植物遗传学讲义

PAGE2PAGE1补充讲义：第六章数量性状的遗传第五节植物杂种优势1、杂种优势的概念“杂种优势”是指在遗传上不同的雌雄配子结合中，由于种种机制而产生发育上的刺激作用。杂种优势这个概念在生物学上应用了几十年，却至今还没有确切的通用定义，有人常把杂种一代生长势的提高称作杂种优势，在这种情况下，“杂种优势”与“杂种活力”就成为同义词了；也有人却不然，把它们予以区别，“杂种活力”用以指杂种一代的性状比其亲本品系要好的现象，而”杂种优势”则专指超显性那一类现象。印度学者SinhaSuresh和RenuKhanna。（1976）重申shull把“杂种优势”与“杂种活力”区分开来的观点，认为“杂种优势’是基因型，“杂种活力”则为表现型，换句话说，“杂种优势”与“杂种活力”的关系是遗传机制与其产物之间的关系，因此影响基因表达的因素都将影响“杂种活力”，还认为广义上的“杂种优势”包括自交（或近亲繁殖）退化，杂种稳定性，一般配合力、特殊配合力以及杂种活力等内容。Reiger，Michallis和Gree。（1976）则认为“杂种优势”和“杂种活力”两词意义上相同，系指杂合体与其相应的纯合体比较，在一个或多个性状上表现优越性，杂种优势是杂合体中基因互作的结果。目前，国内外大多数学者大体上持有与Reiger等相类似的见解，认为，虽然孟德尔和Shull先后提出“杂种活力”和“杂种优势”术语时，并未与遗传学有多大的联系，但是两者所指的现象大致相同，现代习惯上总是把“杂种优势”与“杂种活力”看作同义词，可以交替使用。归根到底，杂种优势是杂种一代的性状与其亲本相比较，数量大小方面表现出来的优越性。这样，杂种优势常被划入数量遗传学学科范畴（Sprague1983：复旦大学生物系，1979）。杂种优势的表现是多方面的，包括各种各样的性状——形态、生理和生化的性状。表现在杂种对其亲本性状的优越性上，表现在一定的代谢过程（如重要物质的生物合成）强度上，表现在杂种个体发育个别阶段的发育速度上，表现在杂种对其所在环境反应的差别上。Gustafsson（1951）根据杂种表现性状的性质，把杂种优势划分为三种基本类型：l）体质型，杂种营养器官的较强发育，如茎叶发育快、产量高；2）生殖型，杂种繁殖器官较强发育，如结实率高、种子和果实的产量高；3）适应型，杂种具有较高的生活力、适应性、竞争能力及其它在生存竞争中起作用的因素。2、杂种优势的遗传机制早期对杂种优势的实质和形成原因的研究，总是与对杂种优势现象和表现的描述联系在一起的。达尔文用了整整10年（1866—1876）的时间，广泛搜集了植物界异花授粉和自花授粉的变异情况，得出了“异花授粉一般对后代是有益的，而自花授粉时常对后代是有害的”结论，同时把杂交的有益性归结为“亲本性因素某种程度的分化”，认定杂种优势的产生是不同遗传成份的有机体杂交以后的结果。以后一些植物遗传与育种学家、植物生理学家，分别从遗传学与生理学观点解释杂种优势，认为植物的自交导致遗传因子的纯合，而杂交促使遗传因子的杂合，由于杂合子生理活动受到刺激作用而产生杂种优势，结合的性配子杂合的程度越高，产生的优势程度就越大，把余种优势看作是一个改变了的细胞核同一个（相对的）未改变的细胞质彼此相互作用的结果。近代对杂种优势的理论解释总是以假说的形式出现。有两种假说较为成熟，是解释杂种优势的基本假说。这就是显性假说和超显性假说。虽然这两种假说尚待进一步补充和完善，但是也要注意到，这两种假说结合在一起能较完满地说明迄今为止所发现的绝大多数杂种优势的表现形式，因此，一般公认，它们可以作为进一步建立和完善杂种优势一般遗传理论的基础。下面简要介绍这两种基本假说及其有关假说的主要内容。2.1显性说1910年Keeble和Pellew报道过具有节数多和节间长的两个豌豆品种间的杂交试验。两个品种株高均在1.5—1.8米左右，其中一个茎粗、节多而节间短，另一个则茎细、节少而节间长。两个品种杂交所得的杂种一代，结合了两亲本节多、节间长的特点。株高高达21—24米。杂种二代分离为四组，其中一组株高与杂种一代相同，另两组分别与父、母本相似，第四组为矮小株，即结合了亲本一方的短节间与另一方的茎细节间少的特点。Bxuce（1910）首先对植物杂种一代与其两亲本间纯合隐性（有害效应）基因的数量作了代数学演算比较，指出杂种一代较其两亲本具有较少的纯合隐性基因，进而提出显性假说，显性基因有利、隐性基因有害，用显性或部分显性有利基因的互补作用来解释杂种一代优势的产生。而后Jones（1917）等又发展了Bruce的显性假说。给它增加了连锁基因的概念和加性效应。这样，现代显性假说可以这样来表述。植物品种（自交系）的各种优良性状，是受多个多基因连锁群中的巨性基因所控制的，不利的隐性基因的作用能为有利的显性基因所抑制，有缺陷的基因能为正常基因所补偿。植物自交时，由于隐性基因处于纯合状态，它的不利作用得以表现出来，导致自交植株生长势的减退，自交代数愈多。生长势减退则愈明显,两种基因型不同的植物品种（自交系）间杂交，情况就截然不同。如以aabbCCDDee的丙系与AabbccddEE的丁系杂交,杂种一代具有AabbCcDdEe的基因型,五个位点上有四个位点有显性基因掩盖着隐性基因的作用，而另一个位点（即b位点）上则是纯合隐性基因，不利的隐性基因得以发挥作用，控制产生不利性状。这样丙系X丁系的杂种一代的优势就不如甲系X乙系的杂种一代。因此，在这个假说看来，杂种优势是多连锁群中的各个连锁群的有利显性基因的各种遗传效应的综合结果。总的说来，有利显性基因累积得越多，杂种优势就表现越明显。显性基因的作用，从理论上讲主要表现于：l）等位基因中有利显性基因对有害隐性基因的抑制作用，对有缺陷基因的补偿作用，即显性基因的互补效应；2）等位基因中有利显性基因的共显性作用；3）非等位基因间的互补互作效应和不同显性基因的加性效应；4）非等位基因间的上位性效应（指显性上位，抑制基因作用）。这四种基因互作对性状的发育起着良好的作用。显性假说中的有利显性基因的作用可能包括上述四种基因工作，或者只包括其中一二种，但不可能不包括其中一种。这里或许会提出这样的问题，倘若杂种优势的产生是由于加性效应的话，那么有无可能通过基因的分离和重组选择出纯合显性的个体，即AABBCCDDEE基因型的个体，把杂种一代强大的优势固定下来了呢？从理论上讲并不能说不可能，但实际上不大可能从图例中的AaBbCcDdEe杂种一代中分离出一个所有基因位点都是纯合显性的个体。因为显性基因有些往往与隐性基因紧密连锁，而交换又是随机的，何况影响产量的基因达几十个以上。SPrague（1957）假定决定玉米杂种籽粒产量的基因为30个，在连锁不起实质性作用的情况下，如果欲获得30个位点上的纯合显性基因，这样的纯合个体出现的机率仅为（l／4）30。那么，为了获得这个纯合个体，就需要有比地球陆地面积大2000倍的土地来种植杂种二代，这在任何情况下也是办不到的。更何况，影响玉米杂种籽粒产量的基因就只有30个吗？这种估计显然是估计得少了。目前有人估计影响油分含量的基因达54个，影响蛋白质含量的基因为122个。由此推论，决定产量的基因绝不会比决定油分蛋白质的基因数目少，因为籽粒产量性状远比油分、蛋白质性状复杂。2.2超显性说这个假说是由East（1936）提出的。然而，实际上它对杂种优势的解释与Shull（1914）所提的看法是一致的。都认为杂会状态增加了基因间的互相作用，杂合性本身就是杂种优势产生的根本原因。说到底，East，Shull的观点与达尔文的“异花授粉的好处有赖于亲本性细胞的某种程度的分化”的概念，大体上类似。在超显性假说看来，由于两个等位基因Aa互作的结果，杂种在生长发育上能超过纯合子AA（显性纯合）或aa（隐性纯合）。在一个基因位点A上，不仅可以产生a的突变，而且也可以产生。a1，a2，a3，a4，a5，………an等多种突变个体，这些由同一位点上分化出来的等性基因，称之为复等位基因。超显性假说就此作出假设，复等位基因内各个基因间互为等位基因，彼此没有显、隐性关系，只有同一位点的等位基因互作的关系，复等位基因中的每一个具有略为不同的结构和生理功能，两个等位基因间生理功能上起着互补作用；纯合个体a1a1，a2a2等各自只执行一种生理功能，所以当a1a1与a2a2杂交时，所获得的a1a2杂合个体，比起纯合个体来，生长势必然要强，b位点也会发生类似a位点上的情况。近代的超显性假说的概念已有所扩大和引伸，它不仅仅包括一对等位基因的互作（杂合性的刺激作用），而且也包括多基因的互作即上位性效应（显性上位、隐性上位）在内。已经提出过一些生物化学模式，对杂合性的刺激作用的机制予以解释。（1）杂合等位基因时在过传功能上有互补的作用

