第十章 远缘杂交育种

第十章远缘杂交育种第一节远缘杂交的概念和作用第二节远缘杂交不亲和的原因及克服方法第三节远缘杂种夭亡、不育、不稔及其克服方法第四节远缘杂种后代的分离与选择第一节远缘杂交的概念和作用一、远缘杂交的概念远缘杂交(distanthybridization)指的是亲缘关系疏远类型之间的杂交。一般认为植物学上种以上分类单位之间杂交都是远缘杂交。季节距离隔离生殖形成了生物种二、远缘杂交在育种工作中的重要作用•（一）创造作物新类型通过远缘杂交可以创造现有作物中所没有的特异类型。日本蔬菜育种学家条源舍喜用大白菜于甘蓝杂交育成“白蓝”。波波娃（Popova，1965）用野生辣椒与栽培辣椒杂交，选育出了高产、果实密集而适于机械收获的新类型。（二）创造雄性不育新类型•在一代杂种优势利用中，利用雄性不育系是简化制种手续的重要手段。但是一些作物尚未发现雄性不育，有人进行栽培番茄与L.recemigerum的种间杂交选育了细胞质雄性不育的类型。（三）提高作物的抗病性和抗逆性•作物的野生类型在长期自然选择下，形成了高度的抗病性以至免疫力，形成了对恶劣气候条件（如高温、寒冷、干旱、高湿）的抵抗能力。•马铃薯的野生种具有抗晚疫病、抗某种病毒病、抗低温、抗线虫等优良性状，有的野生种没有休眠期。（四）改良作物品质•作物的野生种往往干物质含量高，某些营养物质的含量显著高于现有的栽培品种。番茄一般品种干物质含量为4%，糖2%，维生素C11mg/百克。达斯卡洛夫（Daskaloff，1965、1966）用栽培番茄与秘鲁番茄进行远缘杂交，育成了富含维生素C的早熟品种，果实中干物质含量达7.0―11%，糖5.0―6.8%。（五）诱导单倍体•虽然远缘花粉在异种母本上常不能正常受精，但有时能刺激母本的卵细胞自行分裂，诱导孤雌生殖，产生母本单倍体。•据不完全统计：通过远缘杂交已在12个物种中成功地诱导出孤雌生殖的单倍体。（六）用于研究生物的进化•自然界各种生物的起源、演化途径和历程虽极其复杂，但现已查明：很多物种都是通过天然的远缘杂交演化而来的，如甘蓝型和芥菜型油菜、大白菜等。（七）利用杂种优势•某些物种之间的远缘杂种具有强大的杂种优势，如驴和马杂交产生的骡子具有强大的杂种优势，这是畜牧业利用远缘一代杂种优势的突出事例。前面介绍的自然产生的远缘杂种芜菁甘蓝也具有强大的杂种优势。蔬菜作物上利用远缘杂交优势有着广阔的前途。如南瓜。第二节远缘杂交不亲和的原因及克服方法•一、远缘杂交不亲和性及其原因•植物的受精作用是一个复杂的生理生化过程。远缘杂交时，由于双亲的亲缘关系较远，遗传差异较大，生理上也不协调，这些都会影响受精过程，使雌、雄配子不能结合、受精而形成合子，这就是远缘杂交的不亲和性（incompatibilityofdistanthybridization），或不可交配性（noncrossability）。••不亲和常见的现象有：A、花粉不能在异种柱头上萌发；B花粉管不能伸入柱头；C、花粉管虽进入柱头但生长缓慢或破裂；D、花粉管到达不了子房；E、虽然达到子房却完不成双受精作用等。不亲和的原因•（1）亲缘关系较远的两亲由于在结构上、生理上的差异，不能完成正常的受精作用由于双亲遗传差异大而引起柱头呼吸酶的活性、PH值、柱头分泌的生理活性物质、花粉和柱头渗透压的差异等生理、生化状况的不同，阻止外来花粉的萌发、花粉管的生长和受精作用。如当母本柱头的PH值较高时，不利于花粉粒中水解酶的活动；•柱头的呼吸酶活性弱时，花粉粒中的不饱和脂肪酸不易被氧化；柱头上的生长素、维生素等数量少或存在异质性时；柱头的渗透压大于花粉的渗透压时，均会影响花粉在异种柱头上的萌发或花粉管的生长。•（2）双亲的基因组成也对亲和性产生影响。二、克服远缘杂交不亲和性的方法•（一）染色体加倍将两亲或亲本之一的染色体加倍成多倍体，常常是最有效的方法。早在1927年卡伯琴科（Kapneqehko）报道，二倍体甘蓝与白菜、油菜、芥菜、洋油菜等不易杂交，但四倍体的甘蓝则易于杂交成功。