全 文 ：植物学通报 2005, 22 (3): 375~382
Chinese Bulletin of Botany
木本植物多倍体育种研究进展①
1李 云 2冯大领②
1(北京林业大学生物科学与技术学院, 教育部林木花卉遗传育种重点实验室 北京 100083)
2(河北农业大学生命科学学院 保定 071001)
摘要 本文从木本植物多倍体育种资源、多倍体育种途径和多倍体鉴定等方面, 对国内外木本植物
的多倍体育种研究进展进行了综述。与农作物相比, 尽管木本植物在多倍体育种中有其缺陷, 但木本
植物丰富的物种资源及无性繁殖等特性较大程度地发挥了多倍体育种的优越性。
关键词 木本植物, 多倍体育种, 育种资源
Advances in Research into Polyploidy Breeding
of Woody Plants
1LI Yun 2FENG Da-Ling②
1(College of Biological Science and Biotechnology,Beijing Forestry University, Key Laboratory for Genetics
and Breeding in Forest Trees and Ornamental Plants, Ministry of Education, Beijing 100083)
2(College of Life Sciences, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001)
Abstract Advances in polyploidy breeding of woody plants is reviewed according to several
factors, including polyploidy breeding resources, approaches and identification. Compared with
polyploidy breeding of crops, that of woody plants remains superior because of the abundant spe-
cies resources and asexual propagation, though there are limitations.
Key words Woody plant, Polyploidy breeding, Breeding resources
专 题 介 绍
①国家自然科学基金项目(30471412)和北京市自然科学基金项目(6042020)资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: shuqfeng@sina.com
收稿日期: 2003-12-22 接受日期: 2004-04-12 责任编辑: 崔郁英, 白羽红
多倍体普遍存在于植物界(浙江农业大
学, 1980; 何启谦, 1992)。在被子植物中约有
1/3或更多的物种是多倍体, 裸子植物中多倍
体物种较少, 约有5%。染色体加倍是变异发
生的重要途径之一, 对物种的进化以及育种
都有很重要的意义。
多倍体育种源于20世纪初(蔡旭, 1988),
到了20世纪30年代, 多倍体育种逐渐广泛应
用于农作物品种的培育中, 尤其自1937年秋
水仙碱对诱发植物多倍体的巨大效果被证实
以后, 利用植物碱和异生长素等化学药剂诱
导多倍体的研究日益增加, 并取得一定成
果。在林业上, 树木多倍体育种成果最引人
注目的是20世纪30年代以后发现了一系列
的天然树木三倍体, 从此人工诱导树木多倍
体的工作在许多木本植物上广泛展开, 探索
出了许多适于诱导树木多倍体的方法。最
早育成的树木多倍体是红花七叶树(南京林产
376 22(3)
工业学院, 1980), 它是由二倍体欧洲七叶树与二倍
