远缘杂交和倍性育种.doc

8 远缘杂交和倍性育种重点： 远缘杂交和倍性育种的概念，远缘杂交的困难和克服方法，远缘杂交和倍性育种后代的处理方法。难点：远缘杂交不亲和性克服要求：了解远缘杂交育种和倍性育种的作用和意义，理解远缘杂交和倍性育种的概念，明确远缘杂交的困难，掌握克服远缘杂交困难的，人工诱导多倍体和单倍体的途径和方法，远缘杂交和倍性育种后代的处理方法。8.1 远缘杂交育种 8.2 多倍体育种 8.3 单倍体及其在育种中的应用8.1 远缘杂交育种8.1.1 远缘杂交及其作用 1 远缘杂交的概念 通常将植物分类学上属于不同种 (species)、属 (genus)或亲缘关系更远的植物类型间所进行的杂交，称为远缘杂交 (wide cross或distant hybridization)。所产生的杂种称远缘杂种。 远缘杂交又可区分为：种间杂交 属间杂交 亚远缘杂交 2 远缘杂交的作用 将异种 ( 属 )植物的有利性状引入栽培品种 创造新物种 创造异染色体体系 诱导单倍体 有效地利用杂种优势 用于研究生物的进化 8.1.2 远缘杂交不亲和性的原因及其克服方法 1 远缘杂交的不亲和性及其原因 远缘杂交时，由于双亲的亲缘关系较远，遗传差异大，染色体数目或结构也不同，生理上也常不协调，这些都会影响受精过程。常见的现象有：花粉不能在异种柱头上萌发；花粉虽能萌发，但花粉管不能伸入柱头；或花粉管进入柱头后，生长缓慢，甚至破裂；或花粉管虽生长正常，但长度不够等原因而不能达到子房；花粉管即使达到了子房，雌、雄配子不能结合、受精而形成合子。这就是远缘杂交的不亲和性 (incompatibility), 或不可交配性 (noncrossability)。 （1）亲缘关系较远的两亲性因素在结构上、生理上的差异，不能完成正常的受精作用 （2）远缘杂交的亲和性与双亲的基因组成有关 2 克服远缘杂交不亲和性的方法（1） 注意亲本的选择与组配 同种植物不同的变种或品种，由于其细胞、遗传、生理等的差异，会影响其接受另一种花粉进行受精的能力，即配子间的亲和力有很大差异。所以，为了提高远缘杂交的成功率，必须注意亲本的选配。研究和实践表明：在亲本选配上应注意： 在栽培种和野生种杂交时，应以栽培种为母本 在染色体数目不同的远缘杂交中，一般以染色体数目多的作母本，容易成功 以杂种为母本的效果好 广泛测交 （2）染色体预先加倍法 在用染色体数目不同的亲本杂交时，先将杂色体数目少的亲本人工加倍后再杂交，可提高杂交结实率。 （3）桥梁 ( 媒介 ) 法 (bridging method) 如果两个种直接杂交有困难时，可先通过第三者作为桥梁，以亲本之一与桥梁品种杂交，将其杂种人工加倍后，再和另一亲本杂交，便可获得成功。 （4）采用特殊的授粉方法 用混合花粉授粉 重复授粉 提前或延迟授粉 射线处理法 （5） 补施植物激素法 此外，随着组织培养等生物技术的不断发展，已创造出一些可用来克服远缘杂交不亲和性的方法，如柱头手术、子房受精、试管受精、体细胞融合等。 8.1.3 远缘杂种夭亡、不育的原因及其克服方法 1 远缘杂种的夭亡和不育现象 不同种、属植物间杂交，有时虽能完成受精作用，形成合子，但受精不完全。如精子虽能与卵核结合，但不能和极核结合形成胚乳；或胚乳发育不正常； 或胚和胚乳发育不同步，因而不能获得杂交种子；或虽有杂交种子，但幼苗在生育过程中死亡而不能获得杂种植株；或虽能长成植株，但不能受精结实获得杂种后代，即出现杂种夭亡和不育。 