人工誘導(dǎo)植物多倍體的方法初探

張愛清

摘 要 重點(diǎn)總結(jié)了植物多倍體人工誘變的物理、生物和化學(xué)方法，并從植物多倍體的來源、特點(diǎn)及意義等方面進(jìn)行了補(bǔ)充介紹。

關(guān)鍵詞 人工誘導(dǎo) 植物多倍體

中圖分類號 Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 E

多倍體是指體細(xì)胞中含有三組或三組以上染色體的個體。自然界廣泛生存著多倍體植物，大約一半的被子植物，2/3的禾本科植物，80%的草類，18%的豆類是多倍體。其中，以蓼科、景天科、薔薇科、錦葵科、禾本科和鳶尾科中多倍體最多。許多農(nóng)作物及果樹、蔬菜、花卉（如小麥、燕麥、棉花、馬鈴薯、甘蔗、花生、煙草、甘薯、苜蓿、山藥、韭菜、薺菜、苦苣菜、香蕉、蘋果、李、櫻桃、梨、草莓、葡萄、菊、水仙、郁金香等）均為天然的多倍體。

1 多倍體植物的來源及特點(diǎn)

多倍體的類型有同源多倍體和異源多倍體。還有一些過渡類型或復(fù)合類型，如區(qū)段異源多倍體（BBB1B1）、同源異源多倍體（AAAABBBB）及倍半二倍體（ABB）等?，F(xiàn)已查明多倍體形成的細(xì)胞學(xué)機(jī)制，是由于細(xì)胞分裂時染色體不分離而引起。大體有兩種情況：① 減數(shù)分裂時，全組或部分染色體沒有減數(shù)，仍停留在一個細(xì)胞核里，從而形成二倍性的生殖細(xì)胞。這種未減數(shù)的2n雄配子與帶有2n的雌配子結(jié)合，發(fā)育成四倍體。但由于2n雄配子在授粉過程中常競爭不過經(jīng)減數(shù)分裂的雄配子（n），因而會出現(xiàn)未減數(shù)的雌配子與減數(shù)的雄配子相結(jié)合，形成天然三倍體植物。② 有絲分裂時，染色體雖然復(fù)制了，但細(xì)胞沒有相應(yīng)地發(fā)生分裂，從而使細(xì)胞核里包含了比原來多一倍的染色體，產(chǎn)生了多倍體?？傊?，多倍體的產(chǎn)生是植物對不利條件的適應(yīng)，是自然選擇的結(jié)果，從而進(jìn)化發(fā)展成新的變種或物種。

巨型性是同源多倍體主要形態(tài)特征之一。細(xì)胞核和細(xì)胞體積（特別是保衛(wèi)細(xì)胞）、葉片、厚度、氣孔和花粉粒、花和種子、莖的粗度增大?；騽┝勘对?，從而使植物的一些生理生化過程加強(qiáng)，新陳代謝旺盛，其體內(nèi)的某些生化成分的含量也相應(yīng)提高。盡管同源多倍體育性差，結(jié)實(shí)率低，但多倍體植物一般生活力強(qiáng)，抗逆性提高，對環(huán)境適應(yīng)性亦強(qiáng)。

2 染色體加倍方法

多倍體主要通過未減數(shù)配子融合，體細(xì)胞染色體加倍以及多精受精三種方式起源的。其中，未減數(shù)配子融合是多倍體形成的主要機(jī)制。多倍體的來源不外乎自然發(fā)生、人工合成和誘發(fā)突變等主要方式。而人工誘導(dǎo)植物多倍體的方法主要有以下三種。

2.1 物理誘導(dǎo)法

在植物多倍體誘導(dǎo)中，物理誘導(dǎo)法是指利用溫度驟變、機(jī)械損傷、電離射線（X射線、γ射線、β射線、中子和α射線）、非電離射線（紫外線和質(zhì)子）、離心力、熱沖擊、超聲波、干旱等環(huán)境脅迫、逆境處理等物理因素處理植物材料，誘導(dǎo)細(xì)胞染色體加倍的方法。物理誘導(dǎo)法對象包括萌動的種子、幼苗以及雌雄花芽等。早期利用創(chuàng)傷與嫁接誘導(dǎo)多倍體，植物組織在創(chuàng)傷的愈合部位的染色體易加倍，其上面的不定芽發(fā)展成多倍體，用此方法在茄科植物上得到了多倍體。利用反復(fù)摘心的方法也可促使多倍體的產(chǎn)生。

物理方法在植物多倍體誘導(dǎo)中采用類似異常環(huán)境條件的處理方法，由于誘導(dǎo)率低，定向性差，嵌合體嚴(yán)重，危害性大（射線）而未能普及利用正逐步被淘汰。目前主要在一些具營養(yǎng)繁殖優(yōu)勢的植物上有應(yīng)用。

2.2 化學(xué)誘導(dǎo)法

化學(xué)誘導(dǎo)法是指利用某些化學(xué)試劑處理分裂中的植物器官、組織甚至細(xì)胞，從而誘導(dǎo)細(xì)胞染色體加倍的方法。采用化學(xué)誘變劑進(jìn)行多倍體誘導(dǎo)是目前最常用、最普遍、最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法，主要利用富民農(nóng)、萘嵌戊烷（C12H10）、富民隆、氧化亞氮（N2O）、吲哚乙酸等化學(xué)試劑誘發(fā)多倍體?；瘜W(xué)誘導(dǎo)法的主要作用機(jī)理是抑制了細(xì)胞分裂時紡錘體的形成，使復(fù)制后的染色體不能拉向兩極，細(xì)胞不能繼續(xù)分裂形成兩個子細(xì)胞，從而導(dǎo)致染色體加倍形成多倍體細(xì)胞，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)育成多倍體植株?；瘜W(xué)誘導(dǎo)又可分為活體誘導(dǎo)和離體誘導(dǎo)兩種基本方法。誘導(dǎo)方式主要有浸漬法、注射法、涂布法、噴霧法、藥劑-培養(yǎng)基法等。在化學(xué)誘導(dǎo)染色體加倍過程中需重視試劑的最適濃度、處理時期、處理持續(xù)時間和處理適宜溫度。

