林 木 多 倍 体 育 种 研 究 进 展

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不同倍性体间杂交
当某树种中存在有可育的不同倍性体时, 利用 不同倍性体杂交是获取新的多倍体最为简捷而有效 的途径 . Nilsson_Ehle( 1938) 最早用三倍体欧洲山 杨与二倍体进行杂交试验 ,获得了一些三倍体 、 四倍 和混倍体植株。此后的众多研究表明, 利用三倍体 与二倍体杂交之所以能够获得多倍体, 是由于在三 倍体不规则的减数分裂中可以产生少量不同倍性的 可育配子的缘故 . 通过不同倍性体间杂交途径已成 功获得多倍体的林木包括杨树 、 桑树、 桦木、 桤木、 刺槐、 枸杞等. Einspahr 等( 1984) 、Weisgerber 等( 1980) 利用四倍体欧洲山杨与二倍体美洲山杨杂 交获得了异源三倍体山杨 , 为杨树纸浆材等森林工 业用材新品种选育做出了巨大贡献. 在北欧和 美国的有些地区 ,甚至将四倍体山杨雌株直接栽在 优良的山杨林分中自由授粉 , 每年在四倍体上采种 育苗 、 造林 .
植物细胞核内染色体组加倍以后 ,常常带来一些 形态和生理上的变化 ,在提高生长速度、增进遗传品 质以及提高目的代谢物含量等方面具有优势. 就主要 利用营养器官的林木多倍体育种而言, 由于许多树种 能够进行无性繁殖, 可以不必担心多倍体育性差而导 致繁殖困难的难题, 而多年生习性又保证品种一旦育 成就可以长期持续利用等 ,因此林木多倍体育种的潜 力更大 、 作用更为突出。 • 具体主要用于如下 3 个方面. •
林木多倍体育种研究进展
杨艳红
概念：
多倍体：英文名称：polyploid 体细胞中含有三个或三个 以上染色体组的个体．多倍体在生物界广泛存在，常见于 高等植物中，由于染色体组来源不同，可分为同源多倍体 和异源多倍体。 • 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。约33%的物种是多 倍体。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、苹果、梨、水仙等都是多倍性 的。香蕉、某些马铃薯品种是三倍体的。一般马铃薯是四 倍体。蕨类植物也有很多是多倍体，裸子植物较少多倍体 ，但有名的红杉（Sequoia sempervirens）则为六倍体。 •
随着世界森林资源紧缺的加剧, 林木多倍体新品 种将以其速生 、 优质以及高抗逆性等特性, 在森 林工业用材( 如纸浆材等) 生产和生态环境建设中 得到重视, 而现代生命科学技术的进步也必将逐一 解决相关的限制性难题, 使林木多倍体育种焕发出 新的生机与活力. 可以预见,建立在现代遗传学以 及细胞染色体工程技术基础之上的林木多倍体育 种 , 将随着人类对其应用价值认识的提高以及有 关新技术方法的注入而全面步入实用化程度 ,从而 带动未来林业的持续 、 高效发展 .
多倍体植物一般生活力强 ,对环境适应性亦强 ,抗 旱 、 抗寒以及抗病虫害等优势明显. 仅从植物地理 分布上看 ,多倍体大多出现在高纬度、 高海拔以及 北极、 沙漠等气候环境变化剧烈的地区,说明植物多 倍体比通常的二倍体具有更强适应不利自然条件的 能力. 通过多倍体育种可提高林木的抗逆性 , 相应扩 大树种的栽培条件与种植范围 . 如四倍体柳杉的耐 寒性增强; 三倍体欧洲山杨比较耐干旱瘠薄,更适宜 于条件较差的山地栽植 , 而且还表现出较强的抗病 能力 ; 三倍体桦木表现对锈病的抗性增强等.
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天然或人工未减数配子杂交
直接利用天然未减数 2n 花粉进行多倍体育种的树种主要是杨 树 . 国外在灰杨、香脂杨、黑杨杂种 ( Heidemj) 等杨树中均发现有天然 2n 花粉, 并用这些花粉进行授 粉杂交得到了三倍体 朱之悌等 ( 1995) 利用毛白杨天然 2n 花粉与毛新杨 、 银腺杨杂交,最终获 得了 26 株生长、 材质俱优的异源三倍体 ,这些三倍体已经得到大 面积推广应用, 产生了巨大的经济 、 生态和社会效益. 但并不是所 有树种都会自然产生 2n 花粉, 且 2n 花粉发生往往受树种自身遗传 因素和外部环境的双重影响 ,具有偶然性、多变性 ,大多比率较低 , 因此其利用也就受到一定程度的限制.
