倍性育种详解

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。

1．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。

2．同源多倍体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。

3．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。

第一节多倍体育种

多倍体：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。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)。

(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。

3．不减数配子的受精结合

(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、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。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。

(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。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。

2．异源多倍体：（1）形成：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。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。

（2）育性：异源多倍体细胞中染色体能够配对，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。

(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。

(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。

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。

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．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。

2．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。

3．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。

(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。

4．处理方法

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。①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。②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。③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。④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。

(1) 浸渍法。此法适用于处理种子、枝条、幼苗。处理种子时，可将浸泡过的种子或干种子放在铺有滤纸的培养皿或平底盘中，然后注入一定浓度(0.01％-1.0％)的秋水仙碱溶液，置于培养箱中保持适宜的发芽温度。发芽的种子处理数小时至数天。秋水仙碱能阻碍根的发育，最好在发根前处理完毕，处理后用清水冲洗干净再播种或砂培。

诱导用幼根或枝条繁殖的植物时，可将幼根分生组织或幼嫩枝条浸入秋水仙碱溶液，一般处理1～2d，处理后清水彻底冲洗。

处理幼苗时，为避免根系受到损害，可将苗倒置，仅使茎端生长点浸入秋水仙碱溶液中处理。

(2)点滴法。此法常用来处理长大的植株或木本植物的顶芽。常用的水溶液浓度为0．1％～0.4％，每日滴一至数次，反复处理数日。也可用脱脂棉包裹幼芽，再将秋水仙碱溶液滴上。此方法可使植株未处理部位不受秋水仙碱影响。

(3)注射法。诱导禾谷类作物宜用此法，用注射器将秋水仙碱溶液注射到分蘖部位。

(4)涂布法。将配制好的羊毛脂秋水仙碱软膏均匀涂在生长点上。

(5)药剂-培养基法。将秋水仙碱溶液加入琼脂培养基中，将幼胚在培养基上培养一段时间，而后再移到不含秋水仙碱的培养基。此法特别适合于远缘杂交的胚培养。

表9—1列出了常用的诱导多倍体的方法。

(三)生物因素诱导