第九章 倍性育种.doc

第九章 倍性育种植物的倍性育种是植物育种的重要研究内容，主要包括单倍体育种和多倍体育种。单倍体的基因呈单存在，加倍后获得的个体基因型高度纯合。而常规育种需经多代自交才能获得基因型基本纯合的个体。因此，单倍体育种可缩短育种的年限。通过花药培养育成的各类作物品种已在生产上大面积应用。同源多倍体(autoploid)较二倍体具有某些器官增大或代谢产物含量提高的特点，对于以收获营养器官为目的的作物及无性繁殖作物有极好的育种利用价值。人工创造多倍体也可以将野生种与栽培种的遗传物质重组，育成新型作物。小黑麦、三倍体无籽西瓜等是人工合成的多倍体物种，在生产上得到广泛利用。第一节 多倍体育种 多倍体(po1yploid)是指体细胞中有3个或3个以上染色体组的植物个体。多倍体广泛存在于植物中。据估计被子植物中约50以上是多倍体，禾本科中有75，豆类中有18，草类中有的物种80为多倍体。蓼科、景天科、蔷薇科、锦葵科、禾本科和鸢尾科中多倍体最多，许多农作物及果树、蔬菜为多倍体，如小麦、燕麦、棉花、花生、烟草、甘薯、马铃薯、甘蔗、苜蓿、山药、韭菜、荠菜、苦苣菜、香蕉等均为天然的多倍体植物。由二倍体形成多倍体是植物进化的显著特征，因为多倍体较二倍体有更强的抗逆性和适应性，能够在更广泛的生态地区生存，特别是在高山、沙漠等不良环境下。用不同的射线照射四倍体和二倍体荞麦也发现四倍体荞麦的抗辐射能力比二倍体强，这说明多倍体在植物进化中具有重要意义。自然界存在的多倍体主要是异源多倍体，同源多倍体较少。一、多倍体的种类、起源及特点自然界的多倍体是由二倍体进化而来的。二倍体物种的染色体加倍，不同二倍体物种间杂交，染色体自发加倍是多倍体产生的主要来源(图91)。通过采用染色体组分析及人工合成多倍体试验已证明了普通小麦、烟草、棉花等的起源。图91是小麦属物种的可能进化途径。 (一)多倍体的来源 多倍体的发生可通过二倍体的染色体数目加倍形成，也可经不同种属间杂交，而后经染色体数目加倍形成。植物体细胞染色体数目加倍主要通过下列三种途径产生。 1合子染色体数目加倍 一般是二倍体产生少数四倍体细胞或四倍体组织。 2分生组织染色体加倍 体细胞在有丝分裂过程中受外界环境的影响而发生异常，染色体正常复制、分裂，但细胞不分裂，导致细胞染色体数目加倍，染色体数目加倍的细胞发育成多倍性组织和器官。植物的合子及幼胚也能够产生多倍体，玉米在授粉后置于40、24h的子代中产生了18的四倍体及08的八倍体实生苗。秋水仙碱(colchicine)人工加倍也是属这种类型。 3不减数配子的受精结合 配子形成过程中，由于减数分裂异常，产生未减数的2n配子，2n配子参与受精形成多倍体。这是形成多倍体的主要方式。玉米、高梁、棉花、小麦上曾报道不联会基因，使性母细胞染色体不联会，从而形成多倍体。自然界中产生多倍体的主要途径是生殖细胞的染色体加倍。温度等条件的急剧改变会导致产生2n配子，例如水稻、兰科等植物的二倍体花中常产生未减数的花粉粒。 此外，多精人卵也能产生多倍体，即一个以上的精细胞进人卵细胞。兰花中已发现这种现象。2n配子与n配子结合产生奇数倍的多倍体，2n配子间结合产生偶数倍的多倍体。 (二)多倍体的类别 根据多倍体染色体组的组成特点可将多倍体分为同源多倍体、异源多倍体(allopolyploid)、同源异源多倍体、节段异源多倍体、异数的(混合的)异源多倍体和倍半二倍体等多种类型。育种上应用的主要是同源多倍体和异源多倍体。 1 同源多倍体 指体细胞中染色体组相同的多倍体，如同源四倍体黑麦(RRRR)。