第十二章倍性育种 ?第一节植物的多倍性 ?第二节多倍体育种 ?第三节单倍体在育种中的应 用 ?染色体是遗传物质的载体，染色 体数目的变化常导致植物形态、解 剖、生理生化等诸多遗传特性的变 异。各种植物的染色体数是相对稳 定的，但在人工诱导或自然条件下 也会发生改变。而倍性育种：就是 研究植物染色体倍性变异的规律并 利用倍性变异选育新品种原理及方 法的科学。 第一节植物的多倍性 ?一、多倍体的概念和种类 ?任何物种的体细胞染色体数目(2n)都 是相当稳定的。一个属内各个种所特有 的、维持持其生活机能的最低限度数目 的一组染色体，叫染色体基组 (genome)。各个染色体组所含有的染色 体数目称染色体基数x(the basic number of chromosome in single genome)。 多数植物属内的物种染色体含有共 同的基数，如苹果属为17，桃属为 8，百合属为12。但有的植物属内存 在几个染色体基数不同的种，如芸薹 属有3个二倍体基本种，即8对染色体 的黑芥(Brassia nigra)，9对染色体的 甘蓝（B.oleracea）和10对染色体的普 通油菜（B.campestris.），它们染色 体组的基数分别为8,9,10；此外，同 一科或同一属的植物种或变种在染色 体数目上还表现出倍性的变异，如茄 属的马铃薯有二倍体（2x=24），三 倍体（3x=36），四倍体（4x=48）与 五倍体（5x=60）等。 ? ?多倍体体细胞染色体组在三个 （3x）或三个以上的个体。 ?同源多倍体（autopolyploid）多倍 体的几组染色体全部来自同一物种，或 者说由同一个物种的染色体组加倍而 成。 ?异源多倍体（allopolyploid）： 来自不同种、属的染色体组构成的多倍 体或者说由不同种、属间个体杂交得到 的F 1 再经染色体加倍得到的多倍体。 同源多倍体由于染色体组来 自同一个物种，细胞内有两个以 上的同源染色体，减数分裂时可 联会形成多价体，使减数分裂行 为出现异常现象，同源三倍体会 高度不育，同源四倍体部分不 育。异源多倍体的染色体由两个 或两个以上不同物种的染色体所 组成，减数分裂时同源染色体能 正常联会，不出现多价体，使减 数分裂行为正常，高度可育。 ?天然多倍体中有不少具有经济 价值的重要农作物是同源多倍 体，如马铃薯（2n=4x=48）是同 源四倍体，甘薯(2n=6x=90)是同 源六倍体，香蕉（2n=3x=33）是 同源三倍体。园艺植物中的同源 多倍体育性差，因无性繁殖，所 以并不影响在生产中的应用，如 香蕉、葡萄、苹果、梨、草莓、 马铃薯等。 天然多倍体园艺作物 二、多倍体的由来与进化 ?多倍体在植物界很普遍。被子植物中大 约有一半的物种是多倍体，其中以蓼科、 景天科、蔷薇科、锦葵科、五茄科、禾本 科和鸢尾科最多，最常见的是四倍体和六 倍体。禾本科里约有四分之三的物种是多 倍体。在植物的进化过程中，染色体的多 倍化现象起了重要作用，同时也参与了许 多物种的形成。杂合性是多倍体的基本特 征，多倍体比二倍体具有更多的杂合位点 和更多的互作效应。 ?现已查明多倍体形成的细胞学机制， 是由于细胞分裂时染色体不分离而引 起。大体有两种情况：一是减数分裂 时，全组或部分染色体没有减数，仍停 留在一个细胞核里，从而形成二倍性的 生殖细胞，这种未减数的2n雄配子与带 有2n的雌配子结合，发育成四倍体；但 由于2n雄配子在授粉过程中常竞争不过 经减数分裂的雄配子(n)，因而会出现未 减数的雌配子与减数的雄配子相结合， 形成天然三倍体植物； 另一种是有丝分裂时，染色体虽然复制 了，但细胞没有相应地发生分裂，从而使 细胞核里包含了比原来多一倍的染色体， 产生了多倍体。 总之 **多倍体的产生是植物对不利条件的适 应，是自然选择的结果，从而进化发展成 新的变种或物种。 三、多倍体育种的意义 ? 1、器官相对的巨大性、某些营养成分含量 高、可育性低、抗性强等特点。 ?如三倍体、四倍体葡萄果粒大、味甜， 四倍体番茄维生素C的含量高，四倍体萝卜 主根粗大，产量高，三倍体杜鹃花期特别 长，三倍体西瓜和香蕉无籽。