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1、第八章 多倍体育种,染色体基数的确定：在同一属植物中，以染色体数目最少的二倍体种子的配子染色体数为准，作为全属植物的染色体基数，包括这一基数的染色体称为一个染色体组（用x表示）只有一个染色体组的植物称为单倍体(一元单倍体)；有两个染色体组的植物称为二倍体；有三个或三个以上染色体组的植物统称为多倍体。多倍体育种：指利用多倍体植物进行选育，获得新品种的方法。,“多倍体系列”现象：在同一属植物内常存在一连串不同倍性的物种例如菊属植物，染色体基数x=9菊花脑，香叶菊为二倍体（2n=2x=18）甘野菊、野菊为四倍体（2n=4x=36）毛华菊、紫花野菊为六倍体（2n=6x=54）D.orantum（Hem
2、sl.）Kitam为八倍体（2n=8x=72）矶菊为十倍体（2n=10 x=90）,一、多倍体的类型与起源 1.分类依据染色体组的来源不同分类同源多倍体异源多倍体根据染色体数整数倍还是非整数倍性整数多倍体非整数多倍体(异数多倍体),（1）同源多倍体(autopolyploid)形成多倍体的染色体组来源于同一个物种。以A代表一个染色体组 AA为同源二倍体AAA为同源三倍体AAAA为同源四倍体如美国已育成同源四倍体的金鱼草、麝香百合等。,（2）异源多倍体（allopolyploid）染色体由两个或两个以上的不同物种的染色体组组成。A代表一个染色体组，B代表另一个染色体组，AABB表示异源四倍体。如
3、远缘杂种加倍，则形成了异源多倍体。一般也把异源四倍体称为“双二倍体”。,多花报春 X 轮花报春,2n=2x=18,2n=2x=18,加倍,四倍体邱园报春,F1,(2n=4x=36),如,（3）异数多倍体（非整数多倍体）指细胞中染色体数目有零头的多倍体。例如栽培菊花大多为六倍体（2n=6x=54）有的为47条染色体（即5x+2）有的为71条染色体（即8x1）,2.起源自然界中多倍体起源：（1）体细胞染色体加倍（2）细胞学上未经减数分裂的配子有性功能,（1）体细胞染色体加倍又包括：由合子染色体加倍产生多倍体植株；顶端分生组织部分细胞染色体加倍产生多倍体嵌合体。以上这两种体细胞染色体加倍的方式在自然
4、界中是非常罕见的。（2）细胞学上未经减数分裂的配子有性功能先形成2n配子,进而形成多倍体例如：与1n配子结合形成三倍体，与2n配子结合形成四倍体产生2n配子的途径不正常减数分裂，使染色体不减半；减数分裂后的孢子有丝分裂过程中，染色体加倍。,异源四倍体的形成也有如下三种方式：（1）二倍体种、属间杂种的体细胞染色体加倍；（2）杂种减数分裂两个物种的染色体没有联会，产生2n配子,两个2n配子结合成为双二倍体；（3）两个不同种、属的同源四倍体杂交也可以产生异源四倍体。,3.分布据统计，在植物界里约有1/2的物种属于多倍体禾本科多倍体几乎占3/4花卉中的多倍体也有2/3以上植物的自然演化地位越高，多倍体
5、物种的比例越大。一般认为在同一属植物中，二倍体植物是原始种，多倍体植物是衍生种。多倍体是高等植物进化的一个重要途径。,表9-2 显花植物中多倍体物种所占比重,在自然界中，由于温度巨变等因素，使生殖细胞的染色体数目未能减半，从而创造出多倍体植物类型。例如冰川入侵使古老的二倍体种难以适应恶劣环境而消失，多倍体新种由于适应能力强，所以在冰川退走之后，则以顽强的生命力占领了荒凉的冰山地区。如北美东部的冰川地区，阿尔卑斯山脉冰川地区，多倍体植物占多数，有些植物种甚至只有多倍体，而没有一个二倍体种，那些古老的二倍体积只能在冰川没入侵到的地带中才可找到。多倍体物种对环境具有较强的适应性，多分布于气候严峻或生