体美国七叶树杂交后加倍产生的异源四倍体。
多倍体育种包括两方面, 即自然多倍体
的发掘与人工多倍体的诱导。一般说来, 由
于自然多倍体已经经历了长时间的适应与选
择, 因而长势往往好于新育的人工多倍体,
因此也更具有利用价值。但是, 种群中的
自然多倍体数量毕竟是有限的, 不可能达到
多倍体育种所需要的具有丰富遗传背景的
大量群体。另外, 木本植物的生物学特性
(成熟期长, 形体大, 个体较分散等)给细胞遗
传学研究带来了相当大的困难, 致使木本植
物的种内多倍性的研究工作与其繁多的种
类相比显得非常少, 绝大部分树种的染色体
变异情况仍属未知。因此, 人工诱导木本植
物多倍体就成为众多林业育种工作者更艰巨
的任务。
1 我国木本植物中的多倍体资源
在木本植物中, 裸子植物和被子植物相
比倍性变异比较稳定, 裸子植物的多倍性相
对较少, 苏铁和银杏中至今还没发现过多倍
体; 紫杉科中罗汉松属的某些种可能是多倍
体; 在松柏科中已经找到的多倍体物种也只
有 3种: 北美红杉(Sequia semperviens)是
自然多倍体 ; 泼非氏桧柏 ( J u n i p e r u s
c h i n e n s i s v a r . p f i t z e r i a n a )和金钱松
(Pseudolarix amabilis)是自然四倍体(南京
林产工业学院 , 1980)。经人工诱导, 松、
云杉和落叶松等属的植物曾得到过人工四
倍体。根据多年的观察, 这些植物一般生
长都很缓慢并矮生, 只能作为园艺上的观赏
树种。而被子植物多倍体比较多。将目前
我国已经发现的天然或人工育成的多倍体
木本植物的主要物种列于表 1。其中有些
物种存在着非整倍体、嵌合体以及不定数
的倍性(未列出)。
2 多倍体育种途径及方法
植物染色体加倍通常有以下两种途径: 1)
体细胞有丝分裂时受到外界的影响, 其染色
体进行了分裂而细胞核不分裂, 已分裂的染
色体被包进一个细胞核内, 形成染色体加倍
的细胞; 2)在配子形成过程中, 减数分裂受到
扰乱, 引起染色体不能正常分配, 形成二倍性
的不减数配子。不减数的配子受精产生染
色体组数加倍的多倍体植株。人工处理染
色体加倍的方法主要有物理、化学和生物
方法等, 或者几种方法相结合。
2.1 物理方法
物理方法主要包括机械创伤、高低温
处理和辐射诱变等。
最早在藓类中采用切断法和利用愈伤组
织的再生作用首次得到了低等植物的多倍
体。在龙葵(Solanum nigrum L.)与番茄的嫁
接试验中, 产生了稳定的四倍体龙葵, 这可能
是高等植物中人工试验获得多倍体的第一
例。“切断-愈伤组织法”在葡萄和甘蔗
等植物上进行试验得到成功(华北农业大学
等, 1976)。
俄罗斯的玛什金娜(1990)作了许多温度
诱导二倍体花粉的试验。她将生殖细胞处
于不同发育阶段的几种白杨及其杂种
(Populus balsamifera、P. alba、P. delto-
ides和 P. alba× P. tremula)和欧洲赤松
(Pinus sylvestris)的雄花枝条(长50~60 cm)置
于恒温箱内进行高温处理。结果发现高温
处理的最好时期是花粉母细胞减数分裂的前
期Ⅰ, 最适温度为38~40℃, 处理持续时间杨
树为1.5~2小时, 松树为2~3小时, 检测发现
具有生命力的二倍体花粉粒比杨树最高达
94.4%, 松树最高达84.1%。用杨树的二倍体
花粉与其他杨树正常雌花授粉杂交, 可以得
到高达 81.7%的三倍体杨树个体。李云等
(2000)采用极端温度的物理方法处理毛新杨
3772005 李 云等: 木本植物多倍体育种研究进展
表 1 我国主要的木本植物多倍体资源
Table 1 Most polyploidy resources of woody plant in China
属 染色体基数 倍性 参考文献
杨属 Populus 19 2x, 3x, 4x 朱之悌, 1991; 李云等, 2000; 李云, 2001