某些植物一个位点上的不同等位某团决定同一种锈菌的不同小种的抗性，纯台子仅能抗一个小种，而杂合子将具有抗两个小种的能力。（2）杂合子具有多种生物合成途径，能选择生物合成的线路

杂合的等位基因对，更确切地说是等位基因的产物，分别能在相对不同的条件（比如温度高低）下催化同一种生物化学反应，杂合子比纯合子的优越性就在于外界环境温度不管如何波动，都可以完成这种反应似保证生命活动的正常进行。（3）杂合子能合成适量的生活重要物质

有一种条合子等位基因对，其中一个等位基因是超效等位基因，它在纯合子中将产超量的重要物质，而另一个等位基因是无效等位基因，即无活性，在纯合子中能产生致死效应。杂合子则因既具有超效的又具有无效的等位基因，就能合成适量的生活重要物质，生命活动可以正常进行。即便杂合子中两个等位基因中的一个为无效基因，另一个是正常基因，它们也具有“剂量”效应，一个“剂量”比两个“剂量”要好。（4）杂合子具有合成新的“杂种”物质的能力

任何一种纯合子都不能产生这种新的“杂种”物质，而杂合子因具有杂合的等位基因，它们共同控制形成新的“杂种”物质。这种“杂种”物质形成机制，可能是亲本的蛋白质亚基在细胞质中的重新联合，因而形成有功能的酶（即“杂种酶”）。超显性假说能较好地解释杂种优势育种采用的一些方法和出现的一些情况：l）选择杂交亲本时，一般选择的双亲亲缘关系远的、地理距离大的、生态类型不同的杂交，杂种一代表现优势大，反之，优势则小成不表现什么优势；2）异花授粉植物的特殊配合力的轮回选择法，主要是利用杂合性的刺激作用原理；3）配搭得好的植物单交、三交、双交种能产生类似产量的情况，单交种产量能超过双亲（自交系）产量的总和、单交种产量与双亲（自交系）的产量没有相关性的情况；4）杂种一代的优势是难于固定的，因为杂合性一旦丧失，优势也不复存在。显性假说与超显性假说比较起来，超显性假说最初提出的出发点与显性假说是不同的。已如前述，显性假说是在客观存在的等位基因显、隐性关系的基础上，假设显性基因的有利性，隐性基因的不利性，用显性基因对隐性基因发挥抑制作用来解释杂种优势现象的发生，认为等位基因、非等位基因的互补效应，非等位显性基因的加性效应在杂种优势中起主导作用。至于杂合性是基因型不同的亲本杂交的必然结果，却不是杂种优势形成的原因。而超显性假说最初提出时完全排除了客观存在的等位基因的显、隐性关系。用杂合性的刺激作用、多数微效基因（复等位基因）的共同作用来解释杂种优势，超显性假说强调“单基因杂种优势”的意义。这两种假说有共同点，一致认为杂种优势形成是来自不同亲本基因型的基因互作的结果。一致认为自交导致生活力的衰退，而杂交导向生长势的恢复，杂交才能产生优势。一致认为杂种一代的优势很难甚至是无法固定的。3、植物杂种优势的利用杂种一代的优势表现因植物种类及繁殖方式、杂交组合和性状而异。一般说来，异花授粉植物的优势表现要比常异花授粉、自花授粉植物突出；亲缘关系远、遗传差异大的亲本配制的杂交组合比亲缘关系近、遗传差异小的亲本配制的杂交组合优势要大。常协一郎（1966）用6个小麦品种作母本，12个品种作父本，作了66个品种间杂交试验。杂种一代与其亲本比较，在抽穗期上多数组合介于两条本之间，少数早于早熟亲本；在株高上高于高秆亲本组合39个（其中只有6个显著增高，其余33个差异不显著），介于两条本之间的26个，矮于矮秆亲本的仅有二个；在产量上多数组合高于高产亲本，少数介于两条本之间，低于低产亲本的也仅有1个。我国利用T型胞质获得的杂交小麦的优势表现大致也同于此例。某一农作物能否利用杂种优势，主要看：1）杂种优势表现明显；2）杂种一代制种无需附加太多的经费，因而利用杂种优势可以获得较大的经济效益。诚然，植物杂种优势利用的广度又是随着研究工作的进展、利用技术方法的改善和种质资源的开发与利用等条件而变动的。玉米是一种重要粮食和蔬菜、饲料作物，它又是一种典型的异花授粉植物，雌雄同株异位，便于去雄制种，大规模利用杂种优势最早。至于常异花授粉植物、自花授粉植物的杂种优势的利用，一般是与细胞质雄性不育系的应用相联系的。3.1杂种一代的优势表现异花授粉植物——玉米

在玉米自交系的范围内，自交系籽粒产量的高低与株高、穗长、果穗直径、单株果穗数等之间有显著的正相关；而与抽丝期、叶绿色浓度、鲜果穗的收缩能力之间有明显的负相关。自交系的根容积、抗拔力、支持根总数、茎直径、叶面积、雄穗指数（每百个雄穗的重量）、花粉量、抽丝期、株高、穗高等10个性状之间则无相关。顶交种的籽粒产量与自交系的根容积，抗拔力、支持根总数、茎直径、叶面积、花粉量、抽丝期、株高、穗长等性状都有明显的正相关。单交种的籽粒产量与自交系的抽丝期、株高、一株节数、穗位以下节数、单株果穗数、穗长、果穗直径、行粒数、千粒重等性状间有正相关。而与自交系的穗形指数间有负相关。与自交系产量则无相关现象。单交种内单株籽粒产量与株高、穗长、行粒数间，穗长与行粒数、百位重间，株高与穗位高间均呈明晃的正相关；而穗行数与百粒重呈明显的负相关。l）生育期

单交种生育期一般介于两亲本之间，双交种亦然。大体上可用两条本系生育期的平均值估算单交种的生育期。但各个具体生育时期又有差别。单交种较其亲本系，一般抽雄期（或抽丝期）明显地提早，但抽丝到成熟天数往往会延长一些；双交种与其单交亲本间差别则不大明显。2）植株性状

单交种株高，一般较其亲本系为高，超亲现象极为普遍。同型单基因控制的矮秆系间杂交，杂交种仍表现矮秆，异型矮秆系（由非等位基因控制）间杂交，杂交种表现高秆。而多基因控制的矮秆系间杂交，杂交种表现矮秆。单交种叶片数和叶角，一般倾向于多叶片、叶角大的亲本，单交种的雄穗大小和散粉性好坏，一般倾向于雄株分枝多、散粉量大、散粉性好的亲本系。3）生长势

单交种的生长速度（包括发叶速度，叶面积增长速度、茎粗增长速度等）较其亲本系要快，或与生长势强的亲本系接近。双交种生长速度则介于两单交亲本之间，有时要快一些。4）抗病性与抗逆性

玉米的抗大斑病、小斑病都有单基因抗性与多基因抗性之分。已知玉米抗大斑病单基因有Ht1、Ht2、Htn等显性单基因，抗小斑病为rhm隐性基因。多基因抗性为数量性状遗传，抗病性为部分显性的基因间有加性效应，也有表现为显性、上位性效应，大体上，杂种一代的抗病性近似或高于两条抗病级别的平均值。单基因抗病系与多基因抗病系间的杂交，抗性有互补作用。杂种一代对病毒病、丝黑穗病的抗病性，大体上也显示中间性的抗病或耐病性，父、母本高度抗病，杂种一代也高度抗病。玉米抗逆性主要包括抗冷性（耐零度以上低温能力）、抗寒性（耐零度以下低温能力）、抗旱性（大气干旱、土壤干旱）和抗倒伏性、倒折性。一般说来，单交种的抗逆性介于两条本系之间且多倾向于抗性强的亲本，有的母本效应较强。采用多次轮回选择法对提高玉米抗逆性，有较好的效果。5）产量及产量因素

