杂交育种解析.ppt

第五章杂交育种,第三节远缘杂交和选择远缘杂种,远缘杂交（diiistanthybridization）是生物种间、属间或地理上相隔很远的不同生态类型之间的杂交。,一、远缘杂交的意义,1.培育植物新品种2.栽培品种与野生植物杂交，提高后代抗性3.提高品种品质4.杂交后代的广泛分离为选择提供更多机会5.创造雄性不育、诱导孤雌生殖、研究进化起源等,二、远缘杂交的不亲和性和解决方法,远缘杂交的亲本之间亲缘关系远，遗传差大，生理上也不协调。这些都会影响受精过程，导致雌雄配子不能结合。这就是远缘杂交的不亲和性或者叫做不可交配性。,常见问题：花粉不能在异种的柱头上萌发；花粉萌发但花粉管不能伸入柱头；花粉管伸入柱头后生长缓慢或破裂；花粉管长度不够，不能到达子房；花粉管到达子房但不能完成受精作用等。,1.染色体加倍法：甘蓝白菜不易杂交2n=2x甘蓝白菜成功2n=4x,金花茶远缘杂交正反交亲和性差异,解决办法：,2.选择配子亲和力高的杂交组合：,3.使用“桥梁种”,萝卜芸薹不亲和萝卜甘蓝型油菜（桥梁种）F1芸薹容易成功,矮生扁桃山毛桃（桥梁种）F1普通桃成功,染色体数多或染色体倍性数高的种作母本，结实率较高。,杂种植株或幼龄植株作母本杂交成功的可能性也较大。,4.混合授粉、多次重复授粉或射线处理,防城金花茶（五宝山茶花粉+星桃山茶花粉+高剂量射线杀死的防城金花茶花粉）,结实率,5.花柱截短或父本柱头组织移植,6.使用化学药剂赤霉素、萘乙酸、生长素、硼酸、蔗糖溶液、维生素等涂抹或喷洒雌蕊，有助于花粉萌发和花粉管伸长。,大卫百合王百合（花粉）（切去部分花柱）,远缘杂种,7.预先无性接近法多特蒙德腺果大叶蔷薇不结实（品种月季）（野生）多特蒙德嫁接在多特蒙德上的腺果大叶蔷薇（品种月季）结实,嫁接在多特蒙德上的腺果大叶蔷薇开花,多特蒙德,腺果大叶蔷薇,腺果大叶蔷薇果实,杂交果实,三、远缘杂种不育的解决方法,1.胚培养,2.种子处理,3.诱导杂种染色体加倍,4.回交技术,8.注意环境条件,创造适合花粉萌发和受精的环境条件也很重要。在金花茶与山茶的远缘杂交中，温暖少雨比低温多雨的气候条件更能够显著提高结实率。,胚培养,5.无性嫁接6.延长生育期7.加强管理,四、选择远缘杂种,远缘杂种分离的范围远较品种间杂种广泛。,远缘杂种的“剧烈分离”可能会产生近缘杂交所不能产生的新类型。,远缘杂种的“剧烈分离”不容易稳定，使育种周期延长。或因双亲巨大差异导致杂种生活力衰退。,远缘杂种的分离没有任何规律，比品种间杂交具有更大的多样性和复杂性。远缘杂种后代的分离大致可归纳为以下类型：（1）综合性状类型（2）亲本性状类型（3）新物种类型由于远缘杂种的分离具有多样性，对杂种真伪及其后代进行早期鉴定与选择，除采用形态学的方法外，还应进一步采用现代技术手段，如电镜技术、核型分析技术、同工酶分析技术、分子标记技术等。,1.受精前的杂交障碍,受稍前杂交障碍的表现亲缘关系愈远，杂交障碍就愈明显。受精前杂交障碍的主要表现有第一，由于异种植物柱头环境和柱头分泌物差异太大，致使花粉在异种植物的柱头上不能萌发；第二，即使花粉在柱头上萌发，但花粉管不能进入柱头；第三，花粉管生长缓慢，不能进入子房到达胚囊中；第四，花扮管虽能进入子房，到达胚囊，但不能受精。,小结,2.