作物育種學(xué)劉裕強(qiáng)第八章遠(yuǎn)緣雜交育種

1、>,劉裕強(qiáng)理科樓A508 yql@njau.edu.cn,第八章 遠(yuǎn)緣雜交育種,一、育種學(xué)意義1、培育新品種和種質(zhì)系 當(dāng)現(xiàn)有品種資源無(wú)法滿足的育種目標(biāo)要求時(shí)，引入異屬、異種的有利基因，可培育出具有優(yōu)異性狀的新品種。尤其高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟和抗病蟲(chóng)抗逆境等性狀的突破。普通小麥與長(zhǎng)穗偃麥草雜交，培育出高產(chǎn)品種小偃麥6號(hào)，推廣1000萬(wàn)畝以上；培育一批抗病材料如中4、中5等材料具有小麥屬內(nèi)沒(méi)有的黃矮病新抗源龍麥10號(hào)

2、被加拿大國(guó)家黃矮病鑒定中心列為抗病對(duì)照,普通小麥 小偃麥6號(hào),2、創(chuàng)造新作物類型導(dǎo)入不同種、屬的染色體組，可以創(chuàng)造新作物類型和新的物種。野生的心葉煙草（ 2n=24,GG）?與普通煙草（2n=48, TTSS） F1（TSG，加倍） 異源六倍體新種（2n=72, TTSSGG）小黑麥的育成：普通小麥（AABBDD）與黑麥（

3、RR）雜交，經(jīng)F1染色體加倍育成八倍體小黑麥（AABBDDRR）；六倍體小黑麥（AABBRR）:硬粒小麥（AABB）與黑麥（RR）雜交，經(jīng)F1染色體加倍而成還有小麥與偃麥草合成的小偃麥； 小麥與山羊草合成的小山麥； 小麥與簇毛麥合成的小簇麥。,3、創(chuàng)造異染色體系遠(yuǎn)緣雜交通常引入全套的異源染色體組，因此往往帶來(lái)不良性狀。導(dǎo)入或置換某個(gè)異源染色體或染色體片段，創(chuàng)造異附加系、異替換系、易位系等，更好地利用異源物種的有

4、利性狀，改良現(xiàn)有品種。（1）異附加系：在某物種染色體組的基礎(chǔ)上，增加數(shù)量不等的異源染色體。為非整倍體。單體附加系：附加一條外源染色體的個(gè)體。二體附加系：附加一對(duì)外源染色體的個(gè)體。雙單體附加系：附加二條不同的染色體。特點(diǎn)：染色體數(shù)目不穩(wěn)定，容易恢復(fù)到二倍體 育性減退 異源染色體可能伴有不良性狀 不能用于生產(chǎn)，但可用于創(chuàng)造異替換系和易位系,附加系染色

5、體鑒定,（2）異置換系：物種的一對(duì)或幾對(duì)染色體被另一物種的染色體所取代 來(lái)源：由附加系（2n+1）與單體（2n-1）雜交再自交得到 染色體的代換通常在部分同源染色體間進(jìn)行 （如普通小麥的4D與長(zhǎng)穗偃麥草的 4E） （部分同源染色體在基因劑量、位置、DNA序列有很大差異，差異程度因不同染色體而異，它們?cè)诠δ苌嫌幸欢ㄑa(bǔ)償能力） 特性：染色體數(shù)目未變

6、 細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)上都比相應(yīng)的附加系穩(wěn)定 有時(shí)可在生產(chǎn)上直接利用 （3）易位系：某物種的一段染色體與其它物種的染色體段發(fā)生交換。 來(lái)源：異置換系、異附加系與栽培品種雜交、回交產(chǎn)生 （同源染色體配對(duì)，外源染色體與對(duì)應(yīng)的染色體均呈單價(jià)體， 可以發(fā)生部分同源配對(duì)、交換，形成易位系）； 輻射誘變、組織培養(yǎng)，增加染色體的遺傳

