10.倍性育种

1. 花药（花粉）离体培养 这是目前人工获得单 倍体最简单有效的方法。原理是：作物的每一特 化的细胞都具有发育成完整植株的潜力。 花药培养产生单倍体的途径有二：1）是花粉经历 了去分化和胚胎发生过程，通过胚状体而形成单 倍体的胚，以后直接发育成单倍体植株(胚胎发生 系统)；2）是花粉多细胞团增殖，形成愈伤组织， 以后再经诱导分化成再生植株(器官发生系统) 。

遵守的原则 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 3. 最好选择能单性结实的品种 4. 选用多个品种进行处理
二、获得多倍体的途径与方法


自然界产生多倍体的频率极低。在进行作物 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方法。1937年秋水 仙碱能导致染色体数加倍的作用被发现后便 逐渐成为诱发作物多倍体的主要手段。
第十章
倍性育种
Polyploid Breeding
第一节 植物的多倍性


倍性育种是指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的方法 植物的倍性育种包括单倍体育种和多倍体育种。 一、多倍体的概念和种类 一个物种为了维持其生长发育及其遗传稳定性，其 体细胞中都具有稳定的染色体数目（2n），一个属 内各个种所特有的维持其生活机能最低限度数目的 一组染色体叫做染色体组（Genome)，也叫基因组。

秋水仙碱是从百合科植物秋水仙的器官和种子中提 取出的一种成分，性极毒，熔点155oC，易溶于水、 酒精等。 秋水仙碱具有麻醉作用，能使神经中枢系统麻醉而 引起呼吸困难，即使极微量的秋水仙碱进入人眼睛 也会引起短暂失明，因此在操作时要特别注意安全。


1. 秋水仙碱的作用原理：它能特异地与细胞分裂 中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向细胞的两极分 开，使细胞中的染色体数目加倍而形成多倍体。

（二）在植物体上诱发单性生殖



分为生物、物理和化学药剂处理三类 1. 生物方法 1）远缘花粉刺激；2）延迟授粉；3）利用半配合： 当精核进入卵细胞后，不与雌核结合，雌雄核各自 独立分裂，形成了雌雄核各自分裂而成的胚，多为 嵌合型单胚。由这种杂合胚形成的种子长成的植株 多为嵌合体的单倍体。单倍体加倍即形成纯合的双 二倍体植株，这种方法产生的单倍体较花药培养简 单易行，而且性状表现稳定，但是频率低。 4）从双生苗中选择：不少植物常出现双胚或者多 胚种子，这些种子萌发出来的苗有的可能是单倍体。

（一）物理因素诱导多倍体 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是采用这 种诱导技术。

（二）化学因素诱导多倍体 化学因素包括秋水仙碱、富民隆等诱导处理正 在分裂的细胞，诱导染色体加倍产生多倍体，用秋 水仙碱诱发作物多倍体是目前最常用的技术。
第三节 单倍体及其在育种中的应用

一、单倍体的类型及特点 （一）单倍体的类型 正常植物的孢子体为无性世代，含有来自雌 雄双亲的两套染色体，为二倍性（2n）。二 倍性的孢子体经减数分裂产生配子体，其染 色体是单倍的（n）。高等植物的单倍体是指 含有配子染色体数的孢子体（n)。


二倍体植物产生的单倍体，体细胞中仅含有 一个染色体组。这种单倍体称为一倍体。由 异源多倍体产生的单倍体其体细胞中有几个 染色体组，称为多元单倍体，如，普通小麦 的单倍体含A、B、D三个染色体组，但是， 在育种学上它们都称为单倍体。 （二）特点:单倍体育种是以育成优良的多 倍体新品种为目的。单倍体的特点是植株小， 有很高的不育性。

多倍体的形成是物种形成的一种方式。由于 多倍体生物一旦形成，它和原来的物种就发 生生殖隔离，因而它成了新种，所以这种方 式被称为爆发式的。多倍体在动物界极少发 生，在植物界却相当普遍。

