孤雌生殖的拓展

孤雌生殖在作物育种中应孤雌生殖的概念是植物卵细胞不经过受精而直接发育成植株的生殖方式。不同于无性生殖，是由生殖细胞而非体细胞完成的繁殖现象；产生的个体多数为单倍体，或者是重组之后的二倍体，而非无性生殖产生的和母体遗传物质完全相同的个体，所以通常把孤雌生殖归类于有性生殖。自17世纪发现孤雌生殖以来，到目前为止已经在禾本科、茄科、蝶形花科、柳叶花科、兰科、百合科和十字花科等十多科植物中发现了孤雌生殖现象。1孤雌生殖的分类从生产后代的倍性来看，孤雌生殖可以分为单倍体孤雌生殖和二倍体孤雌生殖。如果单倍体卵细胞通过有丝分裂直接发育为幼胚或植株，得到的就是单倍体。如果单倍体的卵细胞在最初分裂时，其染色体自然加倍，则其发育成幼胚或植株就是二倍体。孤雌生殖的具体分类方式：（一）均等分裂型孤雌生殖：即卵原细胞正常进行减数分裂产生3个极体和1个卵细胞，其中卵细胞独立发育为后代个体的现象。（后代为单倍体）；（二）卵核与极体融合型孤雌生殖：即卵原细胞正常进行减数分裂，产生3个极体和1个卵细胞，其中卵细胞与任意极体随机结合，形成“极体-卵细胞-受精卵”，并由此细胞发育成后代个体的现象（后代为2倍体）；（三）分裂核融合型孤雌生殖：卵原细胞在进行减数第一次分裂时正常分裂，但不进行减数第二次分裂，最终形成了1个极体和一个“双套卵”，自然可以独立发育为后代个体（后代为2倍体）。在一些偶发实例中，有的卵细胞形成后，因某种原因自然加倍，可以独立发育为后代个体（后代也是2倍体），也算作这种情况；（四）极体融合型孤雌生殖：及卵原细胞正常进行减数分裂产生3个极体和1个卵细胞，但任意两个极体间发生了融合，形成了“极体-极体”融合细胞，由于此细胞也携带有母体的全套遗传物质，也可以独立发育为后代个体（为2倍体）。（五）不定胚植物的胚囊细胞、珠心细胞等体细胞在外界l因素的刺激下，形成不定胚，发育成与母体基因型完全一致的种子和植株。1~2、孤雌生殖的发生机制：由于多种因素都能诱发孤雌生殖，导致孤雌生殖的发生机制也有多种可能性。就目前的研究结果，有以下几种看法：成熟的卵细胞过早分裂一般母性单倍体的发生都同未受精的卵细胞有关单倍体的雌配子体如在花粉管穿入胚囊前发生分裂，那么雌配子体细胞就容易产生孤雌生殖。常胁恒一郎在水稻实验中发现得到29.5%的胚囊中到授粉前具有多细胞胚。授粉的平行试验结果产生29.4%的单倍体植株。这说明发生单倍体的频率同卵细胞的过早分裂的频率完全符合。花粉刺激卵细胞分裂：在卵细胞的细胞质或细胞核中存在一种抑制物质，在受精前它能阻止卵细胞的分裂。当受精时从花粉管释放出的物质渗入到卵细胞内发生作用，从而使这种抑制物钝化。这一假说可以解释远缘授粉诱发的孤雌生殖。异源细胞质—核互作：以小麦试验为例，1BL/1RS染色体的1RS上存在一个诱导孤雌生殖的显性基因PTG。该基因在粘果山羊草的细胞质背景下可产生单倍体，而当1BS存在时没有单倍体是由1BS上有抑制诱导孤雌生殖基因PTG的基因，即SPG基因。偏、粘型等不育系产生单倍体是异源细胞质与1BS/1RS染色体互作的结果.而且单倍体频率的高低与1BS/1RS的易位片段大小相关关于不育系单倍体的细胞来源,研究发现，n型单倍体来自助细胞的无融合生殖n-n型双胚来自助细胞和卵细胞的孤雌生殖.2n-n型双胚来自受精卵和助细胞.关于孤雌生殖中胚乳的形成:一种看法是卵细胞可在不受精情况下单独发育成胚!而极核必须受精才能发育成胚乳!即假受精。所以很多植物诱发孤雌生殖时必须要授粉。另一种看法认为，极核不受精也能发育成胚乳。因此，很多单独的理化因子如化学药剂、温度等也能诱导孤雌生殖。2孤雌生殖的诱导方法孤雌生殖虽然可以自然发生，但是频率太低，实用价值不高。为了提高孤雌生殖的频率，满足作物育种工作的需要，常采用人工诱导的方式获得孤雌生殖后代。目前人工诱导孤雌生殖的方法有：药剂诱导法：此种方法较为简便且应用较广，即在作物植株去雄后用化学药剂处理柱头或子房，刺激卵细胞，使其分裂并诱发孤雌生殖。