育种学 第10章 倍性育种

2024/6/20河北农业大学农学院1第十章倍性育种（3学时）三倍体无籽西瓜四倍体葡萄三倍体葡萄三倍体香蕉-无籽二倍体香蕉-有籽四倍体金丝小枣多倍体高粱2024/6/20河北农业大学农学院8整倍体育种：染色体加倍的多倍体育种染色体减半的单倍体育种倍性育种：人工诱发植物染色体数目发生变异，以其所产生的遗传效应为根据的育种技术。植物的染色体数是相对稳定的，但在人工诱导或自然条件下也会发生改变，这种改变常导致植物形态、解剖、生理生化等的变化。2024/6/20河北农业大学农学院9第一节多倍体育种第二节单倍体育种第一节多倍体育种1916年Winker在研究Salanumnigum嫁接时从愈伤组织得到了四倍体植物，首先引入了多倍体这一概念。多倍体植物在自然界中普遍存在，并被认为是推动植物进化的重要因素，是物种形成的途径之一。自然界中大约一半的被子植物，2/3的禾本科植物，80%的草类，18%的豆类是多倍体。蓼科、景天科、蔷薇科、锦葵科、禾本科和鸢尾科中多倍体最多。在果树中约有半数以上的树种含有多倍体类型或为多倍体种，常见的果树如苹果、梨、葡萄、柑橘等，均含有多倍体类型。而且，果树中的多倍体类型多种多样，从三倍体、四倍体到八倍体甚至十二倍体都有，这说明多倍体对于果树种质形成有相当重要的影响。与此同时，多倍体育种在农业生产上也产生了深远的影响，多倍的植株具有茎粗壮、内含物多、抗逆性强、耐贮运等特点，因而多倍体品种将大大增强植物的观赏价值和商品价值。2024/6/20河北农业大学农学院12一、多倍体的概念和种类一个属内各个种所特有的、维持持其生活机能的最低限度数目的一组染色体，叫染色体基组(genome)。各个染色体组所含有的染色体数目称染色体基数（x）稻属X=12、小麦属X=7、玉米属X=10、棉属X=13、高粱X=10、甘薯X=15

马铃薯X=12、苹果属X=17第一节多倍体育种2024/6/20河北农业大学农学院13多数植物属内的物种染色体基数相同；有的植物属内存在几个染色体基数不同的种；同一属的植物种在染色体数目上还表现出倍性的变异，如茄属的马铃薯有：二倍体（2x=24）三倍体（3x=36）四倍体（4x=48）五倍体（5x=60）2024/6/20河北农业大学农学院14异源多倍体（allopolyploid）：来自不同种、属的染色体组构成的多倍体（由不同种、属间个体杂交得到的F1再经染色体加倍得到的多倍体）。多倍体育种：用人工的方法诱发植物形成多倍体，从中选育新品种的方法甘薯同源六倍体马铃薯同源四倍体香蕉同源三倍体陆地棉异源四倍体A1A1D1D1普通小麦异源六倍体AABBDD小黑麦异源六倍体AABBRR

异源八倍体AABBDDRR多倍体：体细胞染色体组在三个（3x）或三个以上的个体。同源多倍体（autopolyploid）：多倍体的几组染色体全部来自同一物种，多为二倍体直接加倍而来。2024/6/20河北农业大学农学院15香蕉的栽培种是尖叶蕉和长梗蕉杂交后进化而成的。香蕉的染色体基数为11，尖叶蕉产量较高、风味较佳，长梗蕉抗逆性较好。香蕉的基因型可分为二倍体，染色体22个；三倍体，染色体33个和四倍体染色体44个。二倍体香蕉产量较低。在生产上的栽培品种主要为三倍体香蕉。三倍体香蕉由于染色体配对发生紊乱，不能正常地进行减数分裂，不能产生种子，只能通过无性繁殖繁衍后代。具体做法：将地下块茎切成4～10个小块,每块含一个壮芽,按一定规格,芽眼朝上平放在畦面，复土后盖些稻草，待苗长至40～50厘米高时移栽；另一方法是通过吸芽分株繁殖，即让不定芽长成40～50厘米吸芽后，用长柄利铲将吸芽与母株相连处割离后移栽。2024/6/20河北农业大学农学院16面包小麦的演变野生小麦二粒小麦普通小麦AABBAABBDDAABBDD异源多倍体2024/6/20河北农业大学农学院17在同源、异源多倍体之间，还存在一系列过渡类型或复合在一起的多倍体：区段异源多倍体（Segmentalallopolyploid）