很多植物种都是通过多倍体途径而产生的。 被子植物中约有40％以上是多倍体。小麦、 燕麦、棉花、烟草、甘蔗、香蕉等都是多 倍性的。香蕉、某些马铃薯品种是三倍体 的。蕨类植物也有很多是多倍，裸子植物 较少多倍，但有名的巨杉则为多倍。

物种A（AA）→AAAA 同源多倍体 ↓ ×→F1（AB1）→AA B1 B1 →AAAA B1 B1 B1 B1 ↑ 异源多倍体 同源异源多倍体 物种B1（ B1 B1 ）→ B1 B1 B1 B1同源多倍体 ↓ ×→F1（B1 B2）→ B1 B1 B2 B2区段异源多倍 体 ↑ 物种B2（ B2 B2 ）→ B2 B2 B2 B2同源多倍体

5）染色体消除：用二倍体普通大麦与二倍 体球茎大麦进行杂交，在受精卵开始分裂、 发育、形成幼胚及极核受精后的胚乳发育 过程中，球茎大麦的染色体在有丝分裂过 程中逐渐消失，最后形成只具有大麦染色 体的单倍体，通过这种方法可获得大量的 单倍体植株。
2. 物理方法：用X射线等辐射照射花或父 本花粉，给去雄的母本授粉，以影响其受 精，可诱导孤雌生殖产生单倍体。 3. 化学方法：某些化学药物能刺激未受精 的卵细胞发育形成单倍体植株。常用的化 学 药 剂 有 2 、 4-D 、 NAA 、 二 甲 基 亚 砜 (DMSO)、乙烯亚胺（EI）等。一般用上 述药剂直接处理未授粉雌花。




剂型：水溶液，羊毛脂制剂，洋菜胶制剂或甘油 乳剂。 浓度：常用的秋水仙素水溶液0.01%~1.0%， 0.2%常用。 处理时间：不少于24小时或处理细胞分裂1~2 个周期。 3）秋水仙碱的处理方法：浸渍法、涂抹法、滴 液法、毛细管法、套罩法、注射法、复合处理


（三）有性杂交培育多倍体 （四）胚乳培养 （五）细胞融合 （六）体细胞无性系变异



1、通过增加一个现有物种的染色体数目， 产生同源多倍体，可获得植物某些器官的 “巨大型”的直接效果，如番茄； 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； 3、培育多倍体作为不同倍数性间或种间 的遗传桥梁，进行基因转移或渗透。
第二节 多倍体育种


一、材料的选择 选用优良的二倍体材料诱导产生多倍体，对 于多倍体选育具有重要意义。因为二倍体诱 导成的多倍体，基因平衡受到破坏，将出现 不同程度的不良性状。 对原始材料的选育可部分地克服这一困难。 通常认为，利用营养器官的植物较利用生殖 器官的植物对于同源多倍体育种有较好的效 果，染色体数少的植物较染色体数多的植物 诱导多倍体的效果好。


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n配 子结合，另一种是同源四倍体与正常的二倍 体杂交。同源三倍体在自然界发生的频率是 很低的，一般均是高度不育。 同源多倍体与二倍体相比，主要有两方面的 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。但这种增大以2x—5x之间普遍 增强，超过5x后，又呈递减趋势。因细胞体积的 增大，有时会产生某些器官的巨型化及生理代谢 产物增加。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。

（2）育性的变化 同源多倍体常常导致 育性的降低，但降低的程度因基因型的不 同有较大的差异，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 由2个或2个以上不同染 色体组所形成的多倍体称异源多倍体。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。
三、多倍体的鉴定



倍性鉴定育性、形 态特征及生理特性等进行初步的比较鉴定。 比较直观的方法是形态鉴定，即将处理和未 处理的对照进行外部形态的比较。 （二）直接鉴定：直接检查根尖或茎尖细胞 的染色体数目，以确定具体的染色体倍性。