6、态条件变化剧烈之处.如北极、雪地、沙漠、高山地带等。,1938年，世界上第一个无籽西瓜在美国培育成功。美国的各大报刊纷纷以中国人育成无籽西瓜、无籽西瓜由年青华人育成为题，刊登了无籽西瓜培育者的事迹及照片。这个被誉为“无籽西瓜之父”的人，就是当时美国密执安州立大学研究院的果树研究生黄昌贤。他原籍广东,是华南农业大学教授。用植物激素处理西瓜雌花，果实小、成瓜率低，而没有应用于生产。同年，日本生物学家寺田甚七使用萘乙酸和吲哚乙酸处理西瓜雌花柱头，获得多倍体西瓜。年，日本首次培育成功三倍体无籽西瓜。,1950年，日本育成了个品种的无籽西瓜。无籽西瓜得到大面积推广中国从50年代至60年代初，进行无籽西瓜
7、的试种。1965年湖南无籽西瓜已销往港澳市场。,三倍体无籽西瓜的培育：,无籽西瓜体细胞染色体为33条，它在生殖过程中无法正常进行减数分裂，胚珠高度不孕，只能形成白嫩秕子，故称无籽西瓜。,三倍体毛白杨是北京林业大学毛白杨研究所朱之悌教授经过15年艰苦攻关所取得的系列新品种。三倍体新品系具有速生、优质等特点。国务院、林业部及有关省市领导多次专程赴基地视察，盛赞“三倍体毛白杨的育成是国之骄傲”，认为解决了我国北方林业尤其是工业用材林长期缺乏优良树种的难题，具有重大的生态、经济和社会意义。,中国水仙为三倍体，一般不结种实，蒴果由子房发育而成中国水仙虽为三倍体，却偶有能结实者。故与喇叭水仙等大花种杂交，
8、还是有可能获得种间杂种，集香花、多花和大花、晚花等双亲优点于一身的杂交种.,二、多倍体的特点 1.巨大性(1)细胞核、细胞以及组织器官等明显加大;(2)茎粗壮，叶片宽厚，叶色浓绿；(3)花果器官增大，花色艳；个别属除外，如香雪球（Alyssum）、决明（Cassia）。(4)种子较大而粒数少。(5)气孔与花粉增大植株高度不一定很高,2.生理特性发生变化新陈代谢旺盛酶的活性增强碳水化合物、蛋白质、维生素、生物碱、单宁物质的合成增强许多三倍体植物表现出明显的超亲优势。,但一些植物种的四倍体表现出生长矮壮枝条数少开花期和结果期迟结果少,3.适应性强具有耐紫外光、耐寒、耐旱等特性。例如，非洲西北部沙漠
9、中有一种画眉草属植物，该属有3个种：一年生二倍体种分布在多水的湖区边缘；多年生四倍体种分布在较干燥地区；多年生八倍体种则表现了极强的耐旱能力，分布在极端干旱的沙丘地带。多倍体杜鹃及醉鱼草多分布在我国西南山区，而二倍体只分布在平原。,4.多倍体种类育性降低同源多倍体生殖细胞常大量死亡原因：减数分裂时同源染色体难以正常配对或分离同源多倍体大多结实率降低，表现不孕性。尤其是三倍体植物，基本上表现出高度不孕性如无籽西瓜、无籽葡萄、无球悬铃木、蓬蒿菊、梅花、樱花、卷丹等三倍体种。个别种例外（如三倍体风信子具有高度可孕性），,异源多倍体，则具有高度可孕性原因：减数分裂时能够正常进行例如异源四倍体邱园报春，
10、具有可孕性。,薰衣草二倍体与四倍体特征比较,四、人工诱导多倍体的方法 物理方法化学方法生物方法,1.物理方法主要是仿效自然促使染色体数目加倍包括高温处理低温处理机械损伤电离辐射及非电离辐射处理,温度聚变、机械创伤（如反复断顶等）加倍的频率很低电离辐射与非电离辐射等易引起基因突变因此，人工诱导多倍体一般不采用物理方法。,自1937年美国人Blakeslee和Avery用秋水仙碱处理植物种子，获得了45%以上的同源多倍体，才开创了人工诱导多倍体育种的新时代。,2.化学法以各种植物碱、麻醉剂、生长激素、化学合成物质处理，获得多倍体。如：秋水仙素、富民农、笑气(氧化亚氮,N2O)、咖啡碱、茶嵌戊烷、水