同源多倍体中最常见的是同源三倍体(autotriploid)和同源四倍体(autotetraploid)。同源三倍体通常由一个单倍体的配子和一个二倍体的配子融合而成。形成同源三倍体的方式主要有两种，一种是异常减数分裂中形成的2n配子与正常的，I配子结合，另一种是同源四倍体与正常的二倍体杂交。三倍体西瓜等即是用这种方法人工育成的。同源三倍体在自然界发生频率极低。一般均是高度不育。 同源多倍体与二倍体相比，主要有下列两方面的效应： (1)生物学性状的变化。同源多倍体最显著的效应是细胞增大。由于细胞体积的增大，有时会产生某些器官的巨型化及生理代谢产物的增加，有时也会出现相反的情况。因为植株的体积不仅取决于细胞体积，而且也取决于细胞的数目。通常同源多倍体的细胞生长速率相对较慢。大多数植物诱导成多倍体后，表现叶变宽变厚，叶色变深，气孔、花粉粒大，花瓣、果实、种子等器官增大，但有结实率低，种子不饱满等缺点。不同的植物表现的性状特点也不完全一致。以花培获得粳稻02428的单倍体、二倍体和四倍体植株为材料，测定了染色体的倍性与若干性状的关系。结果表明，气孔大小、比叶重(鲜重单位面积)随染色体倍性的增加而递增，而单位面积的气孔数量有递减的趋势，叶绿素含量与染色体倍性无明显的相关性，剑叶净光合作用速率也随染色体倍性的增加而增加。莴苣四倍体的Vc含量比二倍体高50；四倍体莳菜氨基酸含量比二倍体高935，叶绿素含量高122倍；四倍体桑树与二倍体相比，外形上叶片增大，叶肉增厚，叶色深，单位面积叶重大，充实度高，饲料利用率高，但发条数少，枝条矮壮，桑叶产量低，花粉粒萌发率低，种子结实性和质量差。 (2)育性的变化。同源多倍体常导致育性的降低，但降低的程度因基因型的不同有较大差异，如同源多倍体玉米的育性较二倍体下降8595，同源四倍体非洲棉则几乎不育。奇倍数的同源多倍体育性更低，如同源三倍体一般是高度不育的。不育的原因主要是由于减数分裂时形成多价体导致染色体的行为不正常，从而形成不育的配子，同时也受到环境的影响。2异源多倍体 异源多倍体是由不同种、属间个体杂交得到的F1经染色体加倍而成。染色体组来源于两个或两个以上二倍体的物种，例如普通小麦为异源六倍体(AABBDD)。自然界获得的多倍体大多以异源多倍体形式存在。四倍体油菜的起源与它们的染色体组构成见图92。 异源多倍体大多数是异源四倍体或异源六倍体，少数为更高倍性的多倍体。作物和果树中的多倍体有：陆地棉(Ghirsutum)、烟草(Ntabacum)、普通小麦(丁aestivum)、普通燕麦(Asatiua)、草莓(FgrandiZora)、甘蔗(Sofficinarum)等。 由于异源多倍体细胞中染色体能够配对，故形成的配子是可育的，大多数异源多倍体的育性正常，但有的异源多倍体存在不育的现象，这可能和基因型的差异有关。二、人工诱导产生多倍体的途径 自然界产生多倍体的频率极低。在进行植物多倍体育种时必须通过人工手段创造多倍体。基本原理是在细胞分裂时利用物理、化学或生物学的方法增加细胞中的染色体数。人类自20世纪初即开始进行多倍体的诱发。开始时主要使用的是物理的方法，1937年秋水仙碱染色体加倍的作用被发现后便逐渐成为诱发植物多倍体的主要手段。 (一)物理因素诱导 物理因素包括利用温度激变、机械创伤、电离辐射、非电离辐射、离心力等方法诱导染色体加倍。早期多倍体育种主要采用这种诱导技术。 Marchal等(1909)在藓类中采用切段法和利用愈伤组织的再生作用获得多倍体。