植物2n配子誘導(dǎo)及其應(yīng)用研究進展

廖瑋瑋，邢虎成,2，揭雨成,2*

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植物2配子誘導(dǎo)及其應(yīng)用研究進展

廖瑋瑋1，邢虎成1,2，揭雨成1,2*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所, 長沙 410128；2 湖南省作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點實驗室, 長沙 410128)

基于2配子育種在馬鈴薯、苜蓿、鴨趾草、紅三葉草、越桔、辣椒、百合等作物育種實踐中的應(yīng)用，梳理了其應(yīng)用具有的創(chuàng)造新的變異、轉(zhuǎn)移優(yōu)良目標(biāo)基因等方面的現(xiàn)實意義，進而在介紹其誘導(dǎo)、發(fā)生機制的基礎(chǔ)上，簡述了2配子研究及應(yīng)用存在的問題及發(fā)展前景。

2配子；植物多倍體；誘導(dǎo)機制；研究進展

多倍體在植物界中廣泛存在，目前至少30%的植物為多倍體[1]。多倍體植物的形成主要有兩種途徑：體細(xì)胞染色體數(shù)目加倍(無性多倍化)；產(chǎn)生未減數(shù)的配子(有性多倍化)。未減數(shù)配子即2配子是減數(shù)分裂過程中染色體數(shù)目未減半的花粉或卵，是自然界植物產(chǎn)生多倍體的主要途徑[2]。人類沿著植物多倍體產(chǎn)生的自然路線，已成功利用2配子開展作物育種。有研究表明，2配子在植物進化過程中起著非常重要的作用[3]；2配子在傳遞雜合性和上位性中具有特殊的價值[4]。

1 2n配子育種的意義

1.1 創(chuàng)造新的變異

在新品種需求越來越大的今天，2配子在植物育種中的價值逐漸受到育種家的重視。2配子后代由于具有不同親本不同比例的遺傳物質(zhì)，基因的累加效應(yīng)不同。不同比例的遺傳物質(zhì)共存以及有性途徑可促進基因組間遺傳物質(zhì)重組，大大提高后代的變異率，加速優(yōu)良后代的選育。王子欣[5]通過2配子途徑獲得的四倍體大白菜結(jié)實率高、農(nóng)藝性狀好，克服了人工誘導(dǎo)四倍體中常遇到的育性低、植物學(xué)性狀不理想等缺點。經(jīng)2配子實現(xiàn)新的變異也在東方百合[6]等植物育種上獲得成功。

1.2 轉(zhuǎn)移優(yōu)良目標(biāo)基因

利用2配子誘導(dǎo)多倍體，不僅染色體數(shù)目加倍，而且同源染色體之間能夠高頻重組，從而引致彼此的特征基因相互滲入，由此可能向子代傳遞較高雜合性和有利基因，增強其雜種優(yōu)勢，并得到個體較一致雜交后代。這在苜蓿抗病育種(Havey，1988)、馬鈴薯抗病育種(Carputu，1993；Watanable，1992)已有成功的案例。此外，通過2配子將瘡痂病[7]、根結(jié)線蟲病[8]、早疫病[9]等抗性基因傳遞給后代也取得了成功。

1.3 穩(wěn)定傳遞雜合性，保持上位性

從理論上講，第一次減數(shù)分裂重組FDR(First division restitution)型2配子可以將親本約80%的雜合性傳遞給后代，而SDR(SDR: Second division resititution)型2配子只能傳遞約40%的親本雜合性[10]。由于FDR型2配子擁有兩個親本的同源染色體，而SDR型2配子擁有其中一個親本的兩個姐妹染色體，在傳遞雜合性及基因之間的上位性方面，F(xiàn)DR型2配子比SDR型的2配子具有更大的優(yōu)越性。因而從一般意義上說，F(xiàn)DR型2配子在育種中的應(yīng)用價值大于SDR型2配子。

