-D 处理效果对比报道。本文对比试验表明, 在浓度均
为 100 mg L−1下, Dicamba处理较 2,4-D处理显著提高了
膨大颖果频率 , 但这两种生长素处理单倍体胚产生频率
无显著差异, 效果几乎相同。Dicamba 处理虽然膨大颖果
率高 , 但得胚率无差异 , 这会增加剥胚工作量 , 同时
Dicamba 价格是 2,4-D 的数倍。因此, 建议应用生长素
2,4-D, 既经济又高效。
小麦生长条件对提高小麦与玉米杂交得胚率有重要作
用。研究表明[17], 小麦在未通暖气的冷温室生长条件下与
玉米杂交的平均得胚率(29.9%)显著高于大田生长条件下
(3.6%), 其原因是两种环境下授粉时的温度、湿度、光照不
同。大田小麦与玉米杂交时的温度、湿度、光照不可控制,
特别是遇到阴天、低温, 得胚率会显著降低。这也是大田
不同季节或同一季节不同时间小麦与玉米杂交得胚率不稳
定的重要原因。割穗培养比大田生长条件下能显著提高得
胚率[18-21]。本研究为了延长杂交时间, 在返青后将一部分
小麦组合从大田移回冷温室盆栽, 抽穗后去雄与玉米杂交,
并与生长在大田授粉时割穗培养方法比较。割穗培养平均
得胚率是盆栽的 3 倍以上, 虽然 2 种方法所用小麦组合多
第 12期 陈新民等: 小麦与玉米杂交产生小麦单倍体与双单倍体的稳定性 2251
不相同, 但就相同的 2个组合轮选 987/中麦 175和CA0996/
中麦 175 (正反交)而言, 割穗培养平均得胚率分别是 27.2%
和 24.4%, 而盆栽者为 10.4%和 7.2%, 割穗培养远高于盆
栽。2011 年也得到相似结果(资料未列出)。两种方法授粉
时和授粉后的温度、湿度、光照相同, 只是植株的生长状
态不同。盆栽小麦植株分蘖少, 生长势弱于大田小麦, 可能
其生理生化活性如内源激素水平、酶活性等也弱于大田小
麦, 授粉受精能力较弱, 胚形成频率低; 而割穗培养植株
生长健壮, 生理生化活性强, 授粉受精能力强, 有利于胚
形成。因此, 盆栽和大田生长割穗培养两种方法得胚率之
差异, 主要由小麦植株的生长状态引起。综上所述, 小麦生
长环境条件和生长状态是小麦与玉米杂交稳定获得高频率
单倍体胚的重要因素。国外一般将小麦和玉米均种植在人
工气候室, 分期播种, 一年四季都可以杂交, 小麦生长环
境条件如温度、湿度、光照、施肥等均可以控制且保持一
致, 这样可以保证始终稳定获得高的得胚率。
小麦与玉米杂交幼胚培养一般采用 1/2 MS 培养基,
也有的用 Difco Orchid琼脂培养基和 B5培养基[2,22]。本文
比较了 B5培养基与 1/2 MS培养基幼胚培养效果, 虽然前
者较后者胚培养萌发率提高 5.4 个百分点, 但二者差异
不显著。在硬粒小麦与玉米杂交胚培养时也得到了相似
结果 [21]。因此, 在实际应用时可任选其一。
壮苗是提高小麦与玉米杂交单倍体植株加倍效率的
关键[23]。此前我们是在 6月至 7月获得单倍体苗后, 放在
4℃生长箱越夏处理 3~4 个月, 等气温降低后再移栽培育
壮苗, 最后进行染色体加倍处理, 第 2 年夏季获得 DH 种
子。为了当季就获得 DH种子, 本文比较了壮苗培养基壮
苗与移栽壮苗处理方法的加倍效果 , 结果前者加倍处理
后的存活率和加倍效率分别是后者的 2.0 倍和 7.9 倍。其
原因是前者培养的壮苗分蘖多, 生长势强, 忍耐秋水仙素
毒害能力强, 而后者壮苗效果差, 多数无分蘖, 生长势弱,
耐毒害能力差, 不仅加倍处理后存活率低, 而且存活的植
株(可能不在最适加倍期)多数未能加倍结实。结合人工生
长室, 在 6月至 7月获得单倍体苗后, 立即采用壮苗培养
基进行壮苗处理, 再经人工春化处理, 在 12 月至翌年 1
月就可获得 DH 种子, 打破休眠后立即播种大田, 覆盖塑
料布, 夏收即可获得 DH繁殖的种子。秋播大田进行农艺
性状和抗性鉴定, 筛选优异材料升入产量鉴定试验, 较常
规育种提早 3年。
在本实验室, 每获得 1000个冬小麦DH株系, 按照现
在平均每穗得胚 6.8个、胚培养萌发率 82%、加倍效率 67%
计算, 约需要 268个小麦与玉米杂交穗。在北京从杂交到
收获 DH 种子需要 7~8 个月, 并需人工生长室 15 m2, 温
室 20~30 m2, 低温春化室 15 m2。要实现育种上规模化应
用 , 可像加拿大农业与农业食品部谷物研究中心(Cereal
Research Centre, Agriculture and Agri-Food Canada) DH实
验室那样, 3个长期技工, 使用 6~7个人工气候室, 一年四
季均可杂交, 每年可生产 15 000个 DH株系。
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