一个染色体组是用以描述一个个体的染色 体组成的基本单位，常用英文大写字母表 示。 每个染色体组所含有的染色体数称为染色 体基数（x），不同属的染色体基数不同， 同一属的种或变种之间不仅染色体基数相 同，而且彼此间在染色体数目上常与基数 存在倍数关系。


多倍体（polyploid）是指植物体细胞中有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。被子植物中有50%以上、 禾本科植物有75%物种是多倍体，如小麦、 燕麦等均为天然的多倍体植物。 自然界存在的多倍体主要是异源多倍体，同 源多倍体较少。


1. 类别:根据多倍体染色体组的组成可将多倍体 分成同源多倍体、异源多倍体、同源异源多倍体、 节段异源多倍体等多种类型。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 含有2组以上同一染色体组的 个体称为同源多倍体。同源多倍体中最常见的是 同源三倍体和同源四倍体。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。
四、多倍体材料的加工和选育利用

（一）多倍体材料的加工和选育：通过人工 加倍后所获得的同源多倍体或异源多倍体， 都只是为多倍体育种创造了原始材料，是多 倍体育种的第一步。在此基础上，还必须对 这些材料进行加工、选育，才能在生产上应 用。

（二）人工育成多倍体的应用 1. 花卉植物 2. 果树类植物 3. 小黑麦异源多倍体 4. 甜菜三倍体
三、多倍体育种的意义

将二倍体植物通过人工方法诱导成为多倍体， 开展多倍体育种，对于农作物品种改良具有 重要的意义。多倍体植物具有特殊的优良性 状，例如人工培育的三倍体无籽西瓜，三倍 体甜菜等。此外，通过远缘杂交获得的多倍 体，具有某些特殊的优良性状。人工诱导的 多倍体也可以作桥梁亲本，用来将远缘种的 优良性状转入栽培种。
二、诱导产生单倍体的方法


单倍体既可以自然产生，也可以人工诱导， 它一般是由不正常的受精过程产生的，即由 孤雌生殖、孤雄生殖、无配子生殖等方式产 生的。在育种工作中，单倍体主要靠人工诱 导产生。人工诱导产生单倍体的途径主要有 下列几种： （一）组织和细胞离体培养产生单倍体 通过细胞和组织培养是育种工作中产生单倍 体的主要途径 。
细胞经秋水仙碱处理后，用清水洗净残留的秋水仙 碱，细胞可恢复正常。秋水仙碱在适当的浓度范围 内，对植物细胞基本上无毒害作用，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。




2. 秋水仙碱诱发多倍体的原则 1）处理植株部位的选择 处于分裂活跃的细胞、组织才起作用，因此， 常用萌动或萌发的种子、幼苗、新稍的顶端 作诱发处理的材料（浸种） 2）药剂浓度和处理时间


异源多倍体大多数是异源四倍体或异源六 倍体，少数为更高倍数的多倍体。 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、多倍体的由来与进化


多倍体的发生可通过二倍体的染色体数目加 倍而形成，也可经过不同种属之间杂交，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是通过下列 三种途径产生： 1、合子染色体数目加倍 2、分生组织染色体加倍 3、不减数配子的受精结合

用花粉培养获得单倍体是否有育种价值，取 决于用于培养的原材料是否优良和是否易于 诱导成功。实践证明，不同基因型的植物材 料间单倍体的诱导率不同，所以选择恰当的 培养材料是花粉育种的重要一环。

2.未授粉的子房（胚珠）培养 用未授粉的子房 （胚珠）离体培养是诱导大孢子发育成单倍体的 另一途径。 研究表明，来自大孢子的单倍体有更强的生活力， 并且后代的性状也比较稳定，尤其是对于那些难 以用花粉培养获得单倍体的植物或雄性不育植物 提供了获得单倍体的有效途径，所以在植物的改 良中有较大意义。