Winkler(1916)进行龙葵与番茄的嫁接试验，切口部分的愈伤组织再生产生不定芽，由不定芽长出的枝条中发现存在番茄四倍体及龙葵四倍体的枝条。这是高等植物中获得多倍体的第一个成功的例子，这种方法称为“切断一愈伤组织法”。后来，有人采用番茄作试验材料，用反复摘心(去掉顶端)法，使断口处产生愈伤组织，并进一步形成新芽，得到了稳定遗传的四倍体。 Greenleaf等切除烟草的顶端生长点，用生长素处理切口表面，刺激愈伤组织形成，愈伤组织再生新芽中发现多倍体。类似的方法在油菜、甘蔗、马铃薯、白菜等多种植物中取得了成功。 温度的变化能够诱发多倍体的产生。Randolph用4345高温处理玉米合子，获四倍体植株。利用高温和变温处理合子，也诱导出了普通小麦、黑麦及硬粒小麦等的多倍体植株。 (二)化学因素诱导多倍体 化学因素包括秋水仙碱、富民隆等处理正在分裂的细胞诱导染色体加倍产生多倍体，这是目前最常用的技术。 现在用来诱导多倍体的化学试剂主要是秋水仙碱，它是从百合科植物秋水仙(Colchicum antumnale)的器官和种子中提取出的一种成分。分子式是C2H25N0612H20。秋水仙碱一般是淡黄色粉末，纯净物为针状结晶体，性极毒，熔点155，易溶于水、酒精、氯仿和甲醛，不溶于乙醚、苯。秋水仙碱具有麻醉作用，能使中枢神经系统麻醉而引起呼吸困难。即使极微量的秋水仙碱进入眼睛也会引起短暂失明，在进行秋水仙碱的各类操作时应特别注意安全。 1937年多名学者发现秋水仙碱能够诱导植物产生多倍体，Blakeslee Avery(1937)将曼陀罗(Datura stramonium)的种子浸人0003125和16秋水仙碱溶液中10d，诱导出多倍体。浓度愈高，诱导产生多倍体的频率也愈高，最高出现率达875。后来在植物的根、幼蕾中均诱导出了多倍体。秋水仙碱诱导多倍体的作用较物理因素效应大得多。例如，Beasley(1940)报道，用异常温度处理600株棉花幼苗，仅得一株多倍体，而用02浓度的秋水仙碱溶液处理100株，获得50多株多倍体。此后，秋水仙碱作为一项成熟的技术手段在多倍体诱导领域发挥了重要作用。 秋水仙碱的作用机理是，它能特异性地与微管蛋白分子结合抑制纺锤丝的形成，但不影响染色体的复制。因此复制的染色体不能移向细胞的二极，使细胞中染色体数目加倍而形成多倍体。细胞在用秋水仙碱处理后，用清水洗净残留的秋水仙碱，细胞分裂可恢复正常。秋水仙碱在适当的浓度内对植物细胞基本无毒害作用，药剂在细胞中扩散后，无明显的毒害作用，遗传上一般不发生其他变异。 在应用秋水仙碱诱发植物多倍体时，是否成功与下列因素有关。 1V13-法 通常以植物茎端分生组织和发育初期幼胚为主要对象，花分生组织也可作为处理对象。不同材料，处理时间也不同，一般处理24h以上，浓度低处理时间长，浓度高处理时间短。 秋水仙碱仅对分裂中期的细胞起作用。试验时需了解被处理细胞的分裂周期，处理时间过长，经过不止一个分裂周期，细胞内的染色体加倍次数在1次以上。例如据Levan(1938)观察，洋葱根尖处理7-30min，即有少数细胞由2X变为4X；处理时间延长到12h，4X细胞增多；处理72h，最高可出现32X的细胞。处理时间过短，只有少数细胞变为四倍体，由于二倍体细胞生长较快，四倍体细胞不易增殖，导致诱导无效。处理种子时间为2448h，处理已发芽的种子或幼苗应适当缩短时间。对根可采用间歇的处理方法，将根浸入秋水仙碱溶液中12h，而后在水中12h，交替进行，总处理时间35d。