作物育种学概要2007
第九章 远缘杂交与倍性育种
第一节 远缘杂交育种
1 意义和作用
概念：种以上的分类单位之间杂交叫远缘杂交。
作用：用于起源、进化与遗传理论的研究。在育种的作用主要是把一个物种的某些有利的遗传因子转移到另一物种中去，以改良另一物种。
1、栽培种之间杂交，可改进现有品种的产量和品质。如棉花中，陆地棉×海岛棉，小黑麦：普通小麦×黑麦，小黑麦产量高,蛋白质含量高。
2、将野生物种的有利性状转移到栽培种中。如瑟柏棉本身无纤维，但有潜在强度大的纤维的基因；非洲异常棉纤维稀，但强度高。
3、可以直接利用种间杂种优势及选育雄性不育系。
2 种间杂交的不亲和性及其克服方法
2.1种间杂交的不可交配性与早期夭折的原因及其克服方法
远缘杂交难以成功的原因：（1）不能实现受精（不可交配性）；（2）可以受精，但不能得到种子或种子不育。这是远缘杂交的两大难关。
2.1.1 种间杂交不可交配性及早期夭折的原因和表现
1．受精过程未实现：子房不膨大，如瑟柏棉×中棉，原因可能是（1）花粉未发芽；
（2）不能伸入柱头；（3）不能进入胚珠；（4）精细胞与卵细胞不能结合。由于基因型的差异和生理生化的反应不一样。还有人分析细胞膜由于物种不同，亲和性存在差异。
2． 受精过程实现，胚在中途死亡：如棉花，子房膨大，但7-8天后又脱落了。
原因：（1）果实因营养不足而脱落，营养不足是由于激素分泌不够。
（2）胚和胚乳发育不协调。如普通大麦×球茎大麦，可以受精，但胚乳中途解体。
若不马上进行胚离体培养，胚即死亡。
3．有少数后代，但发育不良
如棉花中：中棉×瑟柏棉可以得到种子，但后代株矮，开花前死亡。有的茎基出现肿瘤。有的认为是基因型不协调或致死基因。
2.1.2 克服方法
1、预先嫁接法
2、染色体预先加倍：如中棉×陆地棉，得不到种子，但中（4n）×陆，结实率可达40%。 3、选好亲本：用染色体数较多的作母本，正反交的效果不一样。如瑟×中得不到种子，中×瑟得到种子。还可以通过桥梁种杂交。
4、加蔗糖法：棉花用38%蔗糖喷酒柱头，造成花粉发芽的良好条件；
5、混合授粉（加少数母本花粉）和多次授粉，可产生少量自交种子，但产生激素，为杂种提供好的营养条件，但F1要注意清除自交种；
6、授粉后在花柄或花铃上涂激素（920，2，4-D或奈乙酸），效果也很好，如棉花杂交后马上滴到花蕊中。
7、摘除下部少量花蕾，以使营养集中； 8、胚的离体培养：授粉5-6天取胚。
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2.2 种间杂种不育的原因及其克服
2.2.1原因
1、杂种减数分裂不正常，不能正常配对。由于：
（1）染色体组不同：如有13对染色体，则成组染色体进入一个孢子的机会为（1/2）。 （2）染色体数不同。
2、基因系统的不协调：如海×陆，F2代可出现部分不育植株，这可能由同源染色体结构上的微小差异（基因的差异）而引起。
3、外界环境条件的影响：在减数分裂过程中影响较大。如中棉细胞质不育系受外界条件影响很大，如减数分裂在33℃以下花粉正常，33℃以上是不育的。
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2.2.2 克服方法
1、回交：各种作物的种间杂种不育都采用该方法。以棉花为例，陆地棉×中F1不育。有人观察到F1产生的♀♂配子的染色体数不同，最少的13个，最多的39个。
如用陆地棉回交，可增加可育性，因为回交后，陆地棉在核中的成分越来越多，同质性也越高，核质之间的不协调逐渐得到解决。特别是用母本回交，育性恢复较好。
2、染化体加倍。使成双二倍体
