林木多倍體育種研究進(jìn)展

1、第25卷 第4期2003年7月北 京 林 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)JOURNAL OF BEIJING FORES TRY UNIVERSITYVol.25,No.4Jul.,2003*國(guó)家自然科學(xué)基金(30170782及國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)項(xiàng)目(99林木多倍體育種研究進(jìn)展*康向陽(yáng)(北京林業(yè)大學(xué)毛白楊研究所摘要 該文綜述了林木多倍體育種的途徑、方法及其應(yīng)用現(xiàn)狀,指出多倍體育種在速生、優(yōu)質(zhì)、高抗逆性等林木新品種選育中具有更大的潛力;目前在林業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的多倍體新品種數(shù)量之所以相對(duì)較少,主要與樹木細(xì)胞遺傳等基礎(chǔ)研究滯后、一些多倍體育種相關(guān)理論和技術(shù)難題未能得以攻克有關(guān).而隨著人類對(duì)其應(yīng)用價(jià)值認(rèn)識(shí)的提高以及有關(guān)

2、新技術(shù)方法的注入,建立在現(xiàn)代遺傳學(xué)以及細(xì)胞染色體工程技術(shù)基礎(chǔ)之上的林木多倍體育種將煥發(fā)出新的生機(jī)與活力.關(guān)鍵詞 林木,多倍體,育種中圖分類號(hào) S72213+5Kang Xiangyang.Advances in researches on polyploid breeding of forest trees .Journal o f Beijing Fo restry University (200325(470The paper overvie ws the research methods and application status of polyploid breeding in fo

3、rest trees.It shows that polyploid breeding has great potentiality in selecting ne w varieties with traits of fast gro wing,high quality and resistance.However,the numbers of new polyploid varieties used in the forestry production are re-l atively less.The main reasons are caused by the lag of basic

4、 researches in forest tree c ytogenetics,unresolved theoretic and technical problems related to the polyploid breeding.Following the increasing understanding on application values of polyploid and using of related ne w techniques,the polyploid breeding based on modern genetics and cell and chromosom

5、al engineering will have ne w vitality and vigor.Key words forest tree,polyploid,breeding 染色體多倍化是植物進(jìn)化最為重要的方式之一,其中約有30%35%的被子植物經(jīng)歷過(guò)一次或數(shù)次多倍化事件形成多倍體1.多倍體在自然界的廣泛分布表明多倍化可以增強(qiáng)植物的適應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)力,而人類也可以效法自然開展多倍體人工誘導(dǎo)及其利用工作.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2,3,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端.1937年,當(dāng)Blake

6、slee 、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、蔬菜、花卉等多倍體新品種4-7.楊樹、橡膠、桑樹等一系列林木多倍體新品種的選育成功8-16,為我們展示了日益廣闊的發(fā)展前景.1 林木多倍體育種的作用植物細(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

7、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.111紙漿材等短周期森林工業(yè)用材新品種選育多倍體特別是異源多倍體在染色體加倍后可帶來(lái)營(yíng)養(yǎng)器官的巨大性變化,通過(guò)多倍體育種培育更為速生、優(yōu)質(zhì)的林木品種,可以縮短栽培利用周期,提高工業(yè)利用價(jià)值.如歐洲山楊美洲山楊雜種三倍體的材積生長(zhǎng)比本地生長(zhǎng)的山楊快12倍,纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)18%,比重高20%,是一種優(yōu)良的紙漿原料9-11.我國(guó)三倍體毛白楊系列新品種的材積生長(zhǎng)較相同立地條件下的二倍體提高23倍,采伐周期縮短至5年;而纖維平均長(zhǎng)度在5年生時(shí)就達(dá)1.28 mm,比同齡普通毛白楊長(zhǎng)52%,且長(zhǎng)度分布均勻,長(zhǎng)寬比大,纖維細(xì)胞壁薄,壁腔比小,尤其適合紙漿

8、材生產(chǎn)16,17.112利用組織代謝產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)林木新品種選育由于多倍體的基因劑量倍增,從而使植物的一些生理生化過(guò)程隨之加強(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.在林木育種中,多倍體育種可望使利用組織代謝產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)樹種品質(zhì)性狀得到改善提高,如樹木葉蛋白、橡膠以及黃酮等,從而提高林木的利用價(jià)值,降低生產(chǎn)成本.有關(guān)育種成果已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用,其中四倍體橡膠樹的產(chǎn)膠量比二倍體親本提高34%13;三倍體漆樹的產(chǎn)漆量比二倍體高出12倍18;三倍體桑樹在產(chǎn)葉量和葉品質(zhì)等方面均優(yōu)于二倍體等3,14,15.113抗逆性生態(tài)防護(hù)型林木新品種選育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