5 胚乳培养与细胞融合
在大多被子植物中, 一个精核与两个极核融合 完成双受精过程, 从而产生三倍性的胚乳, 因此 通过某一树种的胚乳培养也可以获得三倍体植株. 1973年,Srivastava 首次由罗氏核实木的成熟胚 乳培养中获得了三倍体胚乳再生植株. 此后胚乳 培养研究进展迅速,其中有关林木胚乳培养的研 究大多集中在经济树种中,主要在猕猴桃 、枸杞 、 枣等胚乳培养方面取得三倍体苗木[ 50-53]. 目前 胚乳培养的主要问题是由于愈伤组织继代培养中 往往会产生染色体变异,从而造成再生植株多为 非整倍体、混倍体, 甚至恢复为二倍体等. 相信 该问题将会随着胚乳培养技术的进最早选择获取多倍体 途径 . 有关研究表明, 机械损伤、高温和低温 、辐 射、化学试剂等理化处理方法均可获得多倍体, 其中 以秋水仙素诱导效果最佳. 在多倍体诱导过程中 ,应 根据植物种的生物学特性、处理的材料及环境温度 差异等, 选取不同的处理方法和方式, 掌握最佳处理 时期 ,并适时调整处理剂量以及持续处理时间, 可增 进诱导效果 然而由于细胞分裂的不同步性, 很 难作到使所有的细胞染色体加倍 , 因此体细胞染色 体加倍最终获得的大多是混倍体或嵌合体, 影响了 倍性优势的发挥. 在林木中人工诱导获得的体细胞 多倍体涉及杨树 、桑树、橡胶 、刺槐、桤木 、桦木 、 相思、枸杞等树种, 但迄今只有四倍体刺槐等 数几个品种在生产上成功应用, 大多因生长等表现 欠佳 ,主要用于作为育种和研究材料. 其中值得提出 的是在授粉后直接针对合子的染色体加倍, Einspahr 等( 1965) 将受精的美洲山杨雌花序浸在 0. 3%的秋 水仙素溶液中处理 24 h, 一次获得 50 株四倍体幼 苗 该方法不但创造性地提高了多倍体诱导频 率,而且更为重要的是由于处理仅涉及一个或数个 细胞 ,避免了嵌合体的出现, 可以获得真正的多倍
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• 细胞融合能够获得同源或异源三倍体、四倍体以及双二倍 体 ,可以说是克服植物远缘杂交障碍 、 创造多倍体的又一 条新途径. 1960 年, Cocking 发明了用酶去除植物细胞壁 获得原生质体的方法, 为植物细胞杂交奠定了基础. 此后, 随着原生质体化学融合和电融合技术的发展,已有近百种 内、种间和属间原生质体融合获得了再生植株, 甚至可以 实现体配细胞融合与再生[ 54-56]. 林木中的细胞融合主要 集中于杨树等树种, 且同其他植物一样, 目前有关研究仍处 于实验室探讨阶段, 存在许多有待解决的理论与技术难题, 但其所展示的广阔应用潜力是毋庸置疑的 。
由于多倍体的基因剂量倍增 ,从而使植物的一些生理生化过 程随之加强 ,新陈代谢旺盛,其体内的某些生化成分的含量也相 应提高. 在林木育种中, 多倍体育种可望使利用组织代谢产物的 经济树种品质性状得到改善提高, 如树木叶蛋白 、橡胶以及黄 酮等,从而提高林木的利用价值, 降低生产成本 . 有关育种成果 已经在生产中得到应用 ,其中四倍体橡胶树的产胶量比二倍体 亲本提高 34% 三倍体漆树的产漆量比二倍体高出 1 ～ 2 倍; 三倍体桑树在产叶量和叶品质等方面均优于二倍体等
特征：
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多倍体植株的一般特征是茎粗、叶大、花大、 果实大，但往往生长慢，矮生，成熟也较迟。多 倍体的植株糖类和蛋白质等营养物质的含量都有 所增加。例如，四倍体葡萄的果实比二倍体葡萄 的果实大得多，四倍体番茄的维生素C的含量比 二倍体的品种几乎增加了一倍。
多倍体植物：
1935 年, Nilsson _Ehle 在瑞典发现了一 株叶片巨大 、 生长迅速的巨型三倍体欧洲山 杨。引起了世界对多倍体应用价值的广泛关 注, 由此成为林木多倍体育种的开端. 1937 年, 当 Blakeslee 、Avery 采用曼陀罗等植物 证实秋水仙素诱导植物多倍体的巨大效果之 后, 进一步掀起了世界性多倍体诱导研究的热 潮 ,并获得了大量作物、 果树、 蔬菜、花卉 等多倍体新品种杨树 、 橡胶 、 桑树等一系 列林木多倍体新品种的选育成功为我们展示 了日益广阔的发展前景 .
