第十五章 倍性育种

作物育种学Ⅱ：第十五章 倍性育种 15—1 第十五章 倍性育种

提要：倍性育种是通过改变染色体组的数目，培育作物品种的一项技术手段和育种方法。倍性育种包括两个方向：一是利用染色体组加倍的多倍体育种，二是利用正常双倍体染色体数目减半的单倍体育种。本章要点：（1）多倍体的类型、特点、诱导（育种）方法及育种利用价值，（2）单倍体的诱导、鉴定及育种利用。 第一节 多倍体育种 倍性育种是以人工诱发植物染色体数目发生变异后所产生的遗传效应为根据的育种技术。目前最常用的是整倍体，其中有两种形式：一是利用染色体数加倍的多倍体育种；一是染色体数目减半的单倍体育种。此外，在品种改良上也可利用非整倍体（如单体、缺体、三体等）作为特殊的育种材料。 一、植物的多倍性及其育种意义 （一）多倍体的概念 高等植物的生长发育及一切生理活动都受相应基因的控制，而基因的载体是染色体。一个属内各个物种所必需持有的最低限度数目的一组染色体叫染色体组。一组染色体内的染色体数目称染色体基数（x）。每个种的染色体基数都是恒定的，并且一个染色体组内各个染色体的形态、性质均不相同，它们联合起来构成一个完整而协调的整体。其中任何一条染色体的缺失，都会引起生物生长发育的异常，甚至死亡。植物不同属的染色体基数不同，如稻属x= 12，高粱属x=10，棉属x=13，小麦属x=7等。同一属的染色体基数相同，并且同一属的种或变种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，如小麦属的一粒小麦2x=14，二粒小麦4x=28，普通小麦6x=42等。因此，凡体细胞中具有2个以上染色体组的植物称多倍体（polyploid）。 （二）多倍体的种类 根据染色体来源的异同，多倍体可分为两大类：

1、同源多倍体（autopolyploid） 含有2组以上同一染色体组的个体。多由二倍体直接加倍而来。如四倍体黑麦2n=4x=28（RRRR）。同源多倍体的特征： （1）多数是多年生且无性繁殖。 作物育种学Ⅱ：第十五章 倍性育种 15—2 （2）基因型种类比二倍体多。 （3）育性差，结实率低。 （4）达到遗传平衡的时间长。 （5）器官的巨型性。 2、异源多倍体（allopolyploid） 由2个或2个以上不同染色体组所形成的多倍体，多由远缘杂交后的F1加倍得到的，又称双二倍体（amphidiploid）。异源多倍体的特点是：在减数分裂时不会出现多价体，染色体配对正常，自交亲和性强，结实率较高。 物种A（AA） 加倍 AAAA（同源多倍体）

× F1（AB1）加倍 AAB1B1(异源多倍体) 加倍 AAAAB1B1B1B1

（同源异源多倍体）

AB1B2（倍半二倍体）

物种B1（B1B1） 加倍 B1B1B1B1（同源多倍体）

各种多倍体的关系示意图 （三）植物界天然多倍体的由来与进化 植物染色体多倍化现象不仅促进了植物科、属内的分化，新物种的形成，而且对人类生产的发展、物质生活的改善，都具有重要的作用。多倍体的产生大致经历了两个阶段：一是两性细胞的结合，如低等的单细胞生物初期是细胞分裂的无性繁殖 细胞两两结合 二倍体细胞（短）减数分裂 单倍性细胞。后来，逐渐进化到孢子体世代很长，而配子体世代很短，即现在的孢子体世代与配子世代交替的现象；二是细胞分裂时染色体不分离而引起的，主要有体细胞有丝分裂和减数分裂两个途径形成。 （四）多倍体的育种意义 1、通过染色体数目加倍，产生同源多倍体。可以获得高产，如巨型器官。 2、通过不育杂种的染色体加倍，克服远缘杂交的困难。 3、诱导多倍体作为不同倍性间或种间的遗传桥梁（genetic bridge）。主要作为进行基因转移或渐渗的手段。 二、多倍体在育种上的应用 作物育种学Ⅱ：第十五章 倍性育种 15—3 为了利用染色体加倍的剂量效应，增大作物的营养器官或果实；或通过异源多倍体以克服远缘杂种的不育性等困难，合成新品种或新物种；或为了促进不同植物分类单位间遗传物质的渗透起媒介作用。所国内外在育种上十分重视多倍体的诱导和选育。 （一）诱导多倍体材料的选择 育种实践证明，一些植物或品种容易诱发多倍体，而有些植物则不易诱导多倍体。育种工作者在诱导多倍体材料的选择上已摸索出一些规律： 1、综合性状好且染色体数目少 倍性高加倍不容易，而综合性状好是育种的原则。 2、天然多倍体物种比重高的科、族植物 人工诱导多倍体类似于天然多倍体的形成。 3、杂合程度高的材料 遗传丰富，且可塑性强。 4、以收获营养器官为目的植物 虽然结实率低、籽粒不饱满，但可获得营养器官的巨型性。 5、远缘杂种后代或生育期短的植物 远缘杂种人工加倍后形成双二倍体，而生育期短则繁殖的速度快，筛选的机会大。 （二）多倍体的获得途径与方法 人工诱导多倍体，必须利用外界条件促进的染色体加倍。常用的外界条件有物理的和化学的两大类： 1、利用物理因素诱导多倍体 常用的物理因素有温度骤变、机械创伤、辐射（电离辐射和非电离辐射）、离心力等。注意辐射容易造成染色体的损伤、断裂、丢失等，成功率较低。 2、利用化学因素诱导多倍体 常用的化学药剂有秋水仙碱、吲哚乙酸、氧化亚氮（N2O）等。如秋水仙碱的作用就在于能使正在分裂盛期的细胞不能形成纺锤丝，所以染色体不能向两极移动，造成染色体的加倍。常用的处理方法： （1）溶液浸渍法。如种子、枝条、幼苗顶端生长点等。 （2）滴液法。如顶芽、腋芽等（划伤）处理。 （3）注射法。如禾本科谷类作物的幼株分蘖的生长点。 （三）诱变材料的倍性鉴定 在诱发多倍体的过程中，由于所处理的材料中各细胞处于有丝分裂或减数分裂的不同时期，所以不同细胞染色体加倍的结果不完全相同。如处于分裂中作物育种学Ⅱ：第十五章 倍性育种 15—4 期的染色体全部被加倍，而处于分裂末期的细胞染色体不能加倍。因此，诱变处理的材料可能是“嵌合体”，必须对其后代进行染色体鉴定。常用的方法有： 1、间接鉴定：如育性、植株的形态特征或生理特性进行鉴别，一般检测花粉和气孔保卫细胞的大小。 2、直接鉴定：对加倍后代的花粉母细胞或根尖细胞进行染色体数目的鉴定。 第二节 单倍体及其在育种上的应用