7、交換，提高易位頻率 特點(diǎn)：導(dǎo)入有用基因的染色體片段、排除不利基因的染色體片段 細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)特性更穩(wěn)定更平衡 可直接應(yīng)用于生產(chǎn),易位系鑒定,4、誘導(dǎo)單倍體遠(yuǎn)緣花粉在異種母本上常不能正常受精，但有時(shí)能刺激母本的卵細(xì)胞自行分裂，誘導(dǎo)孤雌生殖，產(chǎn)生母本單倍體。親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的兩個(gè)親本因細(xì)胞分裂周期不同等原因，其雜種會(huì)排除親本之一的染色體，產(chǎn)生單倍體植株。如普通大麥與球莖大麥

8、雜交F1，其球莖大麥的染色體消減而得到大麥單倍體。通過(guò)遠(yuǎn)緣雜交己在許多物種中成功地誘導(dǎo)出孤雌生殖的單倍體。所以，遠(yuǎn)緣雜交也是倍性育種的重要手段之一。,5、利用雜種優(yōu)勢(shì)：（1）利用遠(yuǎn)緣物種的細(xì)胞質(zhì)差異發(fā)掘細(xì)胞質(zhì)雄性不育系細(xì)胞質(zhì)不育與核恢復(fù)基因相伴而存，因此無(wú)法在表型上識(shí)別。通過(guò)遠(yuǎn)緣、亞遠(yuǎn)緣雜交、回交可以將細(xì)胞質(zhì)不育與核不育結(jié)合在一起，獲得核質(zhì)互作雄性不育。如高梁不育系3197A，小麥T型不育系，水稻的“野敗”和棉花哈克尼西胞質(zhì)雄性

9、不育系等，都是通過(guò)這種方法育成的。（2）遠(yuǎn)緣、亞遠(yuǎn)緣雜交也可直接利用其雜種優(yōu)勢(shì)如水稻的秈粳雜交和棉花的陸海雜交等。 （3）體細(xì)胞雜交產(chǎn)生核質(zhì)雜種兩個(gè)不同親本的原生質(zhì)體融合形成異核體，異核體再生出細(xì)胞壁，在有絲分裂過(guò)程中發(fā)生核融合（體細(xì)胞雜交）體細(xì)胞雜交可以克服有性雜交的遠(yuǎn)緣隔閡，還可以鑒定分離出核質(zhì)雜種。核質(zhì)雜種（質(zhì)核來(lái)自不同物種），其基因之間的互作以及核質(zhì)之間的互作均可產(chǎn)生一定的優(yōu)勢(shì)。這種“雙重雜種優(yōu)勢(shì)”，可能是獲得高產(chǎn)、

10、優(yōu)質(zhì)新品種的一種新途徑。,6、研究生物的親緣關(guān)系和進(jìn)化許多物種是通過(guò)天然的遠(yuǎn)緣雜交演化而來(lái)的如普通小麥（由二粒小麥與山羊草）可根據(jù)遠(yuǎn)緣雜交的可交配性、細(xì)胞遺傳學(xué)（染色體配對(duì)）、DNA同源性、性狀互補(bǔ)程度等方面的研究，可判斷物種的進(jìn)化和確定物種間的親緣關(guān)系，有助于進(jìn)一步闡明某些物種或類型形成與演變的規(guī)律。,一、雜交不親和性的概念 遠(yuǎn)緣雜交常出現(xiàn)花粉不萌發(fā)、花粉管不能伸入柱頭、花粉管生長(zhǎng)緩慢或破裂、花粉管不能達(dá)到子房、雌雄配子不

11、能結(jié)合形成合子，合子胚不發(fā)育，幼胚死亡等現(xiàn)象，這就是遠(yuǎn)緣雜交的不親和性（incompatibility）。,第二節(jié) 遠(yuǎn)緣雜交的困難及其克服方法,（1） 雙親受精因素的差異 雙親受精因素的差異：雙親遺傳差異大，柱頭呼吸酶活性、pH值、柱頭分泌的生理活性物質(zhì)、花粉和柱頭滲透壓差異等生理、生化狀況的不同，可阻止外來(lái)花粉的萌發(fā)、花粉管的生長(zhǎng)和受精作用。雙親花柱異長(zhǎng)、雌雄配子的膜具有高度的專一性，無(wú)法融合而受精。（2）雙親基因的差異

