關于育種教學中的幾個認識誤區(qū)

李潔

在人教版必修二第五章第二節(jié)“染色體變異”一節(jié)中介紹了多倍體育種和單倍體育種的方式，引導學生認識了生物學知識在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，培養(yǎng)其社會責任感。但為了符合學生認知發(fā)展規(guī)律，減輕學生學業(yè)負擔，高中生物學教材關于變異育種的原理這部分內容介紹得很少，導致部分教師在教學中時常出現(xiàn)一些認識上的誤區(qū)。下文對3個常見認識誤區(qū)進行了解析，旨在幫助中學教師解決對此類問題的困惑。

1 誤區(qū)一：花藥離體培養(yǎng)得到的都是單倍體植株

花藥離體培養(yǎng)是單倍體育種中最關鍵的一步。生物學教材談到“通過花藥離體培養(yǎng)的方法獲得單倍體植株，然后人工誘導使這些植株加倍，用這種方法培育得到的植株，不但能進行正常生殖，而且每對染色體的成對基因都是純合的，自交后代不會發(fā)生性狀分離。”為什么是花藥離體培養(yǎng)？花粉離體培養(yǎng)是否可行？這得追溯到花藥和花粉這兩者的區(qū)別。植物體的雄蕊是由花藥和花絲組成，花藥是植物生殖器官的主要部分，而花粉是生殖細胞。從結構上來看，花藥由多個花粉囊組成，中間以藥隔相連，花粉囊中產(chǎn)生花粉（圖1）。

從發(fā)育過程來看，花藥壁、藥隔和花粉都來源于孢原細胞。孢原細胞經(jīng)有絲分裂和分化形成外層的初生壁細胞和內層的造孢細胞，初生壁細胞與表皮層貼近，經(jīng)過有絲分裂和分化形成花藥壁等部分。而初生造孢細胞則進一步形成小孢子母細胞，又稱花粉母細胞。1個小孢子母細胞經(jīng)過減數(shù)分裂，生成染色體數(shù)目減半的4個花粉細胞，即小孢子，4個小孢子先是集合在一起，稱為四分體。之后，4個小孢子從四分體中分離出來，釋放到花粉囊中，即為單核花粉粒。其細胞質濃，細胞核大，且核位于中央，隨著不斷發(fā)育，細胞質發(fā)生液泡化，逐漸形成中央大液泡，細胞核被擠到細胞一側，此時稱為單核靠邊期，為組織培養(yǎng)中誘導單倍體植株較為適宜的接種時期。

綜上所述，花藥壁、藥隔為體細胞，只有花粉才是單倍體細胞。嚴格意義上來說，花粉離體培養(yǎng)才是獲得單倍體植株的方法。但實際上花粉離體培養(yǎng)屬于細胞培養(yǎng)，難度較大，目前只在少數(shù)植物上獲得成功。因此，農(nóng)業(yè)育種上往往采用花藥離體培養(yǎng)，不過花藥離體培養(yǎng)受花藥壁、藥隔、表皮等二倍體細胞的干擾，得到得植株中有一定比例的二倍體，實際育種流程中還需要進行篩選才能獲得單倍體植株。

2 誤區(qū)二：著絲粒分裂與紡錘體無關

在“染色體變異”這一節(jié)中還涉及到了多倍體育種的方式，教材中談到“人工誘導多倍體的方法有很多，其中用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗，是最常用且最有效的方法。使用秋水仙素能抑制紡錘體的形成，導致染色體不能移向細胞兩極，從而引起細胞內的染色體數(shù)目加倍”。這句話易導致誤區(qū)“雖然紡錘體不能形成，但著絲粒仍然能夠正常分裂”，因此很多老師將其理解成著絲粒分裂與紡錘體的形成無關，這樣的理解其實是片面的。

在姐妹染色單體分離前，彼此間通過黏連蛋白復合體相互黏著在一起，當細胞中的分離酶活化后可以切割黏連蛋白，致使姐妹染色單體分離（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，當紡錘體微管與動粒，即著絲粒外側的盤狀蛋白質聯(lián)結前，動粒會發(fā)出抑制信號，抑制細胞周期向下一個階段運轉，進而影響著絲粒的分裂。當紡錘體微管重新形成并與動粒聯(lián)結后，這種抑制信號被解除，分離酶被活化，連接在姐妹染色單體間的黏連蛋白被水解，姐妹染色單體分離（圖3）。因此，可以說紡錘體微管蛋白的形成是決定著絲粒分裂的一個關鍵信號。

那么為何秋水仙素抑制紡錘體形成后，著絲粒還能分離呢？筆者查閱了大量資料，推測由于在該實驗過程中使用的秋水仙素濃度較低，在培養(yǎng)過程中，細胞內秋水仙素逐漸會被細胞自身代謝掉或人為洗脫去除，紡錘體中與動粒結合的微管蛋白能夠重新合成，動粒發(fā)出的抑制信號被解除，著絲粒分裂。但由于在培養(yǎng)的這段時間內，沒有形成完整的紡錘體，因而不能將染色體拉向細胞兩極，最終導致細胞中染色體數(shù)目加倍。

3 誤區(qū)三：三倍體無子西瓜不可能有種子

關于三倍體西瓜的育種方式，教材是這樣描述的“在二倍體西瓜的幼苗期，用秋水仙素處理，可以得到四倍體植株，然后用四倍體植株做母本，二倍體植株作父本，進行雜交，從而得到三倍體種子。把這些種子種下去，就會長出三倍體植株，再用普通西瓜二倍體的成熟花粉刺激三倍體植株的子房，從而使其發(fā)育成三倍體無子西瓜（圖4）”，進一步分析可知，三倍體植株因為細胞中含有三個染色體組，減數(shù)過程中同源染色體聯(lián)會紊亂，不能形成正常配子，因此不能正常受精產(chǎn)生種子。

三倍體西瓜中會存在少量發(fā)育不成熟的種子，這是因為三倍體植株的減數(shù)分裂是比較復雜的，在減數(shù)分裂I的前期，每種染色體有3條，這樣聯(lián)會配對的情況就有兩種。第一種情況為組成三價體，即3 條染色體連在一起；第二種情況為組成二價體和單價體，即兩條染色體連在一起和1條染色體單獨存在。在分裂后期，三價體一般是兩條染色體進入一極，一條進入另一極。二價體分離正常，而單價體有兩種可能，或是隨機進入某一極，或是停留在赤道板上，隨后在細胞質中消失。無論哪一種方式，最后得到染色體數(shù)目平衡即有功能的配子，即全部染色體都成對存在或全部染色體都是單個的配子的概率是極低的，絕大多數(shù)都是染色體數(shù)目不平衡的配子，不能正常的受精、結實。因此三倍體植株是高度不育的。由此可見，三倍體無子西瓜中有極低概率也會出現(xiàn)種子。

參考文獻：

［1］ Sanders P M，Bui A Q，Weterings K，et al. Anther devel?opmental defects in Arabidopsis thaliana male?sterile mutants ［J］.Sexual plant reproduction，1999，11 （6）：306.

［2］ 馬煒梁，王幼芳，李宏慶等.植物學［M］.第3版.北京：高等教育出版社，2009：94-97

［3］ 任瑩.蘋果單倍體育種技術探究［D］.山西大學，2015.

［4］ 翟中和，王喜忠，丁明孝.細胞生物學［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2011：288-289.