林木多倍體育種研究進(jìn)展

林木多倍體育種研究進(jìn)展第一頁(yè)，共21頁(yè)。

多倍體：英文名稱：polyploid體細(xì)胞中含有三個(gè)或三個(gè)以上染色體組的個(gè)體．多倍體在生物界廣泛存在，常見(jiàn)于高等植物中，由于染色體組來(lái)源不同，可分為同源多倍體和異源多倍體。

多倍體在動(dòng)物界極少發(fā)生，在植物界卻相當(dāng)普遍。很多植物種都是通過(guò)多倍體途徑而產(chǎn)生的。約33%的物種是多倍體。被子植物中約有40%以上是多倍體。小麥、燕麥、棉花、煙草、甘蔗、香蕉、蘋(píng)果、梨、水仙等都是多倍性的。香蕉、某些馬鈴薯品種是三倍體的。一般馬鈴薯是四倍體。蕨類植物也有很多是多倍體，裸子植物較少多倍體，但有名的紅杉（Sequoiasempervirens）則為六倍體。第二頁(yè)，共21頁(yè)。

多倍體植株的一般特征是莖粗、葉大、花大、果實(shí)大，但往往生長(zhǎng)慢，矮生，成熟也較遲。多倍體的植株糖類和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量都有所增加。例如，四倍體葡萄的果實(shí)比二倍體葡萄的果實(shí)大得多，四倍體番茄的維生素C的含量比二倍體的品種幾乎增加了一倍。第三頁(yè)，共21頁(yè)。第四頁(yè)，共21頁(yè)。

1935年,Nilsson_Ehle在瑞典發(fā)現(xiàn)了一株葉片巨大、生長(zhǎng)迅速的巨型三倍體歐洲山楊。引起了世界對(duì)多倍體應(yīng)用價(jià)值的廣泛關(guān)注,由此成為林木多倍體育種的開(kāi)端.1937年,當(dāng)Blakeslee、Avery采用曼陀羅等植物證實(shí)秋水仙素誘導(dǎo)植物多倍體的巨大效果之后,進(jìn)一步掀起了世界性多倍體誘導(dǎo)研究的熱潮,并獲得了大量作物、果樹(shù)、蔬菜、花卉等多倍體新品種楊樹(shù)、橡膠、桑樹(shù)等一系列林木多倍體新品種的選育成功為我們展示了日益廣闊的發(fā)展前景.第五頁(yè)，共21頁(yè)。

植物細(xì)胞核內(nèi)染色體組加倍以后,常常帶來(lái)一些形態(tài)和生理上的變化,在提高生長(zhǎng)速度、增進(jìn)遺傳品質(zhì)以及提高目的代謝物含量等方面具有優(yōu)勢(shì).就主要利用營(yíng)養(yǎng)器官的林木多倍體育種而言,由于許多樹(shù)種能夠進(jìn)行無(wú)性繁殖,可以不必?fù)?dān)心多倍體育性差而導(dǎo)致繁殖困難的難題,而多年生習(xí)性又保證品種一旦育成就可以長(zhǎng)期持續(xù)利用等,因此林木多倍體育種的潛力更大、作用更為突出。具體主要用于如下3個(gè)方面.第六頁(yè)，共21頁(yè)。1

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利用組織代謝產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)林木新品種選育幻燈片93

抗逆性生態(tài)防護(hù)型林木新品種選育幻燈片10紙漿材等短周期森林工業(yè)用材新品種選育幻燈片8第七頁(yè)，共21頁(yè)。第八頁(yè)，共21頁(yè)。第九頁(yè)，共21頁(yè)。

多倍體植物一般生活力強(qiáng),對(duì)環(huán)境適應(yīng)性亦強(qiáng),抗旱、抗寒以及抗病蟲(chóng)害等優(yōu)勢(shì)明顯.僅從植物地理分布上看,多倍體大多出現(xiàn)在高緯度、高海拔以及北極、沙漠等氣候環(huán)境變化劇烈的地區(qū),說(shuō)明植物多倍體比通常的二倍體具有更強(qiáng)適應(yīng)不利自然條件的能力.通過(guò)多倍體育種可提高林木的抗逆性,相應(yīng)擴(kuò)大樹(shù)種的栽培條件與種植范圍.如四倍體柳杉的耐寒性增強(qiáng);三倍體歐洲山楊比較耐干旱瘠薄,更適宜于條件較差的山地栽植,而且還表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗病能力;三倍體樺木表現(xiàn)對(duì)銹病的抗性增強(qiáng)等.第十頁(yè)，共21頁(yè)。