林木多倍体育种的途径与方法：
1 从自然界中直接选择天然多倍体
多倍体在林木中也是普遍存在的 ,现已检出天然多倍体的树种有 挪威云杉、北美乔柏、日本柳杉、日本扁柏 、 落叶松 、 桤木 、 白桦 、 欧洲白蜡、欧洲水青冈、花椒 、 椴树 、 合欢、 桑树、 漆树、柳树 、 欧洲山杨 ,香脂杨、银白杨、美洲山杨、毛白杨等 这些天然体大多表现不如二倍体, 但在某些树种中也不乏表现突出 的个体 ,如天然三倍体漆树具有生长快、 产漆量高等特点. 欧洲山 杨、美洲山杨天然三倍体与相同立地条件下的同龄二倍体相比, 在 生长及材质等方面均显示出较强的优势而在我国检出的 5 个毛白 杨天然三倍体中, 大多则是早已被林生产实践所证明的优良类型 ( 如易县毛白杨雌株)显然对于一些存在天然三倍体的树种而言,直 接从种群内选择即可收到较好的效果, 但由于在林木种群中天然多 倍体的出现毕竟仍占少数, 限制性难题是如何将这些多倍体从其巨 大的种群中鉴定出来 .
1 纸浆材等短周期森林工业用材新品
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2 利用组织代谢产物的经济林木新
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3 抗逆性生态防护型林木新品
多倍体特别是异源多倍体在染色体加倍后可带来营养器官 的巨大性变化 , 通过多倍体育种培育更为速生 、 优质的林木 品种 ,可以缩短栽培利用周期 ,提高工业利用价值. 如欧洲山杨 ×美洲山杨杂种三倍体的材积生长比本地生长的山杨快 1～ 2 倍, 纤维长度长 18%, 比重高 20%, 是一种优良的纸浆原料。 我国三倍体毛白杨系列新品种的材积生长较相同立地条件下 的二倍体提高 2～ 3 倍,采伐周期缩短至 5 年; 而纤维平均长 度在 5 年生时就达 1. 28mm ,比同龄普通毛白杨长52%,且长 度分布均匀,长宽比大 ,纤维细胞壁薄 ,壁腔比小 ,尤其适合纸 浆材生产。
人工诱导花粉染色体加倍是树木人工多倍体育 种中最为快捷的途径 . Johnsson( 1940) 最早采用秋水 仙碱处理欧洲山杨、美洲山杨雄花枝 , 取得了一些 2n 花粉 , 然后给雌花枝授粉, 均得到了三倍体植 株[ 38]. 此后在欧洲山杨 、美洲山杨、美洲黑杨、香脂 杨、 银白杨 、 毛新杨、银腺杨、 橡胶、桑树等树种中, 均 通过秋水仙素或高温等诱导方法进行了 2n 雌雄配 子诱导 , 并与正常异性配子杂交得到了三倍体植株 [ 39-49]. 其中,张志毅等( 1992) 应用秋水仙碱和高温 等方法处理获得了毛新杨未减数 2n花粉, 并取得三 倍体植株43]. 康向阳等( 1996) 则在掌握杨树花粉母 细胞减数分裂规律的基础上 , 明确了决定花粉染色 体加倍效果的减数分裂有效处理时期 ; 揭示了未减 数 2n 花粉发育迟缓导致受精竞争能力差的原因; 并 证明了利用花粉倍性对辐射敏感性的差异增进 2n 花粉参与受精竞争机率等, 从而成功地建立了以细 胞遗传学研究为基础,综合花粉染色体加倍 、 花粉辐 射和杂交育种等技术 ,高效获得白杨杂种三倍体的 育种技术体系 ,为三倍体大群体、强选择育种奠定了 基础。