有关单倍体育种的研究前景

关于单倍体育种的研究前景 姓名：韦启 学院：材料与化工 专业：生物工程(1)班

摘要：单倍体育种是现代作物育种中的重要的育种方法之一,利用花药培养等方法诱导产生单倍体,并使其单一的染色体各自加倍成对,成为有活力、能正常结实的纯合体,从而选育出作物新品种的方法。单倍体育种具有快速获得纯合正常植株的优点，如今已成为育种的一条新途径。目前全世界已经有40多种植物（如：小麦、水稻、玉米等）获得了单倍体植株，在育种领域中，地位不可动摇。尽管还有无数的难题有待突破，但是单倍体育种的研究前景是十分可观的！ 关键词：单倍体育种 单倍体植株 单倍体 花药培养 诱导 纯合体 新品种 快速 突破

第一章：单倍体育种的过程及特点 【1-1】单倍体育种的定义 单倍体育种是现代作物育种中的重要的育种方法之一,利用花药培养等方法诱导产生单倍体,并使其单一的染色体各自加倍成对,成为有活力、能正常结实的纯合体,从而选育出作物新品种的方法。

【1-2】单倍体的定义及其产生 单倍体是具有配子体染色体组成、只含体细胞染色体数的一半 ()的植物体。有的植物如普通小麦的体细胞染色体数为42,是由6个每组染色体基数为 7的染色体组(6)组成的。 自1921年A.D.伯格纳在曼陀罗(Da-tura stramonium)中发现单倍体植株以来，已发现一系列自发产生的单倍体，并有许多人工诱导单倍体植株的方法问世。单倍体的产生，大体有以下两方面的途径： 一、体内发生 即从胚囊内产生单倍体。这包括：①自发产生。与多胚现象常有联系，如和的双胚苗中经常出现单倍体，可能是由温度骤变或异种、异属花粉的刺激引起。②假受精。即雌配子或雌性细胞经花粉或雄核刺激后未受精而产生的单倍体植株。如品种间杂交，、苜蓿、和的种间杂交等都有此现象。③半受精。雌雄配子都参加胚胎发生，但不发生核融合，因而产生具父母本来源的嵌合植株，这曾在棉花中发现过。④雄核发育或孤雄生殖。卵细胞不受精，卵核消失，或卵细胞受精前失活，由精核在卵细胞内单独发育成单倍体，因此只含有一套雄配子染色体。这类单倍体的发生频率很低。⑤雌核发育或孤雌生殖。精核进入卵细胞后未与卵核融合而退化，卵核未经受精而单独发育成单倍体。远缘杂交中有时会出现此种现象。 二、离体诱导 植物细胞具有潜在的再生性和全能性,能发育为完整植株，故应用组织培养技术对特定组织进行离体培养，可诱导产生单倍体。方法是将一定发育阶段的花药、子房或幼胚,通过无菌操作接种在培养基上,使单倍体细胞分裂形成胚状体或愈伤组织，然后由胚状体发育成小苗或诱导愈伤组织发育为植株。 此外对大麦、小麦还可利用染色体消失法。即将球茎大麦（Hordeum bulbosum）花粉授予普通大麦或小麦，授粉两周后将幼胚置于培养基上进行离体培养。在胚胎发育的早期，球茎大麦的染色体消失，从而获得大麦或小麦单倍体植株。

【1-3】单倍体育种的特点 单倍体植株经染色体加倍后,在一个世代中即可出现纯合的二倍体，从中选出的优良纯 合系后代不分离,表现整齐一致,可缩短育种年限。 单倍体植株中由隐性基因控制的性状,虽经染色体加倍,但由于没有显性基因的掩盖而容易显现。 单倍体培养在作物品种选育上，可加快纯合速度，提高选择效率。用传统办法选育常规品种，一般要经过5-7代的自交，方可育出稳定的品种；选育杂交品种,要先育出大量的自交系,自交系的选育也要有6代以上的自交，费工费时。而培育出单倍体植物后，通过化学药剂处理可以很容易地使染色体加倍，加倍之后即成了纯合的二倍体，育种时间就可大大缩短；此外依靠传统方法不论是选育定型品种还是选育自交系，均存在植株表现型和基因型不一致的问题，选择效率很低；用单倍体培养育种，植株的基因型和表现型完全一致，通过表现型即可判断出是什么基因型，大大降低了误选的频率。