幼嫩的生长点可用点滴、涂布或用含有溶液的脱脂棉包裹等方法。单子叶植物的生长椎被幼叶包围，可用注射及切除幼叶等方法。 2诱导浓度 通常处理水溶液浓度为001050，以020左右浓度应用最多。处理幼嫩的组织、器官、种苗、萌动的种子比处理干种子浓度小。浓度过大，易导制细胞死亡。 3处理时的温度 适宜的温度对于秋水仙碱的诱导效果极为关键。一般的处理温度为1825之间，低温阻碍细胞分裂，温度过高则对细胞有损害，可使细胞核分裂成碎片，有丝分裂不能进行。例如，山薤(Allium japonicum)球根在秋水仙碱浓度为004020，处理时间48h情况下，温度低于20，多倍体发生缓慢，低于10时则难以发生。 4处理方式 秋水仙碱在使用时，可视不同的需要配成不同浓度的剂型。常用的剂型有下列几种： (1)水溶液。这是最常用的剂型。配制时，可将秋水仙碱直接溶于冷水中，或以少量酒精为溶剂，而后再加冷水。一般是先配成浓度高的母液，使用时再稀释到所需要的浓度。秋水仙碱溶液宜贮藏在有色玻璃瓶内，防止阳光直射，最好置于暗处，盖紧塞子，避免与空气接触。用过的溶液过滤后仍可使用，只是浓度有所改变。 (2)制成羊毛脂膏、琼脂或凡士林。这种剂型适宜处理生长点或幼芽。以精制羊毛脂(Lanolim，淡黄色软膏，熔点40，不溶于水)作基质，将秋水仙碱粉末直接加进羊毛脂中搅拌均匀。或者用小形研钵将一定量的羊毛脂放人，而后将秋水仙碱溶液缓慢加入，充分混合，也可用08的琼脂溶液加入秋水仙碱溶液，混合后凝固。 除上述2种方法外，还可将秋水仙碱溶解于低浓度酒精及10的甘油与水中。 5处理方法 包括浸渍法、棉花球滴浸法、涂抹法、注射法、药剂培养法等。可依据不同情况选用不同方法。 (1)浸渍法。此法适用于处理种子、枝条、幼苗。处理种子时，可将浸泡过的种子或干种子放在铺有滤纸的培养皿或平底盘中，然后注入一定浓度(001一10)的秋水仙碱溶液，加盖避免蒸发，置于培养箱中保持适宜的发芽温度。发芽的种子处理数小时至数天(视种子种类定)。秋水仙碱能阻碍根的发育，最好在发根前处理完毕，处理后用清水冲洗干净再播种或砂培。 诱导用幼根或枝条繁殖的植物时，可将幼根分生组织或幼嫩枝条浸入秋水仙碱溶液，一般处理12d，处理后清水彻底冲洗。为防止芽的干枯，也可先浸人秋水仙碱溶液中处理，然后移人3的甘氨抗坏血酸溶液中处理一定时间，以降低秋水仙碱的毒害作用。 处理幼苗时，为避免根系受到损害，可将苗倒置，仅使茎端生长点浸入秋水仙碱溶液中处理。 (2)点滴法。此法常用来处理长大的植株或木本植物的顶芽。常用的水溶液浓度为0104，每日滴一至数次，反复处理数日。也可用脱脂棉包裹幼芽，再将秋水仙碱溶液滴上。此方法可使植株未处理部位不受秋水仙碱影响。 处理禾谷类幼苗时，可将幼苗(34cm)纵切至根颈部(生长点上方)使其夹住一小片滤纸，再将002005的溶液滴到滤纸上。双子叶植物的顶芽、腋芽用脱脂棉、纱布包裹后，再将纱布的一端浸入溶液中，借毛细管作用将芽浸在溶液中。 (3)注射法。诱导禾谷类作物宜用此法，用注射器将秋水仙碱溶液注射到分蘖部位，使再生的分蘖成为多倍体。 (4)涂布法。将配制好的羊毛脂秋水仙碱软膏均匀涂在生长点上。 (5)药剂一培养基法。将秋水仙碱溶液加入琼脂培养基中，将幼胚在培养基上培养间，而后再移到不含秋水仙碱的培养基。此法特别适合于远缘杂交的胚培养。 上述是主要的几种方法，实际应用时可根据植物的种类、处理部位等，选用合适的方法，也可将不同的方法联合使用。根本的目的是使秋水仙碱扩散到需要诱导的分化细胞部位，从而诱导出多倍体。