9、以及抗病蟲害等優(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1,4.通過(guò)多倍體育種可提高林木的抗逆性,相應(yīng)擴(kuò)大樹種的栽培條件與種植范圍.如四倍體柳杉的耐寒性增強(qiáng)6;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6,9;三倍體樺木表現(xiàn)對(duì)銹病的抗性增強(qiáng)等19.2林木多倍體育種的途徑與方法自然界植物多倍體的發(fā)生均來(lái)自于細(xì)胞核內(nèi)染色體組的倍數(shù)變異,即體細(xì)胞分裂過(guò)程中偶然發(fā)生的染色體加倍以及減數(shù)分裂過(guò)程中產(chǎn)生未減數(shù)配子.當(dāng)人類開始認(rèn)識(shí)到多倍體的價(jià)值及其產(chǎn)

10、生機(jī)制之后,伴隨著科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步,必然會(huì)進(jìn)入人為創(chuàng)造與利用染色體倍性變異的階段.211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、合歡、桑樹、漆樹、柳樹、歐洲山楊,香脂楊、銀白楊、美洲山楊、毛白楊等2,6,18-25.這些天然多倍體大多表現(xiàn)不如二倍體,但在某些樹種中也不乏表現(xiàn)突出的個(gè)體,如天然三倍體漆樹具有生長(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)2,6.而在我國(guó)檢出的5個(gè)毛白楊天

11、然三倍體中,大多則是早已被林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐所證明的優(yōu)良類型(如易縣毛白楊雌株25.顯然對(duì)于一些存在天然三倍體的樹種而言,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).212體細(xì)胞染色體加倍體細(xì)胞染色體加倍是人類最早選擇獲取多倍體的途徑.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

12、4-7.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、桑樹、橡膠、刺槐、榿木、樺木、相思、枸杞等樹種6,26-32,但迄今只有四倍體刺槐等少數(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013%的秋水仙素溶液中處理24h,一次獲得50株四倍體幼苗32.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)

13、個(gè)細(xì)胞,避免了嵌合體的出現(xiàn),可以獲得真正的多倍體.213不同倍性體間雜交當(dāng)某樹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71第4期康向陽(yáng):林木多倍體育種研究進(jìn)展混倍體植株33.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、桑樹、樺木、榿木、刺槐、枸杞等6,10,11,34-36.Einspahr等(1984、W

14、eisgerber 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,為楊樹紙漿材等森林工業(yè)用材新品種選育做出了巨大貢獻(xiàn)10,11.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.目前,利用該途徑的多倍體育種大多僅限于群體中存在天然多倍體或已經(jīng)獲得人工多倍體的樹種,這主要是因?yàn)闃淠旧L(zhǎng)周期長(zhǎng),而人工多倍體誘導(dǎo)本身就是一個(gè)技術(shù)性較強(qiáng)的工作,即使培育成功,還要等待開花結(jié)實(shí),需時(shí)較長(zhǎng);況且這種多倍體還必須具有較好的育性,在與另一親本交配時(shí)應(yīng)表現(xiàn)出較高的配合力等,否則或不能取得雜交后代,或雖有子代產(chǎn)生但無(wú)優(yōu)勢(shì)而言,使育種

15、陷于勞而無(wú)功的失敗境地.214天然或人工未減數(shù)配子雜交直接利用天然未減數(shù)2n花粉進(jìn)行多倍體育種的樹種主要是楊樹.國(guó)外在灰楊、香脂楊、黑楊雜種(Heidemj等楊樹中均發(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6,36,37.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8,16.但并不是所有樹種都會(huì)自然產(chǎn)生2n花粉,且2n花粉發(fā)生往往受樹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.人工誘導(dǎo)花粉染色

16、體加倍是樹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、桑樹等樹種中,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

17、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)8,44-48.有關(guān)研究表明,在進(jìn)行人工誘導(dǎo)配子染色體加倍時(shí),掌握樹種的相關(guān)細(xì)胞遺傳學(xué)知識(shí)可以取得事半功倍的效果.與利用2n花粉相比,由于利用2n雌配子不存在單倍性配子競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,受精后可100%形成三倍體,因此采用2n雌配子選育三倍體更具誘惑力.其中,在樹木中尚未見有關(guān)天然2n雌配子利用的研究.而在人工誘導(dǎo)2n雌配子方面,也僅在

