食用菌的遗传与育种

食用菌育种基础知识－食用菌的遗传与育种本文详细介绍了食用菌遗传育种方面的相关基础理论知识食用菌的遗传基础遗传与变异何谓遗传?“种瓜得瓜，种豆得豆”，“龙生龙，凤生凤”，物种代代相似的现象即为遗传。何为变异?“一母生九子，九子各有别”，这种子代与亲代之间以及子代相互之间的不同即为变异。遗传和变异是对立统一的一对矛盾，它们相辅相成，缺一不可，遗传是生物生存和繁衍的基础，它使物种相对稳定；变异是生物进化的动力，它造就了生物大千世界。遗传是相对的，变异则是绝对的，没有变异就不能研究遗传。和其他生物一样，食用菌的遗传与变异亦符合对立统一规律。从统一角度来看，食用菌的遗传性是很稳定的，它的种性时不会因一般环境条件的变化而发生变异。例如营养、水分、湿度、温度、酸碱度、光线和二氧化碳等环境因子的变化一般只会影响食用菌菇子实体的形状、大小、色泽和产量，而不容易导致食用菌种性的改变，即不能造成可遗传的变异。可遗传的变异只有两类，即遗传基因的重组和基因突变所导致的变异。如平菇的产孢缺陷型就是可以遗传的变异。无孢平菇的子实层不能产生担孢子，只能通过菌丝体的转接即无性繁殖来保持其不产孢子的变异性状。在生产上应用的还有白色金针菇、白色木耳、白色灰树花等新品种，都是遗传性状很稳定的变异菌株。食用菌的有性繁殖（一）有性繁殖什么是性?性即重组。遗传基因的重组造就了食用菌品种的多样性。有性繁殖是通过两个性别不同的细胞结合而形成新个体的一种繁殖方式，其后代具备双亲的遗传特性。在担子菌中，同宗结合的食用菌约占10%，异宗结合约占90%。1、同宗结合担孢子菌丝自身可孕，是一种“雌雄同体”的有性繁殖方式。同宗结合的担孢子萌发成菌丝后，不需要经过2个菌丝的结合就能完成性的生活史。同宗结合又可分初级同宗给合和次级同宗给合两种类型。①、初级同宗结合，担孢子只含有1个经减数分裂产生的细胞核，萌发后通过异核化可以完成性生活史。例如草菇，担子内减数分裂产生4个核，在担子上形成4个担孢子，每个担孢子只有1个核，其中有75%的担孢子可孕育形成子实体。②、次级同宗结合，每个担子产生2个担孢子，且都是异核的，担孢子萌发时形成双核能产生子实体的菌丝体。例如双孢蘑菇，每个担子产生2个担孢子，每个担孢子内含有“+”、“-”两个核，萌发后的菌丝为多核异核体，减数分裂后产生4个单倍体核，分别进入2个担孢子中。在它的生活史中有两种情况:一种为含“+”、“-”核的担孢子，约占了70%，不需经过交配就可完成其生活史；另一种是只含“+”或“-”核的担子，约占5%，要经交配后才能完成生活史。2、异宗结合所谓异宗结合，即单个的担孢子菌丝自身不孕，必须经过“+”、“-”两种性细胞的结合才能完成有性生殖过程。食用菌“+”、“-”两种菌丝细胞在形态上无什么差别，但在遗传特性上却不同。单一的“+”菌丝或“-”菌丝都不能出菇。平菇、香菇子实体同一个担子上产生的四个担孢子因各不相同，被称为四极性。世界上约有5000种担子菌，已研究过有性生殖的500个种中约有90%为异宗结合。食用菌的异宗结合又可以分为单因子控制的二极性(占25%)和双因子控制的四极性(占75%)。①、二极性异宗结合每个子实体产生的孢子，有两种自身不孕类群，它是由一对交配因子决定，即A因子单一系列控制。只有带不同A因子的菌丝，即只有A1和A2的交配，才能结合成双核体。随着核配，这两种不同的A因子在减数分裂时分离，每一种A因子随核进入l个担孢子，每个担子上的4个担孢子有等量的双亲基因，即2个是A1、2个是A2，同一交配型配合如A1×A2时不孕，在不同交配型配合时是可孕的。由于同一菇体减数分裂的后代有两种类型的担孢子，其配对结果有50%是可孕的，其担孢子杂交的后代可孕与不可孕的比例为1：1如表1。表1同一菇体二极性交配结果A1A2A1-+A2+-如果四个单核菌A1、A1、A2、A2来自同一个菇体的减数分裂，而A3、A3、A4、A4来自另一个菇体的减数分裂，其担孢子杂交的后代可孕与不可孕的比例为1：3，见表2。