无融合生殖的遗传课件

第十一章

无融合生殖的遗传第一节无融合生殖的类型生物的生殖方式，除了有性生殖，还存在无性生殖和无融合生殖（apomixis）方式。早期Winkler（1906）指出无融合生殖包括：无融合结籽(agamospermy)现象，即不经过精细胞和卵细胞融合形成合子而产生种子的过程；还包括用营养器官进行繁殖的全部类型。Bashaw(1988)等人对无融合生殖概念的解释是：无融合生殖是指植物不经过雌雄配子融合而产生种子的生殖方式，即无融合结籽。蔡得田(1993)提出:无融合生殖是指发生在植物胚珠中，不经过精卵融合形成胚，以种子进行繁殖的生殖方式。孙敬三（1996）将植物的生殖方式划分如下图，同时也认为无融合生殖过程是不经过雌雄配子融合而产生种子的生殖方式。一、无孢子生殖（apospory）由胚珠中不同位置的体细胞发育(经过2次或3次有丝分裂)形成不减数的胚囊，由不减数胚囊进一步发育为具有胚和胚乳的种子，这就叫无孢子生殖。在二倍体植物中起源于未减数胚囊中的助细胞或反足细胞的无融合生殖又称为二倍体无配子生殖。二、二倍性孢子生殖（diplospory）由大孢子母细胞未进行减数分裂而是进行有丝分裂，或经过不正常的减数分裂所成二倍性胚囊，再由这些胚囊进一步发育形成的植物胚。在二倍体植物中，起源于未减数胚囊中的卵细胞的无融合生殖又称为二倍体孤雌生殖。三、不定胚生殖（adventitionsembryny）指由胚囊外面的珠心细胞或珠被细胞，直接经过有丝分裂而发育形成的植物胚的生殖方式，故不定胚又叫珠心胚。不定胚生殖又称孢子体无融合生殖，而二倍性孢子生殖和无孢子生殖称为配子体无融合生殖。不定胚生殖与无孢子生殖的不同之处是在不定胚的形成过程中，珠心细胞或珠被细胞不形成胚囊结构。不定胚现象在柑桔类植物中极为普遍。不定胚的形态和合子胚(有性胚)相似，但通常比合子胚生长旺盛，在具有多个珠心不定胚的种子中，合子胚往往发育不完全，甚至死亡。在未发生受精作用的胚珠中，也可以发生不定胚，但由于缺乏胚乳的滋养，这种不定胚只能发育球形胚或早期子叶胚时期，然后解体消亡。四、单性生殖（parthenogenesis）由减数胚囊中的配子、助细胞或反足细胞发育成的植物胚或雄配子进入胚囊后直接形成胚的过程，为单性生殖。由卵细胞不经过受精而直接发育为个体的生殖方式称为单倍体孤雌生殖(简称孤雌生殖，haploidparthenogenesis)由助细胞或反足细胞直接发育为个体的生殖方式则称为单倍体无配子生殖(简称无配子生殖，haploidapogamy)。与雌核发育相对应的是雄核发育(gynogenesis)，雄核发育是无融合生殖的一种特殊形式。专指精卵细胞发生细胞质融合后，没有进行核融合，之后卵核消失，精核发育成胚。据王学慧(2002)的统计，已发现35个科440多个种的被子植物具有无融合生殖特性。马三梅（2002）指出，在己被人们研究的单子叶植物中，共有20个科110属中存在无融合生殖现象，其中禾本科有65个属，约占60%；兰科有19个属，占17%；其余的18科仅占23%。禾本科植物65个属可进行无融合生殖，并且49个属170多个种能进行二倍体孢子生殖或无孢子生殖。除了苹果和柑桔属植物之外，在重要经济植物中，无融合生殖现象并不常见。一、无孢子生殖机制无孢子生殖的胚囊通常是由胚珠的珠心细胞发育形成的。这种特化了的珠心细胞（称为无孢子生殖胚囊原始细胞）经几次有丝分裂直接形成未减数无孢子生殖胚囊。在有些无孢子生殖种中，有性胚囊和无孢子生殖胚囊可以共存于同一胚珠中；有些无孢子生殖种中，有性胚囊退化、消失，只保留无孢子生殖胚囊。在同一胚珠中，无孢子生殖胚囊数目的多少具有种属特性。未减数无孢子生殖胚囊在胚囊的发育过程中首先是一些珠心细胞膨大，其细胞核体积增加、细胞质变浓，形成类似大孢子母细胞的胚囊原始细胞，再由胚囊原始细胞经过下列2种方式的一种形成无孢子生殖胚囊：1、山柳菊属（Hieracium）型胚囊原始细胞直接经过有丝分裂形成8个核，2个极核，3个反足细胞，1个卵细胞和2个助细胞：它们均为二倍体细胞。2、黍属（Panicum）型

