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1、第八章第八章多倍体与单倍体植物多倍体与单倍体植物1 染色体工程染色体工程 按照一定的设计，有计划地消减、添加或替换同按照一定的设计，有计划地消减、添加或替换同种或异种整条或部分染色体，从而达到定向改变遗传种或异种整条或部分染色体，从而达到定向改变遗传性和选育新品种的一种技术。性和选育新品种的一种技术。 在在真核生物真核生物的体内，的体内，染色体染色体是遗传物质是遗传物质DNA的的载体。当染色体的数目发生改变时（缺少，增多）或载体。当染色体的数目发生改变时（缺少，增多）或者染色体的结构发生改变时，遗传信息就随之改变，者染色体的结构发生改变时，遗传信息就随之改变，带来的就是生物体的后代性状的改变，
2、这就是染色体带来的就是生物体的后代性状的改变，这就是染色体变异。它是可变异。它是可遗传变异遗传变异的一种。根据产生变异的原因，的一种。根据产生变异的原因，它可以分为结构变异和数量变异两大类。它可以分为结构变异和数量变异两大类。染色体发生整倍性增加，就产生多倍体细胞或生物体。染色体发生整倍性增加，就产生多倍体细胞或生物体。2 多倍体植物多倍体植物2.1 多倍体的概念和种类多倍体的概念和种类2.1.1 概念概念染色体组：一个属内，各个种特有的、染色体组：一个属内，各个种特有的、 维持生物体生存最低限度数目维持生物体生存最低限度数目 的一组染色体。的一组染色体。染色体基数：一组染色体组内的染色体数目
3、染色体基数：一组染色体组内的染色体数目 以以X表示表示 高粱高粱 X=10 小麦小麦 X=7 棉属棉属 X=13 玉米玉米 X=10 甘薯甘薯 X=15 豌豆豌豆 X=7 稻属稻属X=12 现在的栽培小麦现在的栽培小麦(Triticum vulgaris)是异源多倍体，具体地讲是六倍是异源多倍体，具体地讲是六倍体。大约体。大约10000年前，一种有年前，一种有14个染色体个染色体(二倍体二倍体)的野生小麦，称为一粒的野生小麦，称为一粒小麦小麦(Triticummonococcum)，与一种杂草山羊草，与一种杂草山羊草(Aegilops sp)杂交。杂交。这种杂草的正常二倍体也是这种杂草的正常二
4、倍体也是14个染色体，但是它们与一粒小麦的个染色体，但是它们与一粒小麦的14个染色个染色体不同体不同(不同源不同源)，因此不能配对，所以杂交后代是不育的。但是，由于低，因此不能配对，所以杂交后代是不育的。但是，由于低温，这个杂交后代忽然染色体加倍，形成了一个异源多倍体，即二粒小麦温，这个杂交后代忽然染色体加倍，形成了一个异源多倍体，即二粒小麦(Triticum dicoccoides)。二粒小麦具有。二粒小麦具有28个染色体，或个染色体，或14对染色体。约对染色体。约3000年前，二粒小麦与节节草年前，二粒小麦与节节草(Ageilops squarrosa)杂交，二粒小麦有杂交，二粒小麦有28
5、个染色体，节节草只有个染色体，节节草只有14个染色体，杂交的后代又是不育的。由于低温，个染色体，杂交的后代又是不育的。由于低温，这个杂交种的染色体又忽然加倍，形成了具有这个杂交种的染色体又忽然加倍，形成了具有42个个(28+14)染色体的异源染色体的异源多倍体，即现在栽培的普通小麦。多倍体，即现在栽培的普通小麦。 多倍体：体细胞具有多倍体：体细胞具有3个或个或3个以上染色体组的生物体。个以上染色体组的生物体。 二粒小麦二粒小麦 2n=4X=28 普通小麦普通小麦 2n=6X=42 陆地棉陆地棉 2n=4X=52二倍体二倍体: 体细胞具有两体细胞具有两组染色体组的生物体组染色体组的生物体 一粒小
6、麦一粒小麦 2n=2X=14 水稻水稻 2n=2X=24 玉米玉米 2n=2X=202.1.2 多倍体种类多倍体种类异源多倍体：染色体组来源不同的多倍体异源多倍体：染色体组来源不同的多倍体陆地棉陆地棉 异源四倍体异源四倍体 A1A1D1D1；普通小麦普通小麦 异源六倍体异源六倍体 AABBDD小黑麦小黑麦 异源六倍体异源六倍体 AABBRR； 异源八倍体异源八倍体 AABBDDRR同源多倍体：染色体组来源相同的多倍体同源多倍体：染色体组来源相同的多倍体 甘薯甘薯 同源六倍体同源六倍体 马铃薯马铃薯 同源四倍体同源四倍体 香蕉香蕉 同源三倍体同源三倍体 2.1.3 多倍体的来源多倍体的来源 多倍
