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摘要结合花培育种实践,总结了水稻花药培养技术中影响培养力的主要因素,分析提出花培技术和遗传育种应用需要深入研究的问题,并对水稻花培的发展作了初步探讨。
关键词水稻;花药培养;影响因素;存在问题;对策;展望
中图分类号S511.035.3文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0059-01
水稻花药培养是当今生物技术育种中较为成熟、实用、快速、有效的育种新技术,水稻花药培养育种主要特点表现为缩短育种周期、提高选择效率、加速有效性状转移等。自1968年日本科学家新关和大野首次获得水稻花培植株后,水稻花培育种受到各国育种家的普遍重视,利用该技术选育出的水稻新品种逐年增多,推广面积大幅度增加,创造了巨大的社会效益和经济效益。我国于20世纪70年代开始花药培养育种,现已取得了巨大的成就,处于世界領先地位。笔者总结了花培技术中影响培养力的主要环节,提出需进一步研究的问题,并对该技术今后的发展作一些初步探讨。
1影响水稻花药培养力的因素
1.1材料的选择
基因型是影响水稻花培培养力的最重要的因素。一般认为粳稻培养效率较高,籼粳杂交后代居中,籼稻培养力极低。但研究表明,即使同为粳稻或籼稻杂交稻,由于基因型的差异,不同品种的花培效率也有很大区别[1]。因此,供体品种的选择对提高花培的培养力特别重要。
1.2取穗时期
单核靠边期是水稻花培最好的时期,此时颖花呈黄绿色,花药伸长至颖壳1/3～1/2。但实际操作中不可能对每1穗都进行剥苞观察或镜检,经实践探索,以稻苞抽出的叶枕距长短为标准,可减少污染几率,减轻工作量。不同组合(类型)的最适叶枕距有明显差异,一般密穗型品种为5cm左右,半矮生型品种10cm左右,早熟或特早熟类型品种约3cm左右[2]。取穗时间一般选择在晴天早晨露水未干时或傍晚,以尽量减少幼穗水分的散失,这对保持花药的生理活性和提高培养力有一定的作用。
1.3低温预处理
在单核靠边期进行低温预处理是有效提高花培效率的常规手段,其作用主要是改善花粉的生理状态、延缓花粉的退化、提高内源激素的水平、启动雄核发育,不同材料冷处理的最适时间和最适温度稍有不同。肖国樱[3]认为,低温预处理20d内,时间越长,效果越好;张连平等[4]却认为10℃下低温预处理8d效果好于4d,超过10d,效果下降。一般晚粳稻以8～10℃处理7～15d,不超过20d为宜。
1.4基本培养基
继最初使用Miller培养基进行花培成功后,通过大量试验及比较,迄今已获得适合各种不同水稻花培材料的培养基,如适合粳稻的N6、籼稻的合5、籼粳杂种的SK3以及对籼、粳稻都有较好效果的通用和M8培养基等[5]。为简化培养手续、缩短培养时间、降低成本和提高效率,一般采用一次成苗法。N6大量与MS微量相结合,添加适当浓度的KT、NAA、2,4-D、甘氨酸等,也取得较好效果。另外,现行的“倒药接种法”极易形成花药重叠,引起花药诱导分化快慢不一,互相抢夺营养成分,因此一次成苗法的花药接种数量要比多次成苗法减少30%左右,可提高诱导率、绿苗率。
1.5培养条件
水稻花培一般分为2个阶段,即暗培养与光培养。颜昌敬[6]认为暗、光培养的温度以26~28℃为好。籼稻的暗培养以25℃左右为最佳,过高会产生大量白化苗,且诱导的愈伤组织结构疏松、分化较差;光培养最适温度为25~27℃,过高白化苗率增大,对绿苗生活力也有明显的影响。一般采用光照度2 000Lx,时间12h,以日光灯照射为主。愈伤组织从暗培养转入光培养时间对绿苗率也有一定影响,过早转移,组织块营养贫乏,再分化率较低,出苗率低;过迟转移,则组织老化,颜色变暗或褐化,表面长出细小的白色的芽,难以继续分化或分化出白化苗,一般应在3～5mm时转移为宜。
2花药培养存在的问题及对策
2.1花药培养力低
虽然水稻花培已成为水稻育种的成熟手段,但仍存在不少技术难题与理论问题,其中最主要的问题是花药培养得苗率低、白化苗较多,尤其是籼稻的得苗率更低,只有1.0%~1.5%。由于水稻花培存在明显的基因型差异,每一个环节都会对花药培养效率造成影响。这就要求一方面选择好的接种材料,优化培养条件,提高接种材料的花粉植株诱导率;另一方面加强基础研究,采用分子标记手段,将控制花培能力的有关数量性状基因组合在一起,从根本上解决花培效率低的问题。