研究产量及产量因素的优势表现，通常应用优势指数法（IH）。每株籽粒产量由每株有效果穗数（A），每穗平均籽粒数（B），每粒平均重量（G）或千粒重构成。每株籽粒产量为ABC。与产量因素有关的是经济系数。3.2杂种优势利用的方法利用杂种优势的方法与作物繁殖方式关系密切。自花授粉植物，由于长期自交，品种内植株间性状基本一致，遗传基础是纯合的，所以，通常采用品种间杂交法、品种（恢复系）自交系（不育系）间杂交法。异花授粉植物，天然杂交率高，品种内植株间性状参差不齐，遗传型是杂合的，品种间杂交种优势不那么大，为了充分发挥显性基因的加性，互补、抑制作用与基因间的互作，要先选育自交系，然后选配自交系间杂交种、品种自交系间杂交种。常异花授粉作物则可使用多种方法利用杂种优势，通常使用品种（恢复系）自交系（不育系）间杂交法。至于无性繁殖植物如甘薯、马铃薯等，利用杂种优势方法较为特殊。这类作物遗传基础复杂，杂种一代产生多样性分离，而可用无性繁殖保持其优势。品种间杂交后，选择优良株进行无性繁殖，杂种后代(F2以后各代）优势水平不减。这类作物除利用品种间杂交外，为提高育种效果，还可先进行多代自交育成自交系，后再作系间杂交，从F1选择优良株进行无性繁殖。(1)品种间杂交法

选育品种间个交种的首要步骤是引进和培育一定数量的优良品种原始材料，然后再根据配合力测定和一定的亲本选配原则，从选种材料中选定条本配制杂交组合形成鉴定材料，相继经过初步鉴定、评比，比较试验和生产试验，联合区域试验，最后再决选出优良杂交种，大量繁殖制种，并推广于大田生产。品种间杂交法是一些自花授粉植物、常异花授粉植物常用的方法，如烟草，单花产种量多，繁殖系数高，棉花去雄容易，常采用品种间杂交这种利用杂种优给的方式。还要指出的是，即使异花授粉植物，采用品种间杂交法也能取得一定的增产效果。例如，在我国三十育种的初级阶段，自1952年起大面积推广过玉米品种间杂交种，普遍获得较高产对照品种增产10一20%的好结果。1）亲本选配原则

根据性状传递规律和育种的实践经验，亲本选择应掌握如下几个原则。①两条应具高产、优质的遗传基础，适应性强，优良性状符合当地生产的需求。尽可能选用优良性状多、不良性状少、性状互补的亲本品种杂交。②两条在亲缘上、地理距离上远缘，配合力好。往往以当地优良品种与外国（外地）引进的好品种杂交，获得优良组合的可能性较大。）③为便于繁殖制种．选用抽雄（或抽丝）期相近的亲本品种杂交。2）品种的选育和改良选育和改良品种的方法较多，通常采用多次单株选种法、出分法、多次混合选种法、去推选种法、混合花粉授粉法和轮回选择法等。需强调指出，简单轮回选择法（没有应用测交技术）对提高谷物籽粒的油分、色氨酸、赖氨酸含量，以及提高抗病性很有效。而一股配合力、特殊配合力轮回选择法（应用测交技术）则分别对提高品种的一般配合力、特殊配合力很有效。（2）品种自交系间杂交法

用此方法育成的杂交种包括顶交种、不育系与恢复系（品种）间杂交种。一般比优良品种增产约15%。（3）自交系间杂交法

这是异花授粉植物当前着重采用的一种方法。用此方法育成的系间杂交种增产效果极其明显。一般比优良品种增产25—40％，有的成倍增产。1）自交系的选育

自交系指的是，人工自交几代（一般4—6代）后转入隔离自由授粉形成的经济性状相对整齐一致的稳定群体。①基本材料。选用基本材料（包括品种和天然、人工杂交种等）应按选育目标取舍，一般要注意丰产性能，抗病性，抗逆性和品质。采用基本材料的数目视育种规模而定，通常以10个左右为宜，每个材料至少种植100—200株，套袋自交30-5O株作为基本植株。收获时分收、编号，暂不脱粒。随着系间杂交种工作的深人开展，各种谷物的遗传多样会逐步丧失，种质资源也日趋枯竭。为此，应及早注意用以产生自交系的原始群体的改良，以增加和丰富基本材料的来源，挖掘已有的和潜在的资源。②系内和系间选择。次年将编号果穗每穗脱下3—4行种子，种植30—50株，代表一个基本植株的自交后代。从S1起就要严格按植株的综合性状进行选择，选优汰劣。系内选择与系间选择比较起来，重点应放在系间选择。通过4—6代的连续选株自交就可以育成自交系。从品种选育出来的自交系称为一环系，从杂交种（包括各种形式杂交种及综合杂交种、复合种）中选育成的自交系均称为二环系。③配合力测定（测验杂交）。自交系配合力是玉米育种工作中引伸出的概念，日前它已引入到其它植物育种中。如所周知，自交系在选定特定杂交组合（表现特殊配合力）之前，需先测定一般配合力。一股配合力指自交系和一个遗传基础广泛的品种（或系间杂交种）杂交后，表现产量能力的平均值而言。这种测定一般配合力的方法称为测验杂交（测交），这样的共同品种（或系间杂交种）称为测验种。在测交过程中又可同时选育出优良顶交种和系间杂交种。测验种本身配合力以及测验种与被测系的条件关系对测交的准确性有重要的影响，应选用具中等配合力的测验种，与被测系有不同来源、不同亲缘关系的为好。测交的方法，采用手工授粉法或者隔离区自然授粉法，可依据所测自交系的多少和选用测验种的情况而定。测交得到的测交种，需进行产比试验，再按测交种产量的高低，选留一般配合力高的自交系。而看再根据自交系的一股配合力，结合选育目标、宁本选配原则，试配各种特定组会，选育出特殊配合力高的自交系和相应的杂交种。目前各种谷物利用杂种优势都以推广单交种、顶交种为主。许多单位常将配合力测定与选育单交种、顶交种结合起来。采用一二个配合力好，综合性状优良，与被测系亲缘关系远的自交系（或生产上应用的骨干系）和品种作测验种，这样既能测定特殊配合力和一般配合力，又可选得优良单交种和顶交种，收到“测”、“用”结合的效果。2）杂交种的选育①系间杂交组合的类别。根据参与杂交亲本系的数目及组合方式，可把系间杂交种分为单交种、三交种、双交种和综合杂交种等。②亲本选配原则。制定选配原则，总的要求是每年选配适当的组合数量（例如300—500个），对于选育单位可以胜任，而又能保证所掌握的自交系可能配成的优势组合，尤其是强优势组合不致于遗漏。三交种、双交种的选配中，还有个组合方式问题。掌握的总原则是使最大优势集中在配制三交种、双交种时表现出来，以提高种植它们的经济效益。③亲本系的改良。着重于测交选择的育成系，难免会带来一些经济性状的缺陷；有时在一些自交系的选育过程中并未觉察到它们的缺点，但当它们参与组合时，又会发现其缺点存在。因此，只得通过一些方法予以改良。④籽粒品质的改良。高产和优质应当适当的结合。在高产基础上的品质的改良。包括蛋白质、脂肪、碳水化合物等，尤其是蛋白质和赖氨酸、色氨酸含量的提高。穗行选择对提高谷物籽粒品质很有效。3)缩短育种过程的一些方法

杂种优势育种过程是环节多、需时长的工作。能否缩短过程涉及因素也较多，如自交选育的基本材料是否选得准，配合力测定是否准确，亲本选配是否适当，育种目标制定得是否正确，鉴定选择是否精确等，都有直接或间接的关系。但从遗传学方面分析；主要是如何加快自交系的纯合化，如何选择亲本系，以充分发挥显性基因的互补。加性和非加性效应。目前，遗传学研究提供的单倍体选系和杂种优势预测技术方法，是缩短育种年限的有效方法，这些方法研究成功，有助于杂种优势利用新体系的建立。获得单倍体的方法有：孤雌生殖、孤雄生殖、花粉培养、子房培养、双生苗、生物和理化诱变等方法。3.3杂种优势利用的途径利用杂种优势的途径，与植物的繁殖方式的关系也很密切。为解决杂交制种特别是去雄的问题，日前提出如下几种途径。（1）人工去雄

雌雄向株异位植物如玉米，花器较大、繁殖系数高，去雄简便的植物如烟草、棉花等，可用人工去雄法去雄杂交制种。而花器小又一花一粒或几粒的植物。如高梁、水稻、小麦、油菜等，不大可能用人工去雄法生产大田播种用的大量杂交种子，因此，必须利用其它途径。（2）雄性不育性的利用

这是目前克服人工去雄困难的应用最广泛、最有效的途径。需强调指出，无论自花授粉、常异花授粉或是异花授粉植物，应用细胞质雄性不育性。利用不育细胞质效应都会有良好的增产效果，一般比人工去雄制种的增产5一10％，有的甚至更多。（3）化学杀雄

化学杀雄的原理是：雌雄配子对各种化学药剂的杀伤作用具有不同的反应，雌蕊比雄蕊有较强的抗逆性和抗药性，利用适当的药剂浓度和药量可以抑杀雄蕊而对雌蕊无害。发育受到药剂抑制的雄蕊，一般表现花药变小，不能开裂，花粉皱缩空砒，内部缺乏淀粉，没有精核，失去生活能力，从而表现雄性不育。能作为化学杀雄应用的药剂必须具备3个条件：1）处理母本后仅能杀伤雄蕊，使花粉不育，而对雌蕊无什么影响；2）处理后不会引起遗传性的改变；3）处理方法简便，药剂便宜、效果稳定，对人、畜又无害，不留残毒。近年来，我国在化学杀雄上取得了成就。获得比推广良种增产10%以上的实际效果。诚然，化学杀雄还是一项新技术，尚存在一些间题，比如技术方法尚未配套，杀雄效果尚不稳定等，需要进一步研究。（4）自交不亲和性的利用

