花药培养技术在育种中的应用

花药培养技术在育种

中的应用

徐畅

110213981

11级种工二班

引言

花药培养技术是将成熟或未成熟的花药从母体植株上取下，放在无菌的条件下，使其进一步生长、发育成单倍体细胞或植株的技术。花药培养是用植物组织培养技术，把发育到一定阶段的花药，通过无菌操作技术，接种在人工培养基上，以改变花药内花粉粒的发育程序，诱导其分化，并连续进行有丝分裂，形成细胞团，进而形成一团无分化的薄壁组织——愈伤组织，或分化成胚状体，随后使愈伤组织分化成完整的植株。

水稻是我国最主要的粮食作物，播种面积占粮食作物的27%，总产占粮食总产的40%。水稻肩负着我国粮食安全、满足人们不断提高的消费需求及农民增收和农业、环境可持续发展的第一重任，一直被视为重要的战略物资。因此，水稻的生产状况对粮食安全问题有十分重要的影响。在粮食安全日益受到关注的国际大环境下，同时也要满足人们对高生活水平的追求，培育超高产、品质优的水稻新品种，对育种工作者来说是新的任务，常规育种与花药培养育种、分子标记的技术相结合不失为一条好途径。花药培养育种是近代育种学的发展，它继承和发展了杂交育种和系统选择，以常规杂交育种技术为基础，结合花药离体培养技术成为多学科协同作战、综合育种的新技术体系。花种具有缩短育种年限、扩大变异范围、提高选择效率等优势，几十年来发展很快，尤其在水稻育种中被广泛应用。本文综述了花药培养的特点、影响花药培养的主要因素和花药培养在水稻育种中的应用。

一.花药培养育种的特点

（一）后代稳定快，育种年限短

常规杂交后代分离要经5 ～ 6 代才能稳定，应用花药培养获得的单倍体植物经染色体加倍就可以获得纯合二倍体，其遗传性能相对稳定，常规F2每组合群体数从理论上计算为22n ( n 为基因对数) = 22 × 6 ( 水稻有12 对染色体) = 4 096 个体，而花培H1只需26 = 64 株就够了。常规的杂交后代分离世代要在上下代间不断变异中选择，难度很大。其中，即使存在优良变异个体，要代代准确、及时入选的概率也较小，而在大多数的花培H2株内，各种性状表现整齐一致，株系间容易比较，进行特性鉴定，有利于准确选择。多数报道认为，在H2花粉植株的群体中，约90% 的个体在形成H2代株系时，株系内性状整齐一致，能稳定遗传，无分离现象。因此，花培育种至少可比常规育种节省3 ～ 5 年时间。

（二）遗传类型多

花药培养育成的植株是经过基因重组的具有多种多样基因型的花粉粒再生成的植株，所以能充分表现出同源杂合体减数分裂所产生的各种配子的基因型，同时单倍体在自然加倍过程中无有性受精过程中的配子竞争，加之在培养过程中诱导基因突变的概率较大，所以花培后代的遗传变异类型较常规杂交后代可能更丰富。

（三）选择效率高

花药培养后代选择的群体是常规育种的1 /5 ～ 1 /2，而选择的效率是常规育种的3．32 倍。育种目标涉及的基因位点比较少，多

数基因位点的目的基因稳定时，花药培养育种比常规育种更有成效。花药培养育种能使各种配子类型在植株水平较充分地显现出来，避免显性基因位隐性基因的上位性作用，使隐性基因控制的性状显现出来，出现纯合目的基因的慨率也大大高于常规育种。

（四）打破不利性状的连锁关系

花药培养可以克服亚种间杂交和远缘杂交中难以克服的杂种不孕现象，能打破不利性状的连锁关系，减少选择难度。

（五）利用花粉植株进行基因转移

花药培养在水稻育种中已被用于抗稻瘟病基因的转移。沈锦骅等在2年内即把抗性基因pi － ZT 由抗性材料“TorideNo． 2”转入地方品种，并育成了中花8 号和中花9 号2 个品种，如用常规方法，约需12 年时间才能完成。