受精前杂交障碍的克服方法,（1）注章亲本的选择选配选择亲和性较好的种类作为杂交亲本，经选定作母本的某一物种，对于接受不同物种的雄配于和它的卵核、极核的融合能力有很大的遗传差异。例如，用防城茶作母本，分别用七星白、五宝、连蕊茶、早桃红和狮子头为父本，其结实率差别较大，分别为0、1.6%、4.3%、5.5%和2.5%。远缘杂交还常常出现正反交结果不同的现象。,采用染色体数较多或染色体倍性高的种作为母本较易成功。例如，北京林业大学在茶花远缘杂交育种中，以六倍体的云南山茶(2n=6x=90)为母本，二倍体山茶(2n=2x=30)为父本时结实率为8.7%。其反交的结实率只有2.7%。选择第一次开花的幼龄杂种实生苗作母本。米丘林认为若双亲均是第一次开花的幼龄杂种，对于克服远缘杂交的不亲和性较为有利。,混合授粉就是在选定的父本花粉内，掺入少量其他品种甚至包括母本的花粉，然后授于母本花朵的柱头上。混合花粉可以是若干种远缘花粉的混合物，也可混入经杀死的母本花粉以及未经杀死的母本花粉。混合花粉成员数，一般认为以不超过3-5个为宜。在金花茶的远缘杂交中，用山茶品种五宝和松子授粉，结果率分别为1.6%和0，而两个品种的花粉混合后再给金花茶授粉，其结实率增加到12%。重复授粉是指在同一母本花的蕾期、开放期和花朵即将凋谢等不同的时期，进行多次重复授粉。,（2）混合授粉和多次重复授粉,（3）柱头移植和花柱短截法,柱头移植的方法通常有两种.一是将父本花粉先授于同种植物柱头上，在花粉管尚未完全伸长前，切下柱头，移植到异种的母本花柱上；二是先进行异种柱头嫁接，待一两天接口处愈合后再行授粉。花柱短截法是把母本花柱切除或剪短，把父本花粉直接授在切面上，或将花粉的悬浮液注入子房，使花粉不需要通过柱头和花柱直接使胚珠受精。,（4）媒介法（5）试管受精：从母本花朵中取出带胎座或不带胎座的胚珠，置于试管中培养，并在试管中进行人工受精，以克服远缘杂交中花粉不萌发、花粉管不能伸长或伸长过慢等障碍。（6）化学药剂处理：应用赤霉酸、荼乙酸、硼酸等化学药剂，涂抹或喷洒处理母本雌蕊，能促进花粉萌发和花粉管的伸长，有利于完成受精作用。（7）应用温室或保护地杂交，改善授粉受精条件例如，在金花茶与山茶的远缘杂交中，2月份如果温暖少雨，结实率显著提高；如低温多雨，结实率下降，甚至不结实。百合OA远缘杂交中，杂交时的气温为30时，花粉管在胚珠中的穿透率仅为0.4%，当气温为34时，穿透率提高到1.1%。,（8）花粉预先用低剂量辐射处理，再进行杂交（9）体细胞融合技术（10）外源DNA导入技术,3.远缘杂交受精后胚败育的表现及原因,远缘杂交受精后杂种胚败育的主要表现：第一，受精后的幼胚不发育，发育不正常或中途停止发育；第二，杂种幼胚、胚乳和子房组织之间缺乏协调性，特别是胚乳发育不正常，影响胚的正常发育，致使杂种胚部分或全部坏死；第三，虽能得到包含杂种胚的种子，但种子不能发芽，或虽能发芽，但在苗期或成株前夭亡。这些现象发生在受精之后，因此又称为杂种衰亡。造成种胚败育或幼苗早夭现象的主要原因：第一，由于两亲的遗传差异大，引起受精过程不正常和幼胚细胞分裂的高度不规则，因而使胚胎发育中途停顿流亡；第二，由于小苗在生理上的不协调，因而影响了杂种的成苗成株。例如在金花茶与山茶、攸县油茶的远缘杂交中，有的杂种种子根本不能发芽，有的发芽后开始生长正常，但不久后逐渐枯死。