有些植物如油菜等，花器很小,人工去雄制种很不经济，但它们具有自交不亲和性（用本株或系内异样花粉授粉不结实）的遗传特性，可利用此特性于杂交制种中，而获得大量的杂种一代种子。自交不亲和系，可利用连续套袋自交和选择的方法加以培育。一般连续3—4代自交即可成系，选择的主要标准有4条：l）正常开花期自交或姊妹交结实率低；2）主要经济性状优良、配合力强；3）植株整齐度高；4）自交结实性好。（5）标记性状的利用

指利用某种显性或隐性性状来区别真假杂种，为杂种优势利用的一种途径。目前提出可利用的标记性状，如棉花的芽黄（幼苗第1—6叶平展初期黄绿色）和无腺体等隐性性状，水稻的紫色叶枕，小麦的红色芽鞘等显性性状；白菜型油菜中，紫茎对绿茎段心叶对葱绿心叶、绿苗对黄苗，前者为显性、后者为隐性性状。利用标记性状的具体作法是：给杂交父本选育或转育一个苗期出现的显性性状，或给母本选育或转育一个隐性性状，而后令其分别参与杂交组合，制种时任其自由授粉，从母本上即可采收到自交与杂交两种种子。播种后根据标记性状，拔除具有隐性性状的幼苗（即假杂种或母本苗），留下显性性状的真杂种苗。补充讲义：第八章雄性不育的理论和应用（一）、雄性不育概说1.1雄性不育性的特征个个用心观察的人，都可能在田野里发现各种各样的雄性不育现象。植物雄性不育性的主要特征是花粉发育不良或功能不正常，没有受精能力，此外，还有一些便于识别的性状。不同植物的花器构造下同，不育性状也有不同。例如，开颖角度大、开颖时间长是小麦及许多禾谷类雄性不育株最易被识别的特征，对水稻及棉花等就不适用。柱头与雄蕊外露与否，也因不同植物而异。有些雄性不育类型的花药并不瘦小，而且花粉粒很饱满，但是，各种不育系的花粉都有这样或那样下健全之处，在套袋自交时不能结实，给其他品系授粉也不能结实。1.2雄性不育性的研究和利用

一利用杂种优势提高农作物的产量，是一种有效的方法。但是。除了玉米、菠菜等便于人工去雄的雌雄异花或异株植物以外，对于人工去雄不方便的雌雄同花植物，例如小麦、水稻、高梁、谷子（粟）、甜菜等，如果没有适当的雄性不育系。就很难在生产上利用其杂种优势。因此，许多研究者对植物的雄性不育现象进行了研究。（1）国外研究概况

植物的雄性不育现象，在19世纪已有发现（Ggrter，1844：

Darwin，1890）。20世纪初，又发现了雄性不育性的细胞质遗传现象（Correns，1908）。

现在，已经在高等植物的21科的近200种植物内发现有细胞质雄性不育性。其中玉米、高梁、大麦、珍珠粟、向日葵、甜菜和洋葱的雄性不育系已经广泛用于配制杂交种子。小麦的不育系已在一定范围内试用。棉花、烟草、番茄、大白菜、甘蓝、萝卜、油菜，菠菜、青椒、洋葱、胡萝卜、茄子、黄瓜等作物的核不育系也被大规模用于配制杂交种子。（2）国内研究概况

玉米、高梁和水稻的细胞质雄性不育系已经用来大面积杂交制种。其中，我国选育的野败型雄性不育系配制的杂交水稻种植面积最大,超过一亿亩。

小麦、向日葵、油菜和甜菜细胞质雄性不育系，已在较小面积上利用。大白菜和萝卜的核不育系巳广泛用于杂交制种。总的说来，我国的雄性不育研究起步较晚、除了水稻雄性不育性的研究和利用在国际上领先之外，其他方面都有较大的差距，尚待进一步努力。（二）、核基因控制的雄性不育性在细胞核内染色体上分布有成千上万的遗传基因，其中至少有100多种基因控制花必形成的各个步骤，它们的变异和功能异常，都可能导致雄性不育。1．隐性不育与显性不育控制花粉正常可育性的基因绝大部分是显性可育基因，但是．偶而也能见到显性不育和隐性不育现象。（1）隐性雄性不育

在各种植物的较大群体内，都可能找到受隐性雄性不育基因控制的雄性不育株（rfrf），它们往往是正常植株（RfRf）突变产生的杂合可育株（Rfrf）自交分离出的隐性纯合体（rfrf），在同一群体内还有一些杂合可育株（Rfrf）和大量的纯合可育株。杂合可育株能产生正常花粉，它的自交子代按3：1分离出可育株与雄性不育株。不育株没有正常花粉。不能自交，它与杂育株（Rfrf）杂交的子代按1：1分离出雄性不育株与杂合可育株。因为杂育株能使不育株的子代群体内保持有一半左右的雄性不育株，所以有人把这种杂育株叫做半保持系，也有人把这种不育株与杂育株的混合系称为两用系。为了选育新的雄性不育两用系，可以用优良品种给不育株授粉，F1是杂合可育株（Rfrf），它的自交F2代按1：2：1分离出不育株（rfrf）、杂育株（Rfrf）和纯育株（（RfRf）。让杂育株（Rfrf）给不育株（rfrf）传粉，其子代按1：1分离出不育株（rfrf）和杂有株（Rfrf），从其中选取性状优良的杂有株再给不育株授粉，其子代又按1：1分离出不育株与杂育株。如此选择回交四至五次，就可以选育出新的雄性不育两用系。为了保证雄性不育两用系、父本品种及杂交制种的纯度，需要设置适当的隔离区。（2）显性雄性不育

在棉花、小麦、马铃薯、亚麻、谷子（粟）及红胡麻草中部发现有显性雄性不育现象，这种不育性都是基因突变的结果：正常植株（msms）、显性雄性不育（Msms）。显性雄性不育植株（Msms）具有杂合的显性不育基因（Ms）不能产生正常花粉。它的两种卵细胞都有受精能力，它被隐性可育株（msms）传粉的子代按1：l分离出显性不育株（Msms）与隐性可育株（msms），正常植株的自交后代都是正常株。显性雄性不育株有两个特点：只能通过母本遗传及杂交子代按1：1分离出不育株。因此，显性不育性不适于制备优势杂种，但是可以用作杂交及轮回杂交的母本。从它的杂交后代中选育新的优良品种。2．单基因不育与多基因不育前面举的两个例子都是单基因控制的雄性不育性，它们分别受一对隐性不育基因

（rfrf）或一个显性不育基因（Ms）的控制。此外，还有受两对基因或更多基因控制的不育性。（l）显性互补不育性

伽稻与粳稻杂交的民往往有不同程度的不育性。例如．粳稻品种农林17X籼稻品种BPI－76，其F1的结实率为61—90%；农林17x籼稻品种由中一号，其F1的结实率为41—60%，籼稻品种泰国29号X粳稻品种农林20，其F1的结实中在25%左右。（2）累加的稳定不育性