无性繁殖能 固定多倍体的优良性状，可避免多倍体的 高度不育或性状分离带来的繁殖困难，使 这些性状可以保持稳定而不出现分离，在 无性繁殖的植物类型中利用更为有利，可 直接用于生产。 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，合成新类型或 新物种。在育种实践中，通过 诱导多倍体作为不同倍性间或 种间的遗传桥梁，是进行基因 转移或渐渗的有效手段。 第二节多倍体育种 ?一、材料的选择 多倍体物种所占的比重，与该 类植物在进化中的地位有密切的 关系。表明进化程度越高，多倍 体物种所占比重越大。单子叶植 物各科中多倍体物种的比重存在 很大的差别。 ?（1）选用主要经济性状优良的品 种。 ?（2）选用染色体组数较少的种类 因为染色体组数多的种在进化过 程中已经利用了自身的特点，再 对其诱变选优较为困难，因此处 理前应了解染色体组数及近源物 种的多倍性化的程度。 ?（3）最好选择能单性结实的品 种对于果树，染色体多倍化 后，常常会使育性降低。 ?（4）选用多个品种进行处理不 同的种、品种、类型，由于遗传 基础不同，多倍化后的表现不 同，所以处理材料多，易于选择 优良变异。 二、获得多倍体的途径与方法 ?（一）物理因素诱导多倍体 ?物理因素包括温度剧变、机械创伤、 电离射线、非电离射线、离心力等。早 期利用创伤与嫁接诱导多倍体，植物组 织在创伤的愈合部位的染色体易加倍， 其上面的不定芽发展成多倍体，用此方 法在茄科植物上得到了多倍体。利用反 复摘心的方法也可促使多倍体的产生。 ?（二）化学因素诱导多倍体 ?化学物质有富民农、萘嵌戊烷、 吲哚乙酸及应用效果最好且最为广 泛的秋水仙素。许多育种学家在20 世纪30年代，开始积极地用秋水仙 素诱导多倍体。 ? 1．秋水仙素诱导多倍体的原理 细胞有丝分裂时，秋水仙素 可抑制微管的聚合过程，不能 形成纺锤丝，使染色体不能排 在赤道板上，也不能分向两 极，从而产生染色体数加倍的 核。 2．秋水仙素诱发多倍体的原则 ?（1）处理植株部位的选择 秋水仙素对细胞处于分裂活跃状 态的组织，才可能起有效的诱变 作用。所以常用萌动或萌发的种 子、幼苗或新梢的顶端作为诱变 的材料。 ? ?（2）药剂浓度和处理时间 ?先把秋水仙素配成水溶液、羊毛脂 制剂等。常用的水溶液浓度一般在 0.01%～1.0%之间，尤以0.2%最为常 用。处理的有效浓度、时间和方法因 植物种类、部位、生育期等而异。一 般采用低浓度、长时间或高浓度、短 时间的处理方法。处理时间与细胞分 裂周期有关，一般24小时左右。30- 35°C 左右。最好先用几种不同浓度 和时间做预备试验。 （3）秋水仙素诱导多倍体的方法 ?①浸渍法可浸渍幼苗、插条、 接穗甚至种子。处理时水溶液要 避光。处理插条、接穗一般一至 二天，处理后用清水洗净；处理 幼苗时，为避免根系受害，可将 嫩茎生长点倒置或横插于盛有药 剂的器具中；因秋水仙素阻碍根 系发育，故处理后用清水洗净种 子，可用生长素促进根的生长。 ? ?②涂抹法把秋水仙素按一定浓 度配成乳剂，涂抹于幼苗或枝条 顶端，适当遮盖处理部位以减少 蒸发和避免雨水冲洗。 ?③套罩法保留新梢的顶芽，除 去顶芽下面的几片叶，套上防水 胶囊，内装有一定浓度的药剂和 0.6%的琼脂，经24小时可去掉 胶囊。 ?④滴液法处理较大植株的 顶芽、腋芽时，常用浓度为 0.1%～0.4%，每日滴一至 数次，并反复处理数日，使 溶液透过表皮浸入组织内起 作用。也可先用小片脱脂棉 包裹幼芽，再往上滴药剂把 棉花浸湿。 （三）胚乳培养 在被子植物中，胚乳是双受 精的产物，当雄配子进入胚 囊时，由两个极核和一个雄 配子融合而形成的胚乳核发 育而成，所以在倍性上大多 属于三倍体。 （四）细胞融合 细胞融合，也称体细胞杂交， 是用人工的方法把分离的不同属或 种的原生质体诱导成为融合细胞， 然后再经离体培养、诱导分化到再 生完整植株的整个过程。其程序大 致为：制备亲本的原生质体,原生质 体融合、培养、再生植株,杂种鉴 定。