BBB1B1

同源异源多倍体（Autoallopolyploid）AAAABBBB

倍半二倍体（Sesquidiploid）

AABB×BBABB2024/6/20河北农业大学农学院18同源多倍体细胞内有两个以上的同源染色体，减数分裂时可联会形成多价体，使减数分裂行为出现异常现象，同源三倍体高度不育，同源四倍体部分不育。异源多倍体的染色体由两个或两个以上不同物种的染色体所组成，减数分裂时同源染色体能正常联会，不出现多价体，染色体配对正常，雌雄配子发育正常，结实率较高。天然多倍体中有很多重要农作物是同源多倍体，如马铃薯（2n=4x=48）是同源四倍体，甘薯(2n=6x=90)是同源六倍体，香蕉（2n=3x=33）是同源三倍体。1.多倍体植物由于染色体加倍，其外部形态特征和二倍体有明显的差别，主要表现在根、茎、叶的形态和大小上。2.多倍体植株的花器、花粉粒增大，花粉萌发孔增多，植株育性降低或完全不育，种子增大且种子萌发率弱。另外3.花粉的形状也存在差异，如西瓜四倍体花粉为正方形，二倍体为三角形。多倍体植物特征：4.有机营养物质成分及其含量变化由于生长缓慢，代谢强度改变，多倍体的化学成分如氮、碳化合物、植物碱等有机物含量增加。5.多倍体一般含有较多的维生素和矿物质，如四倍体番茄和甘蓝的维生素C含量均比相应的二倍体含量高。6.等位基因杂合性提高了它们的遗传多样性和适应能力，因此，多倍体对不良环境的抵抗力也比二倍体强。2024/6/20河北农业大学农学院21二、多倍体的由来与进化多倍体的形成是细胞分裂时染色体不分离而引起,有两种情况:1.有丝分裂时，染色体虽然复制了，但细胞没有发生分裂，从而使细胞核里包含了比原来多一倍的染色体，产生了多倍体。2024/6/20河北农业大学农学院222.减数分裂时，染色体没有减数，仍停留在一个细胞核里，从而形成二倍性的生殖细胞,这种未减数的2n雌、雄配子结合，发育成四倍体；但由于2n雄配子在授粉过程中常竞争不过经减数分裂的n雄配子，因而会出现未减数的2n雌配子与减数的雄配子相结合形成天然三倍体。2n=6

二倍体亲本未减数的二倍体配子4n=12

四倍体受精卵错误的减数分裂自我授粉后代存在可育和自我繁殖的可能2024/6/20河北农业大学农学院23三、多倍体育种的意义器官相对的巨大化、某些营养成分含量高、育性低、抗性强。如四倍体葡萄果粒大、味甜；四倍体番茄维生素C的含量高；四倍体萝卜主根粗大,产量高；三倍体西瓜和香蕉无籽。2.远缘杂种的染色体加倍，克服远缘杂交的困难，合成新类型或新物种；3.通过诱导多倍体作为不同倍性间的遗传桥梁，可实现基因转移或渐渗。2024/6/20河北农业大学农学院24奇数多倍体(3x,5x,7x)：通常表现不育（利用：果实无核)偶数多倍体(4x,6x,8x)：可育，器官的巨型性(利用：固定杂种优势）2024/6/20河北农业大学农学院25器官的巨型性2n8n2024/6/20河北农业大学农学院26作为不同倍性物种间杂交的桥梁X小伞山羊草（二倍体）二粒小麦（四倍体）异源多倍体X具有小伞山羊草抗锈基因的普通小麦普通小麦2024/6/20河北农业大学农学院27四.诱导材料的选择1.选择天然多倍体比重高的植物;2.选择综合性状好的品种；3.染色体倍数少材料;4.选择杂合性高的材料;5.选择收获营养器官的植物或无性繁殖的植物。2024/6/20河北农业大学农学院28五.人工诱导多倍体的途径和方法

