林木多倍体育种研究进展

林木多倍体育种研究进展第一页，共21页。

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（Sequoiasempervirens）则为六倍体。第二页，共21页。

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。第三页，共21页。第四页，共21页。

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.第五页，共21页。

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.第六页，共21页。1

2

利用组织代谢产物的经济林木新品种选育幻灯片93

抗逆性生态防护型林木新品种选育幻灯片10纸浆材等短周期森林工业用材新品种选育幻灯片8第七页，共21页。第八页，共21页。第九页，共21页。

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.第十页，共21页。

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.第十一页，共21页。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24h,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第十二页，共21页。3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.第十三页，共21页。

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.

4

天然或人工未减数配子杂交第十四页，共21页。

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。第十五页，共21页。第十六页，共21页。

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步而得到解决.第十七页，共21页。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。第十八页，共21页。

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