其具体表现是：受精后幼胚不能发育，或中途停止发育；能形成幼胚，但幼胚畸形、不完整；幼胚完整，但没有胚乳或极少胚乳；胚和胚乳虽发育正常，但胚和胚乳间形成糊粉层似的细胞层，妨碍了营养物质从胚乳进入胚；由于胚、胚乳和母体组织间不协调，虽能形成皱缩的种子，但不能发芽或发芽后死亡；F1 植株在不同发育时期出现生育停滞或死亡；由于生育失调， 营养体虽生长繁茂，但不能形成结实器官；虽能形成结实器官，但其构造、功能不正常，不能产生有生活力的雌、雄配子；或因双亲染色体数目不同；或缺少同源染色体，在减数分裂时，染色体不能正常配对与平衡分配，形成大量不育配子等等。2 杂种夭亡、不育的原因 远缘杂交后，打破了各个物种原有的遗传系统，必然会影响其后代个体的生长发育，甚至导致其死亡或不育。所以，远缘杂种夭亡和不育的根本原因是由于其遗传系统的破坏：（1）核质互作不平衡 （2）染色体不平衡 （3）基因不平衡。 另外胚、胚乳及母体组织 ( 珠心、珠被等 ) 间的生理代谢失调或发育不良，也会导致胚乳败育及杂种幼胚夭亡。 3 克服的方法（1）幼胚的离体培养 将杂种幼胚进行人工离体培养，以调整杂种胚发育的外界条件，改善杂种胚、胚乳和母体组织间的生理不协调性，可获得杂种并大大提高结实率。（2）杂种染色体加倍法 当远缘杂交的双亲染色体组或染色体数目不同而缺少同源性， 致使 F1 在减数分裂时，染色体不能联合或很少联合，不能形成足够数量的、具有生活力的配子而造成不育时，通过杂种染色体加倍获得双二倍体，便可有效地恢复其育性。 （3）回交法 染色体数目不同的两亲杂交所得的杂种，其产生的雌、雄配子并不都是完全无效的。其中有些雌配子可接受正常花粉受精结实；或能产生有生活力的少数花粉。 所以用亲本之一对杂种回交，可获得少量杂种种子。（4）延长杂种的生育期 远缘杂种的育性有时也受外界条件的影响，延长杂种生育期，可促使其生理机能逐步趋向协调，生殖机能及育性得到一定程度的恢复。 除采用上述方法克服远缘杂种夭亡或不育外，还可用嫁接法或利用特殊基因等。 8.1.4 远缘杂种后代的分离与选择 1 远缘杂种后代性状分离的特点： （1）分离无规律性 远缘杂交时，来自双亲的异源染色体缺乏同源性，导致减数分裂过程紊乱，形成具有不同染色体数目和质量的各种配子。因此，其后代具有极复杂的遗传性，性状分离复杂且不规律，上下代之间的性状关系也难于预测和估计。（2）分离类型丰富、并有向两亲分化的倾向 远缘杂种后代，不仅会分离出各种中间类型， 而且还出现大量的亲本类型、亲本祖先的类型、超亲类型以及某些特殊类型等，变异极其丰富。（3）分离世代长、稳定慢 远缘杂种的性状分离并不完全出现在F2, 有的要在 F3 或以后世代才有明显表现。同时，在某些远缘杂交中，由于杂种染色体消失、无融合生殖、染色体自然加倍等原因，常出现母本或父本的单倍体、二倍体或多倍体；在整倍体的杂种后代中，也还会出现非整倍体等。这样，性状分离会延续多代而不易稳定。 2 远缘杂种后代分离的控制 为了加速远缘杂种后代的稳定，缩短育种年限，必须设法控制其分离。常用的方法有：（1）F1 染色体加倍 （2）回交 （3）诱导单倍体 （4）诱导染色体易位 3 远缘杂种后代的处理特点（1）杂种早代应有较大的群体 （2）放宽早代选择的标准 （3）灵活地应用选择方法8.2 多倍体育种8.2.1 植物的多倍体及其育种意义 1、多倍体的概念 一个属内各个种所特有的、维持其生活机能的最低限度数目的一组染色体，叫染色体组。一个染色体组是用以描述一个个体的染色体组成的基本单位，常用英文大写字母 ( 如 AABB) 表示。每个染色体组所含有的染色体数目称染色体基数 (x)。 凡体细胞中具有 2 个以上染色体组的植物便称为多倍体 (polyploid) 。如三倍体 3x、四倍体 4x、五倍体 5x 、六倍体 6x等等。 2 、多倍体的种类 根据染色体的来源，多倍体一般可分为两大类： （1）同源多倍体 (autopolyploid) 含有 2 组以上同一染色体组的个体，称同源多倍体。 