上海植生所培育的芹菜与胡萝 卜远缘杂交种即用此法。 （五）体细胞无性系变异 ?体细胞无性系变异是来源于体细胞 中自然发生的遗传物质的变异。这种体 细胞突变有时也会出现染色体数目的变 异，形成多倍性芽变。如四倍体大鸭梨 就是二倍体鸭梨的芽变，四倍体大粒玫 瑰香是二倍体玫瑰香的芽变。除了在 田间利用体细胞无性系变异，在组织培 养中也可利用。原生质体及胚乳培养再 生植株中也会出现染色体数目的变异， 通过分析再生植株的染色体数目，可分 离出多倍性变异。 三、多倍体的鉴定 ?比较直观的方法是形态鉴定法，如瓜类多倍体发 芽和生长缓慢，子叶及叶片肥厚、色深、茸毛粗糙 而较长；叶片较宽、较厚或有皱褶；茎较粗壮，节 间变短；花冠明显增大，花色较深等。同源多倍体 在植株形态上多呈“巨大性”，如叶片加大、加厚， 花器增大，重瓣性加强，茎增粗，叶色花色变深， 果实、种子、鳞茎、块根等繁殖器官加大、加重。 此外，还反应在叶绿体数目、气孔、花粉粒大小变 化上。四倍体植株的气孔保卫细胞和花粉粒均比二 倍体的大。最明显的变化是花器和种子显著增大， 但结实率往往下降。 （二）染色体鉴定法 ?根据间接鉴定结论, 认为有可能是多倍体的 材料,可直接检查其根尖 或茎尖细胞的染色体数 目,以确定具体的染色体 倍性。染色体标本的制 作方法可采用常规压片 法或去壁低渗法。 四、多倍体材料的加工和选育利用 ?诱变的多倍体群体要大，并 应包括有丰富的基因型，在这样 的群体内才能进行有效的选择。 得到的多倍体类型不一定就是优 良的新品种。要进行选择，淘汰 失去育种价值的劣变，选择经济 性状优良的类型进一步鉴定培 育。 （二）人工育成多倍体的应用 ? 1．花卉植物 ?大丽花（Dahlia pinnate）原产墨西 哥，祖先是二倍体，2n=36，经过杂交 产生若干二倍体杂种，这些杂种经过 染色体加倍后形成两大类型不同的双 二倍体，这两类型间又再杂交及染色 体加倍，形成花色、花形丰富多彩的 异源八倍体的大丽花新类型；品种繁 多的月季，都是通过杂交后选出的三 倍体或四倍体。 人工诱变的多倍体大丽花品种 ? ? 2．果树类植物 ?苹果的栽培品种大都是二倍体 （2n=2x=34），有一部分是三倍体，如 通过有性杂交育成的三倍体新品种陆 奥、新乔纳金、世界一及北斗等，也在 生产上有一定发展，表现出树体大、生 长健壮、果实大、果肉致密耐贮性好等 特点，深受消费者欢迎。 ?栽培的葡萄品种有许多是四倍体，如 欧洲葡萄四倍体有：森田尼、康能玫 瑰、大玫瑰香、大无核白、汤姆逊无 核、佳利酿等；美洲葡萄四倍体有康 可；而欧美杂交种四倍体有：大粒康拜 尔及巨峰与巨鲸等巨峰系品种群。 人工诱变的多倍体葡萄品种 ? 3、三倍体无籽西瓜 ?三倍体西瓜育种中，一般应选杂交受 精率高、果皮薄的小籽的四倍体为母 本和二倍体父本杂交。 第三节单倍体在育种中的应用 ?一、单倍体的类型及特点 ?（一）单倍体的类型 ?单倍体(haploid)指由未受精的配子 发育成的含有配子染色体数的体细 胞或个体。来自二倍体植物 （2n=2x）的单倍体细胞中，只有 一组染色体（1x）,叫做一元单倍体 （monohaploid）,简称一倍体 （monoploid）。 ?来自四倍体植物（2n=4x）的 单倍体体细胞中，含有两组染 色体（2x），叫做多元单倍体 （polyhaploid）。其中又可根 据四倍体植物的起源再分为同 源多元单倍体 （homopolyhaploid）和异源 多元单倍体 （allopolyhaploid）。 ? （二）单倍体的特点 1．育性一倍体和异源多元 单倍体中全部染色体在形态、 结构和遗传内含上彼此都有差 别。在减数分裂时不能联会， 所以不形成可育配子。同源多 元单倍体则可育。 ? 2．遗传 一倍体每个同源染色体只有一 个成员，每一等位基因也只有一 个成员。因此，通常控制质量性 状的主基因不管原来是显性或者 隐性，都能在发育中得到表达。 单倍体一经加倍就能成为全部位 点都是同质结合、基因型高度纯 合、遗传上稳定的二倍体。 