11、合三氯乙醛等其中以秋水仙素的效果最佳。人工诱导多倍体主要采用化学法,3.生物方法有性杂交组织培养嫁接和摘心等,1.诱导多倍体材料的选择染色体倍数较低的植物；染色体数目极少的植物；异花授粉植物；能利用根、茎、叶等进行无性繁殖的植物；杂种后代(包括远缘杂种和常规杂种)。,五、秋水仙素诱导多倍体的方法,2.秋水仙素的理化性质、配制与贮藏来源：从百合科植物秋水仙（Colchicum autumnale）的根、茎、种子等器官中提炼出来的一种植物碱.分子式：C22H25O6N1/2H2O。物理性质：淡黄色粉末，针状无色结晶（纯品），性极毒，融点为155，易溶于水、酒精、氯仿和甲醛中，不易溶解于乙醚、苯。,
12、秋水仙,原理：(1)抑制细胞分裂时纺锤丝的形成，使已正常分离的染色体不能拉向两极，(2)抑制细胞板的形成，使细胞有丝分裂停顿在分裂中期。,它不影响染色体的复制，因而造成加倍后的染色体仍处于一个细胞中，导致形成多倍体。处理过后，用清水洗净秋水仙素的残液，细胞分裂仍可恢复正常。,使用形式：水溶液配制方法：将秋水仙素直接溶于冷水中，或先将其溶于少量酒精中，再加冷水。贮藏：棕色玻璃瓶内保存，避光，密封。,3.处理材料的适宜时期只影响正在分裂的细胞，对于其他状态的细胞不起作用。处理的适宜时期：种子（干种子或萌动种子）、幼苗、幼根与茎的生长点、球茎与球根的萌动芽等。如果材料的发育阶段较晚，被诱导的植株易出
13、现嵌合体。,4.适宜的浓度与处理时间浓度及时间是关键因素。浓度范围：0.0006%1.6%，多用0.2%0.4%。处理时间：一般24小时或以处理细胞分裂的12个周期为原则。时间与浓度的关系：浓度大，则时间短，相反则可适当延长。实验表明，浓度大，处理时间短的效果比浓度小，处理时间长要好。,浓度和时间还与植物、器官或组织有关例如，张敩方等用白花类型金鱼草种子进行多倍体诱变，采用浓度0.3%0.5%的秋水仙素处理24小时诱变效果较好。另有实验表明，处理矮牵牛种子的适宜浓度为0.01%0.1%，以0.05%处理时间24小时效果最佳。,不同器官对秋水仙素的敏感性使用浓度一般木本比草本高,老组织比嫩组织高
14、.处理种子的浓度可稍高些，持续时间可稍长（一般为2448小时）；处理幼苗时，浓度应低些，处理时间可稍短；植物幼根对秋水仙素比较敏感，应采用秋水仙素溶液与清水交替间歇的方法。,5.常用秋水仙素处理的方法（1）浸渍法适于种子，枝条及盆栽小苗。选择干种子或萌动种子，种子的2/3浸入秋水仙素溶液。处理时间多为24小时，浓度0.2%1.6%。一般不超过6天，以免影响根的生长。,（2）滴液法滴在子叶、幼苗的生长点上（即顶芽或侧芽部位）。68小时滴一次，处理一至数日。若气候干燥，蒸发快，中间可加滴一次若水滴难以停留在芽处，则可用棉球包裹幼芽，再滴芽液处理。与浸种法相比，可避免根系受伤害，节省药液。,（3）毛
15、细管法纱布或脱脂棉包裹顶芽或腋芽，将其另一端浸在秋水仙素溶液中（小瓶），利用毛细管吸水作用把芽浸透一般多用于大植株上芽的处理。,（4）涂抹法 秋水仙素配成乳剂，涂抹在幼苗或枝条的顶端，处理部位要适当遮盖保湿，以减少蒸发和避免雨水冲洗。,A.羊毛脂法用羊毛脂与秋水仙素混合成膏状，浓度比水溶液处理略高些，将软膏涂于植株的生长点上。B.琼脂胶制剂使用时稍加温后涂于生长点处。C.甘油乳剂用秋水仙素与甘油、水等配制而成。,（5）注射法采用微量注射器将秋水仙素溶液注入植株顶芽或侧芽中。,（6）复合处理法秋水仙素与辐射复合处理如对好望角苣苔属植物的处理先用秋水仙素处理，再用X射线照射，染色体加倍率达到60%