细胞遗传学上，把二倍体植物产生的只含有一组染色体的单倍体叫一倍体，如玉米、 水稻的单倍体。把多倍体植物产生的含有一组以上染色体的单倍体叫多单倍体，如普通小麦、陆地棉的单倍体。 作物育种上的单倍体是一个统称，指的是具有配子染色体数目的细胞和植物体。通过人工诱导单倍体植株并使其成为纯合二倍体，并从中选出优良单株而育成新品种的方法叫单倍体育种法。 一、单倍体的类型 根据染色体的平衡与否，把单倍体分为两大类： （一）整倍单倍体（euhaploid） 染色体是平衡的。

一元单倍体：由二倍体物种产生的。

（monohaploid） 整倍 同源多倍单倍体 单倍体 （autohaploid）

多元单倍体：由多倍体物种产生 （polyhaploid） 异源多倍单体 （allopolyhaploid）

（二）非整倍单倍体（aneuhaploid） 染色体数目非精确减半，额外增加或减少。

二体单倍体（n+1）：额外的、自身的染色体

非整倍单倍体 附加单倍体（n+1）：额外的、非本身染色体

缺体单倍体（n-1）：缺少自身的一条染色体

二、单倍体产生的途径 植物在自然生长过程中，通过孤雌生殖、孤雄生殖或无配子融合生殖等方式产生单倍体，但在自然条件下，选出单倍体的机率很低。育种上必须人工诱导单倍体。 作物育种学Ⅱ：第十五章 倍性育种 15—5 （一）利用单性生殖获得单倍体 1．利用品种间杂交中诱导单倍体 通常用带显性标志性状的父本花粉进行授粉，凡胚乳表现出显性性状，而胚或幼苗不显现标志性状，且其叶片、气孔小，镜检时单倍染色体时，即为单倍体。 2．远缘杂交 属间、种间远缘杂交时，远缘花粉不与卵细胞结合，但可以刺激卵细胞分裂发育成单倍体的胚。如山东烟草所选育的“烟育一号”烟草品种。 3．利用理化因素诱导 辐射和化学药剂处理而诱导单性生殖。 4．利用半配生殖（semigamy） 精核进入卵细胞后，雌、雄核不结合而是各自独立分裂发育成的杂合胚。 5．从双生苗中选择 6．延迟授粉 延迟授粉后，卵细胞通过孤雌生殖发育成单倍体的胚。 7．利用单倍体基因及核质互作 某些植物中存在着诱发单倍体的基因，能促进单倍体形成和生存的效应。另外，有些植物存在高频无融合基因。 （二）染色体有选择的消失 该方法主要在小麦上应用较多，这种染色体有选择的消失，是受核基因控制的。例如，球茎大麦第二染色体的两臂和第三染色体的短臂上存在这样的基因。 （三）离体培养（culture in vitro） 从1964年开始通过离体培养获单倍体成功以来，取得很大进展。 1、花药（粉）培养。主要有两条途径。

去分化和胚胎发生 胚状体（单倍体胚）

花药（粉）培养

愈伤组织 再生植株（单倍体植株） 2、未授粉子房及胚珠培养。类似于花药（粉）培养，适用于用花药（粉）难以培养的植物。 三、单倍体的鉴定与加倍 通过各种途径诱导的单倍体后代多是一个“混倍体”，例如利用花药诱导的单倍体后代中，有二倍体花药壁发育成的二倍体，还有小豹子核融合产生的多倍体。另外，还可能有非整倍体。 （一）间接鉴定 主要是形态上的鉴定，如单倍体植株矮小，叶片、穗子、花朵、花药及气孔等均较小。