园林植物育种学-有性杂交育种

18第五章有性杂交育种本章教学目的和要求1.理解杂交育种的理论基础。3.掌握杂交育种的基本操作技术。2.掌握杂交亲本的选择、选配以及杂交后代选育的要求。本章教学重点和难点重点：杂交育种的理论基础与操作技术；远缘杂交的障碍及其克服办法。难点：杂交亲本的选择与选配；杂交后代的选育。教学内容：第一节杂交育种的概念、类型和意义一、杂交育种的概念与类型杂交(Cross):基因型不同的种或品种进行交配，产生杂种的过程。有性杂交育种(Sexualcrossbreeding):通过有性杂交途径获得新品种的方法，即用不同基因型进行杂交，经过基因的分离、重组，创造异质的后代群体，从中选择优良个体，并进一步育成新品种。根据杂交亲本双方亲缘关系的远近，有性杂交可分为近缘杂交和远缘杂交。)近缘杂交(intraspecificcrossing):指亲缘关系较近，分类上属于同一种的不同变种或品种间的杂交。种内杂交)远缘杂交(interspecificcrossing):指亲缘关系较远的植物间的杂交，一般是不同种、属或是亲缘关系更远的物种间的杂交。种间杂交，如杏x梅花e杏梅。依据育种程序和育成品种的类型和特点，杂交育种可分为常规杂交育种、优势杂交育种和营养系杂交育种。1）常规杂交育种（conventionalcrossbreeding）：又称组合育种，指通过人工杂交，把分散于不同亲本上的优良性状组合到杂种，并对其后代进行培育选择，获得基因型纯合或接近纯合的新品种的育种途径。多为近缘杂交，选育新品种的时间短。2）优势杂交育种（heterosisbreeding）：简称优势育种，指利用植物的杂种优势，选用适合的杂交亲本，通过特定的育种程序和制种技术培育超亲品种的育种方法。3）营养系杂交育种（clonalcrossbreeding）:通过有性杂交综合亲本的优良性状，用无性繁殖保持品种的同型杂合。二、杂交育种的意义.杂交育种是重要的传统育种方式。杂交后基因重组，产生各种变异类型，为选择提供丰富的材料。基因重组综合双亲的优良性状，从而可以选育优良性状比亲本更多的品种。杂交可改善基因间的互作，产生新的性状。杂交育种比选择育种更具创造性和预见性。.杂交育种是创造新品种、新类型的重要手段。杂交育种方法简便，效果好，投资少，适合于绝大部分园林植物。杂交育种成就辉煌，如现代月季的育种，菊花、唐菖蒲、香石竹、百合的育种等。杂交新品种可以产生巨大的经济效益，如钻天杨x青杨e北京杨（克服钻天杨幼苗抗寒差、雨季多病、材质差，青杨生长慢、不耐旱、干材不高、旱季多病）。三、杂交育种的原理杂交育种包括杂交、选择和自交三个过程。.杂交的遗传效应①基因重组：综合双亲的优良基因（性状），或利用基因间的互作产生新的性状。②打破遗传连锁：打破不利基因的连锁，淘汰不利性状。.选择的遗传效应：改变杂交群体及其后代的基因频率，筛选与目标性状相关的基因，实现优良性状的定向选择。.自交的遗传效应：促使基因纯合，使目的基因从群体中分离出来。第二节杂交方式杂交按其参加亲本的数目和方式不同，可分为单交、三交、四交、双交、回交、多父本授粉、聚合杂交等方式。一、两亲杂交：参加杂交的亲本只有两个.单交(Singlecross)：又称成对杂交，以AxB或A/B表示。有正交、反交之分：若AxB为正交，则BxA为反交。方法简便、变异较易控制；杂交群体和后代群体规模小，选择相对较易.回交(backcross)：杂种一代及其以后世代与亲本之一再进行杂交。