药剂诱导法目前有两种方式：一种是直接喷施，另一种是直接注射。远缘杂交诱导法：由于亲缘关系很远的花粉既不易使卵细胞受精，又能刺激卵细胞单性发育，产生单倍体或二倍体的胚。延迟授粉诱导法：若对成熟卵细胞进行延迟授粉，则成熟卵细胞已失去受精能力，而成熟卵细胞受花粉管刺激后容易引起分裂，所以容易进行孤雌生殖。：不仅易形成胚乳，而且易形成同时具有胚和胚乳的胚囊。辐射花粉诱导法：在开花前至受精的过程中，用射线照射花粉，影响受精过程的正常进行，或者将父本的花粉经过射线处理后，再给去雄的母本授粉，以减弱花粉的活力来影响其参与受精作用的能力，使它能刺激卵细胞发育，达到诱发孤雌生殖的目的。能诱导孤雌生殖的有X射线、紫外线、伽马射线、P32和Co60等。、离体诱导法：通过组织培养在离体条件下培养未授粉的作物种子子房、胚珠或幼穗，获得单倍体或纯合二倍体植株影响离体培养效果主要有3个基本因素：一是不同遗传基础、不同基因型诱导分化能力不同，这是内因。二是消毒方法。这是离体诱导法实施起来最重要的程序，所以要充分做好预实验确定出适合材料的消毒法。三是培养条件。包括接种时间、接种方式、培养基成分、外源激素配比等，都将影响培养效果。基因转入诱导法：植物的孤雌生殖可由基因决定，当某一植物获得这一基因，该物种的卵细胞或珠心、珠被就会自发地进行孤雌生殖，并能稳定地遗传下去。温度诱导法：温度的突然升高和突然降低均能诱导孤雌生殖。此方法诱导效率不高，鲜有人使用。PS：（影响离体孤雌生殖诱导率因素的研究培养前的因素：子房、胚珠培养的效率在很大程度上依赖于培养前的因素，包括供体植物的基因型和生理状态、胚囊发育的时期、外植体的种类等，其中，基因型是最具决定性的。在相同的培养条件下，同一种的不同品种经常会有不同的反应。选择处于合适的胚囊发育阶段的子房或胚珠进行接种也是很重要的。在大多数情况下，接近成熟时期的胚囊比未成熟和完全成熟期的结果都好。很多情况下幼嫩的花、子房与胎座相连或分离的胚珠可被用作外植体。一般来说，花或与胎座相连的胚珠比单独的胚珠容易培养，供体植物的生理状态对孤雌生殖的诱导也很重要。培养过程中的因素外源激素在子房胚珠培养中起关键作用并不仅仅是由于它对孤雌生殖的直接效应还由于过量使用激素会导致体细胞组织活跃的愈伤化这样就难以将孤雌诱导的愈伤组织和细胞组织诱导的愈伤组织区分开来，并会对孤雌生殖单位的生长产生有害的效应不含激素的培养基可以产生高的孤雌生殖诱导频率，并不产生体细胞的诱导物，蔗糖浓度对调节孤雌生殖和体细胞的增殖之间的平衡也很重要。不同的蔗糖浓度引起不同的反应。子房和胚珠是在光下培养的胚胎学的观察表明12小时的光周期（800lx）将引起孤雌生殖原胚严重的退化在一个月以内将会导致最后的败育需要强调的是离体孤雌生殖是一个多阶段的过程每一个阶段的特殊需求都需要仔细研究。）3孤雌生殖植株的鉴别孤雌生殖的频率低，所以在数量巨大的后代群体中准确鉴别孤雌生殖植株十分重要。目前主要有以下几种方法：I形态学方法：二倍体孤雌生殖后代表现性状和母本一致。单倍体孤雌生殖后代形似母株，但植株较小，叶片和花器官也较小，雄蕊育性低，气孔较小，保卫细胞叶绿体较小。II利用标记性状：母本持有的标记性状，如子叶叶形、幼叶刺毛、幼叶色泽等可作为孤雌生殖的早期性状。III细胞遗传学方法：单倍体孤雌生殖的染色体数目是母本的一半，可镜检判断其倍性。IV胚胎学方法：观察子房中胚胎的发生和发育是鉴别孤雌生殖最直接的方法。以前多用石蜡切片法。现在一般用冬青油整体透明子房在干涉显微镜或在相差显微镜下观察。V同工酶分析法：对诱导的孤雌生殖后代!进行脂酶同工酶分析，是新近发展起来的一种鉴定孤雌生殖的方法。如以普通小麦杂交种为被诱导材料。将被诱导植株所结的种子和原来的母本杂交种种子分别发芽3至4d后取其胚乳做凝胶电泳。如果电泳结果两条谱带一致，则说明诱导成功。此法配合细胞学鉴定和田间外部形态鉴定能获得更为准确的结果。VI、分子标记法：目前，最可靠有效的孤雌生殖植株鉴定方法就是分子标记法。