柳属 Salix 19 2x, 3x, 4x, 6x, 8x
刺槐属 Robinia 10 2x, 4x
金合欢属 Acacia 13 2x, 4x 王学文和崔克明, 2000
合欢属 Albizia 13 2x, 4x, 6x或 8x
桑属 Morus 14 2x, 3x, 4x, 6x, 8x, 18x, 22x 孙日彦等, 1996; 张义方等, 1999
檀香 Santalum album L. 10 2x, 3x, Lakshmi et al., 1980
木兰属 Magnolia 19 2x, 4x, 6x或 8x
漆树属 Toxicodendron 14, 15 2x, 3x 乔雷, 1999
椴树属 Tilia 41 2x, 4x
朴属Celtis 10, 11, 14 2x, 4x
榆属Ulmus 14 2x, 3x, 4x
山核桃属Carya 16 2x, 4x
核桃属 Juglans 16 2x, 3x
泡桐属 Paulownia 10 2x, 4x
白蜡属 Fraxinus 23 2x, 4x, 6x
桦木属 Betula 14 2x, 3x, 4x, 6x, 8x Eifler, 1960
赤杨属 Alnus 7 2x, 4x, 6x, 8x
杜仲属Eucommia 17 2x, 3x 朱登云等, 1998
枸杞属 Lycium 12 2x, 3x, 4x 王锦秀等, 1998; 安巍等, 1998
葡萄属 Vitis 20 2x, 3x, 4x
枣属 Zizyphus 10, 12, 13 2x, 3x, 4x, 6x, 7x, 8x
香椿属 Toona 12, 13, 14 2x, 4x
猕猴桃属 Actinidia 29 2x, 3x, 4x, 5x, 6x 韩礼星等, 1998
柑橘属 Citrus 9 2x, 3x, 4x, 5x, 16x 浙江农业大学, 1980
金橘属 Fortunelia 9 2x, 4x
枸橘属 Poncirus 9 2x,4x 浙江农业大学, 1980; 向素琼等, 2003; 陈
如珠等, 1991
花椒属 Zanthoxylum 16, 17, 18 2x, 4x, 6x,8x
苹果属Malus 17 2x, 3x, 4x, 5x 浙江农业大学, 1980; 何启谦, 1992
梨属 Pyrus 17 2x, 3x, 4x 同上
李属 Prunus 17 2x, 3x, 4x, 5x, 6x 同上
山楂属Crataegus 17 2x, 3x, 4x
柿树属Diospyros 15 2x, 4x, 6x或 8x, 9x Zhuang et al., 1990; 杨勇等, 1999;唐仙英和
罗正荣, 2000
槭树属Acer 13 2x, 3x, 4x, 6x, 8x
七叶树属 Aesculus 20 2x, 4x, 6x, 8x
栗属Castanea 12 2x, 3x 福特和杰恩斯, 1980
桉属 Eucalyptus 11 2x
橡胶树属Hevea 9 2x, 3x, 4x, 6x, 8x 黄有军等, 2002
油桐属 Vernicia 11 2x,4x
咖啡属Coffea 2x,4x 张洪波, 1994
冷杉属 Abies 12 2x,4x
云杉属Picea 12 2x,4x
落叶松属 Larix 12 2x,4x
松属 Pinus 12 2x,4x
表中未标参考文献的均引自南京林产工业学院(1980)。
Data without references is from Nanjing forest product and industry college(1980).
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(P.tomentosa×P.bolleana)、银腺杨(P.alba
× P.g landu losa )及银毛杨(P.a lba × P.
