作物育種學劉裕強第八章遠緣雜交育種

1、>,劉裕強理科樓A508 yql@njau.edu.cn,第八章 遠緣雜交育種,一、育種學意義1、培育新品種和種質系 當現(xiàn)有品種資源無法滿足的育種目標要求時，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、優(yōu)質、早熟和抗病蟲抗逆境等性狀的突破。普通小麥與長穗偃麥草雜交，培育出高產品種小偃麥6號，推廣1000萬畝以上；培育一批抗病材料如中4、中5等材料具有小麥屬內沒有的黃矮病新抗源龍麥10號

2、被加拿大國家黃矮病鑒定中心列為抗病對照,普通小麥 小偃麥6號,2、創(chuàng)造新作物類型導入不同種、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)造異染色體系遠緣雜交通常引入全套的異源染色體組，因此往往帶來不良性狀。導入或置換某個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體。二體附加系：附加一對外源染色體的個體。雙單體附加系：附加二條不同的染色體。特點：染色體數(shù)目不穩(wěn)定，容易恢復到二倍體 育性減退 異源染色體可能伴有不良性狀 不能用于生產，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：物種的一對或幾對染色體被另一物種的染色體所取代 來源：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行 （如普通小麥的4D與長穗偃麥草的 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，它們在功能上有一定補償能力） 特性：染色體數(shù)目未變

6、 細胞學和遺傳學上都比相應的附加系穩(wěn)定 有時可在生產上直接利用 （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。 來源：異置換系、異附加系與栽培品種雜交、回交產生 （同源染色體配對，外源染色體與對應的染色體均呈單價體， 可以發(fā)生部分同源配對、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：導入有用基因的染色體片段、排除不利基因的染色體片段 細胞學和遺傳學特性更穩(wěn)定更平衡 可直接應用于生產,易位系鑒定,4、誘導單倍體遠緣花粉在異種母本上常不能正常受精，但有時能刺激母本的卵細胞自行分裂，誘導孤雌生殖，產生母本單倍體。親緣關系較遠的兩個親本因細胞分裂周期不同等原因，其雜種會排除親本之一的染色體，產生單倍體植株。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。通過遠緣雜交己在許多物種中成功地誘導出孤雌生殖的單倍體。所以，遠緣雜交也是倍性育種的重要手段之一。,5、利用雜種優(yōu)勢：（1）利用遠緣物種的細胞質差異發(fā)掘細胞質雄性不育系細胞質不育與核恢復基因相伴而存，因此無法在表型上識別。通過遠緣、亞遠緣雜交、回交可以將細胞質不育與核不育結合在一起，獲得核質互作雄性不育。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雄性

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

10、優(yōu)質新品種的一種新途徑。,6、研究生物的親緣關系和進化許多物種是通過天然的遠緣雜交演化而來的如普通小麥（由二粒小麥與山羊草）可根據(jù)遠緣雜交的可交配性、細胞遺傳學（染色體配對）、DNA同源性、性狀互補程度等方面的研究，可判斷物種的進化和確定物種間的親緣關系，有助于進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、花粉管生長緩慢或破裂、花粉管不能達到子房、雌雄配子不

11、能結合形成合子，合子胚不發(fā)育，幼胚死亡等現(xiàn)象，這就是遠緣雜交的不親和性（incompatibility）。,第二節(jié) 遠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、花粉和柱頭滲透壓差異等生理、生化狀況的不同，可阻止外來花粉的萌發(fā)、花粉管的生長和受精作用。雙親花柱異長、雌雄配子的膜具有高度的專一性，無法融合而受精。（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“中國春”小麥的這二個位點上，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的致死基因：戴維遜氏棉與所有異源四倍體種雜交時，即使應用組織培養(yǎng)技術也未成功。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Le1與Le

13、2dav互補時，就可使棉苗致死。,（一）、遠緣雜交不親和性的原因,（1）親本選擇與組配 a 廣泛測交與正反交篩選 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) 甘藍型油菜（2n=38）與白菜型油菜（2n＝20） d 雜種為母本（2）染色體預先加倍法：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、重復授粉、提前或延遲授粉、射線處理（5）（5）外源激素處理：調節(jié)雌、雄性器官生理狀態(tài)（如生長素、GA、維生素）（6）植物組織培養(yǎng)： 柱頭嫁接技術 試管受精 子房受精： 體細胞雜交,,（二）克服遠緣雜交不親和性的方法,,體細胞融合培育遠緣雜種,,,,,,,二、雜種夭亡、不育及其克服方法,（1）精子能與卵核結合，但不能和極核結合形成胚乳，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，但幼苗在生育過程中死亡而不能獲得雜種植株；（3）雜種雖能長成植株，但不能受精結實獲得雜種后代，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胞層，妨礙了營養(yǎng)物質從胚乳進入胚；（4）由于胚、胚乳

16、和母體組織間不協(xié)調，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)育時期出現(xiàn)生育停滯或死亡；（6）由于生育失調，營養(yǎng)體雖生長繁茂，但不能形成生殖器官；（7）F1植株雖能形成生殖器官，但其構造、功能不正常，不能產生有生活力的雌、雄配子。,雜種夭亡和不育的的具體表現(xiàn)是：,（1）  核質互作不平衡 細胞質的遺傳物質，遠緣雜種核質不協(xié)調，可能引起雄性不育或影響雜種后代生長發(fā)育。（2）  染色體

17、不平衡 雙親的染色體組、染色體數(shù)目、結構、性質等的差異，在減數(shù)分裂時不能同源染色體配對、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，影響個體生長發(fā)育所需物質的合成；異源 DNA降解（4）  生理代謝不協(xié)調 胚、胚乳與母體組織（珠心、珠被等）間的生理代謝失調或發(fā)育不良，導致胚乳敗

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)：將雜種幼胚進行人工離體培養(yǎng)，以調整雜種胚發(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)調性，可獲得雜種并提高結實率?！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)分裂時染色體不能聯(lián)會或很少聯(lián)會造成不育。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)目不同的遠緣雜交所得的雜種，其產生的雌、雄配子并不都是完全不育的。其中有些雌配子可接受正?；ǚ凼芫Y實，或能產生有生活力的少數(shù)花粉。所以用親本之一對雜種F1回交，可獲得少量雜種種子（4）延長雜種的生育期，恢復生殖機能及育性。采用無性繁殖法，或人工控制溫、光條件等延長雜種生育期，恢復雜種育性。（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：（1）分離規(guī)律不強異源染色體缺乏同源性，導致減數(shù)分裂過程紊亂，形成不同染色體數(shù)目和質量的各種配子，性狀分離復雜且無規(guī)律。（2）分離類型、生殖豐富、并有向兩親分化的傾向遠緣雜交后代，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、無融合生殖、染色體自然加倍；隨著雜種世代的演進，雜種后代還有向雙親類型分化的傾向；

21、 （3）分離世代長、穩(wěn)定慢遠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、誘導單倍體 遠緣雜種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、誘導染色體易位 利用理化因素處理遠緣雜種，誘導雙親的染色體發(fā)生易位。,（二）、遠緣雜種后代分離的控制：,（1）雜種早代大群體  遠緣雜種分離變異類型多，穩(wěn)定時間長； F1、F2出苗率低，畸形（黃苗、矮株）和夭亡植株多、不育性高； 符合目標性狀的個體類型少，且不穩(wěn)定；（2）放寬早代選擇的標準 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濟性狀，可進一