植物多倍体育种研究进展

0引言1916年Winker[1]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[2]，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[3]，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，多倍体植株具有茎粗壮、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[4]，用秋水仙素诱导多倍体的技术在植物上应用广泛[5]，常见的多倍体植物有三倍体苹果[6-7]、多倍体柑橘、三倍体梨、多倍体葡萄[8]、四倍体金丝小枣、橡胶树[9]等。1多倍体植物的特征

1.1植株高大，生长势强，分枝性减弱，生育期延长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。一般而言，同源多倍体植株高大，生长势强，茎粗、叶厚，叶片长度、宽度增长率大，叶面积增加，生活力增强，分枝数和叶片数减少，生长期延长。如同源四倍体荞麦的外部形态特征与普通小麦比较，植株平

基金项目：国家科技支撑项目（2008BAD92B06)；广东省科技攻关项目（2007A020200003-3）；科技部国际合作项目（2009DFA31470）；国家“948”项目（2008-G1）。第一作者简介：彭静，女，1985年出生，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向：生物工程系分子遗传学专业。通信地址：510640广东省天河区五山镇大丰二街80号广东省农业科学院果树研究所，E-mail：pengjing_617@yahoo.com.cn。通讯作者：熊兴华，男，1967年出生，湖南安乡人，副教授，从事油菜基因工程研究工作。通信地址：410005湖南农业大学生命科学楼，E-mail：xiongxh6799@yahoo.com.cn。收稿日期：2009-12-22，修回日期：2010-02-27。

植物多倍体育种研究进展彭静1,2，魏岳荣2，熊兴华1（1湖南农业大学生物科学技术学院，长沙410005；2广东省农业科学院果树研究所，广州510640）

摘要：多倍体育种现在广泛应用于生产与育种研究中。通过查阅国内外大量相关的文献，阐述了多倍体育种的目的意义，多倍体植物的特征。重点介绍了多倍体诱导的方法。并指出多倍体育种中存在的问题及对未来育种前景的展望。关键词：植物；多倍体；育种中图分类号：S335.1文献标志码：A论文编号：2009-2744

PolyploidInductionofPlantResearchSummaryPengJing1,2,WeiYuerong2,XiongXinghua1

(1CollegeofBiologicalScienceandTechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410005;

2FruitResearchInstitute,GuangdongAcademyofAgriculturalSciences,Guangzhou510640)

Abstract:Polyploidbreedingisnowwidelyusedintheproductionandbreedingresearch.Inthispaper,accesstodomesticandforeignlargenumberofrelevantliterature,describesthepurposeofbreedingpolyploidmeaning,characteristicsofpolyploidplants.Focusesonpolyploidyinductionmethod.Andpointedoutthatinpolyploidbreedingproblemsandprospectsforfuturebreedingprospects.Keywords:plant;polyploidy;breeding

中国农学通报2010,26(11):45-49ChineseAgriculturalScienceBulletin中国农学通报http://www.casb.org.cn