3 远缘杂交后代的性状分离和选择
3.1 远缘杂种后代的性状分离特点 3.1.1分离极复杂：表现在：
1、疯狂分离：有经7-8代，甚至10代仍有分离。此后又可能回复到原来的亲本性状。如AABBDD×AABB（硬粒小麦）
↓ F1 AABBD
产生的配子有：ABD AB ABD-（D不完整）
♂ ♀ ABD AB AABBDD AABBD AABBD AABB ABD AB 2 分离类型多：后代分离从形态上看有偏向父本的，有偏向母本的，也有中间类型的，
甚至产生非亲本类型。如中×陆，后代可出现叶子完全象法国梧桐，黄叶的，缺刻有二十多个，这种后代的选择有意义。
3 F1的分离表现：远缘杂种F1大多数优势明显，但也有的性状很弱，如中×瑟柏棉。
在同一个组合中，有的有优势，有的无优势，F1分离比较明显。而品种间杂种是整齐一致的。
3.1.2 育性表现 有三种情况：
（1）♂♀都高度不育；
（2）♀不育程度比♂不育程度低； （3）♂♀全部可育（如海×陆）
3.2 选择
1、如果后代育性正常，开始可用系谱法选择，如海×陆
2、如果高度不育，性状表现不那么好，开始可采取集团选择法。
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第二节 多倍体育种
远缘杂交育种与多倍体育种有很密切的关系。远缘杂交之所以作为一种育种法提出来，是基于两个问题的解决。
（1）杂交方法得到改进以后，远缘杂交才有可能，因杂交有不孕等问题。
（2）染色体加倍技术的应用，克服杂交不孕和杂种不育都用到了染色体加倍技术。所以二者往往是结合在一起的。
1 多倍体的概念及种类
1、表示方法：2n，n，x，含有一个x的叫一倍体，含有两个染色体组的叫二倍体??三个以上的叫三倍体。
2、种类
（1）同源多倍体：染色体组来自同一物种，自然界较少；
（2）异源多倍体：染色体来自两个或两个以上的物种，如陆地棉A1A1D1D1，小麦AABBDD，以异源4倍体，异源6倍体较多。
（3）区段异源多倍体：在两个不同的染色体组之间有部分同源性，亲缘关系比较近，可出现异源联合，自然界少见。马铃薯是天然的节段异源四倍体（4x）。
（4）同源、异源多倍体：结合了同源多倍体和异源多倍体的特点。如梯牧草（饲料）是同源异源多倍体：（6x）=AAAABB，A来源于节节草，B来源于高山草。
2 多倍体在植物进化和起源中的作用
自然加倍有两种可能：（1）是减数分裂未减数，出现2n配子；（2）是体细胞的自然加倍，体细胞的染色体加倍了，未分裂为两个细胞。
多倍体的适应性比较强，这与其形成的自然环境有关，它本身是在不良的环境下形成的。
3 植物的多倍体在作物育种上的意义
3.1 解决远缘杂交育种工作中的一些困难
（1）亲本加倍可克服远缘杂交不孕的问题； （2）杂交种加倍，可克服远缘杂交不育的问题；
（3）杂交种加倍，还可克服远缘杂交后代疯狂分离的问题。 3.2 多倍体对增大营养器官有良好效果
利用营养体为目的的作物，如橡酸草、甜菜、等蔬菜类，培育多倍体有较高的价值。
3.3 利用三倍体的不育性
如利用甜菜三倍体，营养体生长繁茂，块根产量根，产糖量大大超过二倍体亲本。无籽西瓜也是三倍体，具有重要的经济价值。3x由二倍体与四倍体杂交而成。
3.4 创造新物种
小黑麦是人工合成的新处，如六倍体小黑麦（AABBRR），亲本之一是硬粒小麦或波斯小麦；8倍体小黑麦的亲本是普通小麦（AABBDDRR），具有小麦的高产性，又有黑麦的抗逆性。
4 多倍体的诱发与鉴定
4.1诱发 4.2 鉴定
4.2.1 直接鉴定方法：看根尖或花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ，计数染色体数目，如单纯计数，