,4.受精后胚败育的克服方法,（1）杂种胚的离体培养（2）嫁接（3）改善营养条件（4）人工辅助授粉,5.远缘杂种的不育性,远缘杂种不育性的主要表现：第一，杂种营养体虽生长繁茂，但不能正常开花；第二，能正常开花但其构造、功能不正常、不能产生有活力的雌、雄配子；第三，配子虽有活力，但不能完成正常的受精过程，不能结籽。,6.远缘杂种不育性的克服方法,（1）杂种染色体的加倍（2）回交法（3）延长选择世代,第四节杂种优势利用,杂种优势（heterosis）是指两个遗传组成不同的亲本杂交，产生的杂种第一代（F1）在生长势、株高、花径、成熟期、抗病虫害及不良环境的能力等方面超过双亲的现象。仅仅利用F1代杂种优势的育种方法叫做杂种优势利用，也叫做优势育种或一代杂种育种。,杂种优势表现的程度因杂交亲本组合的不同而不同，其优势有强有弱，数值上有正有负。这意味着不是所有F1都存在杂种优势，也就是说杂种劣势同样存在，此时其值为负。另一方面，同一组合（同一F1）在不同环境条件下种植，优势的表现也不同，这是环境因子与基因互作的结果。,与杂种优势相对应的是自交衰退(inbreedingdepression)。自交衰退也是生物界普遍存在的现象。对于异花授粉植物来说，一般自交后都会发生不同程度的衰退，衰退的程度因种类不同而异。在自交的初期阶段，衰退较快，随着自交代数的增加，衰退有变慢的趋势。而自花授粉植物在长期的进化过程中，不适应自交的植株已被自然淘汰，因此自交衰退不明显或基本上不衰退。自交衰退是与纯合基因型同时产生的，自交后代群体中的纯合率可用下式估算：,数量性状的遗传机制：数量性状的遗传表现为中间性遗传、超亲遗传和杂种优势三种方式。其中中间性遗传和超亲遗传可用多基因学说来解释：（1）数量性状受一系列独立遗传的基因所控制，而每个基因的作用效应都很小叫作微效基因；（2）微效基因通过累加作用共同影响某一数量性状的表现，叫做基因加性效应；（3）微效基因在体细胞中也是成对存在，并且等位基因也是独立遗传，同时存在分离、重组和连锁互换，但相互之间不存在显隐性关系和互作；（4）微效基因的加性效应是真实遗传的，并在后代中得以固定。杂种优势则可用基因非加性效应解释：基因非加性效应是由等位基因或非等位基因相互作用产生的效应，包括超显性效应和上位效应，前者是由等位基因间互作产生的效应，后者是非等位基因间互作产生的效应。,显性假说在长期的自然选择过程中，对生物有利的基因大多数是显性基因，而一些不利基因由于与重要的有利基因有着紧密的连锁关系，所以在自然选择和人工选择压力下未遭到淘汰。不同来源的品系或自交系中有着不同的不利基因，这些品系间进行杂交而产生的杂种，由于一个亲本的显性有利基因有可能掩盖住来自另一亲本的不利基因，这样一种互补效应消除了不利基因的作用，使杂种的表现优于任何一个亲本，出现杂种优势。,超显性假说超显性假说又称“等位基因异质结合假说”，其主要内容是指杂种优势并非由显性有利等位基因间的互补效应决定的，而是由于杂合等位基因的两个成员在生理、生化反应能力以及适应性等方面，均优于任何一个纯合类型。这种杂合等位基因不论是显性基因还是隐性基因，都表现出优势。例如A1和A2是2个等位基因，其杂合体A1A2比纯合体的双亲A1A1和A2A2显示出更大的生长优势,优势增长的程度与等位基因间的杂合程度有密切的关系。