植物染色体工程与育种*米福贵 云锦凤 逯晓萍(内蒙古农牧学院,呼和浩特 010018)摘要: 对植物染色体工程与双二倍体、异附加系、异代换系、易位系、单体与缺体系统进行了综述。
关键词: 染色体工程;育种分类号:Q942 文献标识码:A 文章编号:1000-6311(1999)02-0064-04C hromosomal Engineering and Plant Breeding.M I Fu gui,YUN Jin feng,LU Xiao ping(Dep artment o f Gr assland Science,I nner Mongolia I nstitute o f Agriculture and A nimal H usbandry,H ohhot010018):Gr assland o f China,No.2,1999,pp.64~ 67,78.Abstract: This paper review ed the chromosomal eng ineering in the aspects of double diploid,hetero-additive line,hetero-replacement line,ex chang e line,monosome one incomplete chromosome systems.Key words: Chromosom al engineering;Plant breeding染色体是生物细胞核中最重要而稳定的成分,它具有特定的形态结构和一定的数目,具有自我复制能力,并积极参与细胞的代谢活动,能出现连续而有规律的变化,是决定物种繁衍的遗传物质的载体。
如果染色体在数量、结构、功能等方面发生变异,最终都会导致生物遗传性状的改变。
据此,人们按照预定的目标,操作处理染色体,进而培育新品种乃至新物种,这便是人们所说的染色体工程。
染色体工程(chromosomal eng ineering)这一术语最早是由 C.M.Rick和G.S. Khush在1966年论述番茄单体、三体和缺体时首先提出的。
现在对这一概念的理解,是指按照人们的预先设计,通过附加、代换、削减和易位等染色体操作方法和技术改变物种染色体组成,进而定向改变其遗传特性的新技术。
有时人们也把这种技术称为染色体操作(chromosomal manipulation),它是染色体水平上的细胞工程。
目前,植物学家们已经将染色体工程用于作物品种的改良,使其成为一门育种新技术,此外它也是研究基因定位和异源基因导入的有效手段。
其基本的操作程序包括如下几个步骤:杂交;依靠杂种(或亲本)减数分裂时染色体联合的规律性变化产生具有不同染*国家教委资助课题收稿日期:1998-09-29作者简介:米福贵,男,博士,副教授,39岁,1982年本科毕业于内蒙古农牧学院草原系,多年来一直从事植物遗传育种的教学和科研工作,在国内外有关刊物上发表论文30余篇.中国草地Grassland of China1999,No.2,pp.64~67,78色体组成的配子;在杂种或杂种后代中通过细胞学鉴定,筛选所需要的材料。
1 双二倍体将来自不同种或属染色体组的F1,经人工诱导或自然加倍创造双二倍体是染色体工程的主要内容。
刚合成的双二倍体结合了来自双亲的整套染色体,各染色体之间都要进行同源配对,但由于来自双亲的染色体之间在复制时间、染色体定向、着丝粒分裂等方面表现出某种程度的差异,再加之二倍化机制尚不完善,常常会引起染色体丢失和减数分裂不稳定,产生不平衡配子并导致非整倍体形成。
只有通过连续选择,二倍化机制可日趋完善,方能成为细胞学上稳定的新物种。
因此,利用双二倍体可以把不同种、属间的有益特性综合在一起,培育出优良的作物新品系和品种。
此法比较广泛地用于将野生植物与栽培作物进行远缘杂交,以导入野生种的遗传物质,给栽培作物添加某些宝贵特性,如抗病性、抗倒伏性及抗寒性等。
近年来,世界上研究较多的是小麦亚族中的双二倍体,仅小麦及其亲缘物种间的双二倍体就有267种(Maan和Gordon,1988),其中影响较大、直接用于生产的有六倍体和八倍体小黑麦。
六倍体小黑麦国外栽培较多,分布在非洲、南美、澳洲等50多个国家,我国栽培利用的主要是八倍体小黑麦。
严格地讲,双二倍体还有完全双二倍体和部分双二倍体之分。
完全双二倍体是指受体结合供体所有染色体组而形成的个体,这种情况较常见,自然发生的普通小麦、人工合成的六倍体、八倍体小黑麦以及自然发生的西方牧冰草等均为完全双二倍体。
部分双二倍体仅指含供体亲本一部分染色体组的双二倍体,它是远缘杂交F1经自交或与亲本之一回交后形成的新物种,如现在生产上利用的一些八倍体小黑麦品系等。
它们仅具一组外源染色体,含有育种工作所需的目标性状,如丰产性、抗病性、适应性等。
较完全双二倍体更接近育种目标,在新品种培育方面具有更深远的意义。
总的说来,在人工合成的双二倍体中,适应性强且适合人类经济要求的超亲本类型目前还不多见。
即使是应用较多的小黑麦,由于其总体农艺性状较差,仍局限于少数生产条件低劣的地区,如澳大利亚的贫瘠干旱土壤、波兰的低涝酸性土地以及我国贵州的贫瘠高寒山地等推广种植。
小黑麦的其它亲缘物种虽然有这样或那样的突出优点,但远未达到其亲本之一 黑麦那样经过长期改良和人工栽培的程度。
