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第八章 远缘杂交育种 通常将植物分类学上属于不同种 (species)属 (genus)或亲缘关系更远的植物类型间所进行的杂交，称为远缘杂交 (wide cross或distant hybridization)。所产生的杂种称远缘杂种。远缘杂交又可区分为：种间杂交 属间杂交亚远缘杂交 （ sub-wide cross ） 远缘杂交是物种形成的重要途径，是生物进化的重要因素之一，远缘杂交可打破种（或科、属） 之间的界限，使不同物种间的遗传物质进行交流或结合，将两个或多个物种经过长期进化积累起来的有益特性结合起来，再经过染色体组天然加倍和自然选择，形成生命力更强的新物种。 特 点 . 杂交不亲和，即交配不易成功。例：粳稻品种农垦 58 高粱（四个品种混合 花粉），共做 357 朵花，只得 1 粒 F 1 种子，杂 交成功率 0.28% . 杂种易夭亡： 幼苗发育不良，易中途死亡。 . 杂种结实率低，甚至完全不育：水稻稗草， F 1 结实率 5% 。 . 杂种后代强烈分离： 分离范围广，时间长，中间类型不易稳定。 第一节 远缘杂交育种的重要性 培育新品种和种质系 创造新作物类型 创造异染色体系 诱导单倍体 利用杂种优势 研究生物的进化 培育新品种和种质系 培育高产、优质、早熟和高度抗逆性的突破性品种。 例：普通小麦长穗偃麦草 小偃4号、5号、6号 二. 创造新作物类型 根据新合成的物种是否完全含有双亲的染色体组，可将远缘杂交创造的新物种分为二类： 完全双二倍体新物种： 由 2 个亲本，两套来源和性质不同的染色体组结合形成杂种。如小黑麦。 不完全双二倍体新物种：由双亲的一部分染色体组结合而成，如八倍体小偃麦。 三. 创造异染色体系 异附加系： 在一个物种正常染色体组的基础上添加另一物种的一对染色体 而形成的新类型。选育的基本方法是：杂交、回交、分离、 选择，并辅以细胞学鉴定。 如小偃麦，西北植物所选出了 “ 小偃 759 ” 系 在普通小麦染色体组基础上附加了一对长穗偃 麦草的染色体，其外部形态，除旗叶扭曲外， 与普通小麦无明显差异。但有一个突出特点： 利用它与普通小麦杂交的 F1 植株进行花粉培养很容易成功，不仅形成的愈伤组织多，分化为绿苗的单倍体植株的比例也大。中科院遗传所 利用它与其他小麦杂交，通过花培育成了 “ 花培 1 号 ” 小麦品种。 b. 异代换系和易位系： 异代换系是某物种的一对或几对染色体被另一物种的一对或几对染色体所代换形成的新系统。 易位系是某物种的一段染色体被另一物种的一段染色体所代换后形成的新系统。 国内外的研究表明，在黑麦、中间偃麦草、长穗偃麦草和几种山羊草中的有些染色体，可自发地代换小麦中的某些染色体。如黑麦中的 1R 与小麦中的 1B ，长穗偃麦草，中间偃麦草和山羊草中的某携带抗叶锈和秆锈基因的染色体，容易代换普通小麦 6A 、 6D 、 3D 和 7D 染色体，从而得到抗叶锈和秆锈的普通小麦异代换系。 四. 诱导单倍体小麦与玉米杂交诱导小麦单倍体。小麦玉米产生双单倍体1、杂交获得单倍体胚：小麦去雄，3、4天后两次授粉。第二次授粉后5-6小时，用100mg/L 2, 4-D溶液蘸穗处理，隔一天再进行一次。胚产生频率可达30%。2、胚培养获得单倍体植株：授粉后13-14天剥取籽粒，灭菌取胚，在1/2MS培养基上进行胚培养。植株产生率一般70%-80%。3、染色体加倍获得双单倍体：加倍率可达60%-70%。五. 利用杂种优势 S(RR) F (rr) 连续回交，核置换 S(rr) 六. 研究生物的进化 通过远缘杂交结合细胞遗传学研究，可重现物种在进化过程中的一系列中间类型，有助于阐明物种形成与演变的规律。第二节 远缘杂交的困难及其克服方法 杂交不亲和性及其克服方法 杂种夭亡、不育及其克服方法 杂种后代的分离 杂交不亲和性及其克服方法（一）远缘杂交不亲和性的表现1. 花粉不能在异种植物柱头上发芽； 2. 花粉发芽后花粉管不能进入柱头； 3. 花粉管进入柱头后生长缓慢甚至破裂，不能进入子房； 4. 花粉管生长正常但不能进入子房； 5. 花粉管进入子房但雌雄配子不能结合； 6. 配子受精不完全，如精子只和卵子结合而未与极核结合等。 （二）远缘杂交不亲和性的原因 1. 