二、诱导产生单倍体的方法 （一）组织和细胞离体培养 产生单倍体 1．花药、花粉离体培养 ?花药中的花粉发育时期是决定 花粉能否形成单倍体植株的主要 因素。在接种花药前需镜检花粉 的发育时期，中央期或靠边期的 单核期较易培养成功。 2．未授粉子房、胚珠培养 ?法国的San Noeum(1979)首次报 道用未传粉子房培养出单倍体。 之后我国成功地在小麦、烟草、 水稻上培养出单倍体。之后，用 酶解法游离金鱼草新鲜胚囊获得 成功，从胚囊直接诱导出单倍 体。该技术的优点在于得到的植 株通常是绿苗及单倍体。 （二）在植物体上诱发单性生殖 ? 1．生物方法 ?（1）远缘花粉刺激通过异种、 属花粉授粉诱发孤雌生殖。远源 花粉虽不能与卵受精，但能刺激 卵细胞，使之开始分裂并发育成 胚。由未受精的卵发育成的胚是 单倍性的 （2）延迟授粉 ?去雄后延迟授粉能提高单倍体发生频 率。 2．射线处理方法 ?从开花前到受精的过程中，用射 线照射花可以影响受精过程，或将 父本花粉经射线处理后再给母本授 粉，或者使花粉的生殖核丧失活 力，仅能刺激卵细胞分裂发育，而 不能起到受精作用；或者影响花粉 管萌发和花粉管的生长，延迟受 精，起到和延迟授粉一样的诱导效 果。从而诱导单性生殖，产生单倍 体。 三、单倍体的鉴别与二倍化 （一）单倍体的鉴别 ? 1．形态特征上的区别 ?单倍体细胞染色质的量为二倍体 细胞质的一半，其细胞和核变小， 如番茄的单倍体根尖细胞比二倍体 的小一半，牵牛单倍体的花瓣、 叶、茎、雄蕊、雌蕊部分的细胞及 花粉母细胞与二倍体相比，都明显 变小。由于细胞变小导致营养器官 和繁殖器官的变化及植株矮化。 2．生理生化特性的区别 ?在根据形态特征和解剖结 构来鉴别单倍体时，有时会产 生误差，因为有的单倍体和二 倍体的植株差别很小。但单倍 体减数分裂不正常，花粉败育 率很高，所以检查花粉的质量 来鉴别单倍体更为准确，不育 性是很可靠的标志。 3．细胞学鉴定 ?据形态特征、生理生化指标、遗传标 志初步选出单倍体后，必须经过细胞学 鉴定，检查染色体数目才能真正地确 定。如，检查根尖染色体数目，由于单 倍体植株根尖细胞具有二倍化的倾向， 即染色体组可能自然加倍，在番茄的单 倍体根尖中发现有二倍体的细胞群，因 此有必要对植株的幼芽或茎尖生长点也 检查染色体的数目。方法与多倍体鉴定 中的染色体记数方法相同。 （二）单倍体二倍化 ?单倍体加倍的方法有二种： ?一种是自然加倍：在愈伤组织期 间，一些细胞常常发生核内有丝分裂而 使染色体数目加倍，自然加倍的植株较 少。 ?另一种是人工加倍，加倍技术必须 高效，才能保证成功率高。处理时间 短，对植株的危害小，大规模应用时易 掌握，有效而方便的是秋水仙素处理。 四、单倍体在育种上的应用 ? 1．克服杂种分离，缩短育 种年限 ?将杂种F 1 或F 2 的花药离体培养，得 到单倍体植株，经过染色体加倍，可 得到纯合的二倍体。它在遗传上是稳 定的，不会发生性状分离，相当于同 质结合的纯系。利用单倍体育种方 法，一般可缩短育种年限3～4个世 代。 2．提高获得纯合材料的效率 ?假定只有二对基因差别的父母本 进行杂交，其F 2 代出现纯显性个体 的机率是1/16，而把杂种F 1 代的花 药离体培养，并加倍成纯合二倍体 后，其纯显性个体出现的机率为 1/4，后者比前者获得纯显性个体的 效率可提高4倍。所以，对纯合材料 而言，利用单倍体可提高选择效 率。 3．利用单倍体进行突变体的 选择及利用 ?单倍体的基因没有显隐性关 系，可有效地发现、选择它所产生 的突变体。由花药、花粉培养得到 的单倍体植株可用组织培养技术快 繁和保存材料，便于诱导和选择突 变体。如利用单倍体植物的叶片组 织分离原生质体，再进行人工诱 变，得到了一些营养性缺陷型。 思考题 ? 1．多倍体与植物进化有何关 系？ ? 2．秋水仙素诱导多倍体的机理 是什么？植物获得多倍体的基本 途径有哪些？ ? 3．单倍体在植物育种中有何意 义，通过哪些途径可以获得单倍 体？（论述题） ? 4. 名词:多倍体;同源多倍体;异 源多倍体;单倍体;一元单倍体; 多元单倍体;