小麦和水稻都有一些核基因控制的雄性不育系，套袋自主时有5%左右的结实能力。其子代仍表现有这样很高的雄性不育性。正常品种给这种雄性不育株传粉产生的F1恢复正常可育。F2代大部分植株正常可育或低不育，但是，也有少数植株是半不育的或高度不育的。其中高不育林自交的后代仍是高不育的。（三）、胞质雄性不育性除了核基因控制的雄性不育性以外，还有细胞质遗传因子与核基因工作产生的雄性不育性，简称细胞质雄性不育性（cytoplasmicmalesterility），文献中常用CMS表示。1.在自然界出现的CMS1925年，美国人Jones在意大利红洋葱内发现一个自主不结实的雄性不育株。在它的头状花序上收获了许多小的鳞茎，这些小的鳞茎种植后长成了大的鳞茎。大群茎抽谷开花后仍是雄性不育的。用其他植株给它传粉能够产生大量种子，说明它是雌性可育而雄性不育的。后来发现，有些品种给它传粉产生的子代全部是雄性不育的，另一些品种给它传粉产生的子代全部恢复了雄性可育性，这些恢复可育杂种的自交亲代按3：1分离出可育株与雄性不育株。第一种父本称为雄性不育性的保持系，简称保持系或B系．第二种父本植株被称为雄性可育性的恢复系，简称恢复系或R系，不育系简称A系。细胞质不育系与核不育系的主要区别是前者有保持系而后者没有保持系。不育系（s／rftf）与保持系（N／rfrf）都有纯合的雄性不育基因rf,不育系有细胞质不育因子S。S与不育基因工作表现雄性不育性。保持系有细胞质正常因子N，N抑制了不育基因的表达，表现雄性可育性。保持系给不育系传粉产生的子代细胞核不变，细胞质来自B本，仍旧是雄性不育的。恢复系（S／RfRf或N／RfRf）都有纯合的显性恢复基因Rf,不论其细胞质因子是s或N都表现正常可育性.它给不育系传粉产生的F1(S/Rfrf)从母本获得不育因子S和一个隐性不育基因rf．从父本获得一个显性恢复可育基因Rf。这个Rf基因抑制了不育因子和不育基因的作用，因而F1（S／Rftf）恢复雄性可育性。2．核代换杂交产生的CMS高梁的迈罗型雄性不育系和小麦的提型雄往不育系都是通过核代换杂交产生的。Stephens和Holland（1954）用西非高梁品种双重矮早熟迈罗作母本，用南非高粱品种德克萨斯黑壳卡弗尔作父本，通过核代换杂交育成了迈罗型不育系。现在以高梁为例，对核代换杂交法简介如下。西非高梁迈罗有不育的细胞质因子s和恢复可育基因。南非高粱卡弗尔有正常的细胞质因子N和不育的核基因，它们都表现正常可育性。迈罗作母本杂交产生的F1，细胞核的一半来自母本、一半来自父本，而细胞质因子则来自母本。F1有不育因子和恢复基因，表现可育性。再用卡弗尔作父本回交一决、两次、直到n次。母本原有的可育的细胞核成分由l／2到1/4、1/8逐步被代换出去；父本的不育的细胞核逐步被代换进去，多次回交后，获得了卡弗尔细胞核与迈罗细胞质的质核杂种，表现雄性不育性。继续用卡弗尔回交，质核杂种的不育性的质核杂种被称为雄性不育系，父本品种就是它的保持系。3．突变产生的CMS细胞质雄性不育性也可能是自然突变或人工诱变的结果。变异的性质又分细胞质因子一变与核基因突变两类。（1）细胞质因子突变

水稻和甜菜都有细胞质因子由N变成S产生的雄性不育性。其特点是在同一群体内易找到能保持这种不育性的正常株系而较难找到恢复系。但是，在进化程度比较低的远缘品种或近组种内可能找到有效的恢复系或恢复基因。（2）核基因突变

质核型是S／RfRf的株系，其Rf基因可能发生突变成为杂合可育株（S／Rfrf），后者的子代按1：2：1的比率分离出不育株（s／rfrf），杂育株（S／Rfrf）与纯育株（S／RfRf）。不育株被杂有株传粉产生的子代按1：1分离出不育株与杂育株。因此，通过核基因突变产生的细胞质雄性不育性，在原品种及其近缘品种内容易找到恢复系而难找到保持系。但是，在比原品种进化程度高的远缘品种或近缘种内，有可能找到质核型为N／rfrf的保持系。（四）、保持系和恢复系的选育方法4.1选育保持系的方法为了利用杂种优势达到显著增产的目的．就需要有一大批优良的雄性不育系和优良的恢复系，试配大量的杂交组合，以便从中选出有显著杂种优势的杂交组合。为此，就需要及早选育出一批优良的能保持原有雄性不育性的品系，再用它们转育成新的雄性不育系。1.测交筛选保持系选择一批优良品种作父本，分别给原有的雄性不育系授粉杂交。分别来收和种植每一个杂交组会及其父本单株的种子。杂交F1开花时注意选择具有雄性不育特征而且套袋自空不育的植株如果某一个或某几个杂交组合的只是雄性不育的，就可以从它的父本品系内再选一些单株分别给它们的F1不育株授粉。种子成熟时分别采收，然后对杂种及其父本按系谱配对编号种植。这样继续选择和回交4—6次，就可以转育成与新的保持系各种性状都很相似的新的雄性不育相似系。例如原不育系的保持系是甲品种的选系，称甲保持系；它的雄性不育相似系称甲下育系。新的保持系是乙品种的选系，称乙保持系；用它作父本转育的雄性不育系称为乙不育系。甲不育系和乙不育系的细胞质类型相同，称为同型不育系。2.转育保持系的方法如果通过大量测验杂文仍找不到有效的保持系（N／rfrf），就可以推测有下列两种可能性。第一，这种不育类型是核基因控制的隐性雄性不育而非细胞质雄性不育，不可能找到保持系。第二，是仅有恢复系（S／RfRf与N／RfRf）与不育系（S／rfrf）的细胞质雄性不育系，可以通过适当杂交方法把N因子与rf基因组台成保持系。这种选育保持系的方法成败关键是选用的父本可育株是否有正常的细胞质因子N0如果它有N胞质，那末，在杂交的第IV步就会分离出保持系(N/rfrf)。但是，必须到第V步，当它给不育株传粉产生的子代全部是雄性不育株（s／rfrf）的时侯，才能证明它是保持系。如果到第V步仍不出现预期结果，那就说明所用父本没有相应的N因子。如果通过大量测验仍得不到预期结果，就应该考虑这种不育系是核基因控制的，不是细胞质因子与核基因互作的。3．杂交选育保持系法

细胞质因子与两种隐性累加的核基因控制的雄性不育系（S／rf1rflrf2rf2），有时会遇到缺少有效保持系（N／rf1rflrf2rf2）的情况。在多数品种对这种下有性是恢复可育的（N/Rf1Rf1Rf2Rf2）而少数是半恢复的（N/Rf1Rf1rf1rfl和N／rf1rflRf2Rf2）情况下，有可能通过杂交法把两种不育基因集中到正常的细胞质内，获得有效的保持系。性不育相似系。4．诱变选育保持系法具有节节麦细胞质与硬粒小麦细胞核的核代换系是雌性完全不育的。具有普通小麦细胞核的核代换系则是正常育的。已知在染色体ID的长臂上有一个针对节节麦细胞质的恢复育性基因。尚未找到它的不育等位基因。为了选育节节麦细胞质的普通小麦不育系和保持系，常胁（1980）及Maan（1979）分别采用了诱变选育法。他们分别用育性正常的节节麦与普通小麦的质核杂种（S／RfRf）为材料，用甲基磷酸乙脂（EMS）作诱变剂处理。在处理后代中，他们分别得到了十多个和几十个雄性不育突变株系。现在，他们正在对这些株系继续研究，希望获得预期的保持系和不育系。4.2选育恢复系的方法对于核基因控制的雄性不育系来说，正常可育品种都是它的恢复系。对于细胞核与细胞质共同控制的雄性不育系，却往往只有少数品种是它的恢复系。获得恢复系的主要方法有以下几种。1．细胞质结体及其衍生物（1）细胞质给体

如前所述，如果核优换杂交F1的女性正常，原始母本（细胞质给体）就是有效的恢复系。它的近缘品种往往也是恢复系。（2）不育系的姐妹系

如果核代换杂交F1有显著的不育现象，那么，细胞质给体虽有相应的恢复可育基因，它和它的近缘品种都不是有效的恢复系。但是，可以从不育系的姐妹系内选出有效的恢复系。小麦提型不育系及水稻B型不育系的第一个恢复系都是这样选出来的。这种恢复系与它的雄性不育姐妹系之间的亲缘关系太近，它们之间不会有显著的杂种优势。但是，对于具有同一细胞质的其他不育系来说，却有可能配制成有显著优势的一代杂种。（3）细胞质给体的衍生物

除了细胞质给体与不育系的姐妹系以外，凡具有这种不育细胞质的正常可育品系都是恢复系（S／RfRf）。2．测交筛选恢复系玉米、高梁、水稻、小麦和其他许多不育系的恢复系，都是用广泛测交的方法筛选出来．的，筛选恢复系的方法与筛选保持系的方法相似。一般说，种内杂交及核基因突变产生的不育系较易找到恢复系；种间或属间杂交产生的不育系较难找到恢复系。3．转育恢复系在恢复系很少或性状不够好的情况下，可以通过适当的杂交和选择，转育成新的较好的恢复系。转育的主要方法有以下几种：（1）一次杂交选育法

选择恢复力好的品系作母本（S／RfRf或N／RfRf），选择性状优良的品种作父本杂交一次，然后使杂种多次自交，像选育新品种那样进行系谱选择，并用中选的家系作父本对不育系进行测验杂交，选出性状优良的新恢复系（S／RfRf或N／RfKf）。一次杂交的母本最好是带有不育因子的恢复系（S／RfRf），它与无恢复基因的优良品种杂交的F1有不育因子。（S／Rfrf），其自交后代中没有Rf基因的植株都是雄性不育的，可以及时淘汰；凡是正常可它株都有m基因（S／RfRf与S／Rfrf），可以继续选择其中性扶优良的株系。反之，如果恢复系具有正常的细胞质因子,则其杂交后代中没有处基因的植株（N／rfrf）与有Rf的（N／RfRf及N／Rfrf）一样都是育性正常的，不能从表型上鉴别，只能根据它们与不育株的测交F1的育性给予分析。为了减少这种麻烦，可以选用不育系与恢复系的杂交F1（S／Rfrf）作母本，用优良的非恢复品种给它授粉杂交。（2）多次回交转育法

