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第26卷 第5期 作　物　学　报 V ol. 26, N o. 5
2000 年9月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA Sep. , 2000
玉米高频率孤雌生殖单倍体诱导系的选育与鉴定X
刘志增XX　宋同明
(中国农业大学植物科技学院　北京 100094)
提　要　本试验从单倍体诱导系 Stock6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 Syn695yg 为测验种, 高诱1号的诱导率达5. 8% , 较 Stock6高出5倍; 同时其籽
粒N avajo 标记较之 Stock6更加明显, 而且还结合了ABP1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; 高诱1号
The Breeding and Iden tif ica tion of Haplo id Inducer with H igh Frequ-
ency Parthenogenesis in M a ize
L IU Zh i2Zeng　SON G Tong2M ing
(College of P lant S cience and T echnology , China A g ricultural U niversity. B eij ing 100094)
Abstract　T h rough successive testcrosses and selections in subsequen t generations of a hybrid
betw een hap lo id inducer Stock6 and Beijing H igh O il population (BHO ) , w e have developed the
first parthenogenesis hap lo id inducer2CAU Inducer in Ch ina. In six teen testcrosses w ith CAU
Inducer as po llinato r, the induced hap lo id percen tages w ere determ ined. T he frequency of
hap lo id induced from inbred 411 w as the h ighest (9. 2% ) , and that from inbred H 4 w as the
low est (1. 92% ). T he average percen tage of hap lo id induced from all of the six teen m aterialsw as
5. 34%. W ith virescen t inbred line Syn695yg as hap lo id tester, the percen tage of hap lo id induced
by CAU Inducer w as 5. 8% , about six tim es as that induced by Stock6. A part from more
obvious N avajo m arker than that of Stock6, CAU Inducer also has purp le p lan t m arker
conditioned by A B P l genes and large germ face. M oreover, w ith its large po llen shedding and
easy p ropagation, CAU Inducer is a good m aterial fo r parthenogenesis hap lo id inducing.
Key words　M aize; Parthenogenesis hap lo id; H ap lo 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 Stock6以来[ 1 ] , 育种家利用 Stock6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, Stock6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 avajo 遗传标
X
XX 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
国家自然科学基金项目 (39570439)

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 Stock6中衍生出了一些
新的诱导系, 如法国的 SW 14[ 2 ]、俄罗斯的 K rasnodar M arkers[ 3 ]和摩尔多瓦的 ZM S [ 4 ]等。这
些诱导系的利用价值已经大大超出 Stock6。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 Stock6的改良入手。虽然 Stock6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 Stock6引自美国玉米遗传合作社, 它带有两个标记性状: 籽粒
N avajo 斑纹, 由A 1A 2C1C2R 2n j 互补基因控制; 和紫色植株, 由A 1A 2C2BP1互补基因控制。
这两个标记性状对于绝大部分玉米材料表现为显性。BHO 是本实验室的一个高油改良群体,
胚面很大。它与 Stock6杂交后籽粒 N avajo 斑纹标记 (胚部) 达3级, 植株呈深紫色, 是与
Stock6杂交组合中籽粒标记较深的少数几个组合之一。于是我们利用 (BHO×Stock6) 的后代
分离群体作为选系的基础群体。
1. 2　后代处理程序
对于 (BHO×Stock6) 的分离后代 S1～ S5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 avajo 标记、植株ABP1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 S2代开始选择。籽粒
N avajo 标记按7级标准划分[ 5 ]。
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 avajo 标记和ABP1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 Syn695yg 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 avajo 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 avajo 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
Syn695yg 测验种中所选得的“单倍体”种植于温室营养钵中, 出苗后, 单倍体表现为黄苗, 而
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ABP1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ö 测交结实粒数×100%
1755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　　　　　　　　　　

1. 4　诱导系诱导单倍体的效率
1998年冬在海南以育成的孤雌生殖单倍体诱导系 高诱1号为授粉者, 给 Syn695、
411、478w x、230、531、H 4、黄野4、白107、水6、海218、N 971431×8、230×411、Syn695×
411、H 4×Syn695、411×丹340、农大368、H 4×Syn695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。
2　结果与分析
2. 1　单倍体诱导性状的选择
通过对 (BHO ×Stock6) 后代 S2～ S4连续3代的诱导率测定发现, S2代中优良标记穗行
(BHO×Stock6) (2) 22的第5株具有0. 55% 的单倍体诱导率 (见表1) , 是 S2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 percentage of haplo id induced by China
Agr icultural Un iversity (CAU) Inducer fam ily
世代
Generations
系谱
Pedigree
单倍体数
Hap lo ids
测交粒数
Testcross kernels
诱导率 Percentage of
hap lo id induced (% )
S2 B ö S (2) 2225 7 1271 0. 55
S3 B ö S (2) 222521 34 1170 2. 91
B ö S (2) 222525 9 712 1. 26
B ö S (2) 222527 6 662 0. 91
B ö S (2) 222528 17 540 3. 15
B ö S (2) 2225210 16 1311 1. 22
平均 A verage 1. 87
S4 B ö S (2) 22252821 8 703 1. 14
B ö S (2) 22252823 76 1872 4. 06
B ö S (2) 22252824 17 377 4. 51
B ö S (2) 22252825 33 807 4. 09
B ö S (2) 22252826 31 967 3. 21
B ö S (2) 22252827 54 914 5. 91
B ö S (2) 222528210 16 341 4. 69
B ö S (2) 222528211 38 1108 3. 43
B ö S (2) 222528212 88 1958 4. 49
B ö S (2) 222528213 33 567 5. 82
B ö S (2) 222528214 35 567 6. 17
平均 A verage 4. 21
　注: (1) B ö S (2)表示 (BHO×Stock6) F1的第2个自交株; (2) 单倍体测验种为 Syn695yg。
　Note: (1) B ö S (2) m eans the second selfed p lant of (BHO×Stock6) F1; (2) the hap lo id
tester is Syn695yg.