16、单独用秋水仙素处理时为30%。采用复合处理法还获得了两株八倍体。,六、生物方法获得多倍体1.有性杂交培育多倍体培育奇数多倍体和异源多倍体（1）利用减数分裂时亲本形成不减数的2n配子张新忠等（1998）对水培桃、李处于减数分裂前期I的花枝进行32oC下12h的热激处理，2n花粉比例为13.33-20.37,（2）利用多倍体亲本产生新的多倍体 四倍体和二倍体杂交是获得三倍体最有效的方法。A.F.Longley(1926)利用自然四倍体金豆柑为父本与来檬柑杂交，获得2株三倍体来檬金桔。立川中夫等（1959，1961）利用秋水仙素处理日本夏橙和宫川早生温州蜜桔得到同源四倍体，再与二倍体日本夏橙、文旦等
17、杂交获得12株三倍体实生苗。,2.组织培养获得多倍体各种植物在组织培养中，常发生染色体倍性变化。J.G.Torrey(1959)报道，梨根在开始培养几天后，二倍体细胞占优势，但到愈伤组织培养时，则以四倍体细胞占优势。报道，石刁柏和胡萝卜的组织培养过程很容易产生四倍体。另外，可直接采用胚乳培养来创造三倍体新品种。,七、多倍体的鉴定与后代选育（一）植物多倍体的鉴定1.直接鉴定法(染色体计数法)染色体压片:取根尖或花粉母细胞，检查细胞内的染色体数目。该法是最可靠的鉴定方法。流式细胞仪鉴定结果(植株叶片)当植物材料较多时，采用直接鉴定法就比较浪费时间。最好是先进行间接鉴定，淘汰二倍体植株，再进行直接鉴
18、定。,2.间接鉴定法 一般是以花粉、气孔的大小，结实率的多少，以及形态上的其他巨大性等特点来判断,（1）气孔鉴定 多倍体气孔大，单位面积气孔减小可将叶背面撕下一层表层，放在载玻片上滴一滴清水或甘油，在显微镜下观察；或先将叶片浸入70%的酒精中，去掉叶绿素后再进行观察。（2）花粉鉴定 采集少量花粉放在载玻片上，加一滴清水，或将花粉先用45%的醋酸浸渍，加一小滴碘液，在显微镜下观察花粉粒大小。多倍体花粉粒比二倍体的大，一般可增大1/3。三倍体的花粒不规则，可与四倍体进行区分。,（3）茎叶鉴定：多倍体植株一般茎杆粗壮，叶片宽厚，并可用蓝色光进行叶色鉴定，叶肉细胞绿色比二倍体的浓。（4）花、果实鉴定：
19、多倍体的花、果实一般均比二倍体的大，而且花瓣肥厚，花色较鲜艳,（5）可育性鉴定：多倍体的结实率较低，一般种子大且数量少，对于同源多倍体，几乎难以见到种子。,(6)梢端组织发生层细胞鉴定原理:化学诱变的多倍体，多数是嵌合体，而且不同发生层的细胞在组织分化上也各有不同。操作:显微镜下观察梢端组织发生层切片如果组织发生层的三层中任何一层细胞显著大于对照，则可确定为多倍体 比形态鉴定更全面，更可靠。,芽变的细胞学基础,（1）芽变的发生与嵌合体顶端分生组织的细胞层,2.多倍体后代选育和利用（1）选育得到多倍体只是育种的开始，还必须进行选育。对性状优良的类型，直接入选种圃，全面鉴定 对不稳定的嵌合体类型进行分离和提纯 保留有价值的材料（对象：不能直接成为品种者）,（2）利用对于同源多倍体，尽量采用无性繁殖。因为结实率低，且后代存在分离现象四倍体与二倍体要隔离种植三倍体品种需每年制种即把二倍体与四倍体隔行种植，杂交产生三倍体。栽培时应适当稀植，加强管理使其性状得到充分发育和体现。,
