植物2n配子诱导及其应用研究进展

廖玮玮，邢虎成,2，揭雨成,2*



植物2配子诱导及其应用研究进展

廖玮玮1，邢虎成1,2，揭雨成1,2*

(1 湖南农业大学苎麻研究所, 长沙 410128；2 湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室, 长沙 410128)

基于2配子育种在马铃薯、苜蓿、鸭趾草、红三叶草、越桔、辣椒、百合等作物育种实践中的应用，梳理了其应用具有的创造新的变异、转移优良目标基因等方面的现实意义，进而在介绍其诱导、发生机制的基础上，简述了2配子研究及应用存在的问题及发展前景。

2配子；植物多倍体；诱导机制；研究进展

多倍体在植物界中广泛存在，目前至少30%的植物为多倍体[1]。多倍体植物的形成主要有两种途径：体细胞染色体数目加倍(无性多倍化)；产生未减数的配子(有性多倍化)。未减数配子即2配子是减数分裂过程中染色体数目未减半的花粉或卵，是自然界植物产生多倍体的主要途径[2]。人类沿着植物多倍体产生的自然路线，已成功利用2配子开展作物育种。有研究表明，2配子在植物进化过程中起着非常重要的作用[3]；2配子在传递杂合性和上位性中具有特殊的价值[4]。

1 2n配子育种的意义

1.1 创造新的变异

在新品种需求越来越大的今天，2配子在植物育种中的价值逐渐受到育种家的重视。2配子后代由于具有不同亲本不同比例的遗传物质，基因的累加效应不同。不同比例的遗传物质共存以及有性途径可促进基因组间遗传物质重组，大大提高后代的变异率，加速优良后代的选育。王子欣[5]通过2配子途径获得的四倍体大白菜结实率高、农艺性状好，克服了人工诱导四倍体中常遇到的育性低、植物学性状不理想等缺点。经2配子实现新的变异也在东方百合[6]等植物育种上获得成功。

1.2 转移优良目标基因

利用2配子诱导多倍体，不仅染色体数目加倍，而且同源染色体之间能够高频重组，从而引致彼此的特征基因相互渗入，由此可能向子代传递较高杂合性和有利基因，增强其杂种优势，并得到个体较一致杂交后代。这在苜蓿抗病育种(Havey，1988)、马铃薯抗病育种(Carputu，1993；Watanable，1992)已有成功的案例。此外，通过2配子将疮痂病[7]、根结线虫病[8]、早疫病[9]等抗性基因传递给后代也取得了成功。

1.3 稳定传递杂合性，保持上位性

从理论上讲，第一次减数分裂重组FDR(First division restitution)型2配子可以将亲本约80%的杂合性传递给后代，而SDR(SDR: Second division resititution)型2配子只能传递约40%的亲本杂合性[10]。由于FDR型2配子拥有两个亲本的同源染色体，而SDR型2配子拥有其中一个亲本的两个姐妹染色体，在传递杂合性及基因之间的上位性方面，FDR型2配子比SDR型的2配子具有更大的优越性。因而从一般意义上说，FDR型2配子在育种中的应用价值大于SDR型2配子。

1.4 克服自交不亲和

利用2配子方式可以改善许多植物中存在的自交不亲和现象，提高自交结实率[11]。应用亲缘关系较远的物种杂交时，染色体难以配对可能导致高度不育，因此，在一般情况下不能直接利用远缘杂交种进行下一步育种，但可通过体细胞加倍或产生2配子途径来恢复育性，理论上后者比前者更具优势[12]。Shidakov 1985年曾报道：利用诱发2花粉可大大降低几个苹果品种的自交不亲和性，并提高3x品种的花粉育性。

2 2n配子诱导及其发生机制

2.1 2n配子诱导

在自然界中存在着天然形成的2配子。为了提高2配子发生的比率，也可以通过人为的方法诱导2配子的形成。人工诱导2配子的主要方法有物理方法和化学方法。

诱导2配子有温度激变、电离辐射、机械创伤、离心力等物理方法，即通过物理因素诱导染色体加倍。咖啡花粉母细胞减数分裂时，用骤变低温(8~10℃)直接处理花器官可获得大量二倍性花粉粒[13]；李云等[14]用40℃，5 h的条件对水培4 d后的白杨雌花芽进行高温处理，得到2配子；并在-2℃，48 h低温处理水培2 d的白杨雌花芽后得到2配子。汪卫星等[15]用30℃，12 h的热激处理使枇杷2花粉的发生率由对照的0.26%提高到2.64%，并利用热激处理成功诱导桃、李产生较高比例的花粉[16]。Lewis对梨树的带芽枝条进行热处理，获得三倍体[17]。康向阳等[18]对白杨的花粉进行高温处理，得到加倍的花粉。

