一种冷等离子体处理的玉米育种方法

摘要

本发明涉及一种冷等离子体处理的玉米育种方法，将玉米品种的种子进行冷等离子体处理；将冷等离子体处理的种子进行加代繁殖，先采用分子标记和同工酶鉴定手段进行辅助育种，进行单株选择，选出具有目标性状的优良变异自交系；将优良变异自交系再进行自交提纯复壮，再杂交组合而得到优良玉米种。本发明方法冷等离子体处理后再通过分子标记和同工酶鉴定及杂种优势利用三种技术相结合的育种方法，进一步缩短玉米育种周期，加快育种速度，并能选育出更为优良的玉米新品种，在育种方法和手段上具有先进性。

权利要求

1.一种冷等离子体处理的玉米育种方法，其特征是，包括步骤如下：（1） 将玉米品种的种子进行冷等离子体处理，冷等离子体处理为将玉米品种的父母本种子置于冷等离子体处理机内，在 140W 的处理功率下对玉米种子进行 18 秒的非电离幅射处理，处理以氦气为工作介质，在真空封闭环境中进行；

（2）将冷等离子体处理的种子进行加代繁殖，先采用分子标记和同工酶鉴定手段进行辅助育种，进行单株选择，选出具有目标性状的优良变异自交系；将优良变异自交系再进行自交提纯复壮，再杂交组合而得到优良玉米种。

2. 根据权利要求 1 所述的一种冷等离子体处理的玉米育种方法，其特征是，所述自交提纯复壮及再杂交组合包括如下程序：原始材料圃选材、自交系选育圃选育、杂交圃杂交、鉴定圃鉴定、品比圃选择。

3. 根据权利要求 1-2 任一项所述的一种冷等离子体处理的玉米育种方法，其特征是，所述的玉米品种选自：鲁种 99118 号、郑单 958 号、浚单 20 号、先玉 335 号、农华

101 号、青农 105 号、武科 2 号、武科 1 号、冠丰 118 号、天泰 33 号、登海 605 号。

4.根据权利要求 1-2 任一项所述的一种冷等离子体处理的玉米育种方法，其特征是， 所述的目标性状为与未经任何处理的同一批相同品种的玉米亲本材料相比具有下列至少一种性状：种子发芽能力提高、苗高增加、株高降低、主根长增长、须根长增长、苗干重/鲜重增加、穗位高增加、穗长增加、穗粗增加、穗粒数增加、千粒重增加、产量增加，所述种子发芽能力具体体现为玉米种子发芽势和/或发芽率。

5. 根据权利要求 4 所述的一种冷等离子体处理的玉米育种方法，其特征是，鲁种 99118 号品种的性状主要表现在发芽势提高或发芽率提高或产量增加；

浚单 20 号品种的性状主要表现在苗高增长或穗粒数增加或穗长增加；

冠丰 118 号品种的性状主要表现在主根长增长；

郑单 958 号品种的性状主要表现在须根长增长；

武科 2 号品种的性状主要表现在苗干重增长或穗粗增加；

鲁种 99118 号品种的性状主要表现在苗鲜重增长；

天泰 33 号品种的性状主要表现在植株的株高降低；

青农 105 号品种的性状主要表现在千粒重增加。

说明书

一种冷等离子体处理的玉米育种方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种玉米育种方法，特别涉及一种冷等离子体处理的玉米育种方法，属于农业领域。

背景技术

[0002] 传统玉米育种在过去的几十年确实有很大的成就，但由于育种时间过长、效率较低等局限性，仅凭经验、比较盲目，导致低水平重复、同质化严重，目前传统玉米育种遇到很大瓶颈，甚至停滞。要想在玉米育种方面有更高的成就，就一定要依靠现代科学技术。但是，目前具有突破性的转基因育种方法在全球范围内引起了激烈的争论，认为转基因作物具有极大的潜在危险，可能会对人类健康和人类生存环境造成威胁。随着空间技术的发展，利用太空特殊的环境条件对植物种子产生的诱变来进行良种选育成为一种新兴的育种方法，然而太空育种是人工诱变育种的一种新方法，所有人工诱变的发生均是随机的，目前还做不到定向诱变，太空育种的成功率随着物种的不同也会有很大差别，并且太空育种的成本相当高，不是一般单位和个人能够承担的。