利用恢复力好的、带有S细胞质因子的恢复系或恢复杂种作母本，用选定的优良品种作父本杂交，再用同一品种作父本回交4-6次，并注意淘汰不育株和低育株，仅选用性状近似父本的可育株作回交母本。最后再自交提纯2—3代，就可以得到与父本品种近似的新恢复系。

（五）、细胞质雄性不育系的利用1．水稻水稻是雌雄同花的白花授粉植物。我国的栽培稻有仙稻和粳稻两个亚种。在云南、广西和广东还有栽培稻的近亲，普通野生稻。通过该代换杂交已经选

育出30多种不同细胞质来源的雄性不育类型，其中细胞质给体是普通野生稻的有13种类型。这里着重介绍其中比较重要的两种类型。野败型的细胞质结体是1970年在广东海南岛崖县南红农场附近水沟里发现的一株

野生稻，它与其他普通野生稻不同之处是其花粉败育，简称野败。把一些早熟或中熟品种约细胞核比换到野败细胞质内产生的质核杂种都是雄性下有的。它们的花粉小而皱缩，对碘溶液无染色反应。这种不育性曾被认为是最典型的不育性；简称为典败型。野败型不育性受细胞质因子（Sy）与一二对或三对隐性累加不育基因控制。在普通野生稻及晚熟制稻品种内分布有较多的恢复基因。中籼及早籼品种内较少，粳稻品种内更少。国际水稻研究所育成的一些IR编号的品种是野败型的优良恢复系。用野败型不育系配制的一些杂交组合优势显著。种植面积已超过一亿亩，每年可增产稻谷一百亿斤左右。B型（又称包罗型）不育系的细胞质给体是印度春沙品种ChensuraliBoro，有人把台湾粳稻品种合中65的细胞核化换到这种细胞质内．获得了B型合中65不育系。其花粉在双核期或三核期败育，对碘溶液有较浅的染色反应，被称为染败型不育性。B型不育性受细胞质因子（Sb）与一对隐性不育基因（rfrf）控制，表现为质核工作的配子体不育性。这种不育性与核基因控制的配子体雄性不育性的共同特点是，杂合可育FI（S／Rfrf及Rfrf）产生的具有显性恢复基因的花粉（S／Rf及Rf）有效，而具有隐性不育基因的（s／rf及rf）无效。因此，F1的自交F2仅有可育株（S／RfRf与S／Rfrf）而无雄性不育株(S/rfrf)。据此，有可能继续用F2代的剩余优势。

2．甜菜甜菜是雌雄同花的异花传粉植物。糖用甜菜、饲料甜菜与叶甜菜都是二倍体（2n=18）。用秋水仙碱处理二倍体甜菜可以获得人工四倍体（2n=36）。在人工强制自交后代中较易分离出细胞质雄性不育系。甜菜的不育性受细胞质因子与两对隐性不育基因的控制（s／xxzz=S／rf1rf1rf2rf2）。保持系是N／xxzz，恢复系是N/XXZZ或S／XXZZ，X是显性恢复基因，能恢复较高的育性；Z是不完全显性基因，杂合的Zz只能恢复部分可育性。此外，还可能有一些修饰基因。环境条件也有一些影响。M倍体甜菜不育系与恢复系杂交，FI恢复可育。二倍体甜菜的一代杂种有显著杂种优势。四倍体不育系与二倍体可育系（恢复的或非恢复的）产生的三倍体杂种（2n=27）有更强的杂种优势。美国及欧洲一些国家已经基本上普及了杂交甜菜。我国在这方面正在进行试验研究。3．其它植物洋葱的细胞质雄性不育系（CMS系）研究和利用较早。向日葵的CMS系在国外已大面积种植和利用，我国东北及内蒙古也正在推广。

棉花有两种主要的CMS型。一种具有非洲异常棉细胞质，另一种具有哈克尼西棉细胞质。前者的不育性易受环境条件影响，不稳定；后者表现雄性完全不育，陆地棉的绝大部分品种可作它的保持系而恢复系很少。印度1977年棉花一代杂种的种植面积已达1200万亩，比推广品种显著增产。但是，其中绝大部分是用核不育系或人工去雄法杂交制种的。中国农业科学院棉花研究所已经引入上述雄性不育系，供有关单位研究。

油菜有白菜型、甘蓝型和芥菜型三种。四川省农业科学院从白菜型油菜中选出了雄性不育系。湖南省农业科学院从甘蓝型油菜户选出了湘一型不育系，1979年种植一代杂种80000亩，增产30%。云南省农业科学院初步选出了芥菜型三系。最近还从国外引人一些不同类型的油菜雄性不育系，中国农业科学院油料研究所正在进行研究。补充讲义：第七章染色体变异第三节单倍体（一）、诱导产生单倍体的方法在1964年以前，诱导产生单倍体植株的研究都是试图在孢子体上诱发巳经减数分裂的成熟单倍卵细胞，不经过受精而启动分裂、发育成单倍体胚，从而得到单倍体植株。最初的研究大多用异种、属远缘杂交，高、低温处理植株及用X光照射花粉后授粉的方法，然后从后代中选出单倍体；或是由天然产生的双生苗中选出单倍体幼苗。自1964年后．离体培养花药及未受精子房产生单倍体植株的研究报道日益增多，在许多不同的物种中均得到单倍体植株，同时通过种间杂合于分裂形成幼胚的过程中，有丝分裂时亲本之一的染色体逐渐消失的途径，最终获得单倍体幼胚的研究也取得很大进展，巳用于大麦的育种。现将各种诱导方法按诱导过程中是否须离体培养归为两大类分别叙述于后。1.1组织和细胞离体培养早在1902年，德国学者HaberlandL曾进行植物组织和细胞的离休培养实验。当时的实验只能使细胞存活一段不长的时间，而不能引起细胞的分裂。到1930年以后才确立了植物的组织培养法O1950年以后实现了植物细胞的培养。井肯定了植物细胞的“全能性”即植物体细胞在离体培养的一定条件下，能诱发其器官分化和再生成植株的能力。人们通过多次的组织培养实验，积累了经验；到1964年印度S．Guha和S．C．Maheshwari（1964）用毛叶曼陀罗的花药经过培养，获得增殖的瘤状突起——愈伤组织及具有根、由和子叶的胚，从这些胚中发育成很多正常的苗。随后于1966，1967，他们的报道证明这些胚状体起源于花粉。从而达到人工诱导花粉粒获得单倍体植物的目的。这是人工诱导被子植物花粉产生胚状体和幼苗植株的第一个报道。之后法国Bourgin和Nitsch（1967），日本的中田和男，田中正雄（1968），法国

NittCh，NittCh（1969）等分别获得烟草和烟草属的单倍体植株。曼陀罗和烟草都属于双子叶植物的茄科。新关宏夫、大野清春（1968）首先从单子叶的禾本科水稻花药，培养诱导出单倍体植株。1971年中国科学院遗传研究所欧阳俊闻等以普通小麦为材料，中国科学院植物研究所孙敬三等以小黑麦为材料，通过花药培养技术获得单倍体植株。至1983年Maheshwari等在其综述中提到用花药培养方法在34个科88个属的247种的被子植物中获得了单倍体。我国花药培养研究，始于1970年，其研究初期主要集中在小麦、水稻、玉米、烟草等禾谷类和经济作物上，随后也获得了花粉来源的三叶橡胶、甘蔗、杨树、茄子、甜菜和油菜等单倍体植株。以后又在果树等经济作物如柑桔、葡萄、草落、苹果和荔枝等中获得花粉单倍体植株。与此同时，我国科学家研究了改进培养基，提高诱导绿苗频率的各种条件和方法，不断提高培养技术水平，并在此基础上开展了花粉单倍体细胞遗传学和花粉胚胎发生的细胞学和亚显微结构研究等理论问题的探讨O此外，我国科学家重视将花药培养这一新技术与杂交有种方法相结合，选育水稻、小麦、烟草和玉米等重要经济作物的新品种、新品系和优良自交系及杂交组合等，并已将这些成果应用于农业生产。上述研究结果，在我国花粉单倍体育种和遗传学研究上形成了特点，具有优势，受到国外同行的重视。1.2在植物体上诱发单性生殖产生单倍体抱子体的途径很多，除自体组织培养的方法外，在植物孢子体发育成熟行减数分裂后进人有性世代形成配子正处于开花期的植株上，进行人工诱导促使配子单性生殖的方法也可获得单倍体抱子体。按诱发时利用的动因的不同，大致可分为生物学的、物理学的和化学药剂处理三大类。（1）用生物学动因诱发