化学诱导是靠诱变剂与遗传物质发生一系列生化反应造成的。试验表明不同药剂对不同植物、不同器官组织或细胞甚至染色体节段或基因的诱变作用有一定的专一性。最广泛使用的诱变剂是秋水仙素，经秋水仙素处理植株可诱导产生2配子。郑思乡等[6]用秋水仙素处理东方百合成功获得2雌配子；李云等[19]在白杨雌花枝水培1~5 d时，用秋水仙素处理其雌花芽成功诱导产生了2配子；张志毅等[20]采用秋水仙碱处理毛白杨的杂种雄花序，诱导出2花粉。

2.2 2n配子发生机制

2配子的发生机制包括：减数分裂前的加倍(Premeiotic doubling)、减数分裂失调(第一次减数分裂重组FDR: First division restitution和第二次减数分裂重组SDR: Second division resititution)、纺锤体异常、异常胞质分裂(Premature cytokinesis)、异常细胞分裂(Abnormal cytokinesis)和减数分裂后的加倍(Nuclear fusion)[21]。根据所产生的2配子的遗传效果，可以将2配子的发生机制归纳为FDR和SDR[1]两种方式。2001年Lim K B等报道在百合种间杂种中发现一种新型的减数分裂核重组机制，即产生2配子的新方式，并命名为IMR(Indeterminate meiotic restitution)[22]。在香蕉的某一栽培品种中也发现了IMR方式产生的2配子，但当时并未用IMR方式来解释[23]。

2.2.1 减数分裂前的加倍

包括无孢子生殖、孢原细胞核内有丝分裂等。无孢子生殖是没有经过减数分裂或孢子形成而直接由孢子体进行的配子体发育，保持了亲本100%的杂合性。越桔、树莓和苹果就是通过这种方式形成2配子[24]。孢原细胞核内有丝分裂是由于孢原细胞发生不正常的有丝分裂引起的，通过这种方式形成的配子可传递亲本66.7%的杂合性。Karpechko在萝卜和甘蓝的属间杂种Raphanobrassia中，描述了一个在减数分裂中之前核的分裂导致双核的花粉母细胞，此种2花粉具有亲本66.7%的杂合性[25]。

2.2.2减数分裂失调

第一次减数分裂发生重组(the first division restitution, FDR)：主要发生在减数分裂后期Ⅰ，类似于有丝分裂，第一次减数分裂失败而第二次减数分裂正常。由于前期有染色体发生交换，FDR型2配子传递了亲本75 %~83 %的杂合性[24]。在悬钩子属和李属类的种间杂种FDR是2配子发生的主要方式[26]。

第二次分裂发生重组 ( the second division restitution, SDR)：指性母细胞第一次减数分裂正常，第二次减数分裂失败，形成二分体。该种方式形成的配子保留亲本33%~35%的杂合性。在马铃薯、玉米、苜蓿、芸薹属物种以及在葡萄柚()×甜橙()的种间杂种中存在这种机制[25]。在二倍体马铃薯×四倍体野生马铃薯的杂种中，也表明SDR是2雌配子产生的主要途径[27]。

2.2.3减数分裂纺锤体异常

异常纺锤体包括平行纺锤体、三级纺锤体和融合纺锤体。几种形式均能造成纺锤体同向取向,都能产生2配子，遗传效应相当于FDR类型。已对马铃薯(M.S.Ramanna,1979)和柿树[28]等减数分裂过程中纺锤体类型进行观察，发现有融合纺锤体、八字形纺锤体、平行纺锤体与2配子的形成密切相关。