二．花药培养影响因素

（一）基因型对花药培养的影响

供体植株的基因型是影响单倍体植株诱导的关键因素，不同基因型植株的花药对培养的反应不同，表现在花药培养力如愈伤组织诱导率、分化率、胚状体诱导率及植株诱导率等上，有些材料对某些培养基没有反应，因此材料的基因型是影响培养力最重要的因素。花药培养的材料来源主要是生产上应用的品种( 组合) 、育种的中间材料等。试验结果表明，花药培养力的大小顺序为爪哇稻＞粳籼杂种＞粳稻＞籼稻杂种＞籼稻，但沈锦骅等认为粳稻＞粳籼杂种。王建平等的试验结果表明，利用广亲和品种与其他粳籼品种杂交的F1或其

本身，花药培养效率都较好。对于中间材料，江树业等认为，一般F1结实率高的花药培养后代出现结实正常且优良的个体的概率较大。一般来说，组合中若有培养力较高的粳稻血缘品种，可以提高花药培养的效率。

（二）花粉发育时期对花药培养的影响

接种花粉所处的发育时期对花药培养诱导愈伤具有重要影响。花药培养中，并不是任何发育时期的花粉都可在离体培养时接受诱导产生胚状体，只有当花粉发育到一定时期，离体刺激才最敏感。一般来说，单核中期和单核靠边期花药对诱导愈伤效果最好。朱德瑶等认为，颖花浅绿色，花药伸长至颖壳2 /5 ～ 1 /2 时，花粉分化处于单接中、晚期，此时取穗较好，结果表明处于单核中期和单核靠边期的花粉具有较高的诱导率。可根据水稻的生育期，在破口前1 ～ 2 周取穗，一般在傍晚进行，一是降低材料中水分散失; 二是对花药的生理活性及培养力有一定的提高作用。

（三）预处理对花药培养的影响

多数研究者认为，预处理在一定程度上对提高花药培养诱导愈伤具有促进作用。预处理方式有离心、低温、恒温、变温、γ射线、紫外光等方法，均能提高诱导率，但都表现出基因型的差异。Genovesi 等认为低温预处理能显著提高花药的诱导率; 但诱导率与处理的温

度和时间有关，处理温度不同，最适的处理时间也不相同，温度较低，时间可短，温度提高，时间应延长。结果表明，低温预处理能提高花药离体培养成活率，促使更多花粉细胞分裂分化; 最适时间与材料有

一定的关系。低温处理的主要作用是改善花粉的生理状态，延缓花粉退化，提高内源激素水平，启动雄核发育。因为不同品种的基因型小孢子对低温承受力不同，所需处理时间也就不相同。处理时间不宜过长，应该在4 ～ 8 ℃之间处理7 ～ 10 d。

（四）培养方式对花药培养的影响

花药培养方式已从琼脂固化培养发展出液体培养、双层培养、分步培养等。

( 1) 液体培养。培养基中不加琼脂而保持液体状态，接种的花药漂浮在液面进行培养。为防止培养物沉入培养基底部，造成长时间厌氧环境影响愈伤组织分化苗的能力，在培养基中加入30% 聚蔗糖，以增加培养基的密度和浮力，使其处在通风良好的状态中。柴卫淑等用液体培养基和固体培养基对水稻花药进行培养，结果液体培养基与固体培养基诱导时间相当，但液体培养基诱导的出愈率及绿苗分化率均提高约10%，由此认为，液体培养是提高水稻花药培养效率的可行方法。

( 2) 双层培养。由于花药培养有密度效应，为增加花药接种密度须缩短培养基在空气中暴露的时间，防止造成污染和培养基蒸发，采用固体－液体双层培养基。

( 3) 分步培养。将花药接种在液体培养基上进行漂浮培养时，花粉从花药中自然释放出来，散落在液体培养基中，然后及时用吸管将花粉从液体培养基中取出，放在琼脂培养基上，使其处于良好通气环境中，大大提高花粉植株的诱导率。