摘要
玉米单倍体育种技术是通过一定方法获得单倍体后，经染色体加倍得到纯合双单倍体(DH)系并用于育种的手段。该技术仅需要2代就能得到稳定、纯合的自交系，大大缩短育种周期。单倍体的产生、鉴定和加倍是此技术的最关键环节，每个环节都影响着该技术的应用效率;随着近几年不断的研究，单倍体的产生频率和鉴定效率得到了极大的提高，然而单倍体加倍环节仍是目前单倍体育种技术的瓶颈。目前单倍体加倍主要是利用化学药剂处理进行加倍，然而在化学药剂的处理过程中会对单倍体产生毒害作用，影响单倍体加倍效率，且操作过程中需要消耗大量的人力、物力和财力;另外，化学药剂对人和环境同样具有一定程度的危害。因而，探索简单、高效、安全、快捷的单倍体自然加倍方法意义重大。单倍体雄花育性恢复是制约单倍体自然加倍的关键因素，前人研究结果表明其雄穗育性恢复与亲本材料的种质相关，主要受母本基因型控制。本研究拟从不同杂种优势类群种质中筛选出其相应单倍体雄花育性差异显著的自交系，以此构建F2∶3定位群体，定位控制单倍体雄花育性恢复的QTL,并对主效QTL进行初步精细定位，为解析单倍体雄花育性恢复的遗传机理奠定基础;同时，从该群体多世代家系中筛选单倍体雄花育性恢复稳定的极端类型（极高或极低）材料，以此进行花药发育过程的形态学和细胞学观察，以期明确单倍体雄花自然加倍的细胞学机制。主要研究结论如下: 1.从5大杂种优势类群中挑选具有代表性的优良自交系24个，通过诱导系YHI-1诱导产生单倍体，在三个不同环境条件下对其雄穗育性自然恢复能力进行评价，结果表明兰卡斯特和瑞德类群的平均单倍体育性恢复能力最高，分别为23.72％和23.61％;而旅大红骨类群的单倍体育性恢复率最低，仅为7.34％。在此基础上，鉴定了三个单倍体雄穗育性自然恢复率较高的自交系4F1、K22和C87-1，恢复率依次为84.8％、7342、60.78％。 2.利用单倍体雄穗育性恢复差异显著的两个自交系郑58和K22构建了包含285个F2∶3家系的单倍体群体，然后对雄穗育性恢复基因及雄穗分枝数进行QTL定位分析。在两个不同环境下，共同检测到25个QTL，其中包括3个雄花育性恢复相关的QTL和3个单倍体雄穗分枝数相关的QTL在两个环境中被同时检测到。qHMF3b具有较大的效应值，是一个控制单倍体雄花育性恢复的主效QTL位点，区间大小为17.2cM。以低恢复率亲本郑58为轮回亲本，借助于主效qHMF3b位点两端标记的辅助选择，经过多代回交构建qHMF3b近等基因系。开发目标区间内新的多态性SSR标记和InDel标记，进一步将qHMF3b定位于bnlg1117和ID3两标记之间，约3.9Mb。 3.利用郑58和K22组配的不同世代家系的单倍体群体，在4个不同环境条件下对其雄穗育性恢复能力进行了鉴定和评价，结果表明早代诱导出的单倍体育性恢复率要高于晚代，而同一世代的单倍体在适宜的生长环境中更利于其自然加倍;单倍体育性恢复率在60％以上材料，主要受自身基因型遗传调控，受环境因素影响较小;而自然恢复率在10％以下的材料不仅与自身基因型有关，还与环境因素存在显著的互作效应。进而筛选到两个单倍体雄穗育性恢复率稳定的极端类型:高频恢复材料No.36和低频恢复材料No.7，二者单倍体的恢复率分别为92.62％和0％。并通过动态变化分别对比两者与正常二倍体花药发育形态以及减数分裂不同时期之间的细胞倍性和染色体形态，发现No.36单倍体花粉母细胞存在三种机制能够产生正常配子，主要包括小孢母细胞的早期加倍、减数第一次分裂中期染色体偏分布及胞质融合，这些都是导致其雄花育性恢复的原因。其中小孢母细胞减数第一次分裂中期的染色体的偏分布是一种新的细胞学机制，可能是导致No.36单倍体雄花育性高频恢复的最关键因素。用流式细胞仪对单倍体和正常二倍体的叶片和花粉母细胞进行倍性分析的结果表明，单倍体体细胞加倍和生殖细胞加倍是两个独立的过程。这为单倍体雄花育性恢复的生物作用机制研究提供了有价值的参考依据。 4.利用郑单958的DH家系，对玉米穗部性状进行QTL分析，两年在长葛和淇县4个不同环境下共检测到49个有关穗部性状QTL和24对上位互作QTL。通过联合QTL分析在两个不同地点共检测到21个有关QTL。综合分析发现位于染色体bin2.02、2.05-2.06和6.05上存在3个主要的QTL热点区域，标记区间分别为umc1165-bnlg1017，umc1065-umc1637和nc012-bnlg345，。这3个热点区域包含多环境下共同检测到QTL和穗部多性状的QTL，这将为基因精细定位、分子标记辅助选择以及遗传改良提供重要理论依据。
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