表91列出了常用的诱导多倍体的方法。 (三)生物因素诱导 生物诱导主要包括利用胚乳培养、体细胞杂交等技术产生多倍体。这一技术尚处于探索阶段，有待进一步研究。 利用四分体阶段的小孢子与二倍体细胞原生质体融合，可产生三倍体杂种植物。由于一方为单倍体，使体细胞杂种选择程序简单，这是体细胞杂交上的一项重要进展，为三倍体育种提供了一条途径。 某些水稻双胚苗中发现了多倍体，主要是同源三倍体和同源四倍体，能够稳定遗传。刘太清(1995)发现多胚苗材料CYAR02，能自发产生单倍体、三倍体，三倍体产生频率为0530。幼胚来源有不定胚(adventitious embryo)、助细胞胚、卵细胞孤雌生殖等途径。三、多倍体育种 (一)多倍体育种的意义由于多倍体在表现型上有巨大型效应，生理特性上也有可利用的优良性状，因此，使用和培育多倍体植物使它们产生满足人类需求的各类新的性状，便成为育种家们追求的目标。由于自然界的多倍体极少，通过诱导产生新的多倍体，在此基础上选育可利用的优良品种便成为植物育种的一个重要研究方向。将二倍体植物通过人工方法诱导为多倍体，开展多倍体育种，对于农作物品种改良具有重要意义。多倍体植物具有特殊的优良性状，例如人工培育的三倍体无籽西瓜，由于它不含种子，利于食用，同时也增加了甜度。三倍体甜菜块根产量高，含糖量高。此外，通过远缘杂交获得的多倍体，具有某些特殊的优良性状，例如，异源六倍体小黑麦和八倍体小黑麦，前者的亲本是硬粒小麦(丁durum)或波斯小麦(Tpersicum)，后者的亲本为普通小麦。小黑麦兼有小麦的高产性和黑麦的抗逆性。人工诱导的多倍体也可作为桥梁亲本，用来将远缘种的优良性状转入栽培种。 多倍体在作物育种上的应用有下列几个方面：诱导同源多倍体。诱导异源多倍体。诱导多倍体做桥梁亲本。克服远缘杂交不孕性、不实性。创造远缘杂交中间材料。 (二)多倍体育种的基本步骤 1选用合适的二倍体原始材料 选用优良的二倍体材料诱导产生多倍体，这对于多倍体品种选育具有重要意义。因为二倍体诱导成的多倍体，基因平衡受到破坏，出现程度不同的不良性状。对原始材料的选育可部分克服这一困难。通常认为，利用营养器官的植物较利用生殖器官的植物对同源多倍体有较好的效果，染色体数少的植物较染色体数多的植物诱导多倍体效果好。 2扩大诱导范围 诱导白花授粉植物可采用多品系(种)小群体的办法，异花授粉作物品种数可减少，群体扩大，应在广泛的种、品种和较大的群体内诱导，以得到足够大的群体。诱导获得的多倍体群体要大，才有可能选出优良类型。 3采用合适的诱导方法 针对不同作物的特点，选用有效的诱导方法，高效率地诱导出多倍体。倍体。各种植物详细的诱导方法见表91。 4适宜的倍性水平 不同植物对倍性水平反应不同，同一种内不同品种、基因型对染色体加倍反应不一样。各种植物各有适宜的倍性水平，应找到适宜倍性使优良性状得以表现。倍性过高，会带来不良后果。 5嵌合体问题 由于分生细胞分裂不同步，用秋水仙碱处理时有部分细胞加倍成四倍体、八倍体，也有未加倍的细胞。要解决这一问题，可通过对处理的组织器官发育时期的选择、控制秋水仙碱浓度、采用合适的处理时间等途径解决。 6多倍体群体的选育 对诱导成多倍体材料进行选育的方法与常规育种方法相同。高倍化后往往带来不良农艺性状，如育性低、结实率和结子率下降、种子不饱满、生育期长、分蘖少等，必须对诱导获得的材料进行育种改造来克服这些困难。 7与其他育种手段结合 与组织培养结合，可保存多倍体材料，也可能消除嵌合体、诱导新类型。