轮回亲本(recurrentparent):参加回交的亲本(受体)非轮回亲本(non-recurrentparent):只参加一次杂交的亲本(供体)如AxBeF1xBeBC1或BC1F1(回交一代)xBeBC2或BC2F1(回交二代)xBeBC3或BC3F1BC1F2BC2F2回交的优点：1)增加杂种后代轮回亲本性状个体的比率：[1-(1/2)r]nr—回交代数n一杂合基因对数2)容易将亲本的某一优点转移到杂种中。回交的应用：在优良品种中输入抗性基因：栽培的优良品种作轮回亲本转育雄性不育系和自交不亲和系：待转育品种作轮回亲本改善育种材料的性状：表现好的品种作轮回亲本克服远缘杂交的不稔性二、多亲杂交（multiplecross）：又称复交或复合杂交，参加杂交的亲本为两个以上。.添加杂交：多个亲本逐个参与杂交。1）三交：（AxB）xC最后得到的杂种中A、B的遗传成分各占1/4，C占1/2。2）四交：（（AxB）xC）xD杂种中A、B的遗传成分占1/8，C占1/4，D占1/2。如（（英国野生菊x栽培雏菊）x德国雏菊）乂日本雏菊e大花、纯白、高度重瓣的沙斯塔雏菊。.合成杂交（双交）：参加杂交的亲本先两两杂交配成单交种，再将两个单交杂种杂交。即（AxB）x（CxD），杂种中A、B、C、D四个亲本的遗传成分各占1/4。优点：将分散于多数亲本上的优良性状综合于杂种中，丰富了杂种的遗传基础，增加了变异类型，可选育出适应性强、综合性状优良的品种。.多父本混合授粉（自由授粉）Ax（B+C+D）e杂交后代优点：操作简便易行，后代分离丰富，利于选择。缺点：无法控制花粉来源，容易出现某些退化性状。.聚合杂交：一种比较复杂的复合杂交目的：将多个亲本的优良基因集中到杂交组合中。第三节杂交亲本的选择与选配一、亲本的选择亲本选择是指根据育种目标从原始材料中选择优良的品种类型作为杂交的父母本。.亲本选择的意义亲本的基因型及性状表现是杂种后代性状形成的物质基础。杂交亲本的选择直接影响育种效果，是杂交育种获得成功的重要保证。.亲本选择的原则1）从大量种质资源中精选亲本2）尽量选用优良性状多的种质材料3）明确目标性状，突出重点，分清主次4）选用优良性状遗传力强、一般配合力高的材料5）重视选用地方品种6）优先考虑数量性状7）优先考虑具稀有珍贵性状的材料二、亲本的选配.亲本选配的概念指从入选的亲本中选择适合的品种类型配组杂交，即采用哪些亲本配组杂交。.亲本选配的原则）父母本性状互补即亲本一方的优点能在很大程度上克服另一方的缺点；可以有共同的优点，但要避免共同的缺点。如上海植物园在培育早菊（国庆）品种时，以普通秋菊（花大、色彩丰富，花期晚）x五九菊（花小，花色单调，花期早），获得了较好的效果。）选用地理上较远、不同生态型的亲本配组如Platanusoccidentals（美国东部）xP.orientalis（地中海西部）eP.acerifolia3）选用经济性状优良、遗传差异大的亲本配组如南京林学院进行杉木杂交，以贵州锦屏灰杉与当地杉木的杂交组合，后代生长势最好（二年生苗比自由授粉苗高27%）；中国月季与欧洲蔷薇杂交，育成现代杂交香水月季等。4）选用配合力高的材料配组5）以具有较多优良性状的亲本为母本6）考察亲本繁殖器官的能育性和结实性以结实性强的材料作母本，花粉量大的材料作父本。7）注意开花期的不同以开花早的材料作父本，开花晚的材料作母本。8）注意亲本性状的遗传规律.回交育种的亲本选配要求1）轮回亲本的综合性状优良，第一代作母本2）非轮回亲本的目标性状突出3）非轮回亲本的目标性状不能与不良性状紧密连锁4）目标性状为隐性时，每回交一代后需自交一代5）必要时可进行改良回交（选用同类型的其它品种作轮回亲本，防止多代近交导致生活力衰退）4.