tomentosa)雌花芽, 均可获得三倍体, 所获三
倍体植株在苗期具有巨大性和速生优势。
辐射诱变常用的射线有电离射线(X射
线、γ射线、β射线、中子和α射线)和
非电离射线(紫外线和质子)等。使用X射线
处理过的山核桃(Carya cathayensis)、桦木
(Betula)、柳杉(Cryptomeria fortunei)、扁
柏(Chamaecyparis)、赤松(Pinus densi-
flora)、黑松(P. thunbergii)、落叶松(Larix
gmelinii)及梓树(Catalpa ovata)等树木的种
子, 萌发后发现有很大的变异①。20世纪 70
年代以来国内学者在林木上也做了一些辐射
育种工作, 林惠斌等(1988)用不同射线处理毛
白杨(Populus tomentosa)的花粉及杂交种子,
获得许多变异后代。杨今后和杨新华(1984)
利用照射剂量约为5 000拉特的γ射线辐照
刚膨大或休眠的桑树冬芽, 获得了四倍体植
株, 为后来获得桑树三倍体打下了物质基
础。总之, 辐射诱变育种能够创造出更适合
人类需要的新品种。
2.2 化学方法
化学诱变育种通常使用的药剂有秋水仙
碱、异生长素、萘乙烷、植物碱和萘嵌戊
烷等①, 也有用甲基磺酸乙酯(Ethyl meghyl
sulfonate, EMS)及亚硝胍(N-Methyl-N-Nitro-
N-Nitrosoguanidine, MNNG)处理的。我国
多倍体育种学家严育瑞用对甲苯砜苯胺基苯
汞(商品名叫富民农)处理水稻幼苗, 发现其加
倍效果与秋水仙碱不相上下(蔡旭, 1988), 有关
对木本植物的有效性还未见报道。据目前
所知, 秋水仙碱是诱导多倍体用的最广泛又
最有效的一种诱导剂, 因为秋水仙碱的这种
作用只局限于阻碍处于细胞分裂中期的纺锤
丝的形成, 而对染色体的结构并无显著的影
响, 在遗传上很少发生其他不利的变异。朱
之悌(1991)用秋水仙碱处理毛白杨雄花芽获
得二倍体花粉, 授粉于雌花芽上得到三倍体
毛白杨。李云等(2001)用秋水仙碱处理白杨
雌花芽培育出白杨三倍体植株。孙日彦等
(1997)用0.4%秋水仙碱和3%的二甲亚砜混
合液注入成龄桑生长锥, 可诱变产生四倍体
枝条。最早着手进行桑树多倍体特性和利
用研究的日本学者关博夫(1952), 用0.1%~0.
4%秋水仙碱处理改良鼠返桑树(2n=28, 2x)的
天然杂交种子, 诱导获得了四倍体上桑401号
(2n=56, 4x), 与改良鼠返(2x)杂交培育出上桑
305号人工桑树三倍体。此外, 在桑树组织
培养中, 加入秋水仙碱溶液在试管内诱导多
倍体, 属间嫁接也可产生多倍体或多倍混倍
体(杨新华等, 2000)。俄罗斯培育的阿塞8号
和9号桑树等, 使产茧量提高38%, 还有抗萎
缩病的三倍体桑树等(杨新华, 2000); 印度等
国家也有桑树四倍体培育成功的例子, 但主
要注重桑多倍体的理论性研究, 在国际育种
刊物上发表了许多研究论文。杨今后和杨
新华(1984)用辐射和改良秋水仙碱法诱导四
倍体桑树获得成功, 引起了国内许多桑育种
工作者的关注。此种方法用于柑橘(Citrus)
和杜仲(Eucommia ulmoides)等很多树种上并
获得成功。
尽管秋水仙碱的诱变效果是公认的, 但
由于秋水仙碱与植物微管蛋白的亲和性较低
(Hansen and Anderser, 1998), 而且对操作者
以及植物材料有很强毒害作用, 费用也很高,
因此, 很多育种工作者正在努力寻求新的化
学诱变剂。黄权军等(2002)用秋水仙碱、戊
炔草胺、安磺灵和氟乐灵等4种抗微管物质
诱导毛新杨2n花粉的研究表明: 秋水仙碱虽
然诱导2n花粉比率最高, 但花粉量最少, 在所
采用的这4种抗微管物质中, 戊炔草胺是诱导
杨树花粉染色体加倍效果最好的药剂。Bou-
vier 等(2002)还用Oryzaline药剂诱导梨树染
① 张志毅 (1994) 白杨染色体加倍技术研究及三倍体
育种．博士学位论文, 北京林业大学, 北京
3792005 李 云等: 木本植物多倍体育种研究进展
色体加倍, 以寻求秋水仙碱的替代品。
2.3 生物方法
生物方法主要包括体细胞杂交、2n花
粉× 1n雌配子杂交、胚乳培养以及其他组
织培养方法等①。Seitz(1954)发现灰杨(P.
canescens)两性花上的一些花粉没有减数分
裂, 体型特大, 经检测发现是二倍体花粉。他
用这些花粉对两性花上的雌花进行授粉, 得
到了大约 1%的多倍体。有人发现黑杨(P .