(三)多倍体作物的应用 1同源多倍体 (1)谷类作物。谷类作物同源四倍体有结实率低，籽粒不饱满及分蘖差等缺点，难以在生产上应用。同源四倍体高粱已在四倍体水平完成三系配套。用秋水仙碱已诱导出水稻的四倍体，从中选出不育株，正开展三系配套的选育。 最早成功投入应用的是同源四倍体黑麦。自20世纪50年代开始在德国、荷兰、芬兰、瑞典、前苏联等国相继育成四倍体黑麦品种并在生产上应用。它的优点是籽粒较大、发芽力强、蛋白质含量高、烘烤品质好，缺点是分蘖少、每穗籽粒数少、籽粒不饱满。人工诱发产生的四倍体荞麦和四倍体芝麻是高度可育的。四倍体荞麦生长慢但粒大，种子内蛋白质含量高，抗倒伏性，产量高。四倍体芝麻的器官及花粉粒较二倍体大，结实率无差别。 (2)三倍体甜菜。生产上广为使用的糖用甜菜为同源三倍体(图93)。它是同源四倍体与二倍体杂交产生的。三倍体糖用甜菜营养体生长繁茂，块根产量高，块根含糖量超过四倍体和二倍体亲本。许多欧洲国家生产上使用的甜菜品种都是三倍体。法国由于三倍体杂交种的推广，使糖甜菜块根产量由原来使用二倍体时的2704thm2增长到5925thm2 (19911995年)，增长了119倍；块根含糖量由1687增长到1786，产量由原来的457 thm2增长到1058thm2，增长了132倍(mespreg，1995)。 我国于20世纪60年代开始自育四倍体，通过二倍体材料诱导和四倍体重组育成双丰1号、范育1号、范育1号88、内蒙古5号、T802、石甜42等一批优良四倍体品系，在此基础上开展了三倍体甜菜品种的选育。70年代培育的三倍体甜菜双丰303、双丰304，产糖量较二倍体高1020。此后陆续培育出一批三倍体品种。其中双丰305推广面积最大，截至1994年，累计推广达110万hm2 (李永峰，1995)。我国还育成雄性不育系与四倍体品系杂交配制的三倍体杂交种工农302、工农303及新甜4号等品种。目前，多倍体品种的面积已超过50以上。为保证制种质量，二倍体、四倍体甜菜要在严格的隔离条件下分别繁殖制种。制种时四倍体和二倍体亲本按3：1比例相间种植。由于n花粉生长速度快于2n花粉，有大量的n花粉参与授粉。四倍体上收获的种子，大约有75的幼苗是三倍体，配合标志性状的应用，就可以在生产上利用三倍体甜菜。利用四倍体雄性不育系与二倍体授粉，产生的三倍体占96左右。 (3)三倍体西瓜。20世纪40年代，日本的遗传学家木原均，采用秋水仙碱诱导出同源四倍体西瓜，然后再与二倍体品种杂交，育出三倍体无籽西瓜。三倍体西瓜由于高度不育，省去了食用时吐籽的麻烦。此外，三倍体西瓜的含糖量、抗病性均有提高。存在的问题是，人工诱导的四倍体结实率及结籽率迅速下降，四倍体与二倍体杂交的制种瓜中结籽率较低，仅有二倍体的20，三倍体种子发芽率，成苗率较低。目前，主要通过组织培养扩大种苗繁殖来解决这个问题。除西瓜外，通过秋水仙碱人工诱导已经培育出同源三倍体或四倍体的黄瓜、南瓜、番茄、辣椒、豌豆、菠菜、芹菜、萝卜、大白菜等多种蔬菜，有些已在生产上应用。 2异源多倍体 人工合成的异源多倍体在生产上应用较为成功的是小黑麦。它是由小麦与黑麦杂交，经胚拯救杂种染色体加倍获得的新物种。生产上应用的主要有异源六倍体(AABBRR，2n=42)和异源八倍体(AABBDDRR，2n=56)两种。六倍体的亲本为硬粒小麦(Trdurum)或波斯小麦(Trpersicum)，八倍体小黑麦的亲本是普通小麦(AABBDD)。国外广泛栽培的是六倍体小黑麦，面积较大的有加拿大、波兰、前苏联、澳大利亚、美国等国家。