[0003] 在这种情况下，如何找到一种既能突破传统生物育种低水平重复操作，又不改变基因性状、安全环保的育种手段，成为当务之急。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种冷等离子体处理的玉米育种方法，克服了传统的育种手段时间长、目标盲目性、育种质量低、育种成本高的弊端，在玉米育种手段上具有创新性。

[0005] 一种冷等离子体处理的玉米育种方法，包括步骤如下：

[0006] (1)将玉米品种的种子进行冷等离子体处理；

[0007] (2)将冷等离子体处理的种子进行加代繁殖，先采用分子标记和同工酶鉴定手段进行辅助育种，进行单株选择，选出具有目标性状的优良变异自交系；将优良变异自交系再进行自交提纯复壮，再杂交组合而得到优良玉米种。

[0008] 上述冷等离子体处理的玉米育种方法，冷等离子体处理为将玉米品种的父母本种子置于冷等离子体处理机内，在1-500W的处理功率下对玉米种子进行15-20秒的非电离幅射处理，处理以氦气为工作介质，在真空封闭环境中进行。

[0009] 上述冷等离子体处理的玉米育种方法，所述处理功率优选为10-220W，处理的时间优选为15-18s；所述处理功率进一步优选为120-220W，处理的时间进一步优选为18s。

[0010] 上述冷等离子体处理的玉米育种方法，所述自交提纯复壮及再杂交组合包括如下程序：原始材料圃选材、自交系选育圃选育、杂交圃杂交、鉴定圃鉴定、品比圃选择。

[0011] 所述的玉米品种优选：鲁种99118号、郑单958号、浚单20号、先玉335号、农华101号、青农105号、武科2号、武科1号、冠丰118号、天泰33号、登海605号。

[0012] 所述的目标性状为与未经任何处理的同一批相同品种的玉米亲本材料相比具有下列至少一种性状：种子发芽能力提高、苗高增加、株高降低、主根长增长、须根长增长、苗干重/鲜重增加、穗位高增加、穗长增加、穗粗增加、穗粒数增加、千粒重增加、产量增加。所述种子发芽能力具体体现为玉米种子发芽势和/或发芽率。

[0013] 其中，鲁种99118号品种的性状主要表现在发芽势提高或发芽率提高或产量增加；浚单20号品种的性状主要表现在苗高增长或穗粒数增加或穗长增加；

[0014] 冠丰118号品种的性状主要表现在主根长增长；

[0015] 郑单958号品种的性状主要表现在须根长增长；

[0016] 武科2号品种的性状主要表现在苗干重增长或穗粗增加；

[0017] 鲁种99118号品种的性状主要表现在苗鲜重增长；

[0018] 天泰33号品种的性状主要表现在植株的株高降低；

[0019] 青农105号品种的性状主要表现在千粒重增加。

[0020] 本发明提供的方法是将种子经过冷等离子体处理后，被激活的潜在基因通过一个生长季的充分表达，产生一定的记忆性，刻在种子里，在下代种植之后，仍然积极表达，具有活力延续性。该方法突破了传统玉米育种低水平重复、同质化严重和转基因育种潜在危险，以及太空育种经济投入巨大的缺点，可以缩短玉米育种周期，在玉米育种方法和手段上具有先进性。

[0021] 本发明提供的一种冷等离子体处理的玉米育种方法的优点如下：

[0022] 1、本发明方法冷等离子体处理后再通过分子标记和同工酶鉴定及杂种优势利用三种技术相结合的育种方法，进一步缩短玉米育种周期，加快育种速度，并能选育出更为优良的玉米新品种。

[0023] 2、利用冷等离子技术处理自交系种子能够激发种子活力，实现促长、抗逆效果，育成的玉米种子发芽势、发芽率增加，抗逆性增强，高产、稳产、广适、优质、适于密植和机械化作业，填补了农业科学领域中非电离幅射技术在玉米育种上应用的空白。

[0024] 3、无污染，耗能低、低碳，基因组DNA序列不发生变化，通过基因表达发生的改变诱发玉米当代性状发生变化，克服了转基因作物潜在的危险，不会对人类健康和人类生存环境造成威胁。

[0025] 4、冷等离子体处理功率人为可控，通过反复试验可以找到某种玉米种子某一特定性状的处理功率，能更好地满足选育玉米优良品种的需求，克服了传统的育种手段时间长、目标盲目性、育种质量低、育种成本高的弊端，在玉米育种手段上具有创新性。