这是因为A3和A1、A2交配都为“+”，A4和A1、A2交配也都是“+”，因此“+”“-”的比例不等，也说明A3和A4是A的复等位基因，凡A因子不同的两个菌丝就能交配而结实。表2不同菇体二极性交配结果A1A2A3A4A1-+++A2+-++A3++-+A4+++-②、四极性异宗结合由同一子实体产生的担孢子萌发的菌丝，它们之间进行交配时，只有四分之一的组合能产生可孕的双核体。其遗传学的基础是:不亲和性是由两个位点的基因控制，在每个位点上的两个等位基因用A、B来表示，并用A1A2和B1B2分别表示每个基因的两个等位基因。若带有A1A2的单核体和带有B1B2的单核体之间进行交配，就能产生一个可孕性的双核体(以A1B1＋A2B2表示)。双核体经减数分裂后，可以形成:A1B1、A2B2(亲本型的)；A2B1、A1B2(重组型的)四种类型的担孢子。在大多数菌类中，四种类型的孢子比例一致，这表明A相B两个基因位点之间没有联系，都各自着生在不同的染色体上，见表3。表3四极性组合交配结果A1B1A2B2A2B1A1B2A1B1A1A1B1B1A1A2B1B2A1A2B1B1A1A1B1B2（-）（+）（-）(-)A2B2A1A2B1B2A2A2B2B2A2A2B1B2A1A2B2B2（+)(-)(-)(-)A2B1A1A2B1B1A2A2B1B2A2A2B1B1A1A2B1B2（-）（-）（-）(+)A1B2A1A1B1B2A1A2B2B2A1A2B1B2A1A1B2B2（-）（-）(+)(-)从表3中可看出，凡是在一个或两个位点上有相同的等位基因存在时，就不能交配，只有当两个单核体的A、B位点上等位基因不同时，才能形成A1B1×A2B2或A2B1xA1B2型可孕性双核菌丝。了解食用菌的性特征在遗传育种上很有意义。属于同宗结合的菌类，单孢子萌发的菌丝可形成子实体；属于异宗结合的菌类，采用单孢育种时必须注意单核菌丝之间是否亲和，即使菌落及菌丝表现出亲和性，亦须进行结实出菇试验才可用于生产。食用菌育种为了使食用菌达到高产、优质、抗逆性强、适应性强以及满足某些特殊要求的育种目的，在食用菌育种中，人们采取了包括选择育种、诱变育种及杂交育种等常规手段，以及采用原生质体技术，分子生物学技术等新的育种手段。1、选择育种选择育种是目前获得新菌种的一种最常用的方法，其实质是广泛搜集品种资源，积累和利用在自然条件下发生的有益变异。这样通过长期的去劣存优的选择作用，不断淘汰那些不符合人类需要的菌株，保留那些符合人类需要的菌株，就可逐步形成符合人类需要的新的菌株。食用菌多是以菌丝的营养繁殖为主要繁殖方式，一个种的性状是通过菌丝体的繁衍来维持和逐代传递的，所以选择应侧重于在不同菌株间进行而不是在同一菌株的后代中进行。此外由于人工选择不能改变个体的基因型，而只是积累并利用自然条件下发生的有益变异。所以要使选择育种产生效果，除了细心观察现有品种中产生了明显有益变异个体外，更主要的是要广泛收集不同地域、不同生态型的菌株，以便从大量菌株中去粗取精、弃劣留优，筛选到适合人们需要的菌株。从自然界现有菌株中选择培育新品种大体包括如下步骤：品种资源的收集→纯种分离→生理性能的测定→菌株比较试验→扩大试验→示范推广。目前我国有许多优良品种均是由此方法获得的。如“北京猴头菌1号”新菌株，具有转潮快、朵大、肉实等优点；耐低温型草菇菌株“V20”，子实体分化发育温度比一般草菇低3～4℃，对外界适应性强，日平均气温22℃子实体能正常分化发育。使草菇的栽培范围扩大，延长种植季节，提高经济效益；“开化木耳”，现已成为浙江、安徽、江西，湖北等地区的黑木耳主栽品种。2、诱变育种诱变育种是利用物理或化学诱变因子诱发食用菌遗传性变异，通过对突变体的选择和鉴定培育新品种的方法。诱变育种大体包括如下步骤：出发菌株→制备孢子悬浮液→诱变处理→涂布培养皿→挑菌移植→斜面传代→试验、示范、推广。诱变育种中应注意的几个基本问题：①、选好出发菌株。