12、控制可交配性基因：小麥在5B 和5A 染色體上分別載有顯性的Kr1和Kr2基因，可阻止小麥與黑麥、小麥與球莖大麥的可交配性（crossability）。但“中國(guó)春”小麥的這二個(gè)位點(diǎn)上，分別載有隱性的等位基因kr1和kr2，因而易于與黑麥和球莖大麥雜交?；蚧パa(bǔ)的致死基因：戴維遜氏棉與所有異源四倍體種雜交時(shí)，即使應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)也未成功。其主要原因是戴維遜氏棉具有Le2dav致死基因，而異源四倍體種具有Le1、Le2基因，當(dāng)Le1與Le

13、2dav互補(bǔ)時(shí)，就可使棉苗致死。,（一）、遠(yuǎn)緣雜交不親和性的原因,（1）親本選擇與組配 a 廣泛測(cè)交與正反交篩選 b 以栽培種為母本 c 以染色體數(shù)目多的物種作母本 如小麥（2n=42)與黑麥(2n=14) 甘藍(lán)型油菜（2n=38）與白菜型油菜（2n＝20） d 雜種為母本（2）染色體預(yù)先加倍法：染色體數(shù)目少的親本人工加倍（3）橋梁（媒介）法（4）特殊的授粉方法 ：混合授粉、

14、重復(fù)授粉、提前或延遲授粉、射線處理（5）（5）外源激素處理：調(diào)節(jié)雌、雄性器官生理狀態(tài)（如生長(zhǎng)素、GA、維生素）（6）植物組織培養(yǎng)： 柱頭嫁接技術(shù) 試管受精 子房受精： 體細(xì)胞雜交,,（二）克服遠(yuǎn)緣雜交不親和性的方法,,體細(xì)胞融合培育遠(yuǎn)緣雜種,,,,,,,二、雜種夭亡、不育及其克服方法,（1）精子能與卵核結(jié)合，但不能和極核結(jié)合形成胚乳，或胚乳發(fā)育不正常，胚和胚乳發(fā)育不同步等，因而不能獲得雜交種子；

15、（2）雖獲得了雜交種子，但幼苗在生育過(guò)程中死亡而不能獲得雜種植株；（3）雜種雖能長(zhǎng)成植株，但不能受精結(jié)實(shí)獲得雜種后代，即出現(xiàn)雜種不育。,不同種、屬植物間雜交，有時(shí)雖能完成受精作用，形成合子，但受精不完全，主要有：,（1）受精后幼胚不能發(fā)育或中途停止發(fā)育；（2）能形成幼胚，但幼胚畸形、不完整；（3）幼胚完整，但沒(méi)有胚乳或極少胚乳，胚和胚乳雖發(fā)育正常，但胚和胚乳間形成糊粉層似的細(xì)胞層，妨礙了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從胚乳進(jìn)入胚；（4）由于胚、胚乳

16、和母體組織間不協(xié)調(diào)，雖能形成皺縮的種子，但不能發(fā)芽或發(fā)芽后死亡；（5）F1植株在不同發(fā)育時(shí)期出現(xiàn)生育停滯或死亡；（6）由于生育失調(diào)，營(yíng)養(yǎng)體雖生長(zhǎng)繁茂，但不能形成生殖器官；（7）F1植株雖能形成生殖器官，但其構(gòu)造、功能不正常，不能產(chǎn)生有生活力的雌、雄配子。,雜種夭亡和不育的的具體表現(xiàn)是：,（1）  核質(zhì)互作不平衡 細(xì)胞質(zhì)的遺傳物質(zhì)，遠(yuǎn)緣雜種核質(zhì)不協(xié)調(diào)，可能引起雄性不育或影響雜種后代生長(zhǎng)發(fā)育。（2）  染色體

17、不平衡 雙親的染色體組、染色體數(shù)目、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等的差異，在減數(shù)分裂時(shí)不能同源染色體配對(duì)、分離，不能形成有正常功能的配子。 如普通小麥（AABBDD，n＝21）和二粒系小麥（AABB，n＝14）雜交（3） 基因不平衡 部分同源染色體之間所攜帶的基因或基因劑量的差異，影響個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育所需物質(zhì)的合成；異源 DNA降解（4）  生理代謝不協(xié)調(diào) 胚、胚乳與母體組織（珠心、珠被等）間的生理代謝失調(diào)或發(fā)育不良，導(dǎo)致胚乳敗