7、体的发生可通过多倍体的发生可通过二倍体的染色二倍体的染色体数目加倍体数目加倍形成，也可经过形成，也可经过不同种属之间不同种属之间杂交，而后经过染色体数目加倍杂交，而后经过染色体数目加倍形成。形成。二倍体种（二倍体种（2X=14）野生一粒小麦）野生一粒小麦拟斯卑尔脱山羊草拟斯卑尔脱山羊草 (AA) (BB) (AB) 染色体加倍染色体加倍 四倍体种（四倍体种（2X=28） 野生二粒小麦野生二粒小麦 粗山羊草粗山羊草 (AABB) (DD) (ABD) 染色体加倍染色体加倍 六倍体种（六倍体种（2X=42） 普通小麦普通小麦 （AABBDD） 图图 小麦可能的进化途径小麦可能的进化途径2.2 多倍
8、体植物的特点多倍体植物的特点2.2.1 同源多倍体植物的特点同源多倍体植物的特点1)器官的巨型性器官的巨型性一般表现在叶大；茎粗；花大，色浓；果实、种子、一般表现在叶大；茎粗；花大，色浓；果实、种子、细胞、气孔、花粉都大。细胞、气孔、花粉都大。 如三倍体、四倍体葡萄粒大；四倍体萝卜主根粗如三倍体、四倍体葡萄粒大；四倍体萝卜主根粗大。大。 2) 育性差，结实率低。育性差，结实率低。一般同源多倍体结实率低。一般同源多倍体结实率低。 原因：同源多倍体由于在减数分裂时，染色体原因：同源多倍体由于在减数分裂时，染色体间配对不正常，易出现多价体，致使多数配子含有间配对不正常，易出现多价体，致使多数配子含有
9、不正常染色体数，因而表现出育性差，结实率低。不正常染色体数，因而表现出育性差，结实率低。 园艺植物大多数同源多倍体为无性繁殖植物，园艺植物大多数同源多倍体为无性繁殖植物，育性差但不影响在生产中的应用。对于水果来说，育性差但不影响在生产中的应用。对于水果来说，无籽或少籽为优良性状。无籽或少籽为优良性状。 而异源多倍体，与远缘杂种相反，是高度可育而异源多倍体，与远缘杂种相反，是高度可育的。来自父母本的染色体在减数分裂时自行配对，的。来自父母本的染色体在减数分裂时自行配对，不出现多价体，表现为自交亲和，结实率较高。不出现多价体，表现为自交亲和，结实率较高。 3) 抗逆性强抗逆性强 多倍体新陈代谢旺盛
10、，适应环境能力强。表现多倍体新陈代谢旺盛，适应环境能力强。表现为抗病、抗旱、耐寒，分布广。为抗病、抗旱、耐寒，分布广。 如多倍体从赤道到极地都有分布；高山上多倍体如多倍体从赤道到极地都有分布；高山上多倍体多；在炎热夏季的稻田里常发现多倍体花粉粒。多；在炎热夏季的稻田里常发现多倍体花粉粒。 4) 营养成分高营养成分高 碳水化合物、蛋白质、维生素、植物碱等表现碳水化合物、蛋白质、维生素、植物碱等表现偏高。偏高。 如四倍体番茄如四倍体番茄Vc含量比二倍体高一倍。四倍体紫含量比二倍体高一倍。四倍体紫罗兰、桂竹香芳香性强、蜜腺多。罗兰、桂竹香芳香性强、蜜腺多。 2.3 2.3 多倍体植物培育多倍体植物培
11、育 生物体内染色体数目的变化是以染色体组为单位生物体内染色体数目的变化是以染色体组为单位进行增减，进行增减，当生物细胞内染色体数达到当生物细胞内染色体数达到3组或组或3组以上组以上者称为多倍体者称为多倍体。它是许多生物群体染色体进化的重要。它是许多生物群体染色体进化的重要特征。在自然界中普遍存在着多倍体物种，蕨类植物特征。在自然界中普遍存在着多倍体物种，蕨类植物中多倍体可能高达中多倍体可能高达50%被子植物中大约有被子植物中大约有3035种的种的多倍体，其中多倍体，其中70%的禾本科属于多倍体。多倍体是植的禾本科属于多倍体。多倍体是植物最重要的进化方式之一。因此近几十年来人们对多物最重要的进化
12、方式之一。因此近几十年来人们对多倍体进行了深入研究不仅为进化提供大量证据而且在倍体进行了深入研究不仅为进化提供大量证据而且在生产实践上有着广泛的应用价值。生产实践上有着广泛的应用价值。 2.3.12.3.1物理诱导方法物理诱导方法 主要有温度激变、射线照射、机械损伤、电离辐主要有温度激变、射线照射、机械损伤、电离辐射和摘心等均可诱导多倍体的产生。射和摘心等均可诱导多倍体的产生。 实例：实例： 中粒种咖啡花粉母细胞减数分裂时用骤变低温中粒种咖啡花粉母细胞减数分裂时用骤变低温8-108-10直接处理花器官可获得大量二倍性花粉粒；直接处理花器官可获得大量二倍性花粉粒； 用紫外光照射甜菜花芽用紫外光照