多亲杂交的亲本选配要求1）优良性状多的亲本、遗传力低的亲本或具主要目标性状的亲本后参加杂交2）具有显性性状的亲本先参加杂交3）隐性目标性状在杂合状态下不能依据表型选择，需自交或互交第四节有性杂交技术一、杂交前的准备工作.熟悉亲本的花器构造和开花习性两性花、单性花；雌雄蕊是否同时成熟；单性花（同株、异株）；自花或异花授粉；传粉媒体（虫、鸟、风）确定花粉采集时期、授粉时期.制定杂交计划.准备杂交工具.做好花期调整调节播种期；植株调整；温光处理；栽培管理措施；植物生长调节剂处理切枝贮藏法二、杂交的步骤和技术.杂交母株及花朵的选择选生长健壮、发育良好的植株作母株选营养充足、发育完全的花朵授粉；每枝选留3-5朵.花粉的制备）花粉的采集）花粉的贮藏：花期不遇；亲本相距较远贮藏方法：花粉阴干，分装于小瓶（1/5）,置于干燥器，于2〜3℃、阴凉、黑暗条件下保存。3）花粉生活力的测定1）直接授粉：统计结实情况（需时长，易受气候条件影响）；授粉后，定期切下柱头，观察花粉萌发情况。2）形态鉴定法3）染色法：过氧化氢、联苯胺和a-萘酚；氯化三苯基四氮唑（TTC）KI-I2、中性红等4）花粉发芽试验3.隔离、去雄、授粉）隔离（isolation）：防止外来花粉的污染，父本和母本都需隔离。空间隔离：种子生产器械隔离：网室、硫酸纸袋等）去雄（emasculation）:防止自交雌雄蕊未成熟时进行（一般原则：花蕾变松软，花药呈现淡黄色时进行）去雄后套袋并挂牌，注明去雄日期、品种名称、天气情况等单性花不必去雄，只须套袋隔离（隔离用的袋子一般用硫酸纸）3）授粉（pollination）柱头分泌粘液发亮时进行，可连续授粉2~3次授粉工具多用毛笔或授粉棒，也可用喷雾器喷洒干燥的花粉授粉后应套袋并挂上标牌，注明父母本、授粉日期等，同时加以登记。4.杂交后的管理1）除套袋：柱头枯萎后进行2）加强管理花灌木：摘心、去蘖（提高饱满度）病虫害防治、防止人为破坏种子细小、易飞落种子或幼果易为鸟兽危害的植物，成熟前套纱布袋3）杂交种子的采收和贮藏种子成熟后，及时采集杂交种子（注意放标牌）5.室内切枝杂交适用于种子小、成熟期短的植物，如菊、杨、柳、榆技术程序：枝条的采集与修剪e水培与管理e去雄、隔离、授粉e种子采收第五节杂交后代的培育与选择一、杂交后代（杂种）的培育.精心管理，提高杂种成苗率：保证杂种能正常发育.培育条件应均匀一致.根据育种目标采取相应的培育措施：使目标性状的遗传差异能充分表现二、杂种的选择I.有性繁殖方式杂交后代的选择：.系谱法（pedigreemethod））杂种一代（F1）按杂交组合播种，每组合种植数十株，两边种植亲本。自花授粉植物不作严格选择（淘汰假杂种、劣株），组合内F1不隔离，与父母本、其它材料隔离（以组合为单位混合收种）。多亲杂交F1和异花授粉F1，按自花授粉植物单交种的F2进行选择（单株选择））杂种二代（F2）性状强烈分离的世代；种植株数要多（1000株以上），首先淘汰综合表现较差的组合；单株选择、单独留种多亲杂交F2和异花授粉F2，按自花授粉植物F3的选择标准和内容进行）杂种三代（F3）每个株系种一个小区；每小区种植30-50株，每隔5-10小区设一对照首先淘汰劣系，在当选株系内选优，自交留种入选系统（株系）应多，选优单株可少（6-10株））杂种四代（F4）每单株后代种一个小区；每小区种植30-100株，重复2-3次首先比较系统群（F3同一系统的不同F4系统），在当选系统群内选择优良系统，再从优良系统内选择优良单株稳定系统内可自由授粉）杂种五代（F5）每一系统种一个小区；每小区种植30-100株，3-4次重复表现一致或相近的系统可混合留种；性状不同的系统间仍需隔离优点：基因型稳定速度快；容易追溯亲本来源缺点：手续复杂、费工.