花期不遇与花器构造的隔离： 有些植物花器构造特殊，花柱特别长，即使其他种的花粉在柱头上能发芽生长也无法到达胚囊。 2. 生理差异的隔离： 细胞渗透压、酶的组成，激素以及酸碱度的微小差异都可阻止外来花粉的发芽。 3. 遗传上的差异：染色体数目，结构及基因组成的差异都可以导致不易交配。三、克服远缘杂交不亲和性的方法 1. 亲本的选择与组配： 大量事实证明，同一物种内不同变种或品种间在遗传、生理及形态、细胞的结构上常有很大差异； 用两个物种内不同变种或品种广泛测交，选 找适当的亲本，以克服远缘杂交不易交配性。例：小麦与长穗偃麦草的杂交试验中结实率差异大，高的达 76.39% ，低的仅 0.35% 。 注意正反交差异，确定合适的母本也很重要。例：小麦黑麦 结实率 60% ，黑麦小麦 结实率 2.5% a. 花粉渗透压小的做母本； b. 栽培种做母本； c. 染色体数多的做母本。 2. 媒介法（桥梁法）和预先无性接近法 媒介法 ：当远缘亲本直接杂交不易成功时，可寻找能分别与双亲杂交的第三种作物做媒介，使杂交或得成功；例：有一农艺性状好的小麦与黑麦交配不易成功，可将该品种中国春的 F 1 或 F 2 选株黑麦 。 预先无性接近法：将不易杂交的一个亲本的营养体嫁接到另一物种的植株上，使它们彼此的生理状况得到接近，然后再进行远缘杂 交，易于得到种子，前苏联在果树及瓜类中应用曾得到良好结果。 3. 采取特殊的授粉方式： 混合授粉： a. 父本不亲和性花粉中掺入少量母本亲和性花粉，可解除母本柱头上分泌的阻碍异种花粉发芽的特殊物质；例：苹果梨，梨花粉中加少量苹果花粉。b. 不亲和性花粉与亲和性花粉混合授粉，利用亲和性死花粉的蛋白质，使柱头识别上发生误差， “ 蒙骗 ” 过关。 重复授粉：由于母本柱头的成熟程度和生理状况在不同时间内有所不同，故在不同时间内重复授粉就可能遇到柱头最适宜的授粉时期。 提前或延迟授粉：母本柱头上分泌的识别物质，在柱头未成熟和过度成熟时可能都处于最低状态，此时授粉有可能提高远缘杂交的可交配性。 4. 染色特预先加倍： 在远缘杂交前将亲本的染色体加倍，能促进杂交成功。 例：将黑麦染色体加倍与卵穗山羊草杂交，获得成功。 5. 理化因素处理 温度、紫外线、电离辐射、植物激素等，通过理化作用提高杂交亲和性。 例：用 x 射线、紫外线照射母本去雄穗或父本穗子后再进行授粉，可使小麦与燕麦杂交成功。花粉和花柱中除了酶外，还有生理活性物质（生长素等），影响受精过程。 6. 柱头手术，子房受精与试管受精 柱头手术： 将母本柱头剪短，使花粉经历较短的行程到达胚囊，也可以将父本已经授粉，花粉刚发芽的柱头割取上端部分移植到母本柱头 上。 子房受精： 切除花柱，将花粉直接散在子房顶端。试管受精 ：先将未受精的胚珠从子房中剥出，在试管内进行离体人工培养。 7. 细胞融合 近年来高等植物体细胞杂交获得很大进展，在有性远缘杂交不能进行时，可采用体细胞杂交获得种属间杂中，目前已在烟草等植物上获得成功。 二. 杂种夭亡、不育及其克服方法（一）杂种夭亡、不育的表现1 ）表 现 杂种夭亡： 指在受精成功后，杂种幼胚、种子、幼苗在发育成成株以前死亡。 具体表现： 1. 受精后幼胚不发育或在种子形成过程中停止发育； 2. 幼胚不完整或畸形； 3. 幼胚完整，但没有胚乳或极少胚乳； 4. 胚与胚乳均正常，但二者之间形成糊粉层类型的细胞房，妨碍了营养物质从胚乳进入胚； 5. 由于胚、胚乳和子房组织间缺乏协调性，虽能形成皱缩的种子，但不能发芽或发芽后死亡； 6. F1 植株在不同发育时期停止生长； 7. 由于生长发育失调，营养体虽然繁茂发达，但不能形成结实器官或结实器官不正常。 8. 无雌雄蕊，有的花粉囊壁较厚，不开裂散粉或 不能产生有活力的雌雄配子，最后杂种在不利于生长环境条件下自然消亡。（二）杂种夭亡、不育的原因1. 质核互作不平衡 从生化角度看，生物个体生长发育所需的物质大部分是靠核基因控制，在细胞质中合成的，质核不协调，必然会影响所需物质的合成，从而影响到生长发育，并有可能造成不育。 2. 染色体不平衡 指一种物种的染色体组，染色体数目、结 构、性质与另一物种不平衡，可造成生理 上不协调，影响生长发育及减数分裂中不配对造成杂种不育。 3. 基因不平衡 指物种间基因的差异。从分子遗传学的角度看，不同的物种 DNA 分子的大小，核苷酸序列和结构上很不相同， 因此就整个分子来说，大多数很难亲和，尤其是 DNA 携带的遗传信息所调控的功能差异很大，彼此很难协调地共处于一个细胞中。