附图说明

[0026] 图1为玉米提纯复壮三年两圃制示意图。

具体实施方式

[0027] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

[0028] 下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

[0029] 鲁种99118于2005年在山东通过审定，审定编号：鲁农审字[2005]008号，公众可从山东省种子总公司获得。

[0030] 郑单958于2000年在山东通过审定，审定编号：鲁种审字第0319号；于2000年通过国家审定，品种审定编号：国审玉20000009。公众可从山东省种子总公司获得。

[0031] 浚单20于2003年通过河南省、河北省和国家审定，审定编号分别为：国审玉2003054，豫审玉2003004和冀审玉2003001。公众可从山东省种子总公司获得。

[0032] 先玉335于2003年在国家通过审定，审定编号：国审玉2004017号，公众可从山东省种子总公司获得。

[0033] 农华101于2010年在国家通过审定，审定编号：国审玉2010008，公众可从山东省种子总公司获得。

[0034] 青农105于2010年在山东通过审定，审定编号：鲁农审2010006号，公众可从山东省种子总公司获得。

[0035] 武科2号于2004年在甘肃通过审定，审定编号：甘审玉2004010，公众可从山东省种子总公司获得。

[0036] 武科1号于2005年在甘肃通过审定，审定编号：甘审玉2005004，公众可从山东省种子总公司获得。

[0037] 冠丰118于2009年在山西通过审定，审定编号：晋审玉2009019，公众可从山东省种子总公司获得。

[0038] 天泰33于2008年在山东通过审定，审定编号：国审玉2008007，公众可从山东省种子总公司获得。

[0039] 登海605于2010年在山东通过审定，审定编号：国审玉2010009，公众可从山东省种子总公司获得。

[0040] 实施例1、一种冷等离子体处理的玉米育种方法

[0041] 利用冷等离子体处理的玉米育种方法，可以得到发芽势、发芽率增加，抗逆性增强，高产、稳产、广适、优质、适于密植和机械化作业等性状特点的玉米新品种，具体包括如下步骤：

[0042] (1)搜集符合选育目标的育种材料作为重点选育对象

[0043] 具体的实验材料为鲁种99118、郑单958、浚单20、先玉335、农华101、青农105、武科2号、武科1号、冠丰118、天泰33、登海605等玉米品种的亲本材料。

[0044] (2)将步骤1选定的玉米品种的亲本材料置于冷等离子体处理机内，运用高能量的物质聚集态，在1-500W的处理功率下对玉米的育种材料(玉米的父母本种子)进行15-20秒的非电离幅射处理，处理的必要条件是以氦气为工作介质，在真空封闭环境中进行。

[0045] (3)将冷等离子体处理的育种材料在低温干燥条件下保存，以待适时播种。

[0046] (4)与未经过任何处理的、步骤1选定的相应的玉米品种的同一批种子进行培养得到的玉米(对照)相比，经过冷等离子体处理的种子进行培养得到的玉米实现了对应亲本材料的提纯复壮、产量提高、制种产量增加、品质改善和抗逆性增强。

[0047] 冷等离子体处理对玉米种子的发芽势和发芽率的影响如表1所示：

[0048] 表1不同冷等离子体处理条件下玉米种子的发芽势和发芽率

[0049]

[0050]

[0051] 表1中的发芽势和发芽率提高的比率表示冷等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤1选定的相应的玉米品种的同一批育种材料相比，所有品种，发芽势和发芽率均有提高，提高的幅度见表1中的数据。例如，处理功率为140W，处理时间为18s时，发芽势提高的比率最高的是鲁种99118号品种，为12.34％，最低的是武科1号品种，为10.11％。处理功率为140W，处理时间为18s时，发芽率提高的比率最高的是鲁种99118号品种，为4.78％，最低的是武科1号品种，为1.68％。

[0052] 表1表明，当处理功率为80W时，处理时间为18s时，经过冷等离子体处理的玉米的种子的发芽势、发芽率提高最大，分别比对照提高10.11％-12.34％、1.68％-4.78％，说明经过冷等离子体处理后，玉米种子发芽出苗快且整齐，实现了亲本材料的提纯复壮。

[0053] 冷等离子体处理对玉米幼苗生长的影响如表2所示：

[0054] 表2不同冷等离子体处理条件下玉米苗高、主根长、须根长和干、鲜重[0055]