国内外的研究者常用的、较有效的方法有下列五种。1）异种、属花粉授粉

亲缘较远的花粉不易使母本的卵细胞受精而又能刺激卵细胞发育，因此可产生单倍的或经核内复制形成的二倍的胚。Jorgensc。（1928）曾对茄属龙葵与黄茄杂交后代中似母本的单倍体植株的产生，进行细胞胚胎学的研究，发现用黄茄的花粉给龙葵授粉后出现的极少见的现象：花粉管进人珠孔，其先端在卵细胞中开放，二个雄核都停在卵核周围，与正常受精的情况显然不同，雄核弯曲围拢，随后终于崩解消失。看来只对卵细胞起一种刺激作用，证明了单倍孤雌生殖的一种情况。另一种情况是黄茄的一个精子与龙葵胚囊的中心核融合产生胚乳，而另一个精子则退化仅起刺激卵细胞作用即所谓假配合。2）延迟授粉

玉米延迟授粉时也能提高一倍体的频率，Randolph和Chase先后曾发现此种现象。Seaney（1954）在“B8XOh518A”的延迟授粉的研究中，观察到最后一个延迟20天的处理，后代单倍体出现频率最高，为22／6366，即0．35%；为延迟4天授粉时的8倍。Gerrish（1956）在一项单交“Oh43XA240”的试验中发现在玉米吐丝后5天、9天、13天授粉，后代中单倍体出现频率分别为0．074%、0．143%及0．533%。就玉米来说，在不寻常的季节或环境条件下，花丝和胚珠的生活力虽经21天也不致于大部或全部丧失；而成熟的卵细胞较易诱发单性生殖。所以有时延迟授粉的最适时间须根据气候和环境条件作适当的调整。3）半配合

是凭借一种异常型的受精，一个减数或未减数的糖核进人卵细胞，但未发生核配合；也就是未与印核融合，接着雌、雄两核都独立地分裂。这样，雄配子与雌配子都参与了胚的形成。因此胚的一部分包含有来源于雄配子的核，结果长出的幼苗是锻合体，是具有起源于母本和起源于父本组织的扇形体，但到植株开花期就可以从植株中区分出已成为单倍体的植株。4）异种属细胞质一核替代系

Mozoti和Mhhlenbers（1958）进行一项异种属细胞质对玉米单性生殖效应的研究，曾发现核基因型相同为abcrplg.il的原种A系和B系，其差别仅只是A系具有玉米的细胞质而B系则具有大刍草的细胞质，在用核基因型为ABCRPIGL.Ij的C系作为授粉者进行授粉时，两年的结果B系XC系每千个后代出现单倍体的频率均高于A系XC系，至少其中一年的差异显著，说明细胞质的不同对单性生殖比率上的效应是明显的。

5）双生苗中分选

裸子植物中形成双胚或多胚是普遍的现象，在被子植物中只有韭菜、柑桔属、村果属内较常见，其他属中只是偶然发现。例如，在棉花中分别为87．5％及0.025%-0.05%。所以从双生苗中选出单倍体，也是获得单倍体的一种方法。（2）用物理学动因诱发

1）射线照射

在开花前至受精的过程中用射线照射花以影响受精过程，或将父本花粉经过射线处理后给去雄的母本授粉以影响其参与受粉作用的效能，使其仅能刺激卵细胞分裂发育，可诱发单性生殖产生单倍体。太原均（1940）认为，X射线照射的花粉发芽和花粉管生长缓慢，致使受精延迟，因而起到和延迟授粉同样的诱导效果。Kimber和Riley（1963）认为，植物在减数分裂后被照射，或用照射过的花粉授粉，往往能促使卵细胞单性生殖的原因可能是：双核花粉被照射时，生殖核尚未发生有丝分裂，经照射损伤，丧失生活力，而此时如果营养核仍有机能时，花粉能萌发，花粉管也能在花柱上生长，但因生殖核已无生活力，所以只能刺激卵细胞分裂发育，而不能起到受精作用。2）热中子流辐射

Ecochard等（1974）用两等位基因的番茄品系，一个具有显性的幼苗标记基因、HI和AW（有毛的紫色下肢轴）．另一个在这两基因位点是隐性。两个品系的植株从苗期起就在营养液中生长；培养具稳性基因h1aw的品系的营养液中包含有90%15N的硝酸盐，而具显性基因H1，AW的品系则培养在含有纯14N的硝酸盐的营养液中。将两者进行交互授粉，正当花粉营生长时将所有植株置于辐射室暴露在热中子流中24小时。这个处理促使含14N物质的全部细胞核受干扰而含15N物质的则不受损伤，结果母本14N植株的生育力严重地降低，在后代中未发现雄核发育起源的单倍体。

2.单倍体的鉴别与二倍化2.1单倍体的鉴别

根据单倍体植物的结构特点、形态特征，可以初步地将它与其原始二倍体亲本区分出来，但最终的鉴别仍须用细胞学的方法镜检其染色体数目，才能确定。尤其是伴随着单倍体同时出现的不同倍数性个体、嵌合体及非整倍体时，更是如此。（1）形态特征上的区别

一般来说，单倍体的形态除缩小外，极似其二倍体亲本，如同复制品。因单倍体植物是整倍体系列中具有最少一套平衡染色体的成员，和相应的二倍体有同样的一套基因．从而表现型也就有相同的性状。但是由于染色体数目比相应的二倍体减少一半，对性状的表现有所影响，使单倍体植株具有稍微不同于相应二倍体的特征和改变的某些细胞遗传学特点。首先，单倍体细胞染色质的量仅为二倍体细胞质的一半，因而它的细胞和核变小。如烟草、月见草、番茄的单倍体植物的根尖细胞几乎比二倍体植物的小一半。牵牛单倍体的花瓣、叶、茎、雄蕊，雌蕊各部分细胞及花粉母细胞与二倍体相比较，都显然变小。由于细胞变小导致营养器官和繁殖器官变化及植株矮化。如玉米单倍体的成株约为基因型相同的纯合二倍体姊妹株高度的70%，叶面积约为后者的35%（Chase；1964）。一粒小麦单倍体的秆高为二倍体个体的63%，穗长为70％，叶长和宽则分别为66%及73%（知崎，1934）。此外，单倍体植物的特点是：开花较早，延续时间长；花不正常、败育，结的果实少而小；具多种子的果实，如烟草、番茄、棉只结极少量种子（1—2粒）。烟草的单倍体植株矮小，叶片、花、花药、气孔均较小，花序较紧密、花较多，花丝比柱头短，其相应的二倍体则相反，很容易区分。需要指出的是，除了单倍休植株一般较小外，生活力不一定弱。如果同源二倍体玉米生活力强，则单倍体的生活力也强，反之也一样。除非是和杂合体相比较来说，否则把“较弱的植物”作为单倍体的特征是一种误解（Chase，1964）。密穗小麦、普通小麦及（2n=20）的单倍体，有时和其亲本二倍体一样茂盛，而且有时多倍单倍体能超过亲本。甜菜单倍体在开花期间表现出营养生长过旺，枝条生长得比二倍体还要长。（2）生理生化特性的区别

除上述形态上的区别外，有人试图由生理生化方面研究单倍体与二倍体间的差别。Tyecba（1973）研究一倍体和二倍体玉米在吐丝期叶片纤维部分无机水和有机水的相互关系和抗坏血酸的含量。发现当玉米由二倍体转变为一倍体水平时，不仅有形态特征和解剖结构的改变，而且有组织的化学成分的改变：无机水的含量减少，有机水和抗坏血酸的含量增加。TNpeoa等（1973）发现，用剂量为20—40X103伦琴射线照射单倍体烟草的叶片时，叶片组织坏死出现得比二倍体叶片快得多。以剂量为150—200x103伦琴射线照射单倍体和一倍体玉米时也发现类似现象，认为据此敏感性差别可以鉴别出单倍体。但是，在大量材料中按外部形态学和解剖学的性状鉴别出单倍体植株是件相当繁重复杂的工作，因为一般单倍体植株与其相应的二倍体植株差别很小。如密穗小麦和普通小麦的单倍体在外形上很像二倍体，只是穗子稍小，不育性高。因减数分裂不正常，花粉有95—99%是败育的。因而检查花粉质量可较准切地鉴别单倍体，不育性是可靠标志。然而对多数既不能无性繁殖又不能保存植株的一年生种子植物来说，在生育的后期．如开花期，才能初步鉴定出单倍体，则已无法使其二倍化，势必无法得到种子。所以在育种实践上要求一定要在早期鉴别出单倍体。为解决此问题最方便、实用的方法是利用遗传标志，才有可能在大量材料中筛选出单倍体，减少根据形态上差异分选时常有的误差。（3）遗传标志的应用

许多遗传标志系统可用来早期识别玉米单倍体，能将母本单性生殖的单倍体和杂种后代区分开。也能分辨出起源于父本的雄核发育的单倍体。例如，用具有遗传标志基因紫色性状的玉米原种为父本，给不具紫色的玉米授粉，然后在后代中查找无紫色的幼苗，它不同于显现出紫色的杂种，可能是母本单性生殖产生的单倍体，可进一步用细胞学的方法坚定出真正的单倍体。无紫色的幼苗中可能包括有下述原因形成的二倍体类型：在标志基因上发生突变的突变体或染色体缺失的二倍体杂种；带有一些强有力的、颜色抑制因子的基因的杂种；因染病而抑制了颜色表现型发育的杂种；母本二倍体；和起初为单倍体而随后发生了染色体加倍的一些二倍体（Chase，1952）。（4）细胞学的鉴定

