第九章倍性育种

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。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。通过花药培养育成的各类作物品种已在生产上大面积应用。同源多倍体(autoploid)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。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。小黑麦、三倍体无籽西瓜等是人工合成的多倍体物种，在生产上得到广泛利用。第一节多倍体育种多倍体(po1yploid)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，许多农作物及果树、蔬菜为多倍体，如小麦、燕麦、棉花、花生、烟草、甘薯、马铃薯、甘蔗、苜蓿、山药、韭菜、荠菜、苦苣菜、香蕉等均为天然的多倍体植物。由二倍体形成多倍体是植物进化的显著特征，因为多倍体较二倍体有更强的抗逆性和适应性，能够在更广泛的生态地区生存，特别是在高山、沙漠等不良环境下。用不同的射线照射四倍体和二倍体荞麦也发现四倍体荞麦的抗辐射能力比二倍体强，这说明多倍体在植物进化中具有重要意义。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)。通过采用染色体组分析及人工合成多倍体试验已证明了普通小麦、烟草、棉花等的起源。图9—1是小麦属物种的可能进化途径。(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。植物的合子及幼胚也能够产生多倍体，玉米在授粉后置于40℃、24h的子代中产生了1．8％的四倍体及0．8％的八倍体实生苗。秋水仙碱(colchicine)人工加倍也是属这种类型。3．不减数配子的受精结合配子形成过程中，由于减数分裂异常，产生未减数的2n配子，2n配子参与受精形成多倍体。这是形成多倍体的主要方式。玉米、高梁、棉花、小麦上曾报道不联会基因，使性母细胞染色体不联会，从而形成多倍体。自然界中产生多倍体的主要途径是生殖细胞的染色体加倍。温度等条件的急剧改变会导致产生2n配子，例如水稻、兰科等植物的二倍体花中常产生未减数的花粉粒。此外，多精人卵也能产生多倍体，即一个以上的精细胞进人卵细胞。兰花中已发现这种现象。2n配子与n配子结合产生奇数倍的多倍体，2n配子间结合产生偶数倍的多倍体。(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(allopolyploid)、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)。同源多倍体中最常见的是同源三倍体(autotriploid)和同源四倍体(autotetraploid)。同源三倍体通常由一个单倍体的配子和一个二倍体的配子融合而成。形成同源三倍体的方式主要有两种，一种是异常减数分裂中形成的2n配子与正常的，I配子结合，另一种是同源四倍体与正常的二倍体杂交。三倍体西瓜等即是用这种方法人工育成的。同源三倍体在自然界发生频率极低。一般均是高度不育。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。因为植株的体积不仅取决于细胞体积，而且也取决于细胞的数目。通常同源多倍体的细胞生长速率相对较慢。大多数植物诱导成多倍体后，表现叶变宽变厚，叶色变深，气孔、花粉粒大，花瓣、果实、种子等器官增大，但有结实率低，种子不饱满等缺点。不同的植物表现的性状特点也不完全一致。以花培获得粳稻02428的单倍体、二倍体和四倍体植株为材料，测定了染色体的倍性与若干性状的关系。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。莴苣四倍体的Vc含量比二倍体高50％；四倍体莳菜氨基酸含量比二倍体高9．35％，叶绿素含量高1．2～2倍；四倍体桑树与二倍体相比，外形上叶片增大，叶肉增厚，叶色深，单位面积叶重大，充实度高，饲料利用率高，但发条数少，枝条矮壮，桑叶产量低，花粉粒萌发率低，种子结实性和质量差。(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，如同源多倍体玉米的育性较二倍体下降85％～95％，同源四倍体非洲棉则几乎不育。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，从而形成不育的配子，同时也受到环境的影响。2．异源多倍体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。四倍体油菜的起源与它们的染色体组构成见图9—2。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。作物和果树中的多倍体有：陆地棉(G．hirsutum)、烟草(N．tabacum)、普通小麦(丁．aestivum)、普通燕麦(A．satiua)、草莓(F．grandi／Zora)、甘蔗(S．officinarum)等。