[0056]

[0057] 表2中，苗高、主根长、须根长和干、鲜重提高的比率表示冷等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤1选定的相应的玉米品种的同一批育种材料相比，苗高、主根长、须根长和干、鲜重提高的比率。例如，处理功率为140W，处理时间为18s时，苗高提高的比率最高的是浚单20号品种，为8.34％，最低的是武科2号品种，为7.16％。处理功率为140W，处理时间为18s时，主根长提高的比率最高的是冠丰118号品种，为26.14％，最低的是青农105号品种，为18.96％。处理功率为140W，处理时间为18s时，须根长提高的比率最高的是郑单958号品种，为29.78％，最低的是天泰33号品种，为26.74％。处理功率为140W，处理时间为18s时，苗干重提高的比率最高的是武科1号品种，为1.10％，最低的是农华101号品种，为0.60％。鲜重提高的比率最高的是鲁种99118号品种，为5.87％，最低的是农华101号品种，为4.73％。

[0058] 表2表明，当处理功率为140W时，处理时间为18s时，经过冷等离子体处理的玉米苗高增长最大，比对照提高7.16％-8.34％，苗高变高，说明冷等离子体处理促进了幼苗的快速生长，生长势旺盛；当处理功率为140W时，处理时间为18s时，经过冷等离子体处理的玉米主根长比对照高出18.96％-26.14％，须根长比对照高出26.74％-29.78％。根系加长，对吸收深层土壤中的水分和养分更有突出作用；当处理功率为140W时，处理时间为18s时，经过冷等离子体处理的玉米苗鲜重比对照高出4.73％-5.87％，苗干重比对照高出
0.60％-1.10％。苗干、鲜重增加，说明冷等离子体处理促进了幼苗的快速生长，植株生长势旺盛。通过以上处理，实现了亲本材料的提纯复壮。

[0059] 冷等离子体处理对玉米生物性状的影响如表3所示：

[0060] 表3拔节期不同冷等离子体处理条件下玉米株高、穗位高

[0061]

[0062]

[0063] 表3中，玉米植株株高穗位高的增加率表示冷等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤1选定的相应的玉米品种的同一批育种材料相比，所有品种，植株株高和穗位高较大变化，提高的幅度见表3中的数据。例如，处理功率为140W，处理时间为18s时，植株株高增加率最高的是天泰33号品种，为4.57％，最低的是浚单20号品种，为
2.27％。处理功率为140W，处理时间为18s时，植株穗位高降低最大的是天泰33号品种，为-7.35％，降低最小的是登海605号品种，为-4.65％。

[0064] 表3表明，当处理功率为140W时，处理时间为18s时，由经过冷等离子体处理的种子得到的玉米植株株高和穗位高增加率提高最大，分别比对照提高2.27％-4.57％和-7.35％--4.65％，实现了亲本材料的产量提高。

[0065] 冷等离子体处理对玉米产量性状的影响如表4所示：

[0066] 表4不同冷等离子体处理条件下玉米穗长、穗粗、穗粒数、千粒重和产量[0067]

[0068]

[0069] 表4中，玉米穗长、穗粗、穗粒数、千粒重和产量提高比率表示冷等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤1选定的相应的玉米品种的同一批育种材料相比，所有品种，玉米穗长、穗粗、穗粒数、千粒重和产量均有提高，提高的幅度见表4中的数据。例如，处理功率为140W，处理时间为18s时，穗长提高比率最高的是浚单20号品种，为
13.41％，最低的是天泰33号品种，为9.37％。处理功率为140W，处理时间为18s时，穗粗提高比率最高的是武科2号品种，为2.47％，最低的是冠丰118号品种，为1.73％。处理功率为140W，处理时间为18s时，穗粒数提高比率最高的是浚单20号品种，为15.71％，最低的是冠丰118号品种，为11.19％。处理功率为140W，处理时间为18s时，千粒重提高比率最高的是青农105号品种，为5.10％，最低的是天泰33号品种，为3.08％。处理功率为140W，处理时间为18s时，产量提高比率最高的是鲁种99118号品种，为9.78％，最低的是武科2号品种，为5.34％。

[0070] 表4表明，当处理功率为140W，处理时间为18s时，由经过冷等离子体处理的种子得到的穗长比对照高出9.37％-13.41％，穗粗比对照高出1.73％-2.47％，穗粒数比对照高出11.19％-15.71％，千粒重比对照高出3.08％-5.10％，产量比对照高出5.34％-9.78％，实现了亲本材料的制种产量增加。