林木多倍體育種的途徑與方法：

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從自然界中直接選擇天然多倍體

多倍體在林木中也是普遍存在的,現(xiàn)已檢出天然多倍體的樹(shù)種有挪威云杉、北美喬柏、日本柳杉、日本扁柏、落葉松、榿木、白樺、歐洲白蠟、歐洲水青岡、花椒、椴樹(shù)、合歡、桑樹(shù)、漆樹(shù)、柳樹(shù)、歐洲山楊,香脂楊、銀白楊、美洲山楊、毛白楊等這些天然體大多表現(xiàn)不如二倍體,但在某些樹(shù)種中也不乏表現(xiàn)突出的個(gè)體,如天然三倍體漆樹(shù)具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)漆量高等特點(diǎn).歐洲山楊、美洲山楊天然三倍體與相同立地條件下的同齡二倍體相比,在生長(zhǎng)及材質(zhì)等方面均顯示出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)而在我國(guó)檢出的5個(gè)毛白楊天然三倍體中,大多則是早已被林生產(chǎn)實(shí)踐所證明的優(yōu)良類型(如易縣毛白楊雌株)顯然對(duì)于一些存在天然三倍體的樹(shù)種而言,直接從種群內(nèi)選擇即可收到較好的效果,但由于在林木種群中天然多倍體的出現(xiàn)畢竟仍占少數(shù),限制性難題是如何將這些多倍體從其巨大的種群中鑒定出來(lái).第十一頁(yè)，共21頁(yè)。途徑.有關(guān)研究表明,機(jī)械損傷、高溫和低溫、輻射、化學(xué)試劑等理化處理方法均可獲得多倍體,其中以秋水仙素誘導(dǎo)效果最佳.在多倍體誘導(dǎo)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)植物種的生物學(xué)特性、處理的材料及環(huán)境溫度差異等,選取不同的處理方法和方式,掌握最佳處理時(shí)期,并適時(shí)調(diào)整處理劑量以及持續(xù)處理時(shí)間,可增進(jìn)誘導(dǎo)效果然而由于細(xì)胞分裂的不同步性,很難作到使所有的細(xì)胞染色體加倍,因此體細(xì)胞染色體加倍最終獲得的大多是混倍體或嵌合體,影響了倍性優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮.在林木中人工誘導(dǎo)獲得的體細(xì)胞多倍體涉及楊樹(shù)、桑樹(shù)、橡膠、刺槐、榿木、樺木、相思、枸杞等樹(shù)種,但迄今只有四倍體刺槐等數(shù)幾個(gè)品種在生產(chǎn)上成功應(yīng)用,大多因生長(zhǎng)等表現(xiàn)欠佳,主要用于作為育種和研究材料.其中值得提出的是在授粉后直接針對(duì)合子的染色體加倍,Einspahr等(1965)將受精的美洲山楊雌花序浸在0.3%的秋水仙素溶液中處理24h,一次獲得50株四倍體幼苗該方法不但創(chuàng)造性地提高了多倍體誘導(dǎo)頻率,而且更為重要的是由于處理僅涉及一個(gè)或數(shù)個(gè)細(xì)胞,避免了嵌合體的出現(xiàn),可以獲得真正的多倍第十二頁(yè)，共21頁(yè)。3不同倍性體間雜交

當(dāng)某樹(shù)種中存在有可育的不同倍性體時(shí),利用不同倍性體雜交是獲取新的多倍體最為簡(jiǎn)捷而有效的途徑.Nilsson_Ehle(1938)最早用三倍體歐洲山楊與二倍體進(jìn)行雜交試驗(yàn),獲得了一些三倍體、四倍和混倍體植株。此后的眾多研究表明,利用三倍體與二倍體雜交之所以能夠獲得多倍體,是由于在三倍體不規(guī)則的減數(shù)分裂中可以產(chǎn)生少量不同倍性的可育配子的緣故.通過(guò)不同倍性體間雜交途徑已成功獲得多倍體的林木包括楊樹(shù)、桑樹(shù)、樺木、榿木、刺槐、枸杞等.Einspahr等(1984)、Weisgerber等(1980)利用四倍體歐洲山楊與二倍體美洲山楊雜交獲得了異源三倍體山楊,為楊樹(shù)紙漿材等森林工業(yè)用材新品種選育做出了巨大貢獻(xiàn).在北歐和美國(guó)的有些地區(qū),甚至將四倍體山楊雌株直接栽在優(yōu)良的山楊林分中自由授粉,每年在四倍體上采種育苗、造林.第十三頁(yè)，共21頁(yè)。

直接利用天然未減數(shù)2n花粉進(jìn)行多倍體育種的樹(shù)種主要是楊樹(shù).國(guó)外在灰楊、香脂楊、黑楊雜種(Heidemj)等楊樹(shù)中均發(fā)現(xiàn)有天然2n花粉,并用這些花粉進(jìn)行授粉雜交得到了三倍體朱之悌等(1995)利用毛白楊天然2n花粉與毛新楊、銀腺楊雜交,最終獲得了26株生長(zhǎng)、材質(zhì)俱優(yōu)的異源三倍體,這些三倍體已經(jīng)得到大面積推廣應(yīng)用,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益.但并不是所有樹(shù)種都會(huì)自然產(chǎn)生2n花粉,且2n花粉發(fā)生往往受樹(shù)種自身遺傳因素和外部環(huán)境的雙重影響,具有偶然性、多變性,大多比率較低,因此其利用也就受到一定程度的限制.