同源多倍体常具有下列特征 : 大多数同源多倍体是无性繁殖的、多年生的。 同源多倍体的基因型种类比二倍体多 同源多倍体的育性差，结实率低 同源多倍体达到遗传平衡的时间长 器官的巨型性 （2）异源多倍体 (allopolyploid) 凡由 2 个或 2 个以上不同染色体组所形成的多倍体，称异源多倍体。 多倍体除上述二种主要类型外，由于染色体组的分化，还有区段异源多倍体 (seg-mental allopolyploid) 、同源异源多倍体 (auto-allopolyploid) 、倍半二倍体 (sesquidiploid) 等一系列的过渡类型 ( 图 8-1) 3、植物界的天然多倍体 自然界广泛生存着多倍体植物,如被子植物中约有一半以上的物种是多倍体。据 FAO (1962) 对 268 个植物属的统计，大约有 70% 的属都带有某种程度的天然多倍性特征，其中异源多倍体比同源多倍体更为普遍。 4、多倍体的育种意义 国内外的研究表明：在作物遗传育种中，诱导多倍体的作用在于： （1）通过增加一个现存物种的染色体数目，产生同源多倍体 （2）通过远缘亲本或种间不育杂种的染色体加倍，克服远缘杂交的困难 （3）诱导多倍体作为不同倍数性间或种间的遗传桥梁 (genetic bridge) 8.2.2 多倍体的诱导与育种 1、诱导材料的选择 为了有效地获得多倍体，用作诱导的材料最好是：（1）天然多倍体物种比重较高的科、族植物 （2）综合性状较好、染色体数目少的材料 （3）杂合性高的材料 （4）以收获营养器官为目的的植物 （5）远缘杂种后代 （6）选择生育周期短的作物 2、获得多倍体的途径与方法 染色体加倍是获得多倍体的基本环节 染色体加倍 可分为自然的和人工的二种。自然加倍过去认为主要是通过体细胞来实现的，此外，通过配子未减数的途径，也可产生各种多倍体。但是，染色体自然加倍的频率是很低的，难以完全满足育种的需要。所以， 必须用人工的方法来诱导多倍体。染色体的人工加倍方法有物理的 ( 如温度骤变、机械损伤、电离和非电离辐射、离心力等 ) 和化学的 ( 如秋水仙素、荼嵌戊烷、吲哚乙酸、氧化亚氮 (N20) 等 ) 处理。但应用最普遍而有效的方法是用秋水仙素处理。 秋水仙素是从原产地中海一带的百合科植物秋水仙 (Colchicum autummale) 植株中提取出来的一种化合物，分子式为C22H25NO61.5H2O。纯的秋水仙素为针状结晶体，性毒，易溶于水、酒精而不溶于乙醚和苯。商品秋水仙素为淡黄色粉末。应用秋水仙素进行染色体加倍时，一般是将其配成 0.01%-0.4% 的水溶液、酒精溶液、甘油溶液或制成羊毛脂膏、琼脂、凡士林等制剂。用溶液 ( 最常用的是 0.2% 的水溶液 ) 浸渍种子、枝条或幼苗和根尖的生长点；或将秋水仙素溶液滴在植株顶芽或腋芽的生长点上；或将溶液注射到幼株分蘖的生长点上方；或用 0.2% 的秋水仙素脂膏涂抹顶芽等。如在溶液中加人 1%-3% 的二甲基亚枫 (DMSO) 作为辅助剂，可显著提高诱导效果。 用秋水仙素加倍时所用溶液的有效浓度、处理时的温度、处理时间和方法， 因作物种类、部位及其生育时期等而异。一般采用低浓度、长时间 (0.025%-0.05%, 几天到十几天 ) 或高浓度、短时间 (0.2%, 几小时 ) 的处理方法。材料处理完后，应及时冲洗干净，以防药害。处理过的材料，应在低温 (15 ) 、高湿条件下精心培育,以迅速恢复其生长机能。秋水仙素的作用在于：它能使正处在分裂盛期的细胞纺锤丝的形成受到抑制，染色体的长度收缩；但不影响染色体的纵裂。由此使细胞停顿在分裂中期，染色体虽能复制，但不能分向两极，造成染色体数目加倍而成多倍体。