因为出发菌株的选择直接影响诱变结果，一般说来，对经自然选育并生产应用，性状稳定，综合性状优良而仅有个别缺点的菌株进行诱变处理效果较好；②、诱变对象应处于适宜状态，即处理对象必须呈单细胞的均匀悬浮液状态，这样可以使其均匀的接触诱变剂，避免出现不纯菌落，一般利用稍加萌发后的孢子作为诱变对象；③、诱变因素的选择。用于诱变育种的诱变剂种类很多，但各种诱变剂对食用菌诱变效果不同，而对诱发某一特点性状的频率不同，应根据具体菇类使用。紫外线具有无需特殊设备，成本低廉，对人体损害作用易于防止等优点，诱变效果也较好，是目前最常见的物理诱变因素之一；④、诱变剂量的确定。选择诱变剂量应根据食用菌的辐射敏感性和各种性状在不同剂量下的突变频率确定。紫外线诱变现在倾向于采用杀菌率70%～75%甚至更低的剂量，一般30%左右。人工诱变可以提高突变频率，能够创造自然界原来没有的性状，且操作简单，周期短，因而，受到食用菌研究者普遍重视。近年来，食用菌育种发展较快，我国利用诱发突变已选育出平菇、香菇、木耳、猴头、双孢蘑菇，金针菇等食用菌的优新品种。3、杂交育种杂交是一种遗传物质在细胞水平上的重组过程。由于食用菌能产生有性孢子，因此原则上都可以象高等植物那样通过有性杂交育种，从而获得综合双亲优良性状的新品种。杂交育种大体包括如下步骤：选择亲本→单孢分离→单孢菌丝培养与选择→孢子单核菌丝配对→将可亲和的组合转管繁殖→杂交菌株初筛→杂交菌株复筛→试验、示范、推广。在杂交育种的过程中，为了判断杂种的真实性，亲代必须有标记，异宗结合的品种，由于自交不孕，因此亲本的性别本身可作为标记，但对于同宗结合的品种，由于具自交可孕，因此必须对亲本加以特殊标记，例如营养缺陷型突变，抗药性突变等。也可通过同工酶差异鉴定是否产生新菌株。另外，杂交优势来源于亲本，取决于亲本的相对差异和互补能力，因此，亲本选择非常重要。希望杂交种的重要性状上有优良表现，很难通过一次杂交就圆满实现，因此可以通过回交，在一次杂交的基础上，继续改进品种性状，同时要考虑到杂种的性状表现是基因和环境综合作用的结果。下面以香菇为例说明单孢杂交育种。香菇是典型的四级性异宗结合菌类，异宗结合指自身不孕，需由不同交配型的单核菌丝杂交完成性生活史。香菇担子上有四个担孢子，通过交配反应，确定孢子的极性后，用可亲和性菌丝共同培养，菌丝接触后，分别从两方取菌丝体移入另一试管。这是因为经过杂交，虽然双方都双核化了，但细胞质确是有区别的，因此杂交后代的表现型也是有区别的，应对这两个双核菌株分别比较，全部考核生长性状和出菇能力，最后挑选性状良好菌株用于生产。以上是指种内杂交而言，种间杂交则几乎所有的单孢菌株都是可亲和的。4、原生质体技术在食用菌研究上的应用原生质体技术是通过脱壁后不同遗传类型的原生质体在融合剂的诱导下进行细胞融合而达到整套基因组的交换和重组，产生新的品种和类型。原生质体融合技术大体包括如下步骤：原生质体的制备→遗传标记→原生质体融合→再生培养基上再生→被假定为异核体的融合产物通过营养互补作用而发育→杂交子间及与亲本间的拮抗试验→杂交株与亲本株的酯酶同工酶分析。20世纪50年代末期，人们从真菌中分离原生质体获得成功，从20世纪60年代起即进入了真菌的原生质体时代。现在，真菌的原生质体分离已成为一项常规的、程序化的技术，原生质体的应用也日益广泛。目前，食用菌原生质体融合存在一些尚待解决的问题，主要有：融合子遗传性很不稳定；种间融合子难以形成子实体；融合体难以产生优良性状等。鉴于上述情况，食用菌的原生质体技术研究不应是盲目进行大规模种间、属间以致更远源的融合尝试，而应有计划、有步骤地对一些需要解决的更大问题，如融合机制、融合后的核行为、融合子的遗传稳定性的改进等进行深入探索。5、分子生物学技术在食用菌研究上的应用目前，分子生物学技术在食用菌研究上的应用主要是基因工程方面上建立基因库和DNA指纹技术的应用。分子标记技术的应用主要见于20世纪70年代初，常用的遗传标记是蛋白质标记，如同种异型酶、同工