,显性假说强调显性基因的作用,超显性假说则强调基因间的相互作用，它们虽然不相互排斥,但也不能概括一切。而根据作物数量性状的遗传分析，杂种优势的遗传实质应是显性效应、累加效应以及异位显性、互补作用和超显性等各种基因效应的综合。在某一组合中可能以某一作用为主；不同的性状、基因作用方式也可能不一样。,杂种优势具有以下特点：第一，杂种优势不是某一两个性状单独地表现突出，而是许多性状综合地表现优良。第二，杂种优势的大小，取决于双亲的遗传差异和互补程度。第三，亲本基因型的纯合程度不同，杂种优势的强弱也不同。第四，杂种优势在F1代表现最明显，F2代以后逐渐减弱。,杂种优势常常以杂种一代的某一个性状超越双亲相应性状平均值的百分比表示，称为平均优势。超过较好亲本值的百分比则称为超亲优势。超过对照品种值的百分比称为超标优势。,平均优势（%）=（F1-双亲平均值）/双亲平均值100%超亲优势（%）=（F1-较好品种值）/较好品种值100%超标优势（%）=（F1-对照品种值）/对照品种值100%,当F1等于双亲平均值时，杂种优势等于零；F1大于双亲的平均值时为正向优势；F1小于双亲的平均值时为负向优势。,杂种优势利用与杂交育种异同：,相同：都需要选配亲本并进行有性杂交。不同：杂交育种：先杂后纯；即先杂交，然后自交分离选择，最后得到基因型纯合的定型品种。杂种优势利用：先纯后杂；需要首先使亲本自交纯化，然后使高度纯合的亲本杂交获得杂种F1用于生产。,优势育种与常规杂交育种都需要大量收集种质资源，选配亲本，进行有性杂交、进行品种的比较试验、区域试验、生产试验、申请品种审定和进行品种登录。对于木本园林植物两种育种方法大体相同，而对于多数草本园林植物而言，两者不同之处有以下几点：从育种理论上看，常规杂交育种利用的只是加性效应和部分上位效应，是可以固定遗传的部分；优势杂交育种利用的是加性效应和不能固定遗传的非加性效应。从育种程序上看，常规杂交育种是先杂交后纯合，即先进行杂交，然后自交分离选择，最后得到基因型纯合的品种；优势杂交育种是先纯合后杂交，通常首先选育自交系，经过配合力分析和选择，最后选育出优良的基因型杂合的杂交新品种。在种子生产上，常规杂交育种比较简单，每年从生产田或者种子田内的植株上收获种子，既可供下一年生产播种之用；优势杂交育种选育的杂交品种不能在生产田中留种，必须每年设立专门的亲本繁殖区和制种区。,影响杂种优势的因素,杂交亲本的纯合性杂交亲本间的差异杂交组合的方式,杂种优势的机理,显性假说超显性假说上位互作效应,杂种优势的固定,无性繁殖法二倍体无融合生殖：是指不通过雌雄配子的核融合而产生后代的一类繁殖方式。双二倍体法平衡致死法,育种实践证明，外观长势好、产量高的亲本，其杂种产量不一定有较高的水平；而有些亲本并不是特别优良，但与另一亲本交配后，后代却非常优良。究其原因是与亲本的配合力高低有关。配合力可分为一般配合力和特殊配合力。,（1）一般配合力(generalcombiningability,gca)：指一个亲本自交系或品种（纯合体）在一系列的杂交组合中的产量（或其他经济性状）的平均表现。（2）特殊配合力(specificcombiningability,sca)：指某特定组合的实际产量（或其他性状值）与根据双亲的一般配合力所预测的平均产量（或其他性状值）的差值。