2.2花药培养的局限性
按概率理论,基于相同的优良性状重组频率,可供选择的群体越大,获得优良性状重组单株的可能性就越大。对花培育种来说,优良单株的选择仅是H1群体,且往往是1个有限的群体,H2代已成为纯合株系,再次选择已无效,这是花药培养的局限。一般选用F3 或F4 代材料进行花培,将增加优良基因型的频率和花培后代的入选率,提高花培育种效率;或者,在F1花培采取“多组合、少数量”的策略,先测定组合的培养力,同时种植F2,在单株选择后,取培养力高的组合的后代进行花培来提高花培的效率[7]。
3展望
一直以来,花药培养育种的重点,仅在于缩短育种周期,提高选择效率,而对于其他方面的应用则重视不够。因此,进一步拓宽花培育种的应用领域,将是今后工作的努力方向。一是在花药培养中获得变异体的频率较高,因此加强花培技术中的各种诱变处理,建立诱导突变体的筛选体系是创造新变异、开展诱变育种的一个主要方法。二是从加强花培体系中关键技术和培养对象遗传机理等方面进行深入研究,建立完善的花培育种体系,克服花培育种的局限性,将使花培具有更广阔的应用前景。三是将花培与基因工程相结合,促进基因工程中有利性状的稳定,建立基因工程花培育种体系,将为花培育种开创一个崭新的局面。
4参考文献
[1] 陈红,秦瑞珍.水稻花药培养过程中各种影响因子的研究进展[J].中国农业科技导报,2007,9(3):52-56.
[2] 王淑珍,姚坚.水稻花培育种的实践与探索[J].上海农业科技,2005(4):16-17.
[3] 肖国樱.水稻花药培养研究进展[J].杂交水稻,1992(2):44-46.
[4] 张连平,张丽娟.提高水稻花培综合效益研究[J].北京农业科学,1999,17(4):14-16.
[5] 柳美南,钟海明,陈绵桥,等.水稻花药培养及其应用[J].现代农业科技,2008(17):234-236.
[6] 颜昌敬.植物组织培养手册[M].上海:上海科学技术出版社,1990.
[7] 季彪俊,陈启峰,黄群策,等.水稻花药培养技术的总结与探讨[J]. 福建农业大学学报,2001,30(1):22-28.
关键词水稻;花药培养;影响因素;存在问题;对策;展望
中图分类号S511.035.3文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0059-01
水稻花药培养是当今生物技术育种中较为成熟、实用、快速、有效的育种新技术,水稻花药培养育种主要特点表现为缩短育种周期、提高选择效率、加速有效性状转移等。自1968年日本科学家新关和大野首次获得水稻花培植株后,水稻花培育种受到各国育种家的普遍重视,利用该技术选育出的水稻新品种逐年增多,推广面积大幅度增加,创造了巨大的社会效益和经济效益。我国于20世纪70年代开始花药培养育种,现已取得了巨大的成就,处于世界領先地位。笔者总结了花培技术中影响培养力的主要环节,提出需进一步研究的问题,并对该技术今后的发展作一些初步探讨。
1影响水稻花药培养力的因素
1.1材料的选择
基因型是影响水稻花培培养力的最重要的因素。一般认为粳稻培养效率较高,籼粳杂交后代居中,籼稻培养力极低。但研究表明,即使同为粳稻或籼稻杂交稻,由于基因型的差异,不同品种的花培效率也有很大区别[1]。因此,供体品种的选择对提高花培的培养力特别重要。
1.2取穗时期
单核靠边期是水稻花培最好的时期,此时颖花呈黄绿色,花药伸长至颖壳1/3～1/2。但实际操作中不可能对每1穗都进行剥苞观察或镜检,经实践探索,以稻苞抽出的叶枕距长短为标准,可减少污染几率,减轻工作量。不同组合(类型)的最适叶枕距有明显差异,一般密穗型品种为5cm左右,半矮生型品种10cm左右,早熟或特早熟类型品种约3cm左右[2]。取穗时间一般选择在晴天早晨露水未干时或傍晚,以尽量减少幼穗水分的散失,这对保持花药的生理活性和提高培养力有一定的作用。
1.3低温预处理
