[科普中国]-染色体加倍

染色体加倍的途径

染色体加倍的途径有三种，即自发加倍、人工加倍和花粉愈伤组织的再生。

自然加倍(1)核内复制：即染色体复制，细胞不分裂。

(2)核融合：单倍体核融合产生二倍体，二倍体和单核性核融合产生三倍体。自然加倍发生的几率非常小。

人工加倍人工加倍是指通过加入某些药物而使染色体加倍的技术。常用的药物为秋水仙碱。下面以烟草植物为例，介绍如下：将烟草花药培养中刚长出的小苗，浸入0.2%～0.4%的秋水仙碱溶液中，24-48h后再移到新的培养基上。也可将0.4%浓度的秋水仙碱置羊毛脂中混匀，涂在成年植株的腋芽上。经过秋水仙碱处理的幼苗，可使加倍频率提高到38%，成株处理的则可提高到58%。但应注意的是，经秋水仙碱处理的植株可发生核畸变，多数花序不正常，有的只有少数花枝加倍，但也有整个花序都加倍的事例。

愈伤组织再生具体步骤为：从单倍体植株切下茎段或叶柄等组织，置固体培养基上诱导愈伤组织，其后再移植到分化培养基上进行芽和根的分化生长。愈伤组织细胞中核内有丝分裂频率提高，所以其再生植株中二倍体所占百分率也相应增加。如烟草茎愈伤组织加倍率可达40%。此法对F1花粉植株的加倍率可高达60%。也有研究发现，由茎愈伤组织分化的苗中常有大量多倍体产生。

染色体加倍技术染色体加倍是染色体倍性改造工程的关键技术之一，可分为自然加倍和人工诱导加倍两种。自然加倍的效率较低，故在生产上应用不多，主要是采用人工诱导加倍的方法。

化学诱导方法化学诱导染色体加倍是最常用的方法之一，使用的化学药剂主要有秋水仙素、细胞松弛素B、富民农等。

秋水仙素对细胞的分裂有特殊的作用，在一定的浓度范围内，其对细胞染色体的复制没有什么破坏作用，但能抑制和破坏纺锤丝的形成，对植物的初生细胞壁的形成也有抑制作用。因此，用秋水仙素处理正在分裂的细胞，可使染色体正常复制而细胞没有分裂，从而形成同源多倍体的细胞。当处理消除后，细胞可恢复继续分裂，由这样的细胞产生的配子结合成合子，仍可以产生染色体加倍的后代。

用秋水仙素诱导植物的细胞加倍要处理好溶液浓度、处理时间和处理温度的关系，对处理的组织细胞状态也应注意。不同的植物对秋水仙素的反应不同。试验表明，有效浓度在0.000 6%～1.6%范围内，一般以0.2%～0.5%的水溶液浓度效果较好。处理种子、组织或器官，一般不少于24 h，对已萌发的种子及幼苗处理时间可缩短。处理温度的高低对诱导加倍的成功率有直接关系。在18～25℃的范围内，温度越高，效果越好。通常，溶液处理的浓度、时间和温度的关系是：温度低时，则浓度要大，时间要长；反之，浓度低，时间要短。正处于分裂时期的细胞对秋水仙素特别敏感，因此处理的部位应是植物细胞分裂旺盛的部位(如茎尖和芽的分生组织)。这些组织的分裂细胞多，诱导多倍体的频率较高。需要注意的是，幼嫩组织的处理时间不能太长，超过了细胞分裂的周期，就可能使细胞再次加倍，形成更高倍数的多倍体1。

生物学方法生物学方法主要是通过杂交方法，尤其是种间或不同属、科间的远缘杂交，也称为染色体组的合并技术。该方法可按照人们的设计获得优良基因组合的异源多倍体，从而创造动植物的新种、新类型和新品种，也可利用该技术来研究物种的进化和亲缘关系。

(1)远缘杂交技术

小麦属及其有关植物——山羊草属(Aegilops)、黑麦属(Secale)、海纳草属(Haynaldia)内已进行了广泛的杂交研究，证明了在漫长的岁月中自然发生和人工进行的种间和属间远缘杂交是植物进化的主要因素，并且还在生产上获得了许多抗病、高产等优良品种，有许多已在生产上发挥了较大的作用。