13、射甜菜花芽20min20min分钟也能导致自交后分钟也能导致自交后代中有代中有2 2株产生大花粉；株产生大花粉； CoCo射线照射处理萌动的杜仲种子、射线照射处理萌动的杜仲种子、r r射线照射珍珠射线照射珍珠粟、粟、x x射线照射水稻也可以产生多倍体。射线照射水稻也可以产生多倍体。 机械损伤诱导多倍体的产生：机械损伤诱导多倍体的产生： 植物的组织被切伤或嫁接后往往在切口处植物的组织被切伤或嫁接后往往在切口处产生愈伤组织某些愈伤组织细胞内的染色体能产生愈伤组织某些愈伤组织细胞内的染色体能自然加倍，将来发育成多倍体枝条如在茄科植自然加倍，将来发育成多倍体枝条如在茄科植物中通过反复摘心打顶而诱导四倍
14、体的产生，物中通过反复摘心打顶而诱导四倍体的产生，其频率可达其频率可达10%10%。其实最早的物理诱导方式就。其实最早的物理诱导方式就是在番茄上通过打顶而实现的。是在番茄上通过打顶而实现的。 2.3.22.3.2化学诱导法化学诱导法 是目前应用最广泛的方法。是目前应用最广泛的方法。 化学诱变剂其中尤以秋水仙素化学诱变剂其中尤以秋水仙素处理效果最好。值得注意的是秋水仙素有剧毒为淡黄色粉末针状处理效果最好。值得注意的是秋水仙素有剧毒为淡黄色粉末针状结晶易溶于凉水但不溶于热水它是从秋水仙的鳞茎和种子中提取结晶易溶于凉水但不溶于热水它是从秋水仙的鳞茎和种子中提取出来的。秋水仙素的作用机理在于它能抑制细
15、胞分裂时纺锤体的出来的。秋水仙素的作用机理在于它能抑制细胞分裂时纺锤体的形成染色单体分裂但胞质不分离导致染色体数目加倍。处理时注形成染色单体分裂但胞质不分离导致染色体数目加倍。处理时注意浓度和处理时间秋水仙素的有效浓度为意浓度和处理时间秋水仙素的有效浓度为0.01-1.00.01-1.0%，而以而以0.2-0.2-0.40.4%应用范围最广。应用范围最广。 处理时间一般不少于处理时间一般不少于24h24h，可因使用浓度大小而异。，可因使用浓度大小而异。 处理温度一般处理温度一般18-25.18-25.1 1）活体条件下的诱导）活体条件下的诱导 秋水仙素是对正在分裂的细胞产生作用因而生产上常选用
16、萌动秋水仙素是对正在分裂的细胞产生作用因而生产上常选用萌动或萌发的种子、幼苗、正在生长的嫩梢及芽为处理材料，用一定浓或萌发的种子、幼苗、正在生长的嫩梢及芽为处理材料，用一定浓度的秋水仙素或乳剂对材料进行浸渍、涂抹、滴液、注射等方法处度的秋水仙素或乳剂对材料进行浸渍、涂抹、滴液、注射等方法处理诱导。理诱导。 多种果树采用此方法均获成功如猕猴桃。多种果树采用此方法均获成功如猕猴桃。2 2）离体条件下的处理诱导）离体条件下的处理诱导 组织培养技术的发展使以单个细胞或少数细胞为诱导材料再由组织培养技术的发展使以单个细胞或少数细胞为诱导材料再由诱导加倍的细胞分化成植株成为可能，它不仅能减少或避免常规处诱
17、导加倍的细胞分化成植株成为可能，它不仅能减少或避免常规处理易产生嵌合体的干扰，获得同质的多倍体提高诱变效果，而且能理易产生嵌合体的干扰，获得同质的多倍体提高诱变效果，而且能在人为控制实验条件下反复多次试验提高诱变率。此外诱变群体多在人为控制实验条件下反复多次试验提高诱变率。此外诱变群体多也能保证多倍体筛选、选择的成功并且一旦筛选出的多倍体能在短也能保证多倍体筛选、选择的成功并且一旦筛选出的多倍体能在短时间内迅速繁殖出大量纯度高、质量好、无病虫害的试管苗便于进时间内迅速繁殖出大量纯度高、质量好、无病虫害的试管苗便于进行田间鉴定、示范、推广。行田间鉴定、示范、推广。 2.3.3 2.3.3 生物学
18、方法生物学方法1 1）体细胞杂交法）体细胞杂交法 体细胞杂交又称原生质体融合该技术的发展是建立在组织培养和体细胞杂交又称原生质体融合该技术的发展是建立在组织培养和原生质体培养的基础上的。随着原生质体再生体系的建立融合研究的原生质体培养的基础上的。随着原生质体再生体系的建立融合研究的技术和条件的成熟体细胞杂交法培育多倍体已切实可行。首先用纤维技术和条件的成熟体细胞杂交法培育多倍体已切实可行。首先用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞得到大量无壁的原生质体再通过化学或物素酶和果胶酶处理植物细胞得到大量无壁的原生质体再通过化学或物理方法诱导异核体进一步融合后成为共核体经培养后诱导分化出同源理方法诱导异核体进
19、一步融合后成为共核体经培养后诱导分化出同源或异源多倍体植株，如柑桔。或异源多倍体植株，如柑桔。2 2）胚乳培养法）胚乳培养法 胚乳是由胚乳是由3 3个单倍体核融合而成的个单倍体核融合而成的, ,其中其中1 1个单倍体核来自雄配子个单倍体核来自雄配子体体,2,2个来自雌配子体个来自雌配子体, ,因此胚乳是天然的三倍体组织因此胚乳是天然的三倍体组织, ,具有双亲的遗传具有双亲的遗传成分成分, ,对育种后代性状有一定的预见性。而且胚乳同样具有一般细胞对育种后代性状有一定的预见性。而且胚乳同样具有一般细胞的全能性的全能性, ,因此胚乳细胞的培养可得三倍体植株。如红江橙、柚、猕因此胚乳细胞的培养可得三倍