途径自然诱导人工诱导物理因素诱导化学因素诱导生物因素诱导（一）自然发生多倍体的自然发生包括合子的染色体加倍，配子形成时的染色体未减数等方式。其中合子的染色体加倍是指二倍体产生少数四倍体细胞或四倍体组织，如四倍体月见草的自发形成等。配子的染色体未减数即未减数的雄配子(2n)与减数的雌配子(n)结合，形成三倍体，三倍体继而产生未减数雄配子(3n)与减数的雌配子(n)结合，又可形成四倍体。有时未减数的雄配子(2n)与未减数的雌配子(2n)结合，直接形成四倍体。据不完全统计，已在85个属的植物中发现过2n配子，故认为这种方式是自然界多倍体形成的普遍方式。此外不联合基因的配对也会使其产生多倍体。（二）人工诱导1.物理因素诱导：用于诱导多倍体的物理方法有温度激变、电离辐射、机械创伤、离心力等物理因素诱导染色体加倍。孙清荣等通过γ-射线照射梨试管苗，诱导产生多倍体变异。咖啡花粉母细胞减数分裂时，用骤变低温(8~10℃)直接处理花器官，可获得大量二倍性花粉粒；另外，一些愈伤组织内的染色体能自然加倍，发育成多倍体枝条。但物理方法由于效率低且不稳定而未能普及利用。2024/6/20河北农业大学农学院312.化学因素诱导：应用于研究及生产中的化学试剂有各种植物碱、麻醉剂、生长素等，其诱导效果不佳，成功率很低。目前，秋水仙素是诱变多倍体效果最好的药剂之一。化学药剂：秋水仙素；氧化亚氮；吲哚乙酸；萘嵌戊烷。

化学诱导又可分为活体诱导和离体诱导两种基本方法。活体诱导处理部位可为种子、幼苗、芽等，诱变率一般在0.1%~1%。刘惠吉等用0.4%的秋水仙素水溶液处理具2~3片真叶的短白梗白菜幼苗，选育出了四倍体白菜“热伏2号”。目前，通过此方法已经在叶菜类、花菜类、根菜类、瓜类、茄果类等蔬菜作物上获得了同源四倍体、三倍体品系。但是这种传统的活体诱导处理方法具有诱变率低、嵌合率高、获得的四倍体植株稔性低、不易获得大量四倍体等缺点。离体培养结合化学诱导剂处理获得多倍体的频率比较高。在染色体加倍实验中，以其容易控制实验条件和重复实验结果，提高工作效率，减少嵌合体等优势而逐渐受到重视。离体材料一般是愈伤组织、胚状体、茎尖组织或子房、原生质体。秋水仙碱，一种生物碱，因最初从百合科植物秋水仙中提取出来，故名，也称秋水仙素。纯秋水仙碱呈黄色针状结晶，熔点157℃。易溶于水、乙醇和氯仿。味苦，有毒。秋水仙碱能抑制有丝分裂，破坏纺锤体，使染色体停滞在分裂中期。这种由秋水仙碱引起的不正常分裂，称为秋水仙碱有丝分裂。在这样的有丝分裂中，染色体虽然纵裂，但细胞不分裂，不能形成两个子细胞，因而使染色体加倍。自1937年美国学者布莱克斯利（A.F.Blakeslee）等，用秋水仙碱加倍曼陀罗等植物的染色体数获得成功以后，秋水仙碱就被广泛应用于细胞学、遗传学的研究和植物育种中。秋水仙素诱导多倍体1）秋水仙素诱导多倍体的原理