混合一单株选择法适合株行距小的自花授粉植物F1开始分组合播种（5000株以上），F4或F5进行单株选择（入选200-500株）F5或F6按株系播种，每小区30-50株，2-3次重复，随机区组设计优点：优良基因型不易丢失；简便易行；自花授粉植物选择效果好；可获得育种目标以外的性状缺点：高代群体大，增加选择工作量；占地较多；无法考证入选系统的历史、亲缘关系；与自然选择方向不一致的性状难以积累.单子传代法（Singleseeddescentmethod）适于自花授粉植物从F2开始保持同样规模的群体（200-400株）单株采种（一株选一粒饱满种子）e不选择eeF4、F5（遗传性状稳定）e单株多收种子，按株系播种e选择e品比、区试优点：群体不大，节约土地、人力；每个F2有同等机会繁殖后代缺点：对多基因控制的性状，优良基因型被分离的机会少；无法考证亲缘关系；不能保证每粒种子均能发芽，可能导致优良基因型的丢失II.无性繁殖方式杂交后代的选择：营养系杂交后代的遗传特点后代性状分离幅度大隐藏有较高频率的隐性致死基因倍性往往比无性繁殖的园林植物高后代群体的经济性状常大幅下降，但也有超亲个体具有母性遗传倾向营养系杂交后代的选择种子阶段选择：种子饱满、色泽正常苗期选择：淘汰假杂种，也可根据相关性状进行选择成熟期选择：选出优良单株营养系阶段选择三、杂交育种的一般程序确定育种目标e收集育种材料e选择与选配亲本e有性杂交e杂交后代的培育与选择e品种比较试验e区域试验e生产试验e推广应用。第六节远缘杂交育种一、远缘杂交的作用与特点1.远缘杂交的作用)创造新的种质，丰富植物的变异类型如：油菜(2n=aa=20)x黑芥(2n=bb=16)e芥菜(2n=aabb=36)；樱桃李(2n=aa=16)x黑刺李(2n=bbcc=32)e欧洲李(2n=aabbcc=48)；杏(Armeniacavulgaris)x李(Prunussalicina)e李杏新品种(象李那么多产，如杏那样美味)；古氏杜鹃x云锦杜鹃e罗德杜鹃(1907年)。单一物种起源的花卉(香豌豆、翠菊、旱金莲、牵牛花等)，花色单调；多个野生种杂交起源的花卉(唐菖蒲、香石竹、蔷薇类等)，花色丰富。2)利用异属、种的特殊有利性状利用野生类型的高度抗病性、对环境胁迫的适应能力等。如：栽培种马铃薯乂野生马铃薯抗e晚疫病的马铃薯；现代月季乂野生蔷薇e抗寒性强的新类型。3）利用杂种优势如：一球悬铃木x三球悬铃木e二球悬铃木4）创造新的雄性不育源引入胞质不育基因；破坏原来的质核协调关系如：番茄、南瓜、白菜5）探索研究生物进化远缘杂交后代可再现物种进化中的中间类型、新种类型如：樱桃李（2n=aa=16）x黑刺李（2n=bbcc=32）eF1e双二倍体（欧洲李）.远缘杂交的特点1）亲本选择、选配难度大一般原则+亲和性2）远缘杂交存在障碍远缘杂交的不亲和性（难交配性）：雌、雄配子不能正常受精形成合子（生殖隔离）远缘杂种的难育性：受精卵不能发育成健全种子；种子不能发芽或发芽后不能长成正常植株远缘杂种的难稔性：不能形成正常的雌雄器官；不能产生正常的配子，无法繁衍后代3）远缘杂种分离的广泛性亲本间的基因组成、染色体组型差异较大；F1开始分离、F2分离更为广泛4）远缘杂种的优势大多：生活力衰退少数：杂种优势明显，如日本落叶松x兴安落叶松，2年生杂种高为母本的196%,父本的136%。