20、体植株。如红江橙、柚、猕猴桃等。猴桃等。 2.42.4多倍体植物鉴定方法多倍体植物鉴定方法 从原理上是依据其外在和内在的特征特性衍生而来的。一从原理上是依据其外在和内在的特征特性衍生而来的。一般而言可以以形态外形观察为基础，组织化学、叶绿体计般而言可以以形态外形观察为基础，组织化学、叶绿体计数为辅助、细胞学观察染色体数来确定。切忌以个别特征数为辅助、细胞学观察染色体数来确定。切忌以个别特征为依据妄言断之。为依据妄言断之。 2.4.12.4.1形态鉴定法形态鉴定法 通常在对育成多倍体材料进行鉴定时，整个生长期均可以通常在对育成多倍体材料进行鉴定时，整个生长期均可以外部形态特征来判断，它是初步鉴定
21、是否为多倍体的方法外部形态特征来判断，它是初步鉴定是否为多倍体的方法也是最简单、最直观粗放的方法。它可以为育种工作者减也是最简单、最直观粗放的方法。它可以为育种工作者减少大量工作量。如巨大性是多倍体最为显著的外部形态特少大量工作量。如巨大性是多倍体最为显著的外部形态特征，多倍体一般茎粗壮且短生长缓慢，发育迟缓，叶变厚，征，多倍体一般茎粗壮且短生长缓慢，发育迟缓，叶变厚，叶色变深，叶形指数变小，花果都较二倍体大。这些主要叶色变深，叶形指数变小，花果都较二倍体大。这些主要分四个阶段来识别：分四个阶段来识别：: :幼苗期、营养生长期、花期、果期。幼苗期、营养生长期、花期、果期。 2.4.22.4.2
22、细胞学鉴定法细胞学鉴定法 多倍体较二倍体气孔变大，花粉粒萌发孔沟数目多倍体较二倍体气孔变大，花粉粒萌发孔沟数目增多，花粉粒大小不整齐，败育花粉粒较多，小孢母增多，花粉粒大小不整齐，败育花粉粒较多，小孢母细胞增大，且在减数分裂中有异常行为。细胞增大，且在减数分裂中有异常行为。 2.4.32.4.3染色体计数法染色体计数法 通常通过检查分生旺盛的器官、组织的染色体数通常通过检查分生旺盛的器官、组织的染色体数目来进行鉴定，它是最直接、也是最准确的鉴定方法。目来进行鉴定，它是最直接、也是最准确的鉴定方法。它不但能区别倍性，而且还能鉴定是整倍性或非整倍它不但能区别倍性，而且还能鉴定是整倍性或非整倍性的变
23、异。性的变异。 因染色体制片技术早已成熟故切实可行。因染色体制片技术早已成熟故切实可行。 2.4.42.4.4分子水平的鉴定分子水平的鉴定 随着分子生物学技术的发展人们开始从分子水平入手研究多随着分子生物学技术的发展人们开始从分子水平入手研究多倍体对其倍性、来源进行鉴定。目前就有用扫描细胞光度仪来测倍体对其倍性、来源进行鉴定。目前就有用扫描细胞光度仪来测定单个定单个DNADNA含量，再根据含量，再根据DNADNA含量比较来推断细胞倍性的报道。同含量比较来推断细胞倍性的报道。同时原位杂交技术的日趋成熟也为多倍体的鉴定提供了全新的途径。时原位杂交技术的日趋成熟也为多倍体的鉴定提供了全新的途径。 分
24、子生物学方法的应用，不仅能鉴定细胞的倍性，而且还能鉴定分子生物学方法的应用，不仅能鉴定细胞的倍性，而且还能鉴定其亲本的来源。其亲本的来源。此外此外RAPDRAPD，即，即随机扩增多态性随机扩增多态性DNA(Random Amplified Polymorphic DNA),此技术此技术建立于 PCR 基础之上,使用一系列具有 10 个左右碱基的单链随机 引物,对基因组的 DNA 全部进行 PCR 扩增,以检测多态性 ） RFLPRFLP技术也已成功的应用到本领域的研技术也已成功的应用到本领域的研究中究中。 限制性片段长度多态性（restriction fragment length polym
25、orphism,RFLP）分析技术，是分子生物学的重要分析方法之一，用于检测DNA序列多态性。PCR-RFLP是将PCR 技术、RFLP 分析与电泳方法联合应用，先将待测的靶DNA 片段进行复制扩增，然后应用DNA 限制性内切酶对扩增产物进行酶切，最后经电泳分析靶DNA 片段是否被切割而分型。 2.5 2.5 多倍体育种的意义与应用多倍体育种的意义与应用2.5.1 2.5.1 多倍体育种的意义多倍体育种的意义1 1）通过增加一个现有物种的染色体数目，产生通过增加一个现有物种的染色体数目，产生同源多倍体，可获得植物某些器官的同源多倍体，可获得植物某些器官的“巨大型巨大型”的直接效果，如番茄；的直
