远缘杂交育种

第十二章远缘杂交育种第一节远缘杂交的概念和作用第二节远缘杂交不亲和的原因及克服方法第三节远缘杂种不育性及其克服方法第四节远缘杂种后代的分离与选择第一节远缘杂交的概念和作用一、远缘杂交的概念远缘杂交指的是亲缘关系疏远类型之间的杂交。一般认为植物学上种以上分类单位之间杂交都是远缘杂交。此类杂交产生的后代称远缘杂种。近缘杂交：同一个种的植物的不同类型之间，它们在遗传上、形态、生理上彼此虽有所不同，但基本特点是相似的，一般容易杂交。远缘杂交：生殖隔离的影响，使不同种或属间的植物，不仅在形态、生理上存在显著的差异，而且在遗传组成和细胞结构上也存在着很大差别。因此，一般来讲，种属之间就不像种内的变种或品种那样容易进行杂交。二、远缘杂交在育种工作中的重要作用1、创造新的种质，丰富植物的变异类型如：油菜（2n=aa=20）×黑芥（2n=bb=16）芥菜（2n=aabb=36）；樱桃李（2n=aa=16）×黑刺李（2n=bbcc=32）欧洲李（2n=aabbcc=48）；杏×李李杏新品种（象李那么多产，如杏那样美味）；古氏杜鹃×云锦杜鹃罗德杜鹃（1907年）。2、利用异属、种的特殊有利性状利用野生类型的高度抗病性、对环境胁迫的适应能力等。如：栽培种马铃薯×野生马铃薯抗晚疫病的马铃薯；现代月季×野生蔷薇抗寒性强的新类型。3、利用杂种优势如：一球悬铃木×三球悬铃木二球悬铃木4、探索研究生物进化远缘杂交后代可再现物种进化中的中间类型、新种类型。如：樱桃李（2n=aa=16）×黑刺李（2n=bbcc=32）F1双二倍体（欧洲李）5、诱导单倍体虽然远缘花粉在异种母本上常不能正常受精，但有时能刺激母本的卵细胞自行分裂，诱导孤雌生殖，产生母本单倍体。据不完全统计：通过远缘杂交已在12个物种中成功地诱导出孤雌生殖的单倍体。二、远缘杂交特点1、亲本选择、选配难度大一般原则＋亲和性2、远缘杂交存在障碍远缘杂交的不亲和性：雌、雄配子不能正常受精形成合子（生殖隔离）远缘杂种的不育性：成活性：受精卵不能发育成健全种子；种子不能发芽或发芽后不能长成正常植株；结实性：不能形成正常的雌雄器官；不能产生正常的配子，无法繁衍后代。3、远缘杂种后代分离的广泛性和不规则性由于亲本亲缘关系远，亲本间的基因组成、染色体组型差异较大；F1开始分离、F2分离更为广泛，远缘杂种后代分离范围广，时间长，更是无规则可循，这对于杂种后代遗传规律性的预测和控制，以及对杂种性状的稳定等，都增加了较多困难。4、远缘杂种的杂种优势多：生活力衰退（由于遗传上或生理上的不协调）；少数：杂种优势明显，如日本落叶松×兴安落叶松，2年生杂种高为母本的196％，父本的136％。第二节远缘杂交不亲和的原因及克服方法一、远缘杂交不亲和性及其原因植物的受精作用是一个复杂的生理生化过程。远缘杂交时，由于双亲的亲缘关系较远，遗传差异较大，生理上也不协调，这些都会影响受精过程，使雌、雄配子不能结合、受精而形成合子，这就是远缘杂交的不亲和性。1、不亲和常见的现象花粉不能在异种柱头上萌发；花粉管不能伸入柱头；花粉管虽进入柱头但生长缓慢或破裂；花粉管到达不了子房；虽然达到子房却完不成双受精作用等等。2、不亲和的原因异种柱头分泌物抑制不亲和花粉花粉不能萌发；连接柱头的传递组织抑制花粉管生长花粉管进入柱头；花粉管生长缓慢或太短不能进入子房到达胚囊；不能正常受精。二、克服远缘杂交不亲和性的方法1、选择适当亲本，并注意正反应选择亲本时，除了根据育种目标，选择具有最多优良性状的类型作杂交亲本外，还必须考虑到远缘杂交不亲和的特点，选择和选配适当亲本，以提高远缘杂交的成功率。1）同一物种的某一品种或类型与另一物种的不同品种或类型之间存在较大的亲和性差异。如：芥菜（卷心刈菜）×黑芥（加州褐子）F1（0.07%）；芥菜（紫高菜）×黑芥（加州褐子）F1（0.78%）。