施特恩（Szten，1965）认为秘鲁番茄与L.glandulosum杂交，如果母本植株不用二倍体而诱导成同源多倍体，则结子可大大增加。马铃薯在多倍体水平上的种间杂交，获得远缘杂种的事例也是很多的。（二）适当选择选配亲本•同一个种不同品种的配子与另一个种的配子亲和力有差异，甚至不同个体配子的亲和力也有差异。如日本水岛氏1952年报道，在芥菜（B.juncea）与黑芥（B.nigra）种间杂交中，芥菜品种为紫高菜，黑芥不同品种分别与加州褐子杂交的结子率最高为0.78%（按胚珠计算），最低的结子率仅为0.07%。（三）媒介法•当两个种的亲缘关系过远不能杂交成功时，可以选用亲缘关系与这两个种都较近的第三个种先与某一个种杂交产生杂种，然而用这个杂种再与另一个亲本种杂交，这个“第三者”起了有性媒介作用。米丘林用这个方法育成了抗寒的桃远缘杂种。在番茄远缘杂交的实践中，用栽培种和野生的秘鲁番茄种杂交表现高度不亲和，用半野生的醋栗番茄做媒介获得了成功。（四）采用特殊的授粉方法•1．用混合花粉授粉。因为在异种花粉中加入少量的母本花粉（甚至死花粉）或多种花粉，不仅可以解除母本柱头上分泌的、抑制异种花粉发芽的某些物质，创造有利的生理环境；而且，由于多种花粉的混合，使雌性器官难以识别不同花粉中的蛋白质而接受原属于不亲和的花粉而受精。2．重复授粉•处在不同发育时期的同一母本柱头，其成熟度和生理状况都有差异。所以，在不同发育时期进行重复授粉（duplicatepollination），可能遇到最有利于受精的条件，而提高受精结实率。•西北农业大学曾报道用此法得到了葡萄与番茄的远缘杂交种。3．提前或延迟授粉•母本柱头对花粉的识别或选择能力，一般在未成熟和过熟时最低。在甘蓝上也有类似实例。•4．射线处理法•山川邦夫（1971）报道：用γ射线辐照花粉或柱头，可有效地克服番茄的栽培种和野生种间杂交的不亲和性。如用处理花粉授粉者，获得了1.8%的杂种；而用未经处理的花粉授粉者，只获得0.19%的杂种。据丹麦报道：在小麦与工业区麦杂交时先用紫外线照射已去雄的开颖麦穗后，再用燕麦的新鲜花粉授粉，获得了杂交种子。•。第三节远缘杂种夭亡、不育、不稔及其克服方法•一、远缘杂种的夭亡、不育及不稔•（一）远缘杂种夭亡、不育及不稔现象•在远缘杂交中，应用克服杂交不亲和的措施产生了受精卵，但这种受精卵由于与母本的生理机能不协调，以致不能发育成健全的种子，有时种子健全但不能发芽或发芽后不能发育成正常的植株，或虽能长成植株，但不能受精结实获得杂种后代。（二）远缘杂种夭亡、不育及不稔的原因•1．质核互作的不平衡将亲缘关系很远的两个亲本的细胞核与细胞质强行建立在新的互作关系之下必然要产生生长发育的不协调性，可能造成生长发育所需物质的合成或供应障碍，有可能导致远缘杂种的夭亡和不育。•2．染色体不平衡两类差异极大的染色体组分合并后，由于在染色体组、数目、结构、性质上的巨大差异，很难能正常减数分裂，如大白菜的一组染色体x1=10，而甘蓝x2=9，远缘杂交的2n=X1+X2=19，根本无法减数分裂，不能形成有正常功能的配，因此，远缘杂种就会出现不稔。•3．基因不平衡不同亲本的染色体所携带的基因数量与控制性状是不同的，对生长发育及代谢的调节功能也不相同。当异源DNA进入后，往往被细胞中各种内切酶所裂解或排斥，导致遗传功能紊乱，不能合成适量的物质和形成有正常功能的配子，因而使杂种夭亡和不稔。二、克服远缘杂种夭亡、不育及不稔的方法•（一）胚胎培养（胚抢救）当受精卵只发育成胚而无胚乳，或胚与胚乳的发育不适应时，可用胚胎培养法（embryoculture）使胚胎发育成幼苗。（二）杂种染色体加倍法当远缘杂交的双亲染色体组或染色体数目不同而缺少同源性，致使F1在减数分裂时，染色体不能联会或很少联会，不能形成足够数量的、具有生活力的配子体而导致不稔。日本育成大白菜与甘蓝的远缘杂交种就是采用杂种株染色体加倍，2n=4x=38，恢复了稔性，选育成功“白兰”。