这种情况下，异缘 DNA 进入后被细胞中的各种内切酶所裂解或排斥，造成遗传功能紊乱， 不能合成适当的物质并形成正常有功能的配子。 （三）杂种夭亡、不育的克服方法 1. 利用化学药剂处理杂种合子，促进幼胚发育 有些远缘杂交受精后幼胚很快死亡，而受精后用某些化学药剂处理则有利于杂种幼胚的发育。 例：提莫菲维小麦黑麦，授粉 8 小时后每天用 EACA 处理一次，处理四天，诱导有胚和胚乳的种子从 11.4% （ ck ）增加到 18% 。 2. 杂种胚的离体培养 获得远缘杂种的一大障碍是杂种胚发育不良。 在受精后若干天或种子成熟后将胚取出，植于培养基中培养，直至长出根和叶，能够自养时再移入土壤。 为了改进幼胚离体培养，提高杂种成活率，也有人采用活体 离体幼胚培养技术，如 Kruse 曾在无菌条件下取出大麦幼胚，将胚乳置于培养基表面，并迅速剥取大麦黑麦杂种幼胚，按天然位置接种到大麦胚乳上，结果有 3040% 的胚发芽并长成植株，而传统的离体胚培养方法成活率仅 1% 。 3. 杂种染色体加倍 凡两个远缘亲本具有不同染色体组以及不同染色体数时，常常因为染色体不能配对而导致杂种不育，这种情况下，采用染色体加倍，可有效地获得双二倍体杂种，可恢复育性。 4. 利用回交法 杂种表现雄性配子败育，而雌性配子中常有少数比较正常，这种情况采用亲本之一的正常雄配子，对杂种的雌配子授粉 ，即可得到少量回交杂种种子，该方法简易有效。 当杂种的染色体数目过多时，染色体加倍不易成功，也可用回交法。如普通小麦（ 2n=42 ）长穗偃麦草（ 2n=56 ）， 如果再使其染色体数目增加一倍就是 112 条，实践证明这是不易成功的，但是用回交法很容易得到杂种后代。 5. 延长杂种生育期 当采用以上几种方法处理后仍得不到杂种后代时，可以设法将杂种保留下来，因为有些杂种可通过自动调节或人工特别培养而逐渐恢复生殖机能。 6. 其他方法 （1）嫁接： 将杂种 F1 嫁接到母本植株上。 （2）特殊基因的利用 ：在小麦中可以利用 5B 缺体 诱导染色体配对，进而提高杂种的育性。当 5B 存在时，部分同源染色体不发生配对；当不存 在时，可诱导配对。配对频率的提高有可能提高杂种的育性。水稻中，发现一组广亲和性基因，与亚种间杂种的育性有关，当广亲和性基因存在时，可提高籼粳交杂种的育性。 （3）广泛测交：选配适当亲本不仅是克服远缘杂交不可交配性的有效措施，同时也是克服远缘杂种夭亡和不育的有效措施。黑龙江农科院作物所试验，当进行普通小麦与中间偃麦草杂交时，因小麦亲本的不同而杂种种子的发芽率，苗期夭亡以及最后成活百分率差异很大，植株成活率最低为 34% ，最高达 30% 以上。 三. 杂种后代的分离（一）远缘杂种后代性状分离的特点1. 分离无规律性 某些质量性状在种内杂交时，其 F 2 符合一定的分离比例，上下代性状的遗传有一定规律可循，但种间杂种后代性状的分离常常看不到这种规律性，因为种间染色体不一定存在同源关系，故不会出现规律性的分离比例。 2. 分离类型丰富变异大 分离类型丰富、性状变异幅度大，在后代的类型非常丰富，有超亲类型。 3. 分离世代长稳定慢 有的在 F 2 出现剧烈分离，有的到 F 3 、 F 4 才出现剧烈分离，常延续到 78 代，甚至到十几代仍不稳定。 4. 有向两亲分化的现象 即远缘杂种的中间类型不易稳定，常在后代中消失，后代生长健壮的个体常是与亲本性状相似的个体，即随着世代的演进，出现回复亲本的趋势。 （二）远缘杂种后代分离的控制1. F 1 染色体加倍 用秋水仙素等药剂处理，使杂种染色体数加倍。形成二倍体不仅能使杂种可育，也能加速后代的稳定。 2. 回交 3. 诱导远缘杂种产生单倍体 远缘杂种的花粉大多不育，也有少数具不同程度的生活力。 F 1 花粉（离体培养）单倍体植株（染色体加倍）纯合二倍体 这一方法可克服性状分离，迅速获得稳定的新类型。 4. 诱导染色体易位 利用染色体节段转移产生易位系 ，可把仅仅带有目标基因的染色体节段转移给栽培品种。 （三）远缘杂种育种技术1. 早代种植较大的群体 杂种早代需种植较大的群体，并采用适宜的育种方法。远缘杂种 F 2 及以后世代普遍出现不同程度的不育性，生长不良的植株较多，还有一些畸形植株，有的中途夭亡，有的发芽率低，出苗率低，所以 F 2 F 3 所 要求的分离群体要比品种间杂交组合大得多