远源杂交在技术上有两大困难：一是由于生殖隔离造成交配困难；二是即使交配成功，但因染色体组受平衡作用而难以通过减数分裂使合并的异源染色体组在后代固定下来。

生殖隔离作用表现在以下几个方面。

1)花期不遇

有的植物生育期较长，有的则较短，有的为多年生，有的则为一年生。克服花期不遇并不困难，可采用调节播期或插期可以使父母亲本达到花期相遇。

2)花芽发育的生态条件不同

花芽分化发育需要一定的春化作用和光周期诱导。一般而言，不同的种或属的植物是长期适应一定的生态环境(主要是温度和日照)而形成的现生物种。因此，它们对温度和光照条件要求不一样，甚至有很大的差异。例如，在小麦属中冬性小麦和春性小麦的春化作用就不相同，冬性小麦在o～7℃、30～60 d通过春化作用，而春性小麦则在0～12℃、5～15 d可通过春化作用。因此，植物的生态条件不同而导致它们不能同地种植或花期相遇，这是造成种间杂交交配的困难之一。可以通过人工创造或模拟生态条件如温室等加以克服。

3)生殖生理反应的差异

例如，花粉在异种植物的柱头上不能萌发，或者花粉管破裂；花粉管生长太慢，不能及时进入子房，或花粉管发育受阻，中途天折；花粉管虽然进人子房，但不能受精；有些受精后幼胚不能发育等。这些都是异种植物生殖生理的反应差异所造成的。克服的方法主要有下列几种。

①多倍体法：把一个亲本或双亲转交成同源多倍体，可促使远缘杂交成功。例如，用这种方法已获得了马铃薯栽培种与茄属野生种杂交成功的远缘杂交种，实现了马铃薯与茄属野生种染色体组间的合并。

②选择适当的亲本及正反杂交法：同一种的不同品种的配子与另一种或属的配子有较大的亲和力差异，亦即亲和力大的亲本进行远缘杂交比亲和力小的亲本杂交易于成功。北京农业大学曾用5种小麦品种——河南白、农大90、燕大1817、农大183、定县72等分别与提莫菲维种进行杂交，其成功率分别32.6%、24%、5.1%、4.1%和0%，说明河南白与提莫菲维种亲和力最大，而定县72与之最小。另一种现象也值得注意，有的植物种适合做母本，有的适合做父本。如果以适合做母本的做父本或适合作父本的做母本，则杂交难以成功，因而采用正反交法。从现有的一些资料来看，似乎有一种普通性规律：染色体数不同的种间或属间杂交以染色体数较多的作母本，少的作父本，杂交成功率大于染色体数少的作母本与染色体多数作父本之间的杂交。其原因可能是受精过程中精子核转入到卵细胞核的快慢和难易与精核大小(核内染色体数目的多少)有关。例如，燕麦的基本染色体数是7，它的各个种成倍性系列有14、21等。如以7×7、14×14杂交，它们的结实程度虽然有所差异，但种子发芽时都很良好；如以7×14、7×21杂交，则成功率极低，甚至完全失败；但以21×7或14×7时，虽然受精的不多，但凡受精的种子结实饱满，而且种子发芽良好。

③混合花粉授粉法：利用母本的花粉或同种异株花粉的刺激作用，可以解除母本柱头上分泌的某些阻碍异种花粉发芽的特殊物质。因此，可在父本花粉中掺入少量的母本花粉，引导父本花粉管萌发并伸入到子房中，从而提高远缘杂交结实率。例如，苹梨杂交时常常在梨的花粉中加入极小量的苹果花粉，有利于苹梨杂交的成功。在混合授粉时，有时也可用几个品种或几个不同种、属的花粉混合。由于不同花粉间的互相作用，改变了授粉受精的生理环境，促使远缘杂交成功。

④重复授粉法：由于母本柱头的成熟程度和生理状况在不同的时间内有所差别，因而可采用不同时间内进行多次重复授粉，使父本的花粉有机会遇到最有利于受精过程正常进行的条件，促成授精率的提高。

⑤预先无性近和随后相互异花授粉法：通常将不易杂交的一个亲本的营养体嫁接到另一种植株上，使它们彼此的生理活动接近于和协，或改变其原有的生理状态，然后再进行有性杂交这样易于杂交成功。

⑥利用其他技术：包括利用生长激素(如萘乙酸、赤霉素)以及蔗糖液等处理柱头或花粉。促进花粉的发芽和花粉管的牛长提高杂交成功率。

(2)体细胞杂交技术

在植物中利用体细胞杂交(somatic hybridization)可以实现超远缘种间、属间甚至科、目间染色体的合并。第一个成功的例子是Calson smith和Dearing在烟草属中利用粉蓝烟草和郎氏烟草两个种问进行体细胞杂交获得成功。

杂种细胞培养成杂种植株具有双亲的染色体组。近年来已在许多科目间进行体细胞杂交并获得了成功，如烟草与马铃薯、胡萝卜与羊角芹、雀麦与苜蓿、番茄与马铃薯等都获得了体细胞杂交而产生的杂种植株。因此，体细胞杂交是实现异源染色体合并的一个最有效的途径，完全克服了远源物种间杂交的生殖隔阂的障碍2。