Potential,constraints and applications of in vitro methods in improving grain legumes

Grain legumes, the important constituents of sustainability‐based cropping systems and energy‐limited vegetarian diets have long been the subject of scientific research. Tremendous technological strides were made in the so‐called orphan crops, in terms of both varietal improvement and generation of basic information. Despite recalcitrancy and high genotype dependency, in vitro culture techniques such as organogenesis, in vitro mutagenesis, embryo rescue and in vitro gene transfer have been deployed for improvement of several grain legumes and these played an important role in introgression of desirable genes from related and distant species and creation of additional genetic variability. Stable and reproducible regeneration protocols resulted in the development of genetically modified chickpea, pigeon pea, cowpea, mungbean, etc., while embryo rescue was deployed successfully for recovery of interspecific recombinants, a few of them exploited for the development of commercial cultivars. Nevertheless, doubled haploidy witnessed limited success and protoplast regeneration and in vitro mutagenesis remained of academic interest. The present review focuses on the progress, achievements, constraints and perspectives of using in vitro technology in grain legume improvement.     

不同化学试剂和处理方式加倍小麦单倍体植株的效果

【目的】长期以来,小麦单倍体植株染色体加倍主要采用移栽前秋水仙素溶液通气浸泡分蘖节方法,该方法存在操作复杂、污染环境等问题,而且秋水仙素毒性较强、用量较大、价格较高。本研究的目的是建立小麦单倍体植株简便、安全、高效的加倍方法,寻找可以替代秋水仙素用于小麦单倍体植株加倍的化学试剂。【方法】通过小麦品系Fielder花药培养,小麦品种科农199、新春9号和小麦品系CB037、中国春(CS)与玉米自交系郑58杂交获得小麦单倍体植株,小麦品系中国春与甘肃黑麦杂交获得小麦-黑麦双单倍体植株,利用0、5、10和20mmol·L~(-1)秋水仙素溶液分别采取分蘖节加注、叶片涂抹和培养基表面添加方式对不同来源小麦单倍体植株进行加倍,并采用培养基表面添加0、30、60和120μmol·L~(-1)甲基胺草磷、炔苯酰草胺和氟乐灵溶液对小麦单倍体植株及小麦-黑麦双单倍体植株加倍,比较不同加倍方法和3种除草剂的加倍效果,确定各个加倍试剂的适宜浓度。【结果】不同浓度秋水仙素溶液(0、5、10和20 mmol·L~(-1))加注小麦与玉米杂交单倍体植株分蘖节部位对小麦单倍体植株不具有加倍效果,不宜在小麦单倍体植株加倍中采用。10 mmol·L~(-1)秋水仙素溶液涂抹拔节期小麦单倍体植株叶片的加倍率为7.7%,其他3个秋水仙素溶液浓度没有加倍成功,也不适合小麦单倍体植株加倍。培养基表面添加4个浓度秋水仙素溶液处理小麦花药培养单倍体植株的加倍率分别为26.7%、42.9%、73.3%和85.7%。表明培养基表面添加秋水仙素溶液对小麦单倍体植株的加倍效果最好,适宜浓度至少为20 mmol·L~(-1)。培养基表面添加0、30、60和120μmol·L~(-1)炔苯酰草胺溶液处理小麦与玉米杂交单倍体植株的加倍率分别为0、0—57.1%、28.6%—75.0%和0—100%,其他2种除草剂处理小麦与玉米杂交单倍体植株没有成功;培养基表面添加120μmol·L~(-1)炔苯酰草胺溶液处理小麦与黑麦杂交双单倍体植株的加倍率为9.0%,添加其他3个浓度炔苯酰草胺溶液和其他3种加倍试剂均没有结实。【结论】60—120μmol·L~(-1)浓度炔苯酰草胺溶液对小麦单倍体植株加倍具有较好效果,培养基表面添加适宜浓度秋水仙素和炔苯酰草胺溶液对小麦单倍体植株加倍有效,而且简单易行。     

Review of doubled haploid production in durum and common wheat through wheat × maize hybridization

Production of doubled haploids (DHs) is an important methodology to speed the process of breeding and development of mapping populations in crops. The procedure for DH production includes two major steps: haploid induction and chromosome doubling. In recent years, wide hybridization between wheat and maize has become a main approach for haploid production in wheat. In this method, the maize chromosomes are completely eliminated during the early development of the hybrid seeds after wheat spikes were pollinated with maize pollen. Numerous wheat cultivars and mapping populations have been developed using wheat–maize hybridization. In this study, we review the procedures of DH production of durum and common wheat via wide hybridization with maize, the factors which affect the efficiency of DH production, and the mechanism of selective elimination of the maize genome during the early development of the hybrid embryos. We also report a highly efficient protocol for DH production in durum and common wheat, which was established based on the optimal conditions for each of the factors that affect the efficiency of DH production.     

