倍性育种详解

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。1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。2同源多倍体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。3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。第一节 多倍体育种 多倍体：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。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9-1)。 (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。3不减数配子的受精结合 (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、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。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。 (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。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。2异源多倍体：（1）形成：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。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。（2）育性：异源多倍体细胞中染色体能够配对，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。(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。(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。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。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。 1诱导浓度 通常处理水溶液浓度为0.010.50，以0.20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。2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。3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。(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。4处理方法 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。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。 (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(0.01-1.0)的秋水仙碱溶液，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。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。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010.4，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。 (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。 (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-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一段时间，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。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。 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。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 诱导自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。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。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。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。 (3) 三倍体西瓜。此外，三倍体西瓜的含糖量、抗病性均有提高。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。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。第二节 单倍体育种一、单倍体产生的途径 1.单倍体：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。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，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。2.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(指卵细胞未经受精而发育成个体的生殖方式)、孤雄生殖(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)或无配子生殖（助细胞或反足细胞未经受精而发育为单倍体的胚）等方式产生。自然界产生单倍体的频率极低，仅为10-510-8，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。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。而后在小麦、烟草及黄化烟草、水稻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。 (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，最后形成具有大麦染色体的单倍体。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1.75。 (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。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。 (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。 (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、2,4-D、NAA、6BA、三甲基亚砜、乙烯亚胺等。一般用化学药剂直接处理未授粉果穗。二、单倍体的鉴定一种是进行细胞学鉴定,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。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，才能确定某一植株是否是单倍体。三、单倍体在育种上的应用价值 1缩短育种年限 单倍体只含有一套染色体，每个基因成单存在，隐性性状能在早代表现出来，可及早对优良基因进行筛选，不良性状也能在早代得以被淘汰。另一方面，单倍体染色体被人为加倍后，便可成为基因型纯合的个体。2克服远缘杂交的不亲和性 远缘杂交时，由于亲本遗传差异大，后代