分化程度较低，胚囊原始细胞只经过两次有丝分裂，产生4个细胞核，其中1个为卵核、2个为助细胞核、1个为极核，它们都是二倍体的。据统计，在禾本科无融合生殖植物中，95%以上属于无孢子类型。2、有丝分裂型大孢子母细胞并不进入减数分裂状态，只是细胞体积增大，然后经有丝分裂形成8核未减数胚囊。而有丝分裂型最初是在高山蝶须(Antennariaalpina)中观察到这种类型，故又称为蝶须属(Antennaria)型。胚胎的发生可能在胚乳发生之前，也可能在胚乳发生之后。二倍体孢子生殖胚囊的卵细胞不经受精就可自发分裂形成胚，其胚乳的形成在菊科(Composifae)植物中多由极核自发分裂形成，而在禾本科(Gramineae)植物如早熟禾属(Eragraitis)中胚乳的形成需经授粉的精核和极核结合的假受精作用(pseudogamy)即为非自主的无融合生殖。三、不定胚生殖机制不定胚的起源有两种：珠心细胞起源和珠被细胞起源。其中珠心细胞起源比较常见。起源于珠被细胞的不定胚极为少见。关于不定胚原始细胞发生时期，在不同植物间有差异。柑桔属(Citrus)的不定胚珠心原始细胞在开花前已存在，并以浓厚的细胞质和大的细胞核而区别于其它珠心细胞。蒲桃(Eugeniajambos)的珠心胚在授粉前已经开始发育，可是只有在授粉、受精和胚乳形成后才能发育成熟。在某些植物中，不定胚与合子胚同在胚囊中发育，共存于同一粒种子中。如芒果(Mangiferaindica)的一些品种，其合子胚早期退化，种子里只剩下不定胚。不定胚也可根据是否需要授粉或受精剌激而分为“自主的”和“非自主的”两类。具有自主不定胚的植物如花椒，其胚和胚乳均自发地发生和发育，不需要授粉和受精的剌激。具有非自主不定胚的植物，其不定胚的发育需要授粉或受精的剌激。

四、单性无融合生殖机制孤雌生殖的发生机制，目前还在研究中，一般要通过假配合、假受精引起。如胡适宜(1982)用黄茄（Solanumluteum）的花粉给去了雄的龙葵（S.nigrum）授粉。授粉的黄茄花粉的花粉管生长正常，但精子未能与卵核融合而在卵的细胞中解体，龙葵的卵发育结果形成了一个单倍体的幼胚。