由于异源多倍体细胞中染色体能够配对，故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。在进行植物多倍体育种时必须通过人工手段创造多倍体。基本原理是在细胞分裂时利用物理、化学或生物学的方法增加细胞中的染色体数。人类自20世纪初即开始进行多倍体的诱发。开始时主要使用的是物理的方法，1937年秋水仙碱染色体加倍的作用被发现后便逐渐成为诱发植物多倍体的主要手段。(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。Marchal等(1909)在藓类中采用切段法和利用愈伤组织的再生作用获得多倍体。Winkler(1916)进行龙葵与番茄的嫁接试验，切口部分的愈伤组织再生产生不定芽，由不定芽长出的枝条中发现存在番茄四倍体及龙葵四倍体的枝条。这是高等植物中获得多倍体的第一个成功的例子，这种方法称为“切断一愈伤组织法”。后来，有人采用番茄作试验材料，用反复摘心(去掉顶端)法，使断口处产生愈伤组织，并进一步形成新芽，得到了稳定遗传的四倍体。Greenleaf等切除烟草的顶端生长点，用生长素处理切口表面，刺激愈伤组织形成，愈伤组织再生新芽中发现多倍体。类似的方法在油菜、甘蔗、马铃薯、白菜等多种植物中取得了成功。温度的变化能够诱发多倍体的产生。Randolph用43～45℃高温处理玉米合子，获四倍体植株。利用高温和变温处理合子，也诱导出了普通小麦、黑麦及硬粒小麦等的多倍体植株。(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。现在用来诱导多倍体的化学试剂主要是秋水仙碱，它是从百合科植物秋水仙(Colchicumantumnale)的器官和种子中提取出的一种成分。分子式是C2H25N06·12H20。秋水仙碱一般是淡黄色粉末，纯净物为针状结晶体，性极毒，熔点155℃，易溶于水、酒精、氯仿和甲醛，不溶于乙醚、苯。秋水仙碱具有麻醉作用，能使中枢神经系统麻醉而引起呼吸困难。即使极微量的秋水仙碱进入眼睛也会引起短暂失明，在进行秋水仙碱的各类操作时应特别注意安全。1937年多名学者发现秋水仙碱能够诱导植物产生多倍体，Blakeslee＆Avery(1937)将曼陀罗(Daturastramonium)的种子浸人0．003125％和1．6％秋水仙碱溶液中10d，诱导出多倍体。浓度愈高，诱导产生多倍体的频率也愈高，最高出现率达87．5％。后来在植物的根、幼蕾中均诱导出了多倍体。秋水仙碱诱导多倍体的作用较物理因素效应大得多。例如，Beasley(1940)报道，用异常温度处理600株棉花幼苗，仅得一株多倍体，而用0．2％浓度的秋水仙碱溶液处理100株，获得50多株多倍体。此后，秋水仙碱作为一项成熟的技术手段在多倍体诱导领域发挥了重要作用。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。细胞在用秋水仙碱处理后，用清水洗净残留的秋水仙碱，细胞分裂可恢复正常。秋水仙碱在适当的浓度内对植物细胞基本无毒害作用，药剂在细胞中扩散后，无明显的毒害作用，遗传上一般不发生其他变异。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．~V13-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。秋水仙碱仅对分裂中期的细胞起作用。试验时需了解被处理细胞的分裂周期，处理时间过长，经过不止一个分裂周期，细胞内的染色体加倍次数在1次以上。例如据Levan(1938)观察，洋葱根尖处理7--30min，即有少数细胞由2X变为4X；处理时间延长到1～2h，4X细胞增多；处理72h，最高可出现32X的细胞。处理时间过短，只有少数细胞变为四倍体，由于二倍体细胞生长较快，四倍体细胞不易增殖，导致诱导无效。处理种子时间为24～48h，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3～5d。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。2．诱导浓度通常处理水溶液浓度为0．01％～0．50％，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。3．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18～25℃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。例如，山薤(Alliumjaponicum)球根在秋水仙碱浓度为0．04％～0．20％，处理时间48h情况下，温度低于20℃，多倍体发生缓慢，低于10℃时则难以发生。4．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。一般是先配成浓度高的母液，使用时再稀释到所需要的浓度。秋水仙碱溶液宜贮藏在有色玻璃瓶内，防止阳光直射，最好置于暗处，盖紧塞子，避免与空气接触。用过的溶液过滤后仍可使用，只是浓度有所改变。(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。以精制羊毛脂(Lanolim，淡黄色软膏，熔点