[0071] 以上实验表明，当处理功率为1-500W范围内，与对照相比，由经过冷等离子体处理的种子得到的玉米的品质和抗逆性明显增强。

[0072] (5)将冷等离子体处理的育种材料进行加代繁殖和田间筛选，逐代选取目标变异。

[0073] 加代繁殖就是超出物种本身的繁殖周期和繁殖数量的繁殖过程，也只有在人工干预的情况下，运用一定的技术手段(譬如人工授粉或授精)才能达到。加代繁殖对于缩短育种周期，增加实际产量都有重要的意义。

[0074] 利用DNA分子标记技术进行辅助育种，可以鉴别农作物品种，评估品种纯度，分析农艺性状基因，分离和鉴别遗传材料，确定染色体同源性，对异源染色体和染色体结构畸变的检测，从而进行辅助育种。

[0075] 酶是基因的产物，是基因表达的结果。酶在结构上的差异主要来源于基因，同工酶酶谱是基因表达后的分子水平的表型，研究同工酶酶谱就有可能联系基因、基因表达和代谢、细胞和整体表型的关系。由于同工酶结构的相似性反应了生物间的亲缘关系，因此同工酶分析可用于种的分类，酶谱资料可以作为鉴定物种，研究分类、进化、遗传与变异的重要指标。因此，利用同工酶鉴定可以进行辅助育种。

[0076] 单株第1代种植时将经过步骤(2)处理的和与未经过任何处理的、步骤(1)选定的相应的玉米品种的同一批育种材料(种子)同时分区播种，进行对比试验，观测农艺性状和变异系数，同时采用分子标记和同工酶鉴定等手段进行辅助育种，进行单株选择，选出优良变异。第2代进行单株选择，自交选育。第3代及以后各代，可根据株系的稳定度，采用单株、集团、混合选择方法，直至育成优良稳定的自交系。

[0077] (6)以步骤(5)得到的自交系，选出优势强、符合选育目标的自交系作为杂交种的父母本，进行杂交授粉而得到优良杂交种.

[0078] 其主要程序为：原始材料圃、自交系选育圃、杂交圃、鉴定圃、品比圃。

[0079] ①、原始材料圃。种植供选择自交系用的基本材料，冷等离子处理后的亲本和对应的未经过处理的亲本分别种在其中。根据目标性状选择优良株系。

[0080] ②、自交系选育圃。群体内植株自交，中选穗分别脱粒，下一季种成穗行S1，在穗行间进行自交后代选择。随着自交的进行，重点从穗行内选择转向穗行间选择，自交加代期间每一代都要进行系谱记录S2-S3。通过记录，能从遗传表现追溯系间的异同性，所选后代数目随自交代数增加依次半数递减。允许用自交杂交概念进行玉米群体改良，结合点有自交、配合力、杂交表现和主要农艺性状。自交和配合力测定有利于群体改良，在轮回选择中进行自交和配合力测定工作，把配合力遗传参数作为自交系和杂交种选育的依据，将玉米群体改良和杂交种选育紧密结合，就可以选低代系作为高代系的优良重组系，提高群体改良的利用价值。有些低代优系，可直接用它们来组成系谱群，再经过加代选出优系。总之，在群体改良过程中，每一步都应根据育种目标的要求，为杂交种选育服务。

[0081] ③、杂交圃。选定的亲本组合种植在此圃，进行杂交授粉，重在测配。

[0082] ④、鉴定圃。种植杂交圃选育出的优良品系，在鉴定圃内进行初级的产量比较，鉴定供试材料优劣。

[0083] ⑤、品比圃。种植鉴定圃选出的优良品系。品系比较试验在较大面积上进行的更为精确、更有代表性的产量试验，同时对新品系的丰产性、稳定性、抗逆性等育种目标进行更为详细的鉴定。

[0084] 这样经过4代左右的选育，达到自交系稳定，进行品比试验和区域试验、生产示范和品质检测等，之后进行品种技术鉴定，新品种选育工作完成。

[0085] 通过以上步骤得到发芽势、发芽率增加，抗逆性增强，高产、稳产、广适、优质、适于密植和机械化作业等性状特点的玉米新品种，符合预期标准。