观察根尖较容易。
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3.2.2间接方法：如有大量材料，可先用间接法，异源多倍体看其育性变化就可确定。同源
多倍体可从形态、育性各方面来确定。一般同源多倍体叶大、肥厚、气孔大，单位面积上的气孔少一些，未加倍的多些；还可观察气孔中叶绿体数，加倍的多些，反之少数。叶绿体数目一般增加20-30%，已加倍的比未加倍的大些。加倍的花粉粒大些，反之小些。另外还可看其育性，绝大多数同源多倍体育性下降，甚至不育。
5 植物多倍体育种应注意的问题
5.1 关于染色体限度：如2倍体中棉×陆地棉，结实率0%；4倍体中棉×陆地棉，结实率5-50%；2倍体中棉×陆地棉F1加倍成6倍体，有80%的花粉正常可育，能自然结实。但4倍体陆地棉加倍不易得到8倍体，一是不易成功；二是得到了发育也不正常，高度不育，为什么？
由于倍数性太高，打破了正常的生理平衡，一些不利的隐性基因积累过多。 5.2 同源多倍体存在不孕性
（1）因为减数分裂有较多的多价体 （2）有人认为是营养物质输送不正常 （3）同源多倍体同源性太高，生活力下降
5.3 在选育异源多倍体时，有可能把一些不利的性状也转移过来了。
如普通烟草×粘毛烟草（野生、抗花叶病和腐烂病），后代把粘毛烟草的一些野生性状也转育过来了。应注意后代的选育。
5.4 人工诱变多倍体只是育种的开始，只能作为一种创造变异的手段和方法，必须从中进行严格的选择和鉴定才能选出我们所需要的物种。
第三节 单倍体育种
1概念
单倍体：指具有配子体染色体数的植物体，统称为单倍体。在细胞遗传学上，把由二倍体植株产生的单倍体称为一倍体，因为其体细胞中只含一个染色体组；而把由多倍体产生的单倍体，由于其体细胞中含有几个染色体组，所以叫多倍单倍体，但在育种上都称为单倍体。
2 单倍体在育种上的意义和特点
2.1 克服杂种分离，缩短育种年限 2.2 提高获得纯合材料的效率。
2.3与其他育种方法和结合，可提高育种效果，如诱变育种。
3 产生单倍体的途径
3.1 孤雌生殖：1、遗传标记性状的应用；2、远缘杂交；3、化学诱导
3.2染色体有选择地消失：如普通大麦×球茎大麦，在胚乳发育阶段，球茎大麦的染色体
在有丝分裂过程中逐渐消失，最后形成只有普通大麦染色体的单倍体幼胚。
3.3 花药和花粉培养
4 单倍体的发育特点与鉴定
4.1 发育特点：单倍体植株生长非常慢，短小，不能自然结实
与♂不育怎样区别呢？细胞学检查，检查根尖染色体数目，（2）雄性不育性除育性外，其全是正常的，用正常花粉授粉可得到种子；易单倍体用正常花粉授偻也不能结实。
4.2 鉴定
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（1）气孔、叶片、花和穗子都较小，株矮小，可作鉴定的标志； （2）单倍体的不育性高，95-99％的花粉是败育的； （3）利用遗传标记； （4）检查染色体。
5 育种上利用单倍体的步骤
1、亲本选配，用亲本选配原则，但应注意用易诱发的品种； 2、获得单倍体：花药培养、花粉培养等； 3、染色体加倍； 4、后代植株的选育。
6 育种上利用单倍体的现状与问题
6.1不同杂交组合之间诱导频率有差异。6.2加倍技术的解决。
思考题
1. 怎样克服远远杂交不孕和杂种不育的问题？
2. 什么是单倍体、一倍体；同源多倍体、异源多倍体和区段异源多倍体？ 3. 怎样鉴定单倍体和同源多倍体？
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