利用自然气候优势通过小麦与玉米的杂交培育大规模小麦双倍单倍体：一项方案优化研究

摘要

背景

通过小麦与玉米杂交系统产生的双倍体（DH）系是一种加速小麦育种的有效技术。然而，实现低成本、大规模的双倍体生产仍然是一个核心的技术挑战。

结果

在这项研究中，我们进行了开花同步实验以确定小麦和玉米之间的杂交窗口期。小麦全年在田间播种，而玉米则在田间和高棚中种植。我们还评估了一种新的授粉方法、四种用于切株培养的新营养液，以及一种新设计的光学设备，用于在胚胎拯救前筛选含有胚胎的籽粒。实验结果如下：(i) 在中国气候温和的高原地区昆明，春小麦、春化型小麦和冬小麦可以全年自然生长。在自然条件下，小麦和玉米的杂交窗口期为五个月（6月至10月），但通过1月至2月和8月至9月的高棚玉米种植，这一窗口期可以延长至十个月（4月至次年1月）；(ii) 与常用的刷粉授粉方法相比，滚动授粉方法的授粉效率提高了十倍以上，并使单倍体胚胎形成频率（EFF）提高了1.9倍；(iii) 一种新的营养液（A）在切株培养中的表现显著优于目前使用的营养液B。在五种营养液中，它获得了最高的单倍体胚胎形成频率（46.39%）、籽粒结实率（97.20%）和1000粒籽粒重量（28.49克）。营养液A不含硫酸和硝酸银（这两种成分都存在于营养液B中），因此更具成本效益且更环保；(iv) 使用新设计的光学设备在胚胎拯救前对籽粒进行预筛选，选择含有胚胎的籽粒的准确率为98.6%，假阴性率为3.46%。这种方法使胚胎拯救的效率翻倍，并显著减少了大规模双倍体生产中杀菌剂和劳动力的使用。优化后的方案在2022年至2024年间得到了验证，从1039种不同的小麦材料中获得了超过137,080条双倍体系。

结论

优化后的方案显著提高了双倍体的生产效率并降低了成本，为通过小麦与玉米杂交大规模生产双倍体提供了一种更高效、更具成本效益的系统。预计这种优化后的方案适用于气候相似的地区。