（三）回交法•育种实践中发现，应用回交法可显著提高稔性。回交时以远缘杂种作母本，以亲本之一作父本，如果两个亲本回交提高稔性的差异很大，应选用提高稔性高的亲本作为轮回亲本；如两亲回交提高稔性的效果相似，应根据选育目标选择轮回亲本，使杂种后代加强选育目标所期望的性状。为了防止远缘杂种迅速恢复成轮回亲本的性状，最好选用同种的其它品种作为轮回亲本。在番茄上采用此法非常有效。（四）改善发芽和生长条件及嫁接•当远缘杂交种子种皮过厚时，可刺破种皮以利吸水和促进呼吸。如种子秕小，可用腐殖质含量高消过毒的土壤在温室内盆播，为种子发芽创造良好的条件。出苗后，加强栽培管理使幼苗和植株生长健壮。•幼苗出土后由于根系发育不良而引起的夭亡，可将杂种幼苗嫁接（grafting）在母本幼苗上，使杂种正常生长发育。第四节远缘杂种后代的分离与选择•一、远缘杂种后代性状分离和遗传的特点•（一）分离的剧烈和无规律性•远缘杂种与品种间杂种一样，从F2起发生分离，但是分离的范围远较品种间杂种广泛，后代中不仅出现杂种类型，还出现与亲本相似的类型，或亲本的祖先类型，或亲本所没有的新类型，这种“剧烈分离”现象往往延续许多世代而不易稳定。“剧烈分离”产生近缘杂交所不能产生的新类型，从而也就选育特殊的新品种提供了宝贵的原始材料。（二）分离世代长、稳定慢•远缘杂种的性状分离并不完全出现在F2，有的要在F3或以后世代才有明显表现。同时，在某些远缘杂交中，由于杂种染色体消失、无融合生殖、染色体自然加倍等原因，常出现母本或父本的单倍体、二倍体或多倍体；在整倍体的杂种后代中，也还会出现非整倍体等。这样，性状分离会延续多代而不易稳定。二、远缘杂种后代分离的控制•（一）回交回交既可克服杂种的不育性，也可控制其性状分离。在番茄远缘杂交育种时，亚历山大（1971）用栽培类型的玛娜佩尔和秘鲁番茄杂交后，F1呈现野生的小果性。用栽培型亲本做父本多代回交后，果实性状得到改善，遗传性状也稳定下来。（二）F1染色体加倍•用秋水仙素对F1染色体加倍，形成双二倍体，不仅可提高杂种的可育性，而且也可获得不分离的纯合材料。再经加工，可选育出某些双二倍体的新类型。染色体加倍法有时会大大缩短育种年限。虽然回交可有效改善远缘杂种后代的剧烈分离和“返祖”现象（atavism），但往往要经4～6代“饱和回交”才见成效，而加倍后就可使分离稳定下来。（三）诱导单倍体•远缘杂种F1的花粉虽大多数是不育的，但也有少数花粉是有生活力的，如将F1花粉进行离体培养产生单倍体，再人工加倍为纯合二倍体后，便可获得性状稳定的新类型。•单倍体育种途径具有很多优点，如缩短育种年限，育成的材料基因组合一致性好等，但由于远缘杂交种不易得到真正有生活力的花粉，工作有一定难度。三、远缘杂种后代的选择特点（一）杂种早代应有较大的群体•由于远缘杂种后代性状分离的时间长，出现的变异类型多，且不育性高，后代中常出现畸形株（如黄苗、矮株等），种子出苗力低，甚至植株还会中途夭折，所以杂种早代（F2、F3）应有较大的群体，这样才有可能选出频率很低的优良基因组合的个体。（二）早期选择标准不宜过高•虽然对远缘杂种经过某些特殊处理（染色体加倍或回交等），但后代自交的早期世代中，仍表现一定程度的结实不良和生育期延长等特征，但这些现象往往随世代增加而逐渐减少。•（三）灵活选用适当的选择方法•育种时，对杂交后代选择采用最多的是系谱选择法。系谱法虽然有很多优点，但选择的高世代群体过于宠大，往往使工作量增加很多，由于远缘杂交种需要选择的世代过多，往往不宜机械采用单一的选择方法。育种实践中，可以采用改良选择法。如混合一单株法、集团选择法等。如果要把不同种或亚种的一些优良性状和适应性组合起来，培育出生产力和适应性都较好的品系时，可采用混合种植法。第八章思考题•1．远缘杂交在植物育种中的重要作用有哪些？•2．远缘杂交不亲和、远缘杂种夭亡及不育的原因主要有哪些？实践中有效的克服方法有哪些？(论述题)•3．远缘杂种后代性状的分离和遗传特点有哪些？