春白萝卜新品种雪单3 号的选育

雪单3 号是利用双单倍体育种技术选育的春白萝卜新品种。母本ED0108A 是以梅花春萝卜× 白玉春萝卜进行花药培
养获得的DH 系为轮回父本，与不育系进行多次回交，转育成的雄性不育系。父本ED3128 是由迟花春萝卜× 天鸿春萝卜进行
花药培养获得的DH 系。该品种生育期60 d（天），植株开展度45 cm，裂叶，小叶11 对，叶片数20，叶簇平展，叶色深绿；
肉质根长圆柱形，白皮白肉，根长36 cm，横径7.1 cm，单根质量1.1 kg，高抗黑腐病、芜菁花叶病毒病、黄瓜花叶病毒病和花
椰菜花叶病毒病，抗霜霉病，群体整齐度高。每667 m² 产量4 000～5 000 kg。适宜在湖北、湖南、河南、山东等地区早春栽培。     

茄子新品种海丰长茄1 号的选育

海丰长茄1 号是以双单倍体（DH）株系02-QP-19 为母本，优良自交系A-40 为父本配制而成的长茄一代杂种。平
均始花节位为第9 节，植株生长势强，叶片绿色，叶脉、叶柄和主茎的颜色为紫色，植株半开张类型。果实平均纵径31.5
cm，横径4.5 cm，果皮紫黑色，有光泽，果实顶部尖，平均单果质量220 g，VC 和VP 的含量分别为23.2 mg·kg^-1 和0.035%。
一般每667 m² 产量5 000 kg 左右。适宜北京、吉林和黑龙江等地区露地种植。     

甘蓝型油菜DH群体抗倒伏相关性状遗传分析

为明确油菜抗倒伏性的遗传规律，本文利用抗倒伏性差异显著的2个甘蓝型油菜品系配制杂交组合，构建含280个株系的DH群体，采用作物茎秆强度抗倒测量仪等考种工具对该群体进行连续两年的抗倒伏性鉴定，并利用植物数量性状的主基因 + 多基因混合遗传模型及偏度和峰度分析对抗倒伏性进行遗传分析。结果表明，茎秆抗折力和茎秆抗折强度都受到0对主基因 + 9对微效多基因控制，茎秆抗折力和单株生物量的基因间无互作，茎秆抗折强度的基因间有互补作用，茎秆抗折力和茎秆抗折强度两年的平均遗传率在50%左右，而茎秆直径两年的平均遗传率为69.338 %，单株生物量两年的遗传率分别为52.198%和69.284%，遗传率都较低，性状受环境影响都较大，因此对于茎秆抗折力、茎秆抗折强度、茎秆直径和单株生物量，在育种选择的早期阶段都不宜太严格。同时茎秆抗折强度相比茎秆抗折力更能说明作物的抗倒伏能力，因而在抗倒伏选择育种时应更加关注。     

A data transfer method for improving seed identification of maize (Zea mays) haploid breeding based on genetic similarity

Maize haploid breeding technology is able to identify haploid seeds non‐destructively, rapidly and at low cost with the help of Near‐infrared (NIR) spectral analysis. However, due to the hybridization of numerous parents and the low production rate of haploid, the haploid data collection becomes a burden for engineering this technology. Biologically, there are considerable similarities between the progeny of the same female parent and different male parents. Based on this advantage, similar spectral data can be transferred when the NIR technology is employed. A revised method of Transfer adaptive boost (TrAdaBoost) is proposed to improve identifying for the backpropagation neural network (BPNN) classifier. To avoid the negative transfer, a screening thresh is used to select out similar data, and the amount of these data are limited to join current training. The results show that the identification performances are improved significantly when the data amount is small. This method shows a high ability to make the seed identification more convenient for engineering maize haploid breeding.     