第二章：单倍体育种在各领域中的应用 【2-1】玉米单倍体技术 主要玉米单倍体技术主要有，自然发生的单倍体、孤雌生殖、花粉、花药培养、传粉玉米子房诱导单倍体、远缘杂交单亲染色体消失、辐射诱导以及利用高频诱导单倍体材料等技术和途径。在获得玉米单倍体以后，需要进行单倍体鉴定确认，主要的方法有：形态解剖学方法、细胞遗传学方法、射线照射法、生理生化法以及分子标记法等，其中，以分子标记方法较为准确。 获得的单倍体是无法直接进行育种利用的，必须进行染色体加倍，使之成为能够利用的二倍体纯系。加倍的途径有两个，一是自然加倍，在一般情况下单倍体植株表现为雌雄不调，正常花粉粒很少，所以单倍体自然加倍的频率仅占全部单倍体植株的10％。仅仅依靠单倍体的自然加倍难以满足育种实践的要求，必需对其进行人工加倍。人工加倍目前主要是利用秋水仙素处理，处理单倍体的根尖或茎尖生长点，能够获得较好的加倍效果。 2 玉米单倍体育种存在困难及发展趋势 虽然早在1929年，Randolph和Stadler就首次报道了玉米单倍体，产生了在玉米育种中利用单倍体技术的思想，但由于有两个限制因素：一是难以获得足够数量的单倍体育种材料；二是单倍体二倍体化时的困难，导致实践的过程是漫长的，单倍体技术至今尚未得到广泛应用。在玉米育种中有效的应用单倍体技术，要具备几个先决条件：如何简便且大规模地获得单倍体植株；如何简便且有效地重组二倍体；如何简便且快速地鉴别纯系。 单倍体技术在玉米育种上应用具有如下优点：快速获得纯系；在单倍体中能简化基因互作，去掉超显性效应，保留有利的加性和加性上位效应；还可淘汰有害的、致死和半致死的隐性基因。但是，单倍体育种技术也存在缺点：不能有效打破不良基因的连锁；基因间的重组几率较低；单倍体的诱导频率不高。此外，重组二倍体时染色体加倍具有一定的困难。目前，二倍体化的频率能达到15％－25％。随着对单倍体现象的深入研究和科技进步，这些限制因素被最大限度地克服了，形成了一种新的育种思路——分解育种(梁文科，2004)。分解育种包括3个阶段：获得单倍体；在单倍体水平上进行选育；多倍体的重新合成。而单倍体的获得是分解育种的基础，利用单倍体技术获得纯系是分解育种的重要研究方向之一。对玉米而言，分解育种方案简化为两个阶段：即获得单倍体和单倍体的二倍体化。提出利用单倍体技术获取玉米自交系：利用自然发生或人工培育的单倍体植株，经过自然或人工加倍获得双单倍体和纯系。因为从单倍体到纯系只需一个世代，并且单倍体技术的应用是对配子进行选择，获得优良的遗传重组的机会高于合子的选择，并可缩短自交系的选育年限，提高育种效率。

【2-2】茄子花药培养单倍体育种技术 茄子花药培养的研究开始于20世纪70年代，Raina等通过花药培养经愈伤组织获得了茄子单倍体植株；同年，我国的王纪方等通过茄子花药培养也成功获得了纯合体的单倍体植株。1975年，北京市农业科学院蔬菜所单倍体育种组以六叶茄、九叶茄为材料经花药培养同样获得了单倍体植株，并且已有经花药培养而成的品种“龙丹茄一号”在生产中推广应用。 茄子离体培养再生植株的获得主要有两种途径：一种是愈伤组织直接分化不定芽长成植株，另一种是形成愈伤组织，再在其上长出胚状体，由胚状体发育成植株。

【2-3】烟草胚胎培养在单倍体育种上的应用 近些年来，烟草胚胎培养的不断发展和完善，促使国内外有不少人力图探索利用未授粉的子房、胚珠进行离体培养，诱导出单倍体植株的新途径。尽管烟草花药和花粉培养已取得较大的进展，花粉单倍体技术已经应用于常规育种之中，形成了花培育种，但胚胎培养应用于单倍体育种比花培具有独特的价值：（1）雄性不育单倍体的培育。在烟草上有的雄性不育败育非常彻底，根本不产生花丝和花药，这样试图利用早期花粉培养而形成单倍体已是不可能。（2）花粉植株表现明显的倍性变异和性状变异，子房培养后代也许较为稳定。祝仲纯与吴海珊（1979，1980）就从普通烟草、黄花烟草的未授粉子房诱导出单倍体苗，烟草未授粉子房培养成功，说明胚胎培养有希望成为与花药培养并行不悖的技术而在物种改良中发挥作用。

【2-4】单倍体育种在其它方面的重要应用 除了以上列出的各种技术，单倍体育种还有很多重要的应用，如洋葱单倍体技术、甜（辣）椒花药培养技术、鲤鱼雌核单倍体育种技术、甜瓜花药培养技术等。这些技术不一一作介绍，想要了解可以去阅读相关书籍。

第三章：单倍体育种的研究成果及研究前景 【3-1】单倍体育种的研究成果 在我国单倍体育种研究的园地上,经过10多年来许多生物科学、农林科学工作者的辛勤垦植和培育,已经结出了丰硕的果实.有些方面,特别是应用花药培养于育种实践方面,已经达到了相当高的水平。 单倍体育种已成为作物育种的一条新途径。目前全世界已经有40多种植物获得了单倍体植株。我国在水稻、小麦、烟草、柏、橡胶和辣椒等植物的单倍体育种上，处于世界领先地位。在单倍体育种领域，我国科学家做出了突出贡献，早在1974年就成功地培育出世界上第一个作物新品种——单育1号烟草品种。随后又成功地培育出中花8号、11号水稻和京花1号小麦等作物新品种。 单倍体育种的研究已经取得了很多很多令人兴奋的成果。相关的各种技术应用也越来越多，越来越成功。像是玉米单倍体技术，经过不懈的努力，已经在生产中推广，并取得了非常满意的成果。还有其它方面，如茄子花药培养技术、甜（辣）椒花药培养技术研究等等，都取得了不错的成绩。

【3-2】单倍体育种研究的现状 我们在单倍体育种的研究上，确实是取得了很好的成绩。很多一直困扰着我们的难题，最后都被我们逐一攻破，使得研究工作一步步向前迈进。但是，我们的前进速度非常之慢，很多难题依然阻碍着我们前进的步伐。 我们的研究才刚刚开始，还有无数的难题依然令我们的专家束手无策。单倍体植株无法正常结实、单倍体育种在生产中成本高等等问题，依然无法得到很好的解决。