2.2.4 异常胞质分裂

包括两种方式：细胞质提前发生分裂和细胞质不分裂，均可以形成2配子。2配子在遗传效应上等同于SDR类型。如马铃薯在减数分裂后期Ⅱ细胞质分裂失败，随之核发生融合，形成了2配子[29]；毛白杨2花粉是由于平行纺锤体合并，以及因平行纺锤体的存在而引起细胞板组建发生紊乱，进而导致胞质分裂发生异常[30]。

2.2.5 减数分裂后加倍

通过正常的减数分裂后加倍形成的2配子是高度纯合的，其传递亲本的杂合性为0。目前还没有发现在哪种植物的2配子形成过程中存在此种机制，推测在Rubus属中可能存在[24]。

3　存在的问题与展望

应用2配子技术，人类已成功地获得了杨树、桑树、橡胶树三倍体新品种。实践表明，2配子的有性多倍化比无性多倍化具有更多的生物学优点，更高的发生频率，更高的杂合度；2配子在传递杂合性( heterozygosity) 和上位性(epistasis) 中具有特殊的价值[4]。

国内对于2配子育种的研究以马铃薯[31]最为深入。在马铃薯和紫苜蓿等作物上进行的研究和应用实践已证明了利用2配子育种的可行性和优越性。张志毅等[20]采用0.1%～0.5%的秋水仙碱处理发育至一定阶段的毛白杨(×) 的杂种雄花序，诱导出不减数2大花粉，并进一步杂交获得了三倍体杂种植株。杨今后等[32]用0.05%～0.1%的秋水仙碱处理桑树雄花序7～8 d，然后与正常的二倍体配子雌花杂交获得三倍体植株。李云等[14,19]利用不同浓度的秋水仙碱(0.25%，0.50%，0.75%)、不同方法(注射法、棉浸法、瓶浸法)处理水培1～5 d雌花枝上的雌花芽最长3 d，获得了2雌配子，与正常花粉杂交后均获得了三倍体植株。郑思乡等[6]用0.1%～0.4%的秋水仙素处理东方百合二倍体品种的花蕾成功获得了2雌配子，然后将2雌配子与1雄配子杂交形成了三倍体胚，再通过胚拯救技术获得了三倍体植株。此外，在大白菜[33~36]、李[16]、枇杷[15]、苹果[37]和越桔等其他果树[38]上也有关于2配子诱导的研究报道。国外关于2配子的研究比较少，Jiohnsson和Winton采用秋水仙素处理欧洲山杨、美洲山杨和美洲黑杨雄花序获得2雄配子，然后授粉于雌株，均获得三倍体植株[39]；此外，2配子育种还在苜蓿[40]、黑麦草[41]、越橘[42]、三叶草[43]、马铃薯[44]上获得成功。

多倍体和抗性是植物育种的重要目标，利用2配子进行育种具有很多优势，应用潜力非常大。通过人工诱导等方法可以提高2配子产生频率，不同作物之间诱导方式不一样，产生的频率也不相同，因此，针对不同的作物还需探索出其产生2配子比率较高的诱导方式。目前在2配子的应用中还存在着一些问题急需解决。首先，在得到的2花粉分离上还没有较好的方法。2花粉体积、直径均比正常花粉大，生活力存在差异，因此，在杂交时，正常花粉与2花粉存在竞争问题，但2雌配子不存在竞争的问题，通过授粉就可得到种子，因此，非常具有利用价值。其次，FDR形成的2配子能传递亲本更高的杂合性，对育种后代的优势更明显，如何专一性的诱导FDR型2配子目前也还没有有效方法。利用分子手段解决这一问题，对于快速有效地进行2配子育种具有重要意义。第三，2配子形成的种子质量较差，甚至不正常发育。在一些物种上通过胚拯救方法获得杂交后代的植株，可缩短育种周期，但一些种子较小的物种往往难以剥离到胚，需寻求更好的方法提高杂交后代的成活率，使得2配子育种技术体系能够更完善。这对于作物育种和种质创新具有重要的价值。

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责任编辑：赵佳荣

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

廖玮玮(1987—)，女，江西新干人，硕士研究生，研究方向：植物细胞工程与倍性育种。

，Email：ibfcjyc@vip.sina.com。

湖南省教育厅重点项目(09A042)；湖南省教育厅优秀人才项目(10B51)；湖南省科技计划重点项目(2010FJ3013)。