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天然或人工未減數(shù)配子雜交第十四頁(yè)，共21頁(yè)。

人工誘導(dǎo)花粉染色體加倍是樹(shù)木人工多倍體育種中最為快捷的途徑.Johnsson(1940)最早采用秋水仙堿處理歐洲山楊、美洲山楊雄花枝,取得了一些2n花粉,然后給雌花枝授粉,均得到了三倍體植株[38].此后在歐洲山楊、美洲山楊、美洲黑楊、香脂楊、銀白楊、毛新楊、銀腺楊、橡膠、桑樹(shù)等樹(shù)種中,均通過(guò)秋水仙素或高溫等誘導(dǎo)方法進(jìn)行了2n雌雄配子誘導(dǎo),并與正常異性配子雜交得到了三倍體植株[39-49].其中,張志毅等(1992)應(yīng)用秋水仙堿和高溫等方法處理獲得了毛新楊未減數(shù)2n花粉,并取得三倍體植株43].康向陽(yáng)等(1996)則在掌握楊樹(shù)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂規(guī)律的基礎(chǔ)上,明確了決定花粉染色體加倍效果的減數(shù)分裂有效處理時(shí)期;揭示了未減數(shù)2n花粉發(fā)育遲緩導(dǎo)致受精競(jìng)爭(zhēng)能力差的原因;并證明了利用花粉倍性對(duì)輻射敏感性的差異增進(jìn)2n花粉參與受精競(jìng)爭(zhēng)機(jī)率等,從而成功地建立了以細(xì)胞遺傳學(xué)研究為基礎(chǔ),綜合花粉染色體加倍、花粉輻射和雜交育種等技術(shù),高效獲得白楊雜種三倍體的育種技術(shù)體系,為三倍體大群體、強(qiáng)選擇育種奠定了基礎(chǔ)。第十五頁(yè)，共21頁(yè)。第十六頁(yè)，共21頁(yè)。

在大多被子植物中,一個(gè)精核與兩個(gè)極核融合完成雙受精過(guò)程,從而產(chǎn)生三倍性的胚乳,因此通過(guò)某一樹(shù)種的胚乳培養(yǎng)也可以獲得三倍體植株.1973年,Srivastava首次由羅氏核實(shí)木的成熟胚乳培養(yǎng)中獲得了三倍體胚乳再生植株.此后胚乳培養(yǎng)研究進(jìn)展迅速,其中有關(guān)林木胚乳培養(yǎng)的研究大多集中在經(jīng)濟(jì)樹(shù)種中,主要在獼猴桃、枸杞、棗等胚乳培養(yǎng)方面取得三倍體苗木[50-53].目前胚乳培養(yǎng)的主要問(wèn)題是由于愈傷組織繼代培養(yǎng)中往往會(huì)產(chǎn)生染色體變異,從而造成再生植株多為非整倍體、混倍體,甚至恢復(fù)為二倍體等.相信該問(wèn)題將會(huì)隨著胚乳培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步而得到解決.第十七頁(yè)，共21頁(yè)。細(xì)胞融合能夠獲得同源或異源三倍體、四倍體以及雙二倍體,可以說(shuō)是克服植物遠(yuǎn)緣雜交障礙、創(chuàng)造多倍體的又一條新途徑.1960年,Cocking發(fā)明了用酶去除植物細(xì)胞壁獲得原生質(zhì)體的方法,為植物細(xì)胞雜交奠定了基礎(chǔ).此后,隨著原生質(zhì)體化學(xué)融合和電融合技術(shù)的發(fā)展,已有近百種內(nèi)、種間和屬間原生質(zhì)體融合獲得了再生植株,甚至可以實(shí)現(xiàn)體配細(xì)胞融合與再生[54-56].林木中的細(xì)胞融合主要集中于楊樹(shù)等樹(shù)種,且同其他植物一樣,目前有關(guān)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室探討階段,存在許多有待解決的理論與技術(shù)難題,但其所展示的廣闊應(yīng)用潛力是毋庸置疑的。第十八頁(yè)，共21頁(yè)。

隨著世界森林資源緊缺的加劇,林木多倍體新品種將以其速生、優(yōu)質(zhì)以及高抗逆性等