二、远缘杂交的障碍及克服途径I.远缘杂交的不亲和性及其克服途径.不亲和性的表现及其原因异种柱头分泌物抑制不亲和花粉e花粉不能萌发；连接柱头的传递组织抑制花粉管生长e花粉管进入柱头；花粉管生长缓慢或太短e不能进入子房到达胚囊；不能正常受精。.克服途径1)适当选择、选配亲本同一物种的某一品种或类型与另一物种的不同品种或类型之间存在较大的亲和性差异。如：芥菜(卷心刈菜’)x黑芥(加州褐子‘)eF1(0.07%)；芥菜(紫高菜’)x黑芥(加州褐子‘)eF1(0.78%)。正、反交的结果往往差异显著。如：山茶x怒江山茶eF1(29.3%)，反交结实率7.7%；山茶x连蕊茶eF1(5.7%),反交结实率2.0%。染色体数较多或倍性较高的种作母本，结实率高。如：云南山茶(2n=6x=90)x山茶(2n=2x=30)eF1(8.7%)；山茶x云南山茶eF1(2.7%)。2)采用特殊的授粉方法①混合授粉若干种或品种的远缘花粉混合；远缘花粉十杀死的母本花粉如：防城金花茶x山茶②重复授粉花蕾期、开花期、临谢期进行多次重复授粉不同发育程度的雌蕊具有受精选择差异；第一次花粉(开路先锋)③射线处理低剂量射线照射花粉或柱头增加花粉活性，提高发芽率④提前或延迟授粉利用柱头对花粉的识别或选择能力3）染色体加倍法染色体倍性高低与远缘杂交的结实率有关系，如凤梨草莓（8x）x森林草莓（2x）efailed；凤梨草莓（8x）x森林草莓（4x）esucceeded。4）生理接近法如：嫁接法，（黄瓜十丝瓜）x丝瓜e获得F1媒介法，P1乂第三个种eF1xP2；矮生扁桃（Prunusnana）x山毛桃（P.davidiana）e扁桃乂桃（P.persica）e抗寒性强的桃品种。5）柱头移植和花柱短截法①柱头移植：花粉授于同种植物柱头e移植到母本花柱；异种柱头嫁接，愈合后授粉②花柱短截：切除母本花柱或剪短e授粉于切面；花粉悬浮液直接注入子房6）化学药剂的应用GA3、NAA、IAA、IBA、HBO3等处理母本雌蕊，如：百合（0.1%-1.0%auxin处理花柱基部）；梅花（50-100mg/LGA3处理柱头）7）试管受精胚珠培养；雌蕊培养如烟草、石竹、矮牵牛等8）应用温室或保护地改善授粉条件气温、雨水等气候条件影响杂交效果如：金花茶x山茶；攸县油茶x金花茶：2月杂交，结实率0.3%；3月杂交，结实率10.7%。II.远缘杂种的难育性及其克服途径.难育性的表现及其原因表现：受精后胚发育不正常或中途停止幼胚、胚乳、子房组织间协调性差e杂种胚部分或全部死亡杂种种子不发芽或苗期夭折原因：核质互作平衡被打破；染色体组、基因不平衡；生理上不协调.克服途径）幼胚离体培养（胚抢救）如：玉蝶梅x山桃（授粉后66天，张启翔，1992）毛樱桃x梅花（刘青林，1996））嫁接（根系发育不良）3）改善发芽与生长条件刺破种皮；瘪小种子用腐殖质土壤发芽III.远缘杂种的难稔性及其克服途径.难稔性的表现及其原因表现：不能正常开花花器官构造、功能不正常，不能产生有活力的雌雄配子配子不能完成正常的受精过程，不结实原因：染色体的不同源性；基因间的不和谐.克服途径）杂种的染色体加倍减数分裂时，染色体不能正常联会如多花报春（2n=18AA）x轮花报春（2n=18BB）eF1（2n=18AB，难稔）e双二倍体（邱园报春，2n=36AABB），可育）回交法亲本染色体数不同，减数分裂不规则时，杂种产生的配子多数败育