18、桑樹與毛新楊等樹種中有過(guò)嘗試40,49.與花粉染色體加倍相比,由于大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂進(jìn)程不能即時(shí)觀察,難以確定影響雌配子染色體加倍的減數(shù)分裂有效處理時(shí)期,因此,有關(guān)雌配子染色體加倍研究主要是通過(guò)對(duì)大批量材料的處理及篩選,工作量大,而三倍體得率卻較低,且可重復(fù)性較差,從而限制了2n雌配子誘導(dǎo)及其育種應(yīng)用.不言而喻,如能在利用2n雌配子相關(guān)機(jī)理和技術(shù)等方面取得突破,三倍體育種將會(huì)更為實(shí)用而有效.215胚乳培養(yǎng)與細(xì)胞融合在大多被子植物中,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

19、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.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

20、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等樹種,且同其他植物一樣,目前有關(guān)研究仍處72北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第25卷于實(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.3展望我國(guó)糧食問(wèn)題解決的成功經(jīng)驗(yàn)表明,未來(lái)環(huán)境以及木材供應(yīng)問(wèn)題的解決,以林木育種為核心的林業(yè)科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和突破將起到?jīng)Q定性的作用.而從林木育種的整體研究現(xiàn)狀來(lái)看,仍處于較低利用層次的選種、引種和雜交等常規(guī)育種階段,林木育種要像農(nóng)作物育種那樣有一個(gè)飛躍性的變化,使材積等方面的增益得以進(jìn)一步提高,依賴于常規(guī)育種的潛力是

21、有限的,期望有較大的突破已比較困難,除非采用新的育種方法.在被寄予厚望的基因工程育種技術(shù)尚難在現(xiàn)代林木育種中有所作為的今天,只有綜合倍性優(yōu)勢(shì)和雜交優(yōu)勢(shì)的多倍體育種可堪重任.據(jù)Leran(1945,1948的經(jīng)驗(yàn),最適宜染色體加倍改良的作物應(yīng)該是:染色體數(shù)目少;以收獲營(yíng)養(yǎng)體為主;異花授粉.此后De wey(1979又附加二點(diǎn),即多年生習(xí)性和營(yíng)養(yǎng)繁殖,并認(rèn)為由此減少作物對(duì)種子生產(chǎn)的依賴性,對(duì)多倍體育種成功有重要的意義4.顯然,許多林木樹種均符合上述條件,然而迄今培育成功并在生產(chǎn)中得到應(yīng)用的林木多倍體卻為數(shù)不多,究其原因,主要與樹木細(xì)胞遺傳等基礎(chǔ)研究滯后、一些相關(guān)理論和技術(shù)難題未能得以攻克有關(guān).在這

22、樣的理論與技術(shù)基礎(chǔ)背景下,育種的結(jié)果大多是因技術(shù)問(wèn)題而知難而退;有的雖然誘導(dǎo)成功,但由于獲得的多倍體個(gè)體數(shù)量較少,不能通過(guò)大群體、強(qiáng)選擇育種提高遺傳增益而淺嘗輒止.顯而易見,林木多倍體育種技術(shù)潛力的發(fā)揮程度,與多倍體育種相關(guān)的細(xì)胞遺傳學(xué)研究以及多倍體育種理論和方法的完善、創(chuàng)新及推廣應(yīng)用最為關(guān)鍵,有關(guān)問(wèn)題也必將逐漸引起更多的關(guān)注.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)以及高抗逆性等特性,在森林工業(yè)用材(如紙漿材等生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中得到重視,而現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也必將逐一解決相關(guān)的限制性難題,使林木多倍體育種煥發(fā)出新的生機(jī)與活力.可以預(yù)見,建立在現(xiàn)代遺傳學(xué)以及細(xì)胞染色體

23、工程技術(shù)基礎(chǔ)之上的林木多倍體育種,將隨著人類對(duì)其應(yīng)用價(jià)值認(rèn)識(shí)的提高以及有關(guān)新技術(shù)方法的注入而全面步入實(shí)用化程度,從而帶動(dòng)未來(lái)林業(yè)的持續(xù)、高效發(fā)展.參考文獻(xiàn)2Nilsson_Ehle H.Note re garding the gigas form of Po pulus tremula foundin nature.Here ditas,1936(21:372-3823Muntzing A.The chromosomes of a giant Populus t remula.He re ditas, 1936(21:383-3939J ohnss on H.Development of tr

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