26、接效果，如番茄；2 2）通过远缘亲本或种间不育杂种的染色体加倍，）通过远缘亲本或种间不育杂种的染色体加倍，克服远缘杂交的困难；克服远缘杂交的困难；3 3）培育多倍体作为不同倍数性间或种间的遗传）培育多倍体作为不同倍数性间或种间的遗传桥梁，进行基因转移或渗透。桥梁，进行基因转移或渗透。2.5.2 人工诱导多倍体在生产上的应用人工诱导多倍体在生产上的应用1）异源多倍体小黑麦）异源多倍体小黑麦2）三单倍体甜菜和三倍体西瓜）三单倍体甜菜和三倍体西瓜3）同源四倍体黑麦，同源四倍体葡萄）同源四倍体黑麦，同源四倍体葡萄三倍体无籽西瓜培育过程三倍体无籽西瓜培育过程 3 单倍体与纯合二倍体植物单倍体与纯合二倍体
27、植物 3.1 单倍体植物单倍体植物单倍体单倍体:具有配子体染色体数目的孢子体具有配子体染色体数目的孢子体单倍体育种单倍体育种:人工诱导单倍体人工诱导单倍体,并使其成为并使其成为 纯合二倍体，从中选育出新品纯合二倍体，从中选育出新品 种的方法种的方法.单倍体的种类单倍体的种类整倍单倍体整倍单倍体：具有配子体染色体数目的孢子体：具有配子体染色体数目的孢子体 一倍体（单元单倍体）一倍体（单元单倍体）一倍单倍体一倍单倍体：由二倍体植物产生的含有一组：由二倍体植物产生的含有一组 染色体染色体 的单倍体的单倍体多倍单倍体多倍单倍体：多倍体植物产生的含有一组以上：多倍体植物产生的含有一组以上 染色体组的单倍
28、体染色体组的单倍体 同源多倍单倍体同源多倍单倍体：同源多倍体产生的多倍单倍体：同源多倍体产生的多倍单倍体 异源多倍单倍体异源多倍单倍体：异源多倍体产生的多倍单倍体：异源多倍体产生的多倍单倍体按倍数按倍数按来源按来源 单倍体既可以自然产生，也可以人工诱导，它一般是由不正常的受单倍体既可以自然产生，也可以人工诱导，它一般是由不正常的受精过程产生的，即由孤雌生殖、孤雄生殖、无配子生殖等方式产生的。精过程产生的，即由孤雌生殖、孤雄生殖、无配子生殖等方式产生的。在育种工作中，单倍体主要靠人工诱导产生。人工诱导产生单倍体的途在育种工作中，单倍体主要靠人工诱导产生。人工诱导产生单倍体的途径主要有下列几种：径
29、主要有下列几种： 1）组织和细胞离体培养）组织和细胞离体培养 通过细胞和组织培养是育种工作中产生单倍体的主要途径通过细胞和组织培养是育种工作中产生单倍体的主要途径 。 (1)花药（花粉）离体培养：花药（花粉）离体培养： 这是目前人工获得单倍体最简单有效的方法。其原理是：作物的每一这是目前人工获得单倍体最简单有效的方法。其原理是：作物的每一特化的细胞都具有发育成完整植株的潜力。特化的细胞都具有发育成完整植株的潜力。 花药培养产生单倍体的途径有二：花药培养产生单倍体的途径有二： 一是花粉经历了去分化和胚胎一是花粉经历了去分化和胚胎发生过程，通过胚状体而形成单倍体的胚，以后直接发育成单倍体植株发生过
30、程，通过胚状体而形成单倍体的胚，以后直接发育成单倍体植株(胚胎发生系统胚胎发生系统)； 另一种是花粉多细胞团增殖，形成愈伤组织，以后另一种是花粉多细胞团增殖，形成愈伤组织，以后再经诱导分化成再生植株再经诱导分化成再生植株(器官发生系统器官发生系统) 。 用花粉培养获得单倍体是否用花粉培养获得单倍体是否有育种价值，取决于用于培养的原材料是否优良和是否易于诱导成功。有育种价值，取决于用于培养的原材料是否优良和是否易于诱导成功。实践证明，不同基因型的植物材料间单倍体的诱导率不同，所以选择恰实践证明，不同基因型的植物材料间单倍体的诱导率不同，所以选择恰当的培养材料是花粉育种的重要一环。当的培养材料是花
31、粉育种的重要一环。3.1.1 产生单倍体的主要途径和方法产生单倍体的主要途径和方法 2)2)未授粉的子房（胚珠）培养未授粉的子房（胚珠）培养: 用未授粉的子房（胚珠）离体培养是诱导大孢用未授粉的子房（胚珠）离体培养是诱导大孢子发育成单倍体的另一途径。研究表明，来自大孢子发育成单倍体的另一途径。研究表明，来自大孢子的单倍体有更强的生活力，并且后代的性状也比子的单倍体有更强的生活力，并且后代的性状也比较稳定，尤其是对于那些难以用花粉培养获得单倍较稳定，尤其是对于那些难以用花粉培养获得单倍体的植物或雄性不育植物提供了获得单倍体的有效体的植物或雄性不育植物提供了获得单倍体的有效途径，所以在植物的改良中