的单株之一。对其 S3
穗行 (BHO × Stock6 )
( 2) 2225中的紫色植株
进一步测定, 单株单倍
体诱导率介于0. 91%～
3. 15% , 这是所有 S3
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 avajo 标记已经
不再分离并且保持了
BHO 亲本大胚面的特
点。至 S4代, 上述诱导
率最高的 S3单株 (BHO
×Stock6) (2) 222528的
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 S4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 ×Stock6) (2) 222528213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 Stock6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
Stock6高出5倍之多。
2. 2　遗传标记性状的选择
从 S1代开始, 对于籽粒N avajo 斑纹和紫色植株标记逐代进行严格筛选。在 S2代穗行
(BHO×Stock6) (2) 22中, 所有自交果穗的籽粒均具有N avajo 斑纹标记, 表明该穗行中控制
籽粒N avajo 斑纹的互补基因A 1A 2C1C2R 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
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系 N avajo 斑纹标记的不断选择, 已经使胚部标记从 S2代的3级提高到 S4代的4级。由
A 1A 2BP1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 S5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 avajo 斑纹标记和紫色植株标记, 其N avajo 斑纹标记由供体亲本 Stock6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。这对于表型易受影响的N avajo 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号还具有花粉量大、结实性好、抗病性强等特点, 因
此, 在各个方面均超越了原始单倍体诱导系 Stock6。
2. 3　高诱1号诱导单倍体的效率
高诱1号与16个自交系和杂交种的测交鉴定结果表明, 通过籽粒N avajo 斑纹标记并结合
大胚面标记可直接鉴别出大部分单倍体籽粒, 但由于N avajo 标记易受环境和遗传背景的影
响, 因此在有些情况下单靠籽粒标记来鉴别单倍体会产生较高的误选率。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ABP1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 avajo
表2　　高诱1号诱导单倍体的频率
Table 2　　Frequenc ies of haplo id induced by CAU Inducer
材料
M aterials
取样穗数 Ears
samp led
单倍体数
Total
hap lo ids
测交粒数 Total
testcrossed
kernels
平均诱导率A verage
　percentage of hap lo id
induced (% )
411 11 106 1121 9. 2
411 ö 230 13 227 2729 8. 65
Syn695 12 143 1870 8. 01
411 ö Syn 695 11 263 3562 7. 4
海218 Hai 218 6 56 870 7. 03
水六 Shuiliu 7 40 699 6. 02
411 ö 340 7 145 2835 5. 5
N 971431 ö 8 13 187 3792 4. 93
H 4 ö syn695 6 64 1424 4. 67
531 8 95 2028 4. 64
农大368 CAU 368 12 194 4129 4. 63
白107 Bai 107 12 88 2351 3. 76
230 7 31 822 3. 76
478w x 14 54 1712 3. 2
黄野四 Huangyesi 14 28 1369 2. 19
H 4 11 31 1641 1. 93
平均 A verage 5. 34
标记不同, 在各种遗传
背景下均能正常表达,
因此, 利用紫株标记即
可对单倍体进行准确
鉴定。但是紫株标记的
应用远不如N avajo 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、Syn695和411×
230中诱导单倍体的频
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.
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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 Stock6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 avajo 斑纹标
记、ABP1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 Stock6, 以 Syn695yg 为测验种
其单倍体诱导率较 Stock6提高5倍之多。
通过对单倍体诱导率的鉴定表明, 高诱1号对不同基因型材料均能诱导产生单倍体, 但
其诱导效率与被诱导材料的基因型有很大关系, 不同母本基因型对单倍体诱导率的影响相差
数倍。Chase 认为这种影响是由于母本基因型所产生的雌配子中有害基因的频率不同所造成
的[ 6 ]。但在本试验的不同测交组合中并未发现结实率有明显差异, 因此推测诱导率的差异似
乎更与母本材料相对于诱导系的环境作用有关。在本试验中, 高诱1号对16个基因型的平均
诱导率为5. 34%。如果以被诱导材料 (一般为杂交种或改良群体) 的结实粒数为450粒计算,
则每个杂交诱导穗可获得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 avajo 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 2Bz1Bz2C1C2R 2n j7个必须的显性互补基因外, 还有 P r1和 in 等修饰基因, C1、R 1、Bz1、
Bz2、P r1和R 2n j 等基因则具有剂量效应[ 7～ 8 ]。在诱导系的选育中N avajo 标记逐代加深的原因
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 avajo 标记而言, 是一个很好的补
充。试验结果表明, 利用由ABP1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 avajo 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
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2　L asherm es, P, M Beckert. T heor A pp l Genet, 1988, 76: 405～ 410
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4　Chalyk S T. E uphy tica, 1994, 79: 13～ 18
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