,在杂种优势利用中，通过测定一般配合力来选配杂交亲本，可以减少选配杂交组合的盲目性，井且只有在一般配合力高的亲本的基础上再选择特殊配合力高的组合，才能获得最为理想的杂交组合。一般配合力主要是由亲本的基因加性效应决定的，加性效应决定于基因位点数目。对某一固定亲本来说基因位点数目是个定值，不会因杂交组合的不同而变化。所以基因的加性效应是可以稳定遗传的。因此，对于主要取决于一般配合力的性状可以通过常规杂交育种育成定型品种。特殊配合力则是受基因的显性效应和非等位基因互作效应控制的。杂种优势主要是由显性效应和非等位基因互作效应导致的，因此对于主要取决于特殊配合力，或一般配合力和特殊配合力都有很大影响的性状，就需要充分利用F1的杂种优势。,杂种优势利用的优点,1.杂种往往植株高大，枝叶生长繁茂，籽粒产量高。2.杂种还有较强的抗逆性和早熟等特点，稳定性好。3.杂种一代的一致性较好。对于观赏植物来说，既有利于栽培管理，又有利于整体观赏效果的提高。4.优势育种周期相对比较短，投入少，见效快，效益好。,1雄性不育系：雄性不育系是一种雄性退化(主要是花粉退化)但雌蕊正常的母水稻，由于花粉无生活力，不能自花授粉结实，只有依靠外来的花粉才能受精结实。2保持系：这是一种正常的水稻品种，用它的花粉授给不育系后，所产生后代，仍然是雄性不育的。3恢复系：这也是一种正常的水稻品种，用它的花粉授给不育系后，所产生的杂交种雄性恢复正常。由于保持系和恢复系本身的雌雄蕊都正常，各自进行自花授粉，所以各自结出的种子仍然是保持系和恢复系的后代。,但是，三系法的育种程序和生产环节复杂，以致选育新组合的周期长、效率低、推广环节多、速度慢。尤其要指出的是三系法的杂种优势利用途径由于受到严格恢复和保持关系制约，配组自由度小，因而造成了三系法杂交水稻在不育系和杂交组合方面都比较单一的局面，束缚了杂种优势的充分发挥，这正是近20多年来杂交水稻产量徘徊不前的原因所在。,利用光温敏不育系发展杂交水稻有两大优越性。第一是免除了保持系，在夏季长日照下可用来与恢复系制种，在秋季或在海南春季可以繁殖自身，不再需要借助保持系来繁殖不育系，因此用光温敏不育系配制的杂交稻叫做两系杂交稻。两系法在种子生产程序上减少了一个环节，从而降低了种子生产成本。第二是配组自由，选配到优良组合的机率大大高于三系法，大量的试验表明，95以上的现有水稻品种，都能使两系不育系的育性恢复，而只有不到5的品种能恢复三系不育系的育性。由此可知，在选择优良组合方面，两系法要比三系法优越得多。,三系法杂交制种示意图,水稻两系法制种示意图,两性花植物中，雄性器官退化、畸形或丧失功能的现象，称为雄性不育（malesterility）。雄性不育性变异普遍存在于各类植物中，按照其遗传方式的不同，可分为细胞质雄性不育型（质不育型，CMS）、细胞核雄性不育型（核不育型，GMS）、核-质互作不育型等类型。获得雄性不育株并不等同于获得雄性不育系。雄性不育系是对原始雄性不育株经过一系列的选育过程之后，所获得的具有稳定不育性的系统。雄性不育系能否育成，其关键在于有无相应的保持系。,在开花植物中，细胞质雄性不育(CMS)基因的转录产物可能在核恢复基因的作用下被降解，从而使这种由线粒体基因突变所导致的不育性状通常能够被