细胞有丝分裂时，秋水仙素可抑制微管的聚合过程，不能形成纺锤丝，使染色体不能排在赤道板上，也不能分向两极，从而产生染色体数加倍的核。2024/6/20河北农业大学农学院35（2）药剂浓度和处理时间先把秋水仙素配成水溶液、羊毛脂制剂等。常用的水溶液浓度为0.01%～1.0%，以0.2%最为常用。处理的有效浓度、时间和方法因植物种类、部位、生育期等而异。一般采用低浓度、长时间或高浓度、短时间的处理方法。一般在30-35℃下，处理24小时左右。（1）处理植株部位的选择秋水仙素对处于分裂活跃状态的细胞有诱变作用。所以常用萌动或萌发的种子、幼苗或新梢的顶端作为诱变的材料。2．秋水仙素诱发多倍体的原则2024/6/20河北农业大学农学院36（3）秋水仙素诱导多倍体的方法①浸渍法可浸渍幼苗、插条、接穗甚至种子。处理时水溶液要避光。处理插条、接穗一般1-2天，处理后用清水洗净；处理幼苗时，为避免根系受害，可将嫩茎生长点倒置于盛有药剂的器具中；因秋水仙素阻碍根系发育，故处理后用清水洗净种子，可用生长素促进根的生长。②涂抹法把秋水仙素按一定浓度配成乳剂，涂抹于幼苗或枝条顶端，适当遮盖处理部位以减少蒸发和避免雨水冲洗。2024/6/20河北农业大学农学院37③套罩法保留新梢的顶芽，除去顶芽下面的几片叶，套上内装有一定浓度的药剂和0.6%的琼脂的防水胶囊，经24小时可去掉胶囊。④滴液法处理较大植株的顶芽、腋芽时，常用浓度为0.1%-0.4%，每日滴一至数次，并反复处理数日，使溶液透过表皮浸入组织内。也可先用脱脂棉包裹幼芽，再滴药剂把棉花浸湿。2024/6/20河北农业大学农学院381.胚乳培养胚乳是双受精的产物,是极核和雄配子融合发育而成，属于三倍体。一般经过消毒、剥离、接种、诱导产生愈伤组织、转移至不定芽或胚状体培养基、分化绿苗（三）生物因素2.细胞融合也称体细胞杂交，其程序大致为：制备亲本的原生质体,原生质体融合、培养、再生植株，杂种鉴定。通过电融合和PEG融合等方法将原生质体融合，经培养产生愈伤组织，再诱导分化为杂种植株获得异源多倍体和同源多倍体。Cardi等利用电融合技术将马铃薯和野生种的二倍体原生质体融合，得到了比亲本更有活性的再生植株，同时杂种株获得了野生种的耐冷性、高比重、有丝分裂突变率高等特性。2024/6/20河北农业大学农学院403.体细胞无性系变异体细胞有时也会出现染色体数目的变异，形成多倍性芽变。如四倍体大鸭梨就是二倍体鸭梨的芽变，四倍体大粒玫瑰香是二倍体玫瑰香的芽变。在小孢子和大孢子时期减数分裂异常产生2n配子，通过单向多倍化(双亲之一产生2n配子)或双向多倍化(双亲均能产生2n配子)均能提高杂交后代的倍性水平，以此方法获得的四倍体比用秋水仙素处理获得的四倍体稔性提高快。王子欣报道以秋水仙素处理诱发产生的结球白菜四倍体为母本与二倍体结球白菜杂交，获得了新的同源四倍体。刘学岷等用5个不同包球类型并含有2n配子的二倍体大白菜与四倍体大白菜杂交，选育出具有不同熟性、抗逆性强、品质优良的大白菜材料和多育1、2、3号杂交一代。利用2n配子可便利地转移抗性基因，如马铃薯的细菌性萎蔫病在湿热条件下发生严重，其四倍体栽培种的抗性较弱，Watanabe等用抗病的二倍体与感病的四倍体杂交，获得了抗病的四倍体后代。4.有性杂交培育多倍体2024/6/20河北农业大学农学院42三.多倍体植物的鉴定1.间接鉴定（形态、解剖特征、育性等）：比较直观的方法是形态鉴定法，如瓜类多倍体发芽和生长缓慢，子叶及叶片肥厚、色深、茸毛粗糙而较长；叶片宽、厚或有皱褶；茎较粗壮，节间变短；花冠明显增大，花色较深等。同源多倍体在植株形态上多呈“巨大性”。此外，还反应在叶绿体数目、气孔、花粉粒大小变化上。2.直接鉴定：检查花粉母细胞或根尖细胞染色体数目2024/6/20河北农业大学农学院44四、多倍体材料的加工和选育利用（一）多倍体材料的加工和选育人工加倍得到的多倍体需进一步加工、选育才能利用。诱变的多倍体群体要大，在这样的群体内才能进行有效的选择。得到的多倍体类型不一定就是优良的新品种。要进行选择，淘汰失去育种价值的劣变，选择经济性状优良的类型进一步鉴定培育。也可进行多倍体间杂交。（二）人工育成多倍体的应用花卉植物果树类植物异源多倍体小黑麦三单倍体甜菜和三倍体西瓜同源四倍体黑麦，同源四倍体葡萄2024/6/20河北农业大学农学院45小黑麦四倍体小麦(2n=AABB=28)普通小麦(2n=AABBDD=42)F1(n=ABR=21)F1(n=ABDR=28)六倍体小黑麦(2n=AABBRR=42)八倍体小黑麦(2n=AABBDDRR=56)二倍体黑麦(2n=RR=14)Chromosomedoubling果树倍性育种中存在的主要问题及对策多倍体育种途径多种多样，以秋水仙素诱导体细胞加倍最为常用，但嵌合体现象严重，嵌合体纯化费时费力。通过愈伤途径或胚状体途径诱导多倍体，可望实现加倍后的单细胞再分化成苗，理论上这种途径所形成的多倍体均为纯合体，可避免嵌合体的出现，使直接诱导同质多倍体成为可能。已有研究表明，多倍体的倍数不是越多越好。作者在试验中发现，枣树的八倍体生长缓慢，叶片没有表现出多倍体的巨大性，难以在田间存活。每种植物都有其最适的染色体倍性，应确定合适的倍性作为育种目标。从育种和生产实践来看，苹果是以二倍体和三倍体为主，葡萄和樱桃主要是二倍体和四倍体，梨和枣主要是二倍体、三倍体和四倍体，柿主要是六倍体，但无核的三倍体葡萄育种正在受到高度重视（王同坤等，2004）。2024/6/20河北农业大学农学院48第二节单倍体育种（haploidbreeding）一.概念、种类和特点1.概念单倍体:具有配子体染色体数目的孢子体。单倍体育种:人工诱导单倍体,并使其成为纯合二倍体，从中选育出新品种的方法。2024/6/20河北农业大学农学院492.整倍单倍体种类一倍体：由二倍体植物产生的单倍体多倍单倍体：多倍体植物产生的含有一组以上染色体组的单倍体。

