[发明专利]玉米单倍体诱导系的选育方法及其应用

说明书

本发明属于农作物领域，尤其涉及玉米单倍体诱导系的选育方法及其应用。主要公开了一种选育玉米单倍体诱导系的方法，即通过选取玉米资源库中的单倍体诱导系与早期幼胚为紫色的材料进行杂交后，接着多代回交，再自交得到玉米单倍体诱导系。本发明公开的方法能够快速选育综合性状好、诱导率高、适宜单倍体早期幼胚挑选的玉米单倍体诱导系。

技术领域

本发明属于农作物领域，尤其涉及玉米单倍体诱导系的选育方法及其应用。

背景技术

自交系的创制和筛选是玉米杂交育种的核心，常规的杂交和多轮回交方法需要六代回交和两代自交共八个世代才能获得纯合率高于99％的稳定自交系，耗时数年，成本高，周期长。近年来发展的玉米单倍体加倍技术，通过用单倍体诱导系的花粉与优质遗传资源材料杂交，产生的部分后代被诱导成为单倍体，之后在这些单倍体胚萌发成苗的特定阶段用秋水仙素等细胞分裂抑制剂处理，诱导染色体组加倍，成长为二倍体植株并自交授粉结实，仅需要两个世代就获得纯合率为100％的双单倍体(Doubled haploid，DH)自交系，最大限度加快了玉米自交系的创制时间，极大地降低了成本，逐渐在玉米杂交育种中得到广泛应用。如果在幼胚发育阶段即挑选单倍体胚进行染色体加倍，体外培养成苗后自交授粉结实，则仅需要一个半世代就能获得纯合的双单倍体(Prasanna et al.,2012；Prigge andMelchinger2012；Ren et al.,2017)。

常用的玉米单倍体诱导系材料大多来源于Stock6突变体并携带花青素合成基因R1-nj，依靠花青素在胚和胚乳中区别性表达鉴别单倍体胚(Dellaporta et al.,1988；Eder and Chalyk2002；Zhang et al.,2008)。由于诱导系本身的基因缺陷，造成诱导系亲本来源的染色体在部分合子减数分裂过程中完全丢失，产生的后代种子含单倍体胚，仅携带被诱导材料亲本的一套染色体，不携带花青素合成基因R1-nj，因而不能表达积累花青素而为无色胚；胚乳作为三倍体则携带诱导系来源的R1-nj基因，可表达积累花青素而呈现紫色(Eder and Chalyk2002；Prasanna et al.,2012；Prigge and Melchinger 2012；Ren etal.,2017)，盾片(即胚乳)紫色而胚无色的种子为单倍体。因为玉米花青素合成受多个基因的复杂调控，在不同马齿粒型及硬杆型遗传背景的材料中R1-nj基因表达情况不同，如果诱导系的R1-nj基因在胚或胚乳中的表达容易受母体材料抑制，会直接影响单倍体胚的准确鉴别，因此选用诱导率高，花青素在胚中表达好的诱导系对双单倍体技术在玉米育种中的成功应用至关重要。

近期的研究揭示了玉米单倍体诱导系的基因缺陷是在花粉粒特异表达的一个磷酸酯酶基因ZmPLA的3’端编码序列中插入了四个碱基，造成移码突变和提前终止，突变后的磷酸酯酶功能降低(Gilles et al.,2017；Liu et al.,2017)，导致减数分裂过程中诱导系的染色体丢失，产生部分单倍体胚。据此原理可以用基因编辑技术敲除突变该磷酸酯酶基因，创制不同遗传背景的玉米单倍体诱导系，或水稻等其它作物的单倍体诱导系，将单倍体加倍技术在其它作物育种中推广应用(Yao et al.,2018)。

由于单倍体是卵子受精后已经进入合子中的诱导系精子染色体逐渐丢失造成的，父本基因有一定时间表达并发挥功能，因此诱导系父本携带的基因编辑载体可以在丢失之前表达，并对母本的目标基因进行编辑，经染色体加倍处理，最终产生不带任何诱导系遗传物质的基因编辑双单倍体系(Kelliher et al.,2019；Wang et al.,2019)。因为用玉米花粉授粉小麦的远源杂交可以诱导小麦产生单倍体，基于同样原理可以用转基因玉米花粉诱导小麦单倍体和定点基因突变编辑(Budhagatapalli et al.,2020)。