32、有较大意义。途径，所以在植物的改良中有较大意义。 未授粉胚珠离体培养是人工诱导形成单倍体植株的技术之一。近未授粉胚珠离体培养是人工诱导形成单倍体植株的技术之一。近年来国内外学者在此方面做了许多探索工作。相继有人在小麦、烟草、年来国内外学者在此方面做了许多探索工作。相继有人在小麦、烟草、玉米、杨树、甜菜等植物上进行了未授粉胚珠或子房的离体培养，大玉米、杨树、甜菜等植物上进行了未授粉胚珠或子房的离体培养，大多获得了单倍体植株。与花药培养相比，经未授粉胚珠离体培养诱导多获得了单倍体植株。与花药培养相比，经未授粉胚珠离体培养诱导的单倍体植株有三个独特的优点：的单倍体植株有三个独特的优点：(1)(1)有
33、些植物花药培养至今难以成功有些植物花药培养至今难以成功或诱导率太低，而未授粉胚珠离体培养可提供一条单倍体育种新途径；或诱导率太低，而未授粉胚珠离体培养可提供一条单倍体育种新途径；(2)(2)对于雄性不育的植物无法用花药来培养获得单倍体，可采用未授粉对于雄性不育的植物无法用花药来培养获得单倍体，可采用未授粉胚珠培养来诱导；胚珠培养来诱导；(3)(3)未授粉胚珠培养的后代能产生较多的绿苗。培养未授粉胚珠培养的后代能产生较多的绿苗。培养地方品种或杂种一代的未授粉胚珠或子房，可迅速获得高纯度种质资地方品种或杂种一代的未授粉胚珠或子房，可迅速获得高纯度种质资源，在高效率利用种质资源、提高选育效果方面有理
34、论研究和实际应源，在高效率利用种质资源、提高选育效果方面有理论研究和实际应用价值。用价值。 以下是以西葫芦未授粉胚珠为材料，进行子房离体培养诱导单倍体以下是以西葫芦未授粉胚珠为材料，进行子房离体培养诱导单倍体的方法：的方法： 附：参考资料附：参考资料 西葫芦西葫芦(Cucurbita pepo L)(Cucurbita pepo L)是重要的蔬菜作物，其瓠果营养丰富，我国各地普遍栽培。是重要的蔬菜作物，其瓠果营养丰富，我国各地普遍栽培。生产上迫切需要耐低温、耐弱光等特殊生态条件和抗白粉病、病毒病等兼抗性高产品种。但生产上迫切需要耐低温、耐弱光等特殊生态条件和抗白粉病、病毒病等兼抗性高产品种。但
35、常规育种周期长，变异谱范围有限，不宜捕捉目标性状。在瓜类蔬菜方面，常规育种周期长，变异谱范围有限，不宜捕捉目标性状。在瓜类蔬菜方面，Trong-AndreTrong-Andre7 7等利用辐射处理的黄瓜花粉，授在黄瓜子房上，半月后取出胚珠进行离体培养，获得诱导频等利用辐射处理的黄瓜花粉，授在黄瓜子房上，半月后取出胚珠进行离体培养，获得诱导频率为率为3%3%的单倍体植株。但迄今，有关西葫芦未受精胚珠培养的报道很少。本试验以西葫芦未的单倍体植株。但迄今，有关西葫芦未受精胚珠培养的报道很少。本试验以西葫芦未授粉胚珠为试材，进行离体培养诱导，并获得再生植株，为进一步利用细胞工程选育西葫芦授粉胚珠为试材
36、，进行离体培养诱导，并获得再生植株，为进一步利用细胞工程选育西葫芦良种，加快育种进程提供一种有效的试验系统。良种，加快育种进程提供一种有效的试验系统。 1 1材料与方法材料与方法1.11.1材料材料供试西葫芦为供试西葫芦为“早青一代早青一代”。1.21.2培养条件培养条件诱导愈伤组织的预培养基：诱导愈伤组织的预培养基：MS+2MS+2，4-D 1 mg/L+NAA 0.5 mg/L4-D 1 mg/L+NAA 0.5 mg/L；诱导愈伤组织的培；诱导愈伤组织的培养基：养基：MS+2MS+2，4-D 1 mg/L+NAA 0.5 mg/L+BA 1 mg/L4-D 1 mg/L+NAA 0.5
37、mg/L+BA 1 mg/L；愈伤组织继代培养基：；愈伤组织继代培养基：MS+2MS+2，4-D 4-D 0.5 mg/L+BA 1 mg/L0.5 mg/L+BA 1 mg/L；芽分化培养基：；芽分化培养基：MS+NAA 0.5 mg/L+BA 1 mg/LMS+NAA 0.5 mg/L+BA 1 mg/L；诱导培养基：；诱导培养基：1/2MS+0.5%KNO31/2MS+0.5%KNO3。培养基、均添加培养基、均添加3%的蔗糖，的蔗糖，0.8%琼脂，琼脂，pH为为5.7。在。在号培养基中添加号培养基中添加3.5%的蔗糖和的蔗糖和0.8%的琼脂，的琼脂， 号培养基蔗糖号培养基蔗糖浓度取浓度取