同源多倍单倍体：同源多倍体产生的多倍单倍体

异源多倍单倍体：异源多倍体产生的多倍单倍体2024/6/20河北农业大学农学院503.单倍体的特点（1）育性一倍体和异源多倍单倍体染色体形态、结构和遗传上彼此都有差别。在减数分裂时不能联会，所以不形成可育配子。同源多倍单倍体则可育。（2）遗传一倍体每个同源染色体只有一个成员，每一等位基因也只有一个成员。因此，通常控制质量性状的主基因不管原来是显性或者隐性，都能在发育中得到表达。单倍体一经加倍就能成为全部位点都是同质结合、基因型高度纯合、遗传上稳定的二倍体。2024/6/20河北农业大学农学院51二、诱导产生单倍体的方法（一）组织和细胞离体培养产生单倍体1．花药、花粉离体培养花药中的花粉发育时期是决定花粉能否形成单倍体植株的主要因素。在接种花药前需镜检花粉的发育时期，中央期或靠边期的单核期较易培养成功。2．未授粉子房、胚珠培养2024/6/20河北农业大学农学院52花药离体培养2024/6/20河北农业大学农学院53（二）在植物体上诱发单性生殖1．生物方法（1）远缘花粉刺激通过异种、属花粉授粉诱发孤雌生殖。远源花粉虽不能与卵受精，但能刺激卵细胞分裂并发育成胚。由未受精的卵发育成的胚是单倍性的（2）延迟授粉去雄后延迟授粉能提高单倍体发生频率（3）半配合精核进入卵细胞后不与卵核融合，雌雄配子分别进行分裂，形成代表父本和母本性状的嵌合体。2024/6/20河北农业大学农学院54（4）从双生苗中选择植物常出现双胚或多胚现象，双胚种子长出双生苗，可出现n/n,n/2n,n/3n,2n/2n等类型。玉米产生双生苗的频率是0.1%,其中n:n型占双生苗的30%；（5）利用染色体有选择的消失远缘杂交授精后的胚发育过程中，一个亲本的染色体消失，仅留另一亲本的染色体，导致形成单倍体。二倍体大麦×二倍体球茎大麦，受精卵发育形成幼胚、受精极核发育成胚乳过程中球茎大麦的染色体在有丝分裂过程中消失，最后形成具有大麦染色体的单倍体2024/6/20河北农业大学农学院553.化学方法

（1）马来酰肼处理雌蕊柱头再授粉，可诱导单倍体产生。

（2）甲苯胺兰、二甲基亚砜、植物激素等处理授粉后的子房

能诱导产生单倍体。2．物理方法从开花前到受精的过程中，用射线照射花可以影响受精过程；或将父本花粉经射线处理后再给母本授粉，仅能刺激卵细胞分裂，而不能受精；或者影响花粉管萌发和花粉管的生长，延迟受精，从而诱导单性生殖，产生单倍体。2024/6/20河北农业大学农学院56三、单倍体的鉴别与二倍化（一）单倍体的鉴别1．形态特征上的区别单倍体的细胞和核变小，导致营养器官和繁殖器官的变化，如植株变矮，叶片、花、花药、气孔变小，花序紧密，开花提前，花期变长，败育，结实少、小。2024/6/20河北农业大学农学院572．生理生化特性的区别根据单倍体减数分裂不正常，花粉败育率高，所以检查花粉的质量来鉴别单倍体更为准确，不育性是很可靠的标志。3.遗传学标记的应用

玉米胚有紫色胚尖（Pu－）和无色胚尖(pupu)之分，受一对基因控制，紫尖属于当代显性状，可用于检查籽粒是否为孤雌生殖的标记性状。棉花的牙黄性状2024/6/20河北农业大学农学院584.细胞学鉴定据形态特征、生理生化指标、遗传标志初步选出单倍体后，必须经过细胞学鉴定，检查染色