激素诱导玉米单倍体形成的分子生物学研究

单倍体育种技术具有加速育种进程的突出优势，已成为玉米育种关键性核心技术并在国外广泛应用，成为国外一些大公司玉米商业育种的主要手段。但由于单倍体自然发生频率低，且卵细胞如何发育形成单倍体的机理也十分不明确，目前我国仍难以利用此技术规模化育种。针对这一问题，本项目拟利用引自美国的高效单倍体诱导系和国内50份综合性状优良的普通玉米系为基础材料，从50份普通玉米系中筛选出单倍体产生频率高的玉米系；然后分离其卵细胞，用玉米素、萘乙酸等激素对卵细胞进行体外处理，分析激素对卵细胞Ca2+震荡、发育及基因的影响；进而刺激或阻断Ca2+信号，分析Ca2+信号受调控后激素对卵细胞发育和相关基因的影响，以揭示激素诱导卵细胞发育成单倍体胚的机制，为利用单倍体育种技术加速我国玉米育种进程提供材料和理论依据。

单倍体育种技术具有加速育种进程的突出优势，已成为国外一些大公司玉米商业育种的主要手段。通过项目实施，开展的主要研究及成果如下：. （1）研究单倍体产生频率，结果表明不同玉米主产区自交系的单倍体产生频率存在一定差异，表现为青藏高原玉米区（8.34%） > 北方春播玉米区（5.16%） > 南方丘陵玉米区（5.14%） = 西南山地玉米区（5.14%） > 西北灌溉玉米区（2.93%）；不同杂种优势群自交系的单倍体产生频率大小不同，表现为兰卡斯特群（5.64%） > Suwan群（5.53%） > 瑞得群（5.43%） > 旅大红骨群（4.96%） > 四平头群（2.76%）；温带自交系的单倍体产生频率为5.17%，明显高于热带自交系的单倍体产生频率（3.63%），说明单倍体产生频率因母本的遗传背景不同存在较大差异。此外，筛选出单倍体产生频率高的玉米系Y46和MON2，其单倍体产生频率分别为10.55%和8.54%。. （2）优化玉米卵细胞的分离条件，结果表明10%甘露醇、0.04% CaCl2、1% BSA、0.3%Y-23果胶酶、0.8%果胶酶、0.5%纤维素酶和0.5%半纤维素酶为玉米卵细胞的最佳分离条件，在此条件下4 h可能从80个玉米幼穗籽粒中分离出13个左右的卵细胞。从形态学方面阐明了激素和Ca2+信号对玉米单倍体形成具有重要影响。. （3）从内源激素的累积角度分析了单倍体的形成机理，结果表明在诱导系诱导后，玉米自交系胚珠的内源IAA和GA3含量在12 h -24 h均有一个共同的急剧下降时期，特别是在诱导后24 h其IAA和GA3含量均为0，说明诱导后24 h是玉米单倍体形成的关键时期。与正常授粉相比，经诱导系诱导后，激发了玉米自交系胚珠在12 h -24 h对IAA和GA3的快速消耗，诱导玉米胚珠的发育提前，这可能是玉米单倍体形成的重要原因之一。. （4）本研究中因干旱问题，导致大田种植的诱导系因苗期干旱敏感性造成开花延迟，与普通玉米自交系花期不遇，因此未能进行成功诱导，而温室种植的材料长势极弱，得到的试验材料很少，加之玉米卵细胞的提取是显微操作，而且随后的卵细胞离体培养成活机率极低，技术难度很大，未能从卵细胞中提取足够开展后续研究所需的DNA的量，因此未未完成从分子生物学角度分析激素诱导卵细胞发育成单倍体胚的机制研究内容。