38、2%，3.5%，7%，10% 4个水平，琼脂浓度取个水平，琼脂浓度取0.6%，0.8%，1%3个水平。于个水平。于25、每日、每日16 h光照，光照，4 500 lx光强条件光强条件下进行培养。下进行培养。 1.31.3材料处理材料处理选取无病、无伤的未授粉的西葫芦，无菌条件下，将子房在选取无病、无伤的未授粉的西葫芦，无菌条件下，将子房在75%75%的的酒精中浸泡酒精中浸泡1 min1 min，以无菌水冲洗，以无菌水冲洗2 2次，再放入次，再放入0.1%0.1%的升汞溶液中浸泡的升汞溶液中浸泡10 10 minmin，无菌水冲洗，无菌水冲洗4 4次后，在无菌超净台取出含胚珠的胎座组织，待用。次
39、后，在无菌超净台取出含胚珠的胎座组织，待用。1.41.4培养方法培养方法分别取开花前分别取开花前3 3日、开花当日、开花后日、开花当日、开花后2 2日未授粉子房，经无菌处理日未授粉子房，经无菌处理后，挑取子房内含胚珠的胎座组织，接种至号培养基进行预培养。后，挑取子房内含胚珠的胎座组织，接种至号培养基进行预培养。15 15 d d后，取胎座组织内胚珠，以横切分、纵切分、切啄、完整胚珠后，取胎座组织内胚珠，以横切分、纵切分、切啄、完整胚珠4 4种方法种方法接种于号培养基。将生长致密愈伤组织切成接种于号培养基。将生长致密愈伤组织切成0.5 cm30.5 cm3大小，接到培养大小，接到培养基继代培养。
40、继代后的愈伤组织转入号培养基培养。分化出的不定基继代培养。继代后的愈伤组织转入号培养基培养。分化出的不定芽移入号培养基作诱根培养。芽移入号培养基作诱根培养。1.51.5再生植株染色体倍性观察再生植株染色体倍性观察取取0.10.10.5 cm0.5 cm长的根类。长的根类。0.1%0.1%秋水仙中素预处理，秋水仙中素预处理，2 h2 h后，以卡诺后，以卡诺固定液处理固定液处理24 h24 h。常温下将固定后的根尖用。常温下将固定后的根尖用1 mol HCl1 mol HCl溶液解离溶液解离30 min30 min，清水冲洗，压片镜检。清水冲洗，压片镜检。 2 2结果与分析结果与分析2.12.1培
41、养方法对未授粉胚珠愈伤组织形培养方法对未授粉胚珠愈伤组织形成的影响成的影响试验结果表明，开花当日的未受精胚珠试验结果表明，开花当日的未受精胚珠愈伤组织的诱导率最高，达愈伤组织的诱导率最高，达14.2%14.2%；开花前；开花前3 3日日的未受精胚珠次之，为的未受精胚珠次之，为10.5%10.5%；而开花后；而开花后2 2日的日的未受精胚珠为未受精胚珠为4.4%4.4%。内源激素内源激素(如内源如内源GA，BA等等)水平对未受精胚珠愈伤组织水平对未受精胚珠愈伤组织的诱导有重要作用，而在瓜的诱导有重要作用，而在瓜类花器内源激素的水平在开类花器内源激素的水平在开花前几日开始升高，开花当花前几日开始升
42、高，开花当日日 图图a 预培养后的西葫芦未预培养后的西葫芦未受精胚珠；受精胚珠；图图b 西葫芦未受西葫芦未受精胚珠膨大；精胚珠膨大；图图c 继代培养继代培养后的未受精胚珠愈伤组织；后的未受精胚珠愈伤组织；图图d 有嫩芽发生的西葫芦未有嫩芽发生的西葫芦未受精胚珠愈伤组织块；受精胚珠愈伤组织块；图图e 西葫芦未受精胚珠愈伤组织西葫芦未受精胚珠愈伤组织再生芽块；再生芽块；图图f 西葫芦未受精西葫芦未受精胚珠离体培养再生植株；胚珠离体培养再生植株；图图g 再生植株根尖染色体数。再生植株根尖染色体数。比较比较4 4种接种方法后发现，横切分法接种的胚珠，最先从切口种接种方法后发现，横切分法接种的胚珠，最先
43、从切口处长出愈伤组织，且愈伤组织诱导率最高达处长出愈伤组织，且愈伤组织诱导率最高达28%(28%(图图 1-c)1-c)，其，其次为切啄、纵切分，而以完整胚珠法所得愈伤组织诱导率最次为切啄、纵切分，而以完整胚珠法所得愈伤组织诱导率最低，为低，为6%6%，究其原因可能是横切分、切啄和纵切分三种方法，究其原因可能是横切分、切啄和纵切分三种方法给外植体以较大的创伤面而激发了愈伤组织的形成，也可能给外植体以较大的创伤面而激发了愈伤组织的形成，也可能是加大了创伤面而增加了未授粉胚珠对养分的吸收能力。是加大了创伤面而增加了未授粉胚珠对养分的吸收能力。 内源激素达到较高的水平，之后迅速下降。故开花当日未受精
44、胚珠活力较内源激素达到较高的水平，之后迅速下降。故开花当日未受精胚珠活力较高，其愈伤组织诱导率也最高。经预培养高，其愈伤组织诱导率也最高。经预培养15 d后，子房表面开始发白，体积加后，子房表面开始发白，体积加大，胚珠突出大，胚珠突出(图图 1-a)。取出胚珠，在号培养基中培养。取出胚珠，在号培养基中培养20 d后，发现部分胚珠后，发现部分胚珠膨大呈半透明状膨大呈半透明状(图图 1-b)。诱愈培养。诱愈培养30 d后，统计表明经预培养的未受精胚珠，后，统计表明经预培养的未受精胚珠，其愈伤组织诱导率可达其愈伤组织诱导率可达15.6%，而未经预培养的对照仅为，而未经预培养的对照仅为6.9%。这可能