在单核靠边期进行低温预处理是有效提高花培效率的常规手段,其作用主要是改善花粉的生理状态、延缓花粉的退化、提高内源激素的水平、启动雄核发育,不同材料冷处理的最适时间和最适温度稍有不同。肖国樱[3]认为,低温预处理20d内,时间越长,效果越好;张连平等[4]却认为10℃下低温预处理8d效果好于4d,超过10d,效果下降。一般晚粳稻以8～10℃处理7～15d,不超过20d为宜。
1.4基本培养基
继最初使用Miller培养基进行花培成功后,通过大量试验及比较,迄今已获得适合各种不同水稻花培材料的培养基,如适合粳稻的N6、籼稻的合5、籼粳杂种的SK3以及对籼、粳稻都有较好效果的通用和M8培养基等[5]。为简化培养手续、缩短培养时间、降低成本和提高效率,一般采用一次成苗法。N6大量与MS微量相结合,添加适当浓度的KT、NAA、2,4-D、甘氨酸等,也取得较好效果。另外,现行的“倒药接种法”极易形成花药重叠,引起花药诱导分化快慢不一,互相抢夺营养成分,因此一次成苗法的花药接种数量要比多次成苗法减少30%左右,可提高诱导率、绿苗率。
1.5培养条件
水稻花培一般分为2个阶段,即暗培养与光培养。颜昌敬[6]认为暗、光培养的温度以26~28℃为好。籼稻的暗培养以25℃左右为最佳,过高会产生大量白化苗,且诱导的愈伤组织结构疏松、分化较差;光培养最适温度为25~27℃,过高白化苗率增大,对绿苗生活力也有明显的影响。一般采用光照度2 000Lx,时间12h,以日光灯照射为主。愈伤组织从暗培养转入光培养时间对绿苗率也有一定影响,过早转移,组织块营养贫乏,再分化率较低,出苗率低;过迟转移,则组织老化,颜色变暗或褐化,表面长出细小的白色的芽,难以继续分化或分化出白化苗,一般应在3～5mm时转移为宜。
2花药培养存在的问题及对策
2.1花药培养力低
虽然水稻花培已成为水稻育种的成熟手段,但仍存在不少技术难题与理论问题,其中最主要的问题是花药培养得苗率低、白化苗较多,尤其是籼稻的得苗率更低,只有1.0%~1.5%。由于水稻花培存在明显的基因型差异,每一个环节都会对花药培养效率造成影响。这就要求一方面选择好的接种材料,优化培养条件,提高接种材料的花粉植株诱导率;另一方面加强基础研究,采用分子标记手段,将控制花培能力的有关数量性状基因组合在一起,从根本上解决花培效率低的问题。
2.2花药培养的局限性
按概率理论,基于相同的优良性状重组频率,可供选择的群体越大,获得优良性状重组单株的可能性就越大。对花培育种来说,优良单株的选择仅是H1群体,且往往是1个有限的群体,H2代已成为纯合株系,再次选择已无效,这是花药培养的局限。一般选用F3 或F4 代材料进行花培,将增加优良基因型的频率和花培后代的入选率,提高花培育种效率;或者,在F1花培采取“多组合、少数量”的策略,先测定组合的培养力,同时种植F2,在单株选择后,取培养力高的组合的后代进行花培来提高花培的效率[7]。
3展望
一直以来,花药培养育种的重点,仅在于缩短育种周期,提高选择效率,而对于其他方面的应用则重视不够。因此,进一步拓宽花培育种的应用领域,将是今后工作的努力方向。一是在花药培养中获得变异体的频率较高,因此加强花培技术中的各种诱变处理,建立诱导突变体的筛选体系是创造新变异、开展诱变育种的一个主要方法。二是从加强花培体系中关键技术和培养对象遗传机理等方面进行深入研究,建立完善的花培育种体系,克服花培育种的局限性,将使花培具有更广阔的应用前景。三是将花培与基因工程相结合,促进基因工程中有利性状的稳定,建立基因工程花培育种体系,将为花培育种开创一个崭新的局面。
4参考文献
[1] 陈红,秦瑞珍.水稻花药培养过程中各种影响因子的研究进展[J].中国农业科技导报,2007,9(3):52-56.
[2] 王淑珍,姚坚.水稻花培育种的实践与探索[J].上海农业科技,2005(4):16-17.
[3] 肖国樱.水稻花药培养研究进展[J].杂交水稻,1992(2):44-46.
[4] 张连平,张丽娟.提高水稻花培综合效益研究[J].北京农业科学,1999,17(4):14-16.
[5] 柳美南,钟海明,陈绵桥,等.水稻花药培养及其应用[J].现代农业科技,2008(17):234-236.
[6] 颜昌敬.植物组织培养手册[M].上海:上海科学技术出版社,1990.
[7] 季彪俊,陈启峰,黄群策,等.水稻花药培养技术的总结与探讨[J]. 福建农业大学学报,2001,30(1):22-28.