当药剂洗净后，细胞便可恢复正常的分裂。 3、诱变材料的倍性鉴定 鉴别多倍体时，常用的方法有：（1）间接鉴定法 可根据育性、植株的形态特征或生理特性鉴别其倍性。同源多倍体的植株常呈“巨大型”, 花器和气孔保卫细胞等都会变大。由此便不难区分诱导后代是否为多倍体。一般检测花粉粒和细胞尤其是气孔保卫细胞的大小，是区分二倍体和多倍体的经典方法 （2）直接鉴定法 即对加倍后代的花粉母细胞或根尖细胞进行染色体数目的检定，凡 染色体数目比原始数目倍增了的即为多倍体。 4、多倍体材料的加工和选育 人工诱导的多倍体材料，往往各具不同的优缺点，因此，必须进行多倍体品系间的杂交，在众多后代群体中，进行严格选择，逐步克服所存在的缺点，才有可能培育出具有生产效益的新品种、新作物。 5、人工诱导多倍体的成功实例 人工诱导多倍体以培育新品种或新物种的研究取得了长足的进展。主要有： （1）异源多倍体小黑麦 用小麦属中的四倍体硬粒小麦、波兰小麦和六倍体的普通小麦等与二倍体 的黑麦杂交，经染色体加倍和反复选育而合成的异源多倍体小黑麦，是多倍体育种的突出成果。 （2）三倍体甜菜 由二倍体甜莱加倍成四倍体后与二倍体杂交育成的三倍体甜菜。 （3）同源四倍体 此外 , 中国还育成了四倍体的饲料玉米、同源四倍体的亚洲 棉 、同源四倍体高粱8.3 单倍体及其在育种中的应用 8.3.1 单倍体的起源及其类型 1、植物的单倍体及其起源 高等植物的单倍体 (haploid) 是指含有配子染色体数目的孢子体, 即只含有其双亲的一套染色体组的类型。它一般是由不正常的受精过程和孤雌生殖、孤雄生殖、无配子生殖 (apogamy) 等而产生的。单倍体可自然发生或人工诱导 ，但单倍体的自然发生频率是很低的 。 2、单倍体的类型 根据染色体的平衡与否，把单倍体分为两大类型： （1）整倍单倍体 其染色体是平衡的。根据其物种的倍性水平又可分为一倍体或单元单倍体, 它是由二倍体物种产生的。凡由多倍体物种产生的单倍体，称为多倍 ( 元 ) 单倍体。由同源多倍体和异源多倍体产生的多倍单倍体，分别称为同源多倍单倍体 和异源多倍单倍体 。 （2）非整倍单倍体 与整倍单倍体不同，其染色体数目可能额外增加或减少，而并非染色体数目的精确减半，所以是不平衡的。 8.3.2 获得单倍体的途径和方法 1、利用单性生殖获得单倍体 （1）从双生苗中选择 （2）利用半配合 （3）利用远缘花粉授粉 （4）利用延迟授粉 （5）利用诱发 ( 单倍体 ) 基因及核质互作 （6）利用理化因素诱变 此外，利用异种、属细胞质和核的异质作用，也可获得单倍体 2、利用合子发育过程中, 体细胞染色体有选择的消失 3、组织和细胞的离体培养 （1）花药 (粉) 培养花药培养产生单倍体的途径有二： 一是花粉经历去分化和胚胎发生过程，通过胚状体而形成单倍体的胚，以后便直接发育成单倍体植株，如烟草、曼陀罗等；一是花粉多细胞团增殖，形成愈伤组织，以后再诱导分化成再生植株，如水稻、小麦等。（2）未授粉的子房、胚珠培养。 8.3.3 单倍体的鉴定与二倍化 对单倍体后代的鉴定方法除可采用根据形态特征的间接鉴定和镜检染色体数目的直接鉴定，还可应用遗传标志法。单倍体植株只有一套染色体,在减数分裂后期 I, 染色体将无规则地分配到子细胞中去， 因之很少产生有效配子，育性很低。所以，单倍体本身没有直接利用价值。必须在其转入有性世代之前，使其染色体二倍化，恢复育性，产生纯合的二倍体种子。 单倍体的染色体可以自然加倍， 但自然加倍的频率是较低的。只有采用人工加倍，获得大量纯合的二倍体时，才能真正发挥单倍体的潜力。在众多加倍方法中，简便、有效、安全、无遗传损伤的方法是用秋水仙素加 DMS。处理在细胞分裂中的分生组织