此外,大多数双二倍体在早期的生活力、可孕性等方面也存在一些问题,有待于进一步的试验研究。
2 异附加系细胞中添加异种染色体的系统称异附加系(alien addition line)。
培育此添加系统的方法多种多样,常规法、桥梁亲本法、单倍体法、双二倍回交法、双重单体或多重单体附加法等均能创造异附加系。
其中,最常用的方法是获得栽培物种与亲缘物种间的杂种F1后,用受体品种与F1或由F1加倍成的双倍体回交一至数次,从回交后代中选择添加单体再经自交产生添加二体(O M ara,1940; Riley和Chapman,1968;Driscoll和Sears, 1971)。
异附加系的鉴定主要通过体细胞染色体计数,大孢子母细胞(PM C)在减数分裂中期 的染色体配对、有丝分裂和减数分裂中期 的染色体分带方法进行。
另据报道,同工酶分析、核酸内切片段长度多态性和外源标记性状等方法均可用来鉴定异附加系。
人们通过培育附加系在转移外源染色体导入有利基因方面虽然进行了大量工作,但由于异附加系遗传上的不平衡和细胞学上的65第2期 米福贵 云锦凤 逯晓萍 植物染色体工程与育种不稳定,再加之不良基因的导入,限制了它们自身作用的发挥,时至今日还没有任何一个异附加系在生产上可直接利用。
然而,成套异附加系是研究染色体组亲缘关系、物种起源与进化、基因互作和基因表达的有用遗传材料,同时也是培育异代换系和易位系的中间材料。
3 异代换系某种植物的一对染色体被他种植物的一对染色体所代换而形成的新类型称异代换系(Aline sabstitution lines)。
创造异代换系的材料是缺体植物和异附加系,前者所缺的染色体是被代换的,后者附加的一对染色体是准备换入的。
培育异代换系的方法也有不同几种,主要是利用单体或缺体与异附加系杂交进行。
异代换系的鉴定通常采用体细胞染色体计数、大孢子母细胞减数分裂中期 的染色体配对行为分析等。
但要确定哪条受体物种染色体为外源染色体所代换,还需借助于染色体显带、同工酶分析、标志性状的利用、核酸限制性片段长度多态性分析等技术手段。
代换系的染色体数目未变,染色体代换通常也发生在部分同源染色体之间,因而与异附加系相比异代换系在细胞学和遗传学上更趋稳定,在生产上是可以直接加以利用的。
4 易位系前文所述,通过附加或代换异源染色体可以将有益基因引入栽培植物中,但引入的染色体除携带有益基因外,亦带有不利基因。
如能使异源染色体上携带的有益基因通过易位整合到栽培植物的染色体上,就可以减少或消除不利基因的作用。
这就需要建立易位系。
所谓的易位系是指异源染色体与栽培植物染色体之间相互易位的植物。
染色体易位可使两个正常的连锁群改变为两个新的连锁群,同时易位还会造成染色体融合,进而导致染色体的变异。
现在已知,许多植物的变种就是由于染色体在进化过程中不断发生易位造成的。
在易位系中,通过染色体易位达到了异源目的基因的转移,这便是建立易位系的动机所在。
远缘杂交中经常有自发易位产生,但异种、属间的染色体自然发生易位的频率很低。
实践中,易位系的建立就需人工诱发易位,一般是用电离射线照射或化学诱变剂处理。
辐射能使染色体随机断裂,断片常以各种不同方式进行重接,产生各种染色体结构变异,导致易位。
用射线照射带目标性状的代换系、附加系等可产生插入易位或末端易位。
小麦易位系的创建方法便是对携有目标基因的单体异附加系进行辐射处理,以这种基因的表型性状为标记,在后代中选择带有这种基因而染色体数目仍为2n=42的个体。
因为目的基因已转移到小麦染色体上,这样的个体就是易位系。
通过辐射,目前已将小伞山羊草、中间冰草以及黑麦的抗病基因成功地转入普通小麦的染色体中。
另外,植物种、属间杂种经过细胞、组织培养可以增加亲本染色体间的遗传交换,再生植株显示各种染色体异常,其中包括许多染色体易位。
特别是对携带目标性状的代换系、附加系与农艺亲本的F1杂种进行细胞、组织培养并结合诱变会大大提高有益基因的转移频率。
易位系一般来说不发生染色体数目的变化,因而它的鉴定要比鉴定异附加系和异代换系困难得多。
常规的染色体计数以及染色体带型分析效果不佳,特别是对不显带区段和小片段易位更是无能为力。
目前,一般采用同工酶分析或分子原位杂交技术对易位染色体进行标定。
66 中 国 草 地 1999年5 单体与缺体系统单体有时也称单体植物,是指正常二体缺少了1条染色体的个体,通常用公式2n-1表示。
如普通小麦,正常的二体具42个染色体,其单体植株的染色体则为2n-1=41。
自然界中,正常的二体植株有时会自发产生一些单体,这样的单体如出现在二倍体植物中一般都不具活力,而且往往是不孕的;只是异源多倍体的单体才具有一定的活力和育性。
人工创造单体植株常用种、属间远缘杂交及理化因素诱导,另外也有用非整倍体、回交转育、易位杂合子、组织培养等方法培育单体的报道。
普通小麦单体的培育可用单倍体小麦(3x )与正常二体小麦(6x)杂交的方法进行。
从细胞学分析来看,减数分裂时单倍体小麦的每条染色体都缺少可以联会的同源对象,基本上不能配对形成二价体,减数分裂后期各染色体随机分配,最终形成具有不同染色体数目的配子。
其中,大多数配子因染色体缺数太多成为败育配子,只有具21条或20条染色体的配子具有受精能力。
此种情况下,单倍体小麦与二体小麦杂交后便会产生单体后代(图1)。