对于根据形态特征或标志性状初步挑选的诱导当代植物的种子（SG1）或幼苗须经细胞学的鉴定，检查其体细胞染色体数方能最后确定是单倍体还是二倍体。如为单倍体时即须使其染色体数加倍成为纯合的二倍体。如果检查结果是二倍体时，则有可能是未受精的单倍卵细胞在开始分裂时经自体融合（或核内复制）形成的纯合二倍体；但也不能排除其他原因产生的杂合二倍体，尤其是来利用遗传标志基因时更是如此。在此种情况下，若母本是种内杂种FI时，则须观察今后代遗传性状是否一致，然后才能肯定是否来源于母本单性生殖。对于用离体培养花药、未授粉子房成胚珠得到的植株来说，如在培养过程中能及时发现并排除偶然发生的、来自体细胞的愈伤组织，则只需鉴别得到的幼苗是单倍体或是在培养过程中自然加倍的纯台二倍体即可。在检查单倍体根尖细胞染色体数时，应注意到：由于单倍体植株浪尖细胞具有二倍化的倾向，也就是细胞中染色体组可能自然加倍，因而使根据染色体的计数来鉴别单倍体时有可能引起差错。玉米根尖细胞二倍儿的频率因其单倍体的基因型而异。已知烟草属内的一些种的单倍体植株的根二倍化或成为嵌合体的百分率因物种的不同而异。所以在单倍体烟草的根尖中经常发现二倍体的细胞群；在单倍体番茄的幼根中也曾发现过形成相当多的二倍体细胞。陈英等（1974）在水稻单倍体与二倍体嵌合植株的根尖细胞中发现混倍体现象。关于此种现象片山义勇有较详细的论述。因此必要时可对需鉴别的植株的幼叶或花芽细胞进行染色休的计数，或检查孢原组织细胞或花粉母细胞，以确定其倍数性。2.2单倍体的二倍体化单倍体植株不能结实，对于不能无性塑殖的植物单倍体来说，欲得到后代必须在其转人有性世代之前使其染色体加倍．即二倍化，方能形成有效的配子，恢复育性，产生纯合二倍体种子。促使植物染色体加倍的研究使遗传与育种学者认识到，加倍技术必须是高效率的，加倍成功比率高，损伤植株的危险性小，处理时间短，而且在大规模应用时容易掌握。在众多的加倍方法中，较有效而方便的是用秋水仙素接处理正在细胞分裂中的植物分生组织、使新生器官染色体由于有丝分裂受到阻碍而加倍。须要注意的是，因被处理的物种不同，在处理的方法、时间、药剂浓度、环境温度及处理的植株部位和处理后对植株的管理上有所差别。关于这方面的研究报道甚多。一般来说，禾本科具须根系的大麦、小麦等宜用药浸根及分糵节；具直根系的双子叶作物棉花等，则宜处理其顶部生长点，效果较好。3.单倍体的遗传及其利用3.1应用的可能性为了将获得的离体培养诱发的单倍体应用于作物改良和遗传学研究，首先应该了解单倍体的遗传学特征。概括起来是：迅速纯合化和提高选择效率；在植株水平上各种配子类型较充分地显现以及离体培养诱发的单倍体易产生变异体。（1）迅速纯合化和提高选择效率

单倍性及随后的染色体加倍保证了基因组的纯合性。对很多物种，包括水稻（陈英等，1978），小麦（胡合等，1979）、大麦（KasLa及Reinbergs，1980）、烟草（Coffins及Legg，1980）及油菜（Wenzel，1980）的研究表明加倍单倍体表现上的稳定和表型变异相当于近交产生的纯合系。对自花授粉作物，如谷类作物，一个纯合的基因型是成为一个新品系的基础，所生产的每一株单倍体都有成为一个新品种的潜力，而在异花授粉作物中，加倍单倍体更有可能成为同其他品系（自交系）配制单交种或双交种的亲本之一。

对所有作物来说，加倍单倍体优于常规育种程序之处为单倍化及随后的染色体加倍所带来的迅速纯合化，即在一个世代中获得纯合的二倍体，其后代表现整齐一致，没有分离。这可从两个方面提高育种的效率：

1）节省时间，加倍单倍体方法是使杂交育种品系纯合的一种最快的方法。2）提高选择效率，这可能是应用加倍单倍体系统最大的优点。（2）在植株水平上各种配子类型较充分地显现

花粉植株后代表现出多样性，其中有倾向父本或母本的类型，也有结合双亲性状的中间类型。这是因为杂种的花粉粒是杂合的，因此杂交双亲的不同基因组合表现在每一个花粉粒中。如果用花药培养方法将杂种的花粉诱导成花粉植株，那么花粉植株（H1）就将显示双亲的各种基因型，这一现象正在水稻（陈英等，1978），小麦（胡含等，1979）和烟草（山东烟草研究所和中国科学院植物研究所，1974）等为材料所作的试验得以证明，观察到花粉植株后代的多样性。

用杂合材料的花药进行培养。所获得的花粉植株表现多样性，实质上是说明花粉粒中各种重组类型在植株水平上充分显现。如果采用远缘杂交进行花药培养，对此问题将可得到进一步的说明与明显的证据。（3）诱导单倍体的变异性

近年来，科学家们很重视诱导单倍体植株的遗传稳定性和变异性，这是因为这一问题与诱导单倍体在遗传学研究与育种工作中的应用有关。下面仍以花药培养所诱导的单倍体为例。我国科学家多年的试验结果表明在小麦（胡含笑，1978，1979），水稻（陈英等，1978），玉米（谷明光等，1981）和烟草（徐惠君等，1980）未经过选择的花粉植株的群体中观察到：大约90％的双单倍体品系是遗传上一致的。同时约10%的再生植株是变异体。

许多遗传学家和育种学家很重视细胞（组织）培养中的遗传变异性，因为这种变异在作物改良中被视为创造遗传资源的重要来源，是育种工作的重要基础。动物，植物组织的培养细胞在染色体的数目和结构上是不稳定的。这种现象在花粉植株中也观察到。这类变异包括基因突变和染色体变异，并且表现在再生植株的染色体的倍性和结实性等方面。今以小麦为例，一般缺体、单体、三体和四体植株来源于单倍体或是来自不同倍性植株的杂种后代，或是由于物理的或化学因子处理的结果。这一结果是因为减数分裂过程中染色体配对没能成功的缘故。通过花药培养，除了大量的约90％的单倍体和纯合的二倍体外，胡会等曾以品种间杂种为材料获得过五倍体、八倍体等异倍体、以及单体、三体和四体等非整倍体。3.2单倍体植物的利用单倍体植物可以用来解决它的二倍体亲本种的起源、遗传组成等一系列的理论问题，同时可用于植物的育种实践：快速育种；提高选择效率；经过重组（杂交和远缘杂交）和诱变，迅速转移新基因，从而获得新类型或新品种；此外还可利用单倍体产生纯合二倍体代替自交系；产生非整倍体等。（1）理论研究

应用单倍体材料可以查明其原始亲本种的染色体组的成员。单倍体植物减数分裂的特征，形成二价染色体的可能性及其数目和形状能够说明有无同源染色体和染色体组参与单倍体的组成。假如在减数分裂时发现大量的二价染色体，也就是发生同源染色体的配对，同时单倍体植物表现出高度的可育性，则这些特征就说明有相同的染色体组参加到核的组成成份，因此可以推测；产生此单倍体植物的相应的二倍体类型是起源于多倍体。例如，Thompson（1956）在研究甘蓝单倍体植物的减数分裂时，观察到在一个细胞范围内常常形成1—2个二价染色体以及存在有染色体的次级联合，因而推测：这个物种的染色体组成员不是9个染色体二是6个，也就是有3个染色体重复了一次。（2）选育新品种

为了育种的目的，采用杂种后代，特别是杂种第一代的花药作为材料进行培养，双亲优良的互补性状能够结合在花粉植株中同时纯合的植株能够在一个世代中直接获得因此与常规杂交育种方法比较，花粉单倍体育种法将缩短育种周期3至4个世代。其他单倍体育种法的效果与花粉单倍体育种法类同。（3）单倍体在诱变育种上的应用

利用单倍体诱变育种时．突变体的形成可在营养体阶段直接发现和选择，甚至那些不能经过有性阶段的突变体也可能获得。若应用细胞培养技术则在仅能获得和繁殖极少数个体的情况下，按照武部（Takebe）等（1971）提出的方法，也可能用以准备出极多的分离细胞和原生质体；用微生物学和遗传学的方法，这些细胞和原生质体能容易地引起突变并