首先用一些引物在父本与母本的DNA里扩增，进行电泳，找出在同一基因位点父本和母本基因序列不一致的引物，用这些引物在所得孤雌生殖Pa1代的DNA中扩增，进行电泳，如果只有一条带则说明在此位点上是纯合的，则是孤雌生殖后代。4孤雌生殖在作物育种上的应用I单倍体育种：单倍体是遗传育种的极好材料，但用常规的方法很难获得，而用诱导孤雌生殖的方法却容易获得。利用这种方法已获得190多个物种的单倍体植株。另外，产生的单倍体、纯合二倍体各株系之间的表现性状是不同的，这就给选种提供了广泛的变异材料，而且隐性性状也不会为显性基因掩盖。用化学药物诱导玉米孤雌生殖获得了二倍体纯系。油菜孤雌生殖品系3529是通过孤雌生殖产生单倍体，经染色体加倍获得的纯合二倍体品系。从纯合二倍体植株中选择理想单株，即可得到优良而稳定的育种材料，可将常规有性杂交育种的时间由7～8代缩短至3～4代。在白菜等异花授粉农作物杂交优势利用中，用这种方法获得“自交系”，可缩短自交系培育的周期，加快育种进程。在美国已有几个用“stock6”作授粉者经孤雌生殖获得的自交系在生产上广泛应用。单倍体育种在应用前景十分诱人，如果能与种质的扩增和改良结合起来，对有利基因进行有效的重组、积累，再利用单倍体技术获得纯系，将更大地发挥单倍体育种的优势。II克服远缘杂交不亲和性。远缘杂交由于生殖隔离，常出现杂交不孕或后代结实率低、疯狂分离、不易稳定等问题。Hougas等发现马铃薯栽培种孤雌生殖产生的单倍体能正常结实，并能和野生种杂交产生杂种。因此，他用马铃薯栽培品种单倍体与抗病品种杂交，从杂交种中选择符合要求的优良个体使其二倍化，获得了具有抗病性的稳定类型。III提高诱变育种效率。孤雌生殖单倍体只含有1套染色体，对它突变育种产生的突变体在当代就能表现出来，易于识别。理想突变体一经选出，经染色体加倍就可以使有利基因纯合化。IV固定杂种优势。杂种优势是生物界的普遍现象，已给人类带来了巨大的利益。但是杂种优势会随自交而衰退，生产上需年年杂交制种。而利用二倍体孤雌生殖植株的遗传组成与母体完全一致的特点固定杂种优势。在水稻中发现了花粉高度不育，却能大量结实的材料。其单性结实性可以世代相传，而且能通过杂交转移到其它材料上，利用它可以很方便的固定杂种优势。对于异花传粉的作物，如十字花科作物，杂种优势十分显著，杂交种已经在生产上广泛应用。杂交种的制种手段主要用白交不亲和系和雄性不育系。由于杂种一代需要年年制种，所以，制种成本较高。对于存在优势，但没有解决制种手段的组合，杂种优势利用还十分困难。利用孤雌生殖进行育种，就可以解决以上问题。SPECIAL：①在水稻育种中应用的实例分析：采用激素可以成功地诱导水稻子房单性膨大结吏，得到孤雌生殖种子．所以利用激素诱导水稻孤雌生殖是一种简便易行的方法．尤其对于解决水稻远缘杂交的亲和性以及后代的加速稳定、纯合选优，有其重要意义。由于孤雌处理是在水稻抽穗以后进行,因此在取料上可以选择综性状好的基因重组类型,或单株进行处理,这样可以提高育种成效。但在诱导过程中常常大量胚胎发育不足，无胚乳。因此，结合膨大幼胚进行离体组织培养,将可以明显提高诱导效果。②在玉米育种中应用的实例分析：玉米杂交种产量的提高主要是通过自交系的提高而实现，玉米孤雌生殖诱导系的应用可以更加快速有效地累积有利基因，提高产量。选育纯玉米自交系最常用而有效的方法是人工自交，一般需要6～8代才能获得稳定的玉米自交系。利用药物诱导孤雌生殖，短时间内能获得纯品系。因此在玉米育种中有较好的应用前景不同混合化学药剂之间的诱导率存在显著差异，且各个药剂之间存在交互作用，其中化学药剂DMSO与Col、MH与PEG之间存在正交互作用，DMSO与MH之间存在负交互作用。不是所有对玉米孤雌生殖诱导率有提高作用的化学药剂都可以混合使用，有正交互作用的药剂混合使用才有可能提高诱导率。明确化学药剂之间的交互作用可对诱导玉米孤雌生殖各个药剂的选择提供理论依据，但是药剂之间的诱导效