1.4 克服自交不親和

利用2配子方式可以改善許多植物中存在的自交不親和現(xiàn)象，提高自交結(jié)實率[11]。應(yīng)用親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種雜交時，染色體難以配對可能導(dǎo)致高度不育，因此，在一般情況下不能直接利用遠(yuǎn)緣雜交種進行下一步育種，但可通過體細(xì)胞加倍或產(chǎn)生2配子途徑來恢復(fù)育性，理論上后者比前者更具優(yōu)勢[12]。Shidakov 1985年曾報道：利用誘發(fā)2花粉可大大降低幾個蘋果品種的自交不親和性，并提高3x品種的花粉育性。

2 2n配子誘導(dǎo)及其發(fā)生機制

2.1 2n配子誘導(dǎo)

在自然界中存在著天然形成的2配子。為了提高2配子發(fā)生的比率，也可以通過人為的方法誘導(dǎo)2配子的形成。人工誘導(dǎo)2配子的主要方法有物理方法和化學(xué)方法。

誘導(dǎo)2配子有溫度激變、電離輻射、機械創(chuàng)傷、離心力等物理方法，即通過物理因素誘導(dǎo)染色體加倍?？Х然ǚ勰讣?xì)胞減數(shù)分裂時，用驟變低溫(8~10℃)直接處理花器官可獲得大量二倍性花粉粒[13]；李云等[14]用40℃，5 h的條件對水培4 d后的白楊雌花芽進行高溫處理，得到2配子；并在-2℃，48 h低溫處理水培2 d的白楊雌花芽后得到2配子。汪衛(wèi)星等[15]用30℃，12 h的熱激處理使枇杷2花粉的發(fā)生率由對照的0.26%提高到2.64%，并利用熱激處理成功誘導(dǎo)桃、李產(chǎn)生較高比例的花粉[16]。Lewis對梨樹的帶芽枝條進行熱處理，獲得三倍體[17]?？迪蜿柕萚18]對白楊的花粉進行高溫處理，得到加倍的花粉。

化學(xué)誘導(dǎo)是靠誘變劑與遺傳物質(zhì)發(fā)生一系列生化反應(yīng)造成的。試驗表明不同藥劑對不同植物、不同器官組織或細(xì)胞甚至染色體節(jié)段或基因的誘變作用有一定的專一性。最廣泛使用的誘變劑是秋水仙素，經(jīng)秋水仙素處理植株可誘導(dǎo)產(chǎn)生2配子。鄭思鄉(xiāng)等[6]用秋水仙素處理東方百合成功獲得2雌配子；李云等[19]在白楊雌花枝水培1~5 d時，用秋水仙素處理其雌花芽成功誘導(dǎo)產(chǎn)生了2配子；張志毅等[20]采用秋水仙堿處理毛白楊的雜種雄花序，誘導(dǎo)出2花粉。

2.2 2n配子發(fā)生機制

2配子的發(fā)生機制包括：減數(shù)分裂前的加倍(Premeiotic doubling)、減數(shù)分裂失調(diào)(第一次減數(shù)分裂重組FDR: First division restitution和第二次減數(shù)分裂重組SDR: Second division resititution)、紡錘體異常、異常胞質(zhì)分裂(Premature cytokinesis)、異常細(xì)胞分裂(Abnormal cytokinesis)和減數(shù)分裂后的加倍(Nuclear fusion)[21]。根據(jù)所產(chǎn)生的2配子的遺傳效果，可以將2配子的發(fā)生機制歸納為FDR和SDR[1]兩種方式。2001年Lim K B等報道在百合種間雜種中發(fā)現(xiàn)一種新型的減數(shù)分裂核重組機制，即產(chǎn)生2配子的新方式，并命名為IMR(Indeterminate meiotic restitution)[22]。在香蕉的某一栽培品種中也發(fā)現(xiàn)了IMR方式產(chǎn)生的2配子，但當(dāng)時并未用IMR方式來解釋[23]。