‘嘎啦’苹果花药培养种质创新

【目的】单倍体花药离体培养是农作物包括果树育种中种质资源创新的最有效方法之一,苹果是染色体高度杂合且自交不亲和树种之一。在当前苹果主栽品种中,‘嘎啦’具有早熟、丰产、稳产、多抗的优良性状,是苹果育种的重要种质资源之一。花药单倍体育种也是苹果新品种培育的重要手段。本研究通过‘嘎啦’苹果花药培养诱导胚状体并获得纯合再生植株,为创制新的纯合体种质资源,加速苹果新品种培育进程提供材料。【方法】采集‘嘎啦’苹果单核靠边期到双核早期的花药(未开放的花蕾),低温处理后进行离体培养,经胚状体诱导,分化培养形成再生苗,再经生根培养获得花药再生植株。之后利用FACS流式细胞仪对再生植株进行倍性分析。取再生植株叶片分离DNA,选用80个来源于苹果HIDRAS数据库的SSR标记对所有植株进行PCR扩增,经过凝胶电泳和荧光毛细管电泳鉴定再生植株纯合基因型。移栽成活后,对每个再生株系进行形态学特征观察及统计分析。【结果】过去3年中,共接种的74 200个‘嘎啦’花药,从未被污染的5万多个花药中成功诱导形成386个胚状体(胚状体诱导率0.7%),经分化培养获得64株再生苗(植株再生率16.6%),最终经生根培养、移栽获得30个成活再生株系。其中包括28个二倍体株系,1个单倍体株系和1个四倍体株系。SSR标记用于纯合性鉴定,PAGE结果表明再生株系均为花粉(小孢子)单倍体细胞来源。为了鉴定这些再生植株基因型,从80个SSR中筛选出17个SSR标记(其余SSR标记不具有多态性或带型杂乱)对所获得的30个再生株系进行基因型鉴定。17个SSR标记所对应的PCR扩增物能有效区分鉴定不同再生植株基因型。继代培养60 d后的形态学观察显示不同再生株系的株高、叶长、叶宽等特征差异明显。不同二倍体纯合植株的植物学特征也存在差异:Gala 5植株相对较高,叶基变宽,叶尖渐尖;Gala 7叶片变小、变厚,叶柄变短且基部宽大,叶色深且有很强的光泽度;Gala 18叶片较小,叶数较多。纯合二倍体再生植株长势弱于‘嘎啦’杂合供体,但强于单倍体和纯合四倍体。【结论】采用优化花药培养技术,成功获得了一批苹果纯合体再生植株种质并建立了SSR标记鉴定体系。这些新的种质很大程度丰富了苹果育种亲本种质资源,为挖掘‘嘎啦’苹果优良性状基因提供了重要材料,为后期的田间性状筛选,杂交育种奠定了基础。     

基于玉米DH育种技术的“吉农玉833”选育报告

按照Reid、Non-Reid、Dom及其构成的三角型杂种优势模式,构建基础群体,采用DH育种技术于2015年育成玉米新品种"吉农玉833"。该品种在吉林省2013—2014年区域试验中平均产量13 724.0 kg/hm~2,比对照品种"郑单958"增产10.5%。2014年生产试验平均产量12 278.0 kg/hm~2,比对照品种"郑单958"增产8.1%。2015年3月通过吉林省农作物品种审定委员会审定。该品种的育成进一步证明了适于当地的杂种优势模式理论原则,以及DH育种技术的成熟。     

油菜小孢子培养技术及其在遗传育种中的应用研究概况

小孢子培养作为一种辅助育种手段越来越受到育种家的重视，并应用于各个领域。由于影响小孢子成胚和成苗的因素较多，低诱导频率及成苗率严重限制了该技术在育种中的应用。为了全面了解小孢子胚状体发生能力及影响再生体系的各项因素，掌握该技术的研究动态和发展方向，本文总结了近年来国内外影响小孢子培养的主要因素：供体植株基因型、供体植株生长条件及生理状态、小孢子发育时期、培养基组成、培养条件，以及在双单倍体育种、诱变育种、转基因育种等领域中的应用。