20世纪70年代后我国在贵州、四川、甘肃、宁夏等省种植的是八倍体冬性和春性小黑麦，主要作为粮食使用，也可作为饲草作物。小黑麦的优点是抗逆性强，能适应寒冷和干旱的气候条件，耐瘠薄、抗白粉病。品质上，结合了小麦蛋白质含量高和黑麦赖氨酸含量高的特性。六倍体与八倍体小黑麦的共同缺点是原始品系结实率低，饱满度差，综合农艺形状不理想，六倍体小黑麦缺少D染色体组，烘烤品质不够理想。需要通过育种技术进行改良，将小黑麦与普通小麦杂交或进行不同的小黑麦品种间杂交，在杂种后代中进行选育，以获得优良品种。第二节 单倍体育种一、单倍体产生的途径 单倍体(haploid)是指具有配子染色体组的个体。二倍体植物产生的单倍体，体细胞中仅含有一个染色体组，这种单倍体为一倍体(monoploid)。由异源多倍体植物产生的单倍体，其体细胞中有几个染色体组，称为多元单倍体(polyhaploid)，例如小麦单倍体含A、B、D三个染色体组。在育种学上，通常将它们统称为单倍体。 产生单倍体途径有两个，既可自然发生，也可人工诱发。自然界单倍体的产生是不正常受精过程产生的。一般通过孤雌生殖、孤雄生殖或无配子生殖等方式产生。孤雌生殖(female parthenogenesis)指卵细胞未经受精而发育成个体的生殖方式。孤雄生殖(male parthenogenesis)是精子人卵后未与卵核融合，而卵核发生退化、解体，精核在卵细胞内发育成胚。无配子生殖(apogamy)是指助细胞或反足细胞未经受精而发育为单倍体的胚。自然界产生单倍体的频率极低，仅为10510-8，主要依靠人工诱导。 人工诱导产生单倍体的途径很多，主要有下列几种 (一)细胞和组织离体培养 细胞和组织培养是产生单倍体的主要途径。它的原理和技术见第十五章。 1花药(花粉)离体培养 花粉(药)培养的原理是植物每一特化的细胞都具有发育成完整植株的潜力。印度Guha(1964)等从毛叶曼陀罗(Datura innoxia)的花药培养中首次获得单倍体植株，发现能从花粉产生胚状体并发育成单倍体。此后，在烟草、水稻(Orygza sativa)、小麦的花药离体培养均获得单倍体植株。至1992年，已在约34个科89个属250多种植物中获得单倍体植株。我国在小麦、水稻、玉米、烟草、甘蔗、甜菜、油菜等40多种植物中获得花粉单倍体植株。其中小麦、玉米、甘蔗、橡胶、柑橘等19种作物的单倍体由我国首先培育成功。 2未受精子房(胚珠)培养 首例未受精子房培养出单倍体植株是大麦(Hordeum vulgare)(Sandoetan，1976，1979)。而后在小麦(Triticum aestivum)、烟草(Nicotinatabacum)及黄化烟草(Nrustica)、水稻(Orizasativa)等作物中也取得成功。由未授粉胚珠培养的单倍体作物在烟草、向日葵、玉米上也获得成功。 (二)远缘杂交 通过不同种、属间植物杂交来诱发孤雌生殖是产生单倍体的一条有效途径。远缘花粉不与卵细胞受精，但能刺激卵细胞单性生殖。这种方式在小麦属、烟草属及茄属中产生的单倍体最多，大约39个种中发现了73例。由未受精的卵发育成的胚可能是单倍体，也可能是二倍体。如果卵细胞分裂初期发生，核内有丝分裂，即染色体复制，细胞核不分裂，则形成二倍体或双倍体。 通过远缘杂交已能大量产生马铃薯单倍体，用栽培的四倍体马铃薯(Stuberosum 4X=48)为母本，二倍体富瑞亚薯(Sbhureja，2X=24)为父本杂交，可产生单倍体。