用化学药物(包括植物激素如秋水仙、马来酰肼、激动素及脯氨酸等)也能在很多植物中成功地诱导了孤雌生殖。无配子生殖中报道得较多的是助细胞产生的融合生殖，助细胞无配子生殖幼胚的发育有两种情况。一种情况是卵细胞受精发育成一个二倍体胚，一个助细胞不经过受精发育成一个单倍体胚；另一种情况是卵细胞和助细胞都不经过受精作用直接发育成孤雌生殖和无配子生殖幼胚。第三节无融合生殖的遗传很多事实证明无融合生殖并不是一种可以由环境因子随机诱导的过程，它是由遗传因子控制的。通过兼性无融合生殖体和有性生殖体之间或有性生殖体和专性无融合生殖体之间进行有性杂交，对获得的杂种后代的生殖方式进行遗传分析，已确定或大致确定了一些无融合生殖类型的遗传。关于植物无融合生殖的遗传学机理，目前主要有两种观点：一种是由单基因控制；另一种是由寡基因控制。一、无孢子生殖的遗传对无孢子生殖的遗传，过去已有不少工作，但所得结论差异很大。主要有以下观点：①多个隐性基因控制；②两位点模式；③显性基因控制。随着研究工作的深入，人们开始普遍接受无孢子生殖单基因控制模式，如早熟禾属、双花草属、山柳菊属、甜草属，还有大黍等无孢子生殖均具有单基因控制模式。无孢子生殖的珊状臂形草(Brachiariabrizanlha)的无融合生殖由1个显性基因控制的(Pessinol,1997)。Pennisetumciliare的无孢子生殖也是1个基因控制的(Gustineeta1.，1996)。巴费尔草为无孢子无融合种，生殖方式受两对基因控制（Taliaferretal,1966），而且这两对基因之间存在着上位作用（epistasis）。另外Noglereta1(1984)在金发状毛茛(Rununculusauricomu)中，无融合生殖是由2对连锁基因控制的，其中1对显性基因为Eis，其一旦启动将促进其他基因的表达，致使无融合生殖的发生。另外，王志伟，李荣田，郭德栋（2004）在无融合生殖遗传控制理论里提出无孢子生殖专化基因组区(aposporyspecificgenomicregion-ASGR)。三、不定胚生殖的遗传在水稻中，不定胚被证明是可遗传的。郭学兴等（1991）在水稻品系C1001中发现，这品系的单性结实可以遗传，是无融合生殖的结果，不定胚具有高遗传特点(在8.54%的无融合生殖体中，不定胚占3.84%)，属隐性性状，具有数量状特征。谭薇等(1994)对水稻C1001双胚苗的研究认为：C1001B的双胚苗是受核基因控制的性状。双胚苗频率的表达，具明显的胞质效应和胞核效应。在胞质效应中，不育胞质与可育胞质的差异很显著，不育胞质对双胚苗的表现有明显的抑制作用。不同世代间胞质效应和胞核效应的表现也不一致。四、单性无融合生殖的遗传在自然状态下或人为诱导的条件下，孤雌生殖和无配子生殖发生的频率，因植物的种甚至品种不同而异。这暗示孤雌生殖和无配子生殖是一种遗传特性。Richard等(2000)用一年蓬(Erigeronannuus)的三倍体和有性生殖的二倍体粗糙飞蓬(E.strigosus)杂交得到了130个Fl，对F1进行AFLP分析，发现在387个片段中有4个片段与孤雌生殖有关，11个片段与二倍体孢子形成有关。从而说明孤雌生殖与二倍体孢子的形成是由不同的基因控制的，而且是不连锁的。周宏治和罗鹏(1991)在进行化学药物诱导甘蓝型油菜孤雌生殖试验时，发现杂交种的效果优于纯合品种，即表现杂种优势。二、无融合生殖二倍体的鉴别(一)遗传性状表现：无融合生殖植株与正常有性生殖植株的遗传行为存在着差异，这些差异可作为鉴别无融合生殖的初步依据（Hanna，1987）。异花授粉植物中出现了性状整齐一致的后代，或与母本性状一致的后代，这些后代可能来源于无融合生殖。杂种F1中出现了明显的偏母型，如果该偏母型植株不是假杂种(母本自交后代),它就可能来源于无融合生殖。两个性状截然不同的亲本杂交，其F2代不发生分离，或分离较少，则F1可能来源于某一亲本的无融合生殖。用具有显性标记性状的亲本花粉给一个具有隐性性状的亲本授粉，后代中出现了具有隐性性状的二倍体，这二倍体可能起源于无融合生殖。非整倍体、三倍体、远缘杂种或其它高度不育的植株产生了育性很高的种子，种子的幼胚可能也来源于无融合生殖。非整体的染色体数或结构上的杂合性能稳定地遗传，则这种遗传方式很可能是通过无融合生殖实现的。多胚苗中常常包含有无融合生殖幼苗。一籽多苗(多胚)现象、多柱头、一小花多胚珠以及融合子房等。(二)细胞学鉴定：同样也是鉴定植株染色体的倍性，主要是根据染色体数目和染色体识别来进行的。与无融合生殖单倍体不同的是，无融合生殖二倍体植株的体细胞染色体数是二倍体的（2n），但不出现联会、联会复合体、中期I和线状四分体。(三)胚胎学观察：观察母本子房中胚胎的发生和发育。无融合生殖二倍体胚胎学观察方法与鉴别无融合生殖单倍体时的胚胎学观察方法相同，即可用冬青油整体透明子房后进行直接观察。(四)生化标记目前用于研究无融合生殖的方法主要是同工酶分析法。同工酶技术速度快，成本低，一次分析的样品多，而且检测的位点大多具有多态性。(五)分子标记目前，应用于植物无融合生殖鉴定的分子标记方法主要有RFLP、RAPD、SSR标记及cDNA差异显示技术和mRNA差异显示技术等。二、固定杂种优势和优良基因型无融合生殖在植物改良中最主要的用途在于固定杂种优势，以及特定基因型的保存。在育种中通过有性杂交方式，一旦获得一个优良的基因组合，或一个强杂种优势单株，则可通过无融合生殖方式加以固定。方法：要求有性生殖和无融合生殖植株（无性株）同时存在，并能相互杂交转移无融合生殖植株基因，在有性株与无性株杂交时，无性株只能作父本，有性株只能作母本。利用兼性无融合生殖材料进行育种要比利用专性无融合生殖材料育种要困难些。主要是有性生殖会引起