2）正、反交的结果往往差异显著如：山茶×怒江山茶F1（29.3%），反交结实率7.7％；山茶×连蕊茶F1（5.7%），反交结实率2.0％。（1）采用染色体数较多或倍数性高的种作母本如：云南山茶（2n=6x=90）×山茶（2n=2x=30）F1（8.7%）；山茶×云南山茶F1（2.7%）原因：能提供更多的营养物质供应种子的发育。（2）选择花粉渗透压稍大的为父本，柱头渗透压稍小的为母本花粉与柱头间渗透压不同，也影响到杂交的结实率。一般选作父本的种，其花粉的渗透压稍大于母本柱头的渗透压时，将更有利于花粉管的伸长和参与受精，从而使杂交易于成功。（3）选择第一次开花的幼龄杂种实生苗作母本以第一次开花的幼龄杂种实生苗作母本，有利于克服远缘杂交不亲和性，若父母本均为第一次开花的幼龄杂种，则远缘杂交更容易进行。2、混合花粉和多次重复授粉混合花粉：若干种或品种的远缘花粉混合；远缘花粉＋杀死的母本花粉如：防城金花茶×山茶原因：被杀死的可亲和花粉能够提供父本不亲和花粉管生长及进入柱头所必须的物质。重复授粉：花蕾期、开花期、临谢期进行多次重复授粉；原因：不同发育程度的雌蕊具有受精选择差异；注意：一般重复授粉进行二次或三次即可，次数多了，易造成机械损伤。3、预先无性接近法在进行远缘杂交前，预先将亲本互相嫁接在一起，使它们彼此的生理活动得到协调，或改变原来的生理状态，而后进行有性杂交，较易获得成功。嫁接法：（黄瓜＋丝瓜）×丝瓜获得F14、媒介法媒介法是指当两个远缘的亲本种直接杂交不易成功时，通过寻找能分别与这两个种亲本杂交的第三种植物，以它作媒介，使杂交成功。如：矮生扁桃×山毛桃扁桃×桃抗寒性强的桃品种5、柱头移植和花柱短截法①柱头移植：花粉授于同种植物柱头移植到母本花柱；异种柱头嫁接，愈合后授粉②花柱短截：切除母本花柱或剪短授粉于切面花粉悬浮液直接注入子房注意：采用这些方法时，操作要求细致，且在具有较大柱头的植物中使用。6、植物激素或生长素处理应用赤霉素、萘乙酸、吲哚乙酸、硼酸等激素或生长素进行涂抹或喷洒处理，能促进花粉发芽和花粉管的伸长，有利于完成受精作用，从而克服远缘杂交不结实的缺点。例如百合品种间杂交不结实，用0.1%～1.0%生长素羊毛脂，涂于剥去花瓣的子房基部，结果增加了结实率。7、生物技术的应用把母本花朵中取出带胎座或没有带胎座的胚珠，置于试管中培养，并在试管中进行人工授粉，以克服远缘花粉的不能萌发、花粉等不能生长或生长过程慢等遗传和生理上的障碍。试管授精技术已在烟草、石竹、矮牵牛等上试验成功。随着生物技术的发展，体细胞融合技术也已取得了一定成效。这项技术可克服远缘种属因性隔离而造成的不亲和性，从而绕过有性过程使亲本基因进行广泛重组，创造自然界没有的新类型。8、应用温室或保护地杂交，改善授粉条件原因：气温、雨水等气候条件影响杂交效果如：金花茶×山茶；攸县油茶×金花茶：2月杂交，结实率0.3％；3月杂交，结实率10.7％。第三节远缘杂种不育性及其克服方法一、远缘杂种不育性的表现和原因远缘杂种的不育性表现，包括杂种的成活性和结实性两个方面：成活性：即受精卵不能发育成健全种子；种子不能发芽或虽然发芽生长，但幼苗生长衰弱或早期夭亡；结实性：即杂种植株虽能成活，但结实性差，甚至完全不能结实。成活性差的原因：主要是由于远缘种间遗传差异大，造成生理上不协调，在胚胎发育的关键时刻，产生了某些重要缺陷，因而影响了杂种的成苗成株。结实性差或完全不能结实的原因：由于染色体的不同源性和基因间的不和谐性，造成减数分裂异常（染色体不联会或不规则分配）；远缘杂种生殖器官发育不全，完全不能形成雌雄配子。1、胚胎培养（胚抢救）当受精卵只发育成胚而无胚乳，或胚与胚乳的发育不适应时，可用胚胎培养法，使胚胎发育成幼苗。如：玉蝶梅×山桃（授粉后66天，张启翔，1992）二、远缘杂种不育性的克服方法2、杂种染色体加倍法当远缘杂交的双亲染色体组或染色体数目不同而缺少同源性，致使F1在减数分裂时，染色体不能联会或很少联会，不能形成足够数量的、具有生活力的配子体而导致不稔。