均增高19cm，生长势增强，分枝减弱，生长期延长5~7天，茎秆变粗，叶片变厚增大。植物气孔性状较稳定与倍性有较大关系[10]。荞麦同源四倍体保卫细胞长度、宽度分别增加50.9%和22.8%。气孔器保卫细胞叶绿体数目随倍性增加而增加，如西瓜同源四倍体、同源三倍体与二倍体叶片保卫细胞叶绿体数目之比为4:3:2。日本于20世纪40年代育成的四倍体美浓早生萝卜，性耐寒，生长旺，肉质根长而大，呈白色，多汁味甜，产量提高20%左右，抽薹晚。不结球白菜四倍体品种“南农矮脚黄”，其表现比二倍体叶色更深，叶片更厚，产量增加20%~30%，抗逆性强[11]。1.2多倍体种子增大，结实率降低多倍体植株的花器、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。多倍体的染色体组奇数加倍后，致使其后代遗传达到严重的不平衡，在减数分裂形成配子时，染色体不能正常配对，形成正常配子，所以多倍体的育性下降，尤其表现在奇数多倍体。三倍体介于二倍体和四倍体之间，几乎全不育，可以利用这一优势进行果蔬的无籽化生产，如著名的三倍体的“无籽西瓜”的培育。三倍体无籽西瓜是目前在生产上利用异源多倍体面积最大的水果之一，与二倍体西瓜相比具有抗逆性强、含糖量高、无籽、耐贮运、产量高等优点[12]，如蜜枚一号无籽、黑蜜二号、郑抗无籽、雪峰无籽、洞庭无籽、汴京五号等均是中国西瓜主栽品种。多倍体育性降低的程度却因不同的基因型差异而差别很大，如同源四倍体玉米的育性一般下降85%~95%，同源四倍体柑桔花粉育性仅为二倍体的60%，同源四倍体草棉则几乎不育。奇倍数的同源多倍体育性更低，如三倍体完全不育。另外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。1.3多倍体的有机营养成份含量增高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。如一些药用植物瞿粟的多倍体所含的吗啡比二倍体多，三倍体西瓜和甜瓜的含糖量更高。瓜类蔬菜四倍体的可溶性固形物含量一般较二倍体高10%~30%[13]。同源四倍体茄子品种“新茄一号”的果实脂肪、蛋白质含量分别较对照二倍体品种明显增加。1.4多倍体的维生素及矿物质含量有增加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。如不结球白菜四倍体较二倍体维生素C增加30%，而且Ca、P、Fe3种矿质元素成倍或数倍的增加。1.5多倍体植物抗逆性强(特别是异源多倍体)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。如三倍体和四倍体西瓜对枯萎病有较强的抗性，四倍体萝卜对普通根肿病的抗性比二倍体高；白菜中的南农矮脚黄、热优二号品种抗热性强，弥补了叶菜“夏淡”，而“寒优一号”，又适合冬季栽培，目前栽培面积已超过20万m2。不结球白菜四倍体较二倍体的抗寒性、抗热性及抗病性均有明显的提高。2多倍体产生的途径

2.1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[14]。2.2人工诱导2.2.1物理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[15]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[16]；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[17]。2.2.2化学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。由于秋水仙素诱变作用只在细胞分裂时期，对于那些处于静止状态的细胞没有作用，因此，所处理的植物组织必须是分裂最活跃、最旺盛的部分，通常是处理萌动的或刚发芽的种子、幼苗、嫩枝的生长点、芽及花蕾等，对于那些发芽慢的干燥种子效果往往不好。秋水仙素可以抑制纺锤体的形成，导致细胞不分裂，使染色体数目进行加倍。随着植物组织培养技术的发展，越来越多的植物可以通过组织培养再生植株，这使得秋水仙素在离体组织水平上诱导细胞内染色体加倍

··46成为可能。离体组织细胞染色体加倍也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。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[18]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。张兴平等[19]在西瓜幼胚子叶不定芽再生的前7天，在再生培养基中添加0.05%的秋水仙素，使再生植株中四倍体的频率由对照(不加秋水仙素)的8%提高到了52%，大大提高了组织培养再生四倍体的频率和效率。郭启高等[20]在培养过程中，用秋水仙素溶液处理培养材料并在西瓜芽再生培养基中添加BA，即可产生高频率的四倍体变异。利用西瓜和甜瓜的未成熟子叶、子叶和真叶作外植体进行离体培养，利用植株再生过程中发生染色体数目变异，可获得较高频率的四倍体变异[21-26]。Kunitake等[26]报道石刁柏和胡萝卜的组织培养过程中很容易产生四倍体。随着植物组织培养技术的发展，越来越多的植物可以通过组织培养再生植株，秋水仙素在离体组织水平上诱导细胞内染色体加倍成为一条重要途径。杨丽娟等[27]用秋水仙素离体诱导大花蕙兰，获得多倍体植株。唐晓义等[28]通过秋水仙素，诱导获得新疆一枝篙多倍体。王丽艳等[29]诱变得到扁茎黄芪多倍体。常建忠[30]通过秋水仙素诱导获得美洲商陆四倍体。代勇[31]用秋水仙素通过对青蒿愈伤组织进行多倍体诱导，成功地解决了利用青蒿种子进行多倍体诱导时出现的嵌合体问题。2.3有性杂交获得多倍体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[32]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[33]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。2.4体细胞融合获得多倍体原生质体融合可以克服远缘杂交遇到的生殖障碍，获得有价值的多倍体植株。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[34]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。Warra等[35]将马铃薯双单倍体的原生质体用化学方法融合获得了四倍体和六倍体杂种植株。3问题与展望