已發(fā)現(xiàn)有200余種化學(xué)試劑對植物多倍體有誘導(dǎo)作用，化學(xué)誘導(dǎo)劑中秋水仙素是一種被廣泛應(yīng)用的多倍體化學(xué)誘導(dǎo)劑。在一定濃度范圍內(nèi)，秋水仙素對染色體結(jié)構(gòu)無破壞作用，在遺傳上很少造成其他不利變異，處理一定時間的細(xì)胞可在藥劑去除后恢復(fù)正常分裂，形成染色體加倍的多倍體細(xì)胞。此外，一些除草劑在某些植物多倍體誘導(dǎo)中表現(xiàn)出多倍化程度高、藥害輕，值得引起重視和注意。如安磺靈（一種二苯基胺類除草劑）、戊炔草胺（一種苯基酰胺除草劑）、甲基氨草磷（APM，一種磷酰胺除草劑）和氟樂在洋蔥、甜菜、甘藍(lán)胚培養(yǎng)中誘導(dǎo)多倍體已有成功報(bào)道。這類抗微管的除草劑物對微管蛋白有很強(qiáng)的結(jié)合力，對染色體損傷小，引起其他變異的機(jī)率比秋水仙素小，并且在這些再生植株中不存在嵌合體和植株生長延遲現(xiàn)象。秋水仙素的濃度則需高出幾十倍甚至上百倍，用以上除草劑更經(jīng)濟(jì)有效，對植物材料及人體毒性更小。在生物多倍體誘導(dǎo)過程中，二甲基亞砜（DMSO）、吐溫、赤霉素、甘油、BA等作為輔助藥劑（誘導(dǎo)輔助劑），在提高染色體加倍效果上有一定的積極作用。其中，二甲基亞砜（DMSO）是運(yùn)輸化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入組織的一種載體，在多倍體誘導(dǎo)過程中可作為一種助滲劑和增效劑，能促進(jìn)化學(xué)誘導(dǎo)劑快速進(jìn)入生物細(xì)胞，從而縮短處理時間，減少毒害作用，對提高染色體加倍效果有一定作用。

2.3 生物學(xué)誘導(dǎo)方法

生物多倍體誘導(dǎo)法在植物領(lǐng)域主要采用有性雜交、胚乳培養(yǎng)、細(xì)胞融合（體細(xì)胞雜交）、組織培養(yǎng)等。體細(xì)胞雜交法又稱原生質(zhì)體融合，該技術(shù)的發(fā)展是建立在組織培養(yǎng)和原生質(zhì)體培養(yǎng)的基礎(chǔ)上的。原生質(zhì)融合是細(xì)胞水平雜交的發(fā)展，克服了植物遠(yuǎn)緣雜交障礙，是創(chuàng)造多倍體的新途徑。迄今從原生質(zhì)體培養(yǎng)成的藥用植物有石刁柏、石龍芮、南洋金花、顛茄等十余種。植物胚乳培養(yǎng)是產(chǎn)生三倍體植株的主要方法。某些植株果核大、種子多，會帶來加工的困難，降低了產(chǎn)量和質(zhì)量，而三倍體植株常常表現(xiàn)出無子，這對一部分藥用植物是非常有用的性狀，目前已成為改良果樹的重要途徑。目的性強(qiáng)的人工有性雜交可以在相同或不同倍性的屬、種或品種間進(jìn)行。有計(jì)劃的有性雜交多是在二倍體間及二倍體與四倍體間進(jìn)行，其中二倍體與四倍體的雜交目前仍是獲得三倍體的最有效途徑。

組織培養(yǎng)中的“體細(xì)胞無性系變異”是一種普遍現(xiàn)象，其中染色體倍性化變異是一個重要方面，在不添加任何誘變劑的情況下，可產(chǎn)生人工多倍體。研究中發(fā)現(xiàn)染色體加倍效果與材料的發(fā)育階段、取材部位、培養(yǎng)基類型、培養(yǎng)條件（如光照、溫度）等密不可分，激素種類及其濃度對誘導(dǎo)也有一定作用。

3 植物多倍體的育種意義

多倍體育種由于其誘變手段較簡單，育出的品種經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，還可有效克服遠(yuǎn)緣雜交不親和等特點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。通過人工方法誘導(dǎo)植物多倍性在作物育種上的意義主要包括：① 多倍性植物常產(chǎn)生出巨大型效應(yīng)。② 通過植物多倍性可以改變某些物種的自交不親和性。③ 在多倍體細(xì)胞內(nèi)重復(fù)基因的存在對雜種后代群體內(nèi)遺傳分離比例有明顯的影響。④ 通過遠(yuǎn)緣親本或種間不育雜種的染色體加倍，可以克服遠(yuǎn)緣雜交的不親和性，合成新類型或新物種。⑤ 利用植物多倍性作為種、屬間的遺傳橋梁，進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移或漸滲，便于遠(yuǎn)緣物種間有利基因的相互轉(zhuǎn)移。⑥ 通過人工誘導(dǎo)多倍性可以從現(xiàn)有的二倍性作物中挖掘出潛在的無融合生殖種質(zhì)資源。

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