在种子发芽的初期或苗期，用0.1%～0.3%的秋水仙碱深液处理，使体细胞染色体数加倍，获得异源四倍体（双二倍体）。双二倍体在减数分裂时，每个染色体都有相应的同源染色体可以正常进行配对联会，产生具有二重染色体组的有生活力的配子，从而大大提高结实率。3、回交法亲本染色体数不同，减数分裂不规则时，杂种产生的配子多数败育，但仍有少数可育，通过回交能改善其结实能力。如：洋葱×大葱F1×洋葱结籽4、改善营养条件远缘杂种由于生理机能不协调，当提供优良的生长条件时，可能逐渐恢复正常。因此，必须加强栽培管理，从幼苗开始和各个生育阶段，都应精心培育。例如开花结实期间，根外追肥，喷施磷、钾、硼等；进行分株繁殖，扩大营养面积等。5、人工辅助授粉采用混合花粉的人工辅助授粉，将使杂种受精选择性得到更大满足，通常可以提高远缘杂种结实率。利用昆虫进行授粉，比人工强制授粉将更有利于结实性的提高。6、延长培育世代，加强选择缘杂种的结实性存在个体和世代差异。个体差异：如：欧洲红树莓×黑树莓，少数杂种结少量果实，经4代连续选择优质丰产品种“奇异”。世代差异，如：高加索百合×山牵牛百合紫罗兰香百合（1-2年只开花不结实，3-4年有空瘪种子，7年部分种子发芽）7、蒙导法嫁接：远缘杂种嫁接在亲本或第三砧木。如米丘林：斑叶稠李×酸樱桃F1（只开花不结实）＋甜樱桃开花结实第四节远缘杂种后代的分离与选择一、远缘杂种分离的特点1、分离的世代更长；2、远缘杂交的后代具有更为复杂的分离。远缘杂种后代的类型：１、综合（中间）性状类型；２、亲本性状类型；３、新物种类型。远缘杂种的分离现象极为复杂，目前对分离规律性还很不了解。深入研究远缘杂交的遗传机制，将对控制远缘杂种的分离，以及对远缘杂种的选择、培育等具有重要的实践意义。二、远缘杂种后代分离的控制1、回交回交既可克服杂种的不育性，也可控制其性状分离。在番茄远缘杂交育种时，亚历山大用栽培类型的玛娜佩尔和秘鲁番茄杂交后，F1呈现野生的小果性。用栽培型亲本做父本多代回交后，果实性状得到改善，遗传性状也稳定下来。2、F1染色体加倍用秋水仙素对F1染色体加倍，形成双二倍体，不仅可提高杂种的可育性，而且也可获得不分离的纯合材料。再经加工，可选育出某些双二倍体的新类型。染色体加倍法有时会大大缩短育种年限。3、诱导单倍体远缘杂种F1的花粉虽大多数是不育的，但也有少数花粉是有生活力的，如将F1花粉进行离体培养产生单倍体，再人工加倍为纯合二倍体后，便可获得性状稳定的新类型。三、远缘杂种的选择和培育无性繁殖的植物：无论在哪一代出现理想的优良个体，即可通过无性繁殖的方法繁殖杂种后代。有性繁殖的植物：早代群体大、育性低，一般采用混选法。但在性状出现明显分离后，应选单株法。根据远缘杂种的若干特点，在进行选择时，必须注意如下几个原则：1、杂种早代应有较大的群体远缘杂种由于亲本的亲缘关系较远，后代分离广泛，且不育性高，后代中常出现畸形株，种子出苗力低，甚至植株还会中途夭折，所以杂种早代（F2、F3）应有较大的群体，这样才有可能选出频率很低的优良基因组合的个体。2、增加繁殖世代，放宽早期选择标准由于远缘杂种后代性状分离的时间长，有些杂种一代虽不出现变异，而在以后的世代中，仍然会出现性状分离，因此，一般不宜过早淘汰。3、继续杂交选择对于杂种一代，除了一些比较优良类型可直接利用外，还可以进行再杂交或回交，对以后的世代继续进行选择。特别是在利用野生资源植杂交亲本时，野生亲本往往带来一些不良性状。因此，通常将F1与某一栽培亲本回交，以加强某一特殊性状，并除去野生亲本伴随而来的一些不良性状，以达到品种改良的目的。4、培育与选择相结合对于远缘杂种应注意培育，给予杂种充分的营养和优越的生育条件，促进杂种优良性状的充分发育，再结合细胞学的鉴定方法，严格进行后代的选择，以便获得符合育种目标且具有较多优良性状的杂种后代。