45、是预培。这可能是预培养的胚珠能同时从胎座组织和预培养基中吸收养分，也可能胎座组织含有培养养的胚珠能同时从胎座组织和预培养基中吸收养分，也可能胎座组织含有培养基不具备的、某种促进西葫芦未受精胚珠愈伤组织形成的物质所致。基不具备的、某种促进西葫芦未受精胚珠愈伤组织形成的物质所致。图图 1-a图图 1-b图图 1-c 2.22.2愈伤组织分化和植株再生愈伤组织分化和植株再生愈伤组织经愈伤组织经1 12 2次继代培养后，移至由琼脂、蔗次继代培养后，移至由琼脂、蔗糖不同浓度组合的分化培养基。发现在糖不同浓度组合的分化培养基。发现在0.8%0.8%琼脂和琼脂和2%2%蔗糖组合的芽分化培养基上，蔗糖组合的芽
46、分化培养基上，25 d25 d后，个别未授粉胚后，个别未授粉胚珠愈伤组织块有绿色芽点状突起，并有嫩芽发生。珠愈伤组织块有绿色芽点状突起，并有嫩芽发生。( (图图 1-d1-d，1-e)1-e)其芽诱导率最高，达其芽诱导率最高，达15.6%15.6%。而其它组。而其它组合的芽分化培养基，芽诱导率低，这可能是培养基中合的芽分化培养基，芽诱导率低，这可能是培养基中营养物质向愈伤组织扩散的速度减慢，使诱芽效果变营养物质向愈伤组织扩散的速度减慢，使诱芽效果变差。而且未授粉胚珠愈伤组织芽的分化需较低的渗透差。而且未授粉胚珠愈伤组织芽的分化需较低的渗透压，随蔗糖浓度的增加，培养基渗透压加大，故诱芽压，随蔗糖
47、浓度的增加，培养基渗透压加大，故诱芽效果差。效果差。不定芽经伸长及生根培养，形成完整植株不定芽经伸长及生根培养，形成完整植株(图图 1-f)。在做诱根试验时发现，诱根培养基中添加高浓度在做诱根试验时发现，诱根培养基中添加高浓度的的NO-3有利于不定芽根的形成，但其作用机理尚有利于不定芽根的形成，但其作用机理尚不清楚。再生植株经染色体倍性观察发现，其染不清楚。再生植株经染色体倍性观察发现，其染色体数均为色体数均为n20(图图 1-g)。因而所获植株源于西。因而所获植株源于西葫芦未授粉胚珠单倍体细胞葫芦未授粉胚珠单倍体细胞(卵细胞、助细胞或反卵细胞、助细胞或反足细胞足细胞)。 图图 1-d图图 1
48、-e图图 1-f图图 1-g 2 2）远缘杂交）远缘杂交 通过不同种、属间作物杂交来诱发孤雌生殖是产生单倍通过不同种、属间作物杂交来诱发孤雌生殖是产生单倍体的一条有效途径。远缘花粉不与卵细胞受精，但能刺激卵细胞体的一条有效途径。远缘花粉不与卵细胞受精，但能刺激卵细胞单性生殖。单性生殖。 3）染色体消失）染色体消失 用二倍体普通大麦与二倍体球茎大麦进行杂交，在受精卵开用二倍体普通大麦与二倍体球茎大麦进行杂交，在受精卵开始分裂、发育、形成幼胚及极核受精后的胚乳发育过程中，球茎始分裂、发育、形成幼胚及极核受精后的胚乳发育过程中，球茎大麦的染色体在有丝分裂过程中逐渐消失，最后形成只具有普通大麦的染色体
49、在有丝分裂过程中逐渐消失，最后形成只具有普通大麦染色体的单倍体，通过这种方法可获得大量的单倍体植株。大麦染色体的单倍体，通过这种方法可获得大量的单倍体植株。 4）异质体）异质体（异种、属细胞质（异种、属细胞质-核替代系）核替代系） 木原均等（木原均等（1962）报道：普通小麦的细胞质被尾状山羊草）报道：普通小麦的细胞质被尾状山羊草的细胞质代替的一个系，其后代产生单倍体的频率为的细胞质代替的一个系，其后代产生单倍体的频率为1.75%。 5 5）孪生苗（双生苗）孪生苗（双生苗） 一粒种子上长出的一粒种子上长出的2 2株或多株苗称为孪生苗（双胚苗）或株或多株苗称为孪生苗（双胚苗）或多胚苗。被子植物中
50、少数属如柑橘属中常常出现双胚或多胚现象。多胚苗。被子植物中少数属如柑橘属中常常出现双胚或多胚现象。双胚种子长成的双生苗中有单倍体，其出现的频率较单生苗高。我双胚种子长成的双生苗中有单倍体，其出现的频率较单生苗高。我国在水稻、苎麻、亚麻中均发现双胚苗、多胚苗类型，能够出现单国在水稻、苎麻、亚麻中均发现双胚苗、多胚苗类型，能够出现单倍体。倍体。 6 6）半配合生殖）半配合生殖（SemigamySemigamy） 半配合是一种不正常的受精类型，当精核进入卵细胞后，不半配合是一种不正常的受精类型，当精核进入卵细胞后，不发生精核和卵核结合，而是精核和卵核各自独立分裂，并发育成胚，发生精核和卵核结合，而是