罗鹏等(1981)用甘蓝型油菜为母本，白菜型油菜为父本杂交也获得单倍体，频率为103111。小麦与玉米杂交，玉米染色体消除后可诱导产生小麦单倍体(王广金，1998，陈新民，1998)。 (三)染色体消失(chromosome elimination)Kasha Kao(1970)用二倍体大麦作母本，二倍体球茎大麦作父本。进行杂交，在受精卵开始分裂、发育、形成幼胚及极核受精后的胚乳发育过程中，球茎大麦的染色体在有丝分裂过程中逐渐消失(图94)，最后形成具有大麦染色体的单倍体。受精后810d，多数胚细胞中的球茎大麦的染色体被消除，成为单倍体胚。杂种胚乳中也发生球茎大麦染色体消除现象，并在授粉后10d左右败育。必须在授粉后1216d时将胚取出作离体培养，培养所得的苗中，90以上是普通大麦单倍体，其余是二倍体种间杂交(Chuo等，1985)。通过这种方法，可获得大量的单倍体植株。这种方法又称为球茎大麦技术(Bulbosum techniqne)。普通小麦与球茎大麦的杂交，也可获得小麦单倍体。小麦与玉米杂交，玉米染色体消失，产生小麦单倍体。这是一种特殊现象，机理尚不清楚。 (四)异质体(异种属细胞质核替代系) 木原均等(1962)报导普通小麦的细胞质被尾状山羊草的细胞质代替的一个品系，其后代产生单倍体的频率为175。常胁等(1968)试验表明，只有其尾状山羊草细胞质的小麦核替代系才能高频率地产生单倍体和双生苗，其中双生苗绝大多数是单倍体二倍体类型。多倍体亚麻中有一部分为单倍体胚，属单倍体孤雌生殖，双胚苗中有单倍体一单倍体、单倍体一双倍体、双倍体一双倍体等各种类型。双胚苗中出现的小苗多数是单倍体。 (五)孪生苗 一粒种子上长出2株苗或多株苗称为孪生苗(双胚苗)或多胚苗。被子植物中少数属如柑橘属中常出现双胚或多胚现象，至少有17科48属86种植物中发现具有单倍体的孪生苗。双胚种子长成的双生苗中有单倍体，其出现的频率较单生苗高。我国在水稻、苎麻、亚麻中均发现双胚苗、多胚苗类型，能够出现单倍体。 (六)半配合生殖(Semigamy) 20世纪60年代，Turcotte等在海岛棉上发现棉花半配合生殖。它是一种特殊类型的有性生殖方式。它的雌雄配子能正常结合，精核能进入胚囊和卵细胞，但精核与卵核并不融合，分别进行分裂，形成代表父本和母本性状的嵌合体。单倍体加倍，即形成纯合的双二倍体植株。这种方法产生的单倍体较花药培养简单易行，而且性状表现稳定，但频率低。(七)辐射诱导用射线照射花或父本花粉经X射线处理后，给去雄的母本受粉，以影响其受精，可诱导单性生殖产生单倍体。田中和粟以5000RX射线照射普通烟草花器官，再用Nalata花粉授粉，获得了37株单倍体植株。 (八)化学药物诱导 某些化学药物能刺激未受精的卵细胞发育形成单倍体植株。常用的化学药剂有硫酸二乙酯、2，4D、NAA、6BA、三甲基亚砜、乙烯亚胺(置1)等。一般用化学药剂直接处理未授粉果穗。例如，用001003EI处理玉米二倍体植株的雌花序，后代中获得少量单倍体。二、单倍体的鉴定 鉴定单倍体主要有两种方法，一种是进行细胞学鉴定，即检查体细胞中的染色体数及花粉母细胞中的染色体数目及配对情况，这是较为可靠的方法。另一种是根据形态特征进行鉴定，因为单倍体与相应的双体正常植株相比，有明显的“小型化”特征，细胞及器官变小，植株矮小。此外，单倍体是高度不育的，例如密穗小麦与普通小麦单倍体的花粉有9599是败育的，而二倍体或双体仅有37是败育的。鉴定花粉的育性也是鉴定单倍体植株的重要方法。一般情况下，上述三个方面均要进行鉴定