2.2.1 減數(shù)分裂前的加倍

包括無孢子生殖、孢原細(xì)胞核內(nèi)有絲分裂等。無孢子生殖是沒有經(jīng)過減數(shù)分裂或孢子形成而直接由孢子體進行的配子體發(fā)育，保持了親本100%的雜合性。越桔、樹莓和蘋果就是通過這種方式形成2配子[24]。孢原細(xì)胞核內(nèi)有絲分裂是由于孢原細(xì)胞發(fā)生不正常的有絲分裂引起的，通過這種方式形成的配子可傳遞親本66.7%的雜合性。Karpechko在蘿卜和甘藍(lán)的屬間雜種Raphanobrassia中，描述了一個在減數(shù)分裂中之前核的分裂導(dǎo)致雙核的花粉母細(xì)胞，此種2花粉具有親本66.7%的雜合性[25]。

2.2.2減數(shù)分裂失調(diào)

第一次減數(shù)分裂發(fā)生重組(the first division restitution, FDR)：主要發(fā)生在減數(shù)分裂后期Ⅰ，類似于有絲分裂，第一次減數(shù)分裂失敗而第二次減數(shù)分裂正常。由于前期有染色體發(fā)生交換，F(xiàn)DR型2配子傳遞了親本75 %~83 %的雜合性[24]。在懸鉤子屬和李屬類的種間雜種FDR是2配子發(fā)生的主要方式[26]。

第二次分裂發(fā)生重組 ( the second division restitution, SDR)：指性母細(xì)胞第一次減數(shù)分裂正常，第二次減數(shù)分裂失敗，形成二分體。該種方式形成的配子保留親本33%~35%的雜合性。在馬鈴薯、玉米、苜蓿、蕓薹屬物種以及在葡萄柚()×甜橙()的種間雜種中存在這種機制[25]。在二倍體馬鈴薯×四倍體野生馬鈴薯的雜種中，也表明SDR是2雌配子產(chǎn)生的主要途徑[27]。

2.2.3減數(shù)分裂紡錘體異常

異常紡錘體包括平行紡錘體、三級紡錘體和融合紡錘體。幾種形式均能造成紡錘體同向取向,都能產(chǎn)生2配子，遺傳效應(yīng)相當(dāng)于FDR類型。已對馬鈴薯(M.S.Ramanna,1979)和柿樹[28]等減數(shù)分裂過程中紡錘體類型進行觀察，發(fā)現(xiàn)有融合紡錘體、八字形紡錘體、平行紡錘體與2配子的形成密切相關(guān)。

2.2.4 異常胞質(zhì)分裂

包括兩種方式：細(xì)胞質(zhì)提前發(fā)生分裂和細(xì)胞質(zhì)不分裂，均可以形成2配子。2配子在遺傳效應(yīng)上等同于SDR類型。如馬鈴薯在減數(shù)分裂后期Ⅱ細(xì)胞質(zhì)分裂失敗，隨之核發(fā)生融合，形成了2配子[29]；毛白楊2花粉是由于平行紡錘體合并，以及因平行紡錘體的存在而引起細(xì)胞板組建發(fā)生紊亂，進而導(dǎo)致胞質(zhì)分裂發(fā)生異常[30]。

2.2.5 減數(shù)分裂后加倍

通過正常的減數(shù)分裂后加倍形成的2配子是高度純合的，其傳遞親本的雜合性為0。目前還沒有發(fā)現(xiàn)在哪種植物的2配子形成過程中存在此種機制，推測在Rubus屬中可能存在[24]。

3　存在的問題與展望

應(yīng)用2配子技術(shù)，人類已成功地獲得了楊樹、桑樹、橡膠樹三倍體新品種。實踐表明，2配子的有性多倍化比無性多倍化具有更多的生物學(xué)優(yōu)點，更高的發(fā)生頻率，更高的雜合度；2配子在傳遞雜合性( heterozygosity) 和上位性(epistasis) 中具有特殊的價值[4]。