18、育及雜種幼胚夭亡。,（二）、雜種夭亡、不育的原因：,（1）幼胚的離體培養(yǎng)：將雜種幼胚進(jìn)行人工離體培養(yǎng)，以調(diào)整雜種胚發(fā)育的外界條件，避免雜種胚、胚乳和母體組織間的生理不協(xié)調(diào)性，可獲得雜種并提高結(jié)實(shí)率?！氨Ｄ贩ā迸囵B(yǎng):親本之一的胚乳（去胚）放在培養(yǎng)基表面培養(yǎng)，再將雜種幼胚移植到的胚乳中胚的位置上進(jìn)行培養(yǎng)。 （2）雜種染色體加倍法：不同染色體組親本間雜交，F(xiàn)1為多元單倍體，減數(shù)分裂時(shí)染色體不能聯(lián)會(huì)或很少聯(lián)會(huì)造成不育。雜種染色體加倍獲得雙二

19、倍體，便可有效地恢復(fù)其育性。,（三）、雜種夭亡、不育的克服方法,（3）回交法：染色體數(shù)目不同的遠(yuǎn)緣雜交所得的雜種，其產(chǎn)生的雌、雄配子并不都是完全不育的。其中有些雌配子可接受正常花粉受精結(jié)實(shí)，或能產(chǎn)生有生活力的少數(shù)花粉。所以用親本之一對(duì)雜種F1回交，可獲得少量雜種種子（4）延長(zhǎng)雜種的生育期，恢復(fù)生殖機(jī)能及育性。采用無(wú)性繁殖法，或人工控制溫、光條件等延長(zhǎng)雜種生育期，恢復(fù)雜種育性。（5）嫁接法 不育F1雜種嫁接到栽培種上，提高雜種的育性

20、（馬鈴薯）,（三）、雜種夭亡、不育的克服方法,1、分離特點(diǎn)：（1）分離規(guī)律不強(qiáng)異源染色體缺乏同源性，導(dǎo)致減數(shù)分裂過(guò)程紊亂，形成不同染色體數(shù)目和質(zhì)量的各種配子，性狀分離復(fù)雜且無(wú)規(guī)律。（2）分離類型、生殖豐富、并有向兩親分化的傾向遠(yuǎn)緣雜交后代，分離出中間類型、偏親類型、親本類型、親本祖先類型、超親類型以及單倍體、非整倍體等某些特殊類型；染色體消失、無(wú)融合生殖、染色體自然加倍；隨著雜種世代的演進(jìn)，雜種后代還有向雙親類型分化的傾向；

21、 （3）分離世代長(zhǎng)、穩(wěn)定慢遠(yuǎn)緣雜種的性狀分離并不完全出現(xiàn)在F2，有的要在F3或更高世代才有明顯表現(xiàn)。,三、雜種后代的分離和選擇：,1、F1染色體加倍 對(duì)F1染色體加倍，形成雙二倍體，不僅可提高雜種的可育性，而且也可獲得不分離的純合材料2、回交 可克服雜種的不育性，也可控制其性狀分離3、誘導(dǎo)單倍體 遠(yuǎn)緣雜種F1的少數(shù)花粉有生活力的，F(xiàn)1花粉離體培養(yǎng)產(chǎn)生單倍體，再人工加倍為純合二倍體，便可獲得性狀穩(wěn)定的新類型

22、4、誘導(dǎo)染色體易位 利用理化因素處理遠(yuǎn)緣雜種，誘導(dǎo)雙親的染色體發(fā)生易位。,（二）、遠(yuǎn)緣雜種后代分離的控制：,（1）雜種早代大群體  遠(yuǎn)緣雜種分離變異類型多，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)； F1、F2出苗率低，畸形（黃苗、矮株）和夭亡植株多、不育性高； 符合目標(biāo)性狀的個(gè)體類型少，且不穩(wěn)定；（2）放寬早代選擇的標(biāo)準(zhǔn) 早期世代的一些不良性狀隨染色體、重組而減弱或消失；只要具有某些可取的經(jīng)濟(jì)性狀，可進(jìn)一