國內(nèi)對于2配子育種的研究以馬鈴薯[31]最為深入。在馬鈴薯和紫苜蓿等作物上進行的研究和應(yīng)用實踐已證明了利用2配子育種的可行性和優(yōu)越性。張志毅等[20]采用0.1%～0.5%的秋水仙堿處理發(fā)育至一定階段的毛白楊(×) 的雜種雄花序，誘導(dǎo)出不減數(shù)2大花粉，并進一步雜交獲得了三倍體雜種植株。楊今后等[32]用0.05%～0.1%的秋水仙堿處理桑樹雄花序7～8 d，然后與正常的二倍體配子雌花雜交獲得三倍體植株。李云等[14,19]利用不同濃度的秋水仙堿(0.25%，0.50%，0.75%)、不同方法(注射法、棉浸法、瓶浸法)處理水培1～5 d雌花枝上的雌花芽最長3 d，獲得了2雌配子，與正常花粉雜交后均獲得了三倍體植株。鄭思鄉(xiāng)等[6]用0.1%～0.4%的秋水仙素處理東方百合二倍體品種的花蕾成功獲得了2雌配子，然后將2雌配子與1雄配子雜交形成了三倍體胚，再通過胚拯救技術(shù)獲得了三倍體植株。此外，在大白菜[33~36]、李[16]、枇杷[15]、蘋果[37]和越桔等其他果樹[38]上也有關(guān)于2配子誘導(dǎo)的研究報道。國外關(guān)于2配子的研究比較少，Jiohnsson和Winton采用秋水仙素處理歐洲山楊、美洲山楊和美洲黑楊雄花序獲得2雄配子，然后授粉于雌株，均獲得三倍體植株[39]；此外，2配子育種還在苜蓿[40]、黑麥草[41]、越橘[42]、三葉草[43]、馬鈴薯[44]上獲得成功。

多倍體和抗性是植物育種的重要目標(biāo)，利用2配子進行育種具有很多優(yōu)勢，應(yīng)用潛力非常大。通過人工誘導(dǎo)等方法可以提高2配子產(chǎn)生頻率，不同作物之間誘導(dǎo)方式不一樣，產(chǎn)生的頻率也不相同，因此，針對不同的作物還需探索出其產(chǎn)生2配子比率較高的誘導(dǎo)方式。目前在2配子的應(yīng)用中還存在著一些問題急需解決。首先，在得到的2花粉分離上還沒有較好的方法。2花粉體積、直徑均比正?；ǚ鄞?，生活力存在差異，因此，在雜交時，正常花粉與2花粉存在競爭問題，但2雌配子不存在競爭的問題，通過授粉就可得到種子，因此，非常具有利用價值。其次，F(xiàn)DR形成的2配子能傳遞親本更高的雜合性，對育種后代的優(yōu)勢更明顯，如何專一性的誘導(dǎo)FDR型2配子目前也還沒有有效方法。利用分子手段解決這一問題，對于快速有效地進行2配子育種具有重要意義。第三，2配子形成的種子質(zhì)量較差，甚至不正常發(fā)育。在一些物種上通過胚拯救方法獲得雜交后代的植株，可縮短育種周期，但一些種子較小的物種往往難以剝離到胚，需尋求更好的方法提高雜交后代的成活率，使得2配子育種技術(shù)體系能夠更完善。這對于作物育種和種質(zhì)創(chuàng)新具有重要的價值。

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責(zé)任編輯：趙佳榮

Research Progress on Plant 2Gamete and Its Application

LIAO Wei-wei1, XING Hu-cheng1,2, JIE Yu-cheng1,2*

(1 Institute of Ramie, Hunan agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2 Hunan Provincial Key Laboratory of Corp Germplasm Innovation and Utilization, Changsha, Hunan 410128, China)

The 2gametes play an important role in plant evolutionary process.At present,spontaneous and induced 2gametes have been applied in crop breeding practice of potatoes, alfalfa, tradescantia virginiea, red clover, blueberries, chili, Lilium brownie, and separately obtained good effect. This paper present the induction of plant 2gamete and its formation mechanism, breeding significance and application conditions in plant genetics and breeding at home and abroad,illustrating the problems of 2gametes application and future development.

2gametes; Polyploidy; Formation mechanism; Research progress

Q943

A

1001-5280(2011)06-0599-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2011.06.20

2011-04-14

廖瑋瑋(1987—)，女，江西新干人，碩士研究生，研究方向：植物細(xì)胞工程與倍性育種。

，Email：ibfcjyc@vip.sina.com。

湖南省教育廳重點項目(09A042)；湖南省教育廳優(yōu)秀人才項目(10B51)；湖南省科技計劃重點項目(2010FJ3013)。