Heidemi)杂种花序中, 也有没有减数分裂的二
倍体花粉。用这些花粉与二株雌性的美洲
黑杨(P.deltoids)授粉, 得到了一些三倍体植
株; 四倍体的毛桦(Betula pubescens)×二倍
体瘤皮桦(B. verrucosa)就产生过3n=42的三
倍体杂种(南京林产工业学院, 1980)。
被子植物的胚乳是三倍体组织细胞, 人
们根据细胞全能性的原理, 将已成熟或未成
熟的胚乳组织的细胞分离出来, 进行离体无
菌培养, 从而得到三倍体植株。Lakshmi 等
(1980)对檀香(Santalum album)胚乳进行离
体培养再生出完整植株; 顾淑荣等(1987)用
组培方法获得枸杞(Lycium chinense)胚乳
多倍体植株; 朱登云等(1998)培养杜仲胚乳
得到完整植株。
3 多倍体的鉴定
获得的多倍体材料是否可靠, 必须作准
确的判断和鉴别。目前鉴别的方法有直接
鉴别法和间接鉴别法两种(陈大成, 2001)。
直接鉴别法包括检查花粉母细胞、根尖
细胞或幼叶细胞的染色体数目, 可直接加以判
断。直接鉴别虽可靠, 但需一一进行显微镜
观察, 如果处理的材料多, 工作量很大, 而且需
要很好的实验条件以及富有经验的技术人员
才能完成。最好先根据一些外表特征进行初
步的间接鉴别, 在此基础上再进行直接鉴别。
间接鉴别主要包括植株和花粉粒的形态
特征、气孔大小、保卫细胞叶绿体数目以
及生理特征等。间接鉴别法中还有一种流
式细胞分析法, 该方法通过流式细胞分析仪
对大量处于分裂间期的细胞DNA含量进行
检测, 仪器附设计算机进行自动统计分析, 最
后绘制出DNA含量(倍性)的分布曲线图, 用
该方法鉴别快速、简便并准确, 缺点是需要
昂贵的设备(魏爱民等, 2001)。根据外部形
态特征进行初步鉴定, 是不错的多倍体鉴定
方法。调查表明(张义方等, 1999), 所引进的
多倍体桑树品种产叶量明显高于二倍体桑树
品种, 并表现出长势强、枝条长、节间密、
叶形大及叶肉厚, 具有明显的增产效果。(但
也不排除有生长矮小和生长缓慢的植物)。
4 木本植物多倍体育种中的一些
优越性与局限性
在多倍体育种中, 首先要考虑育种目的
及育种材料的可行性, 然后选取适当的处理
方法, 或处理方法与其他育种手段相结合, 才
能克服多倍体育种的缺陷并取得良好效果。
木本植物多倍体育种相对于农作物而言, 尽
管其研究起步较晚, 而且困难较多, 但经过多
年的研究探索, 取得了一定的成绩, 也遇到了
一些难题, 只有充分了解育种中的困难才能
更好地培育多倍体优良品种。
首先木本植物资源丰富, 可以提供更多
的育种材料, 并有很多植物资源有待挖掘。
其次, 由于植物多倍体具有不育性的特点, 所
以选择的材料必须是能够进行无性繁殖, 这
对果树和林木非常有利, 因为果树和林木通
常都是以无性繁殖为主。再次, 对于木本植
物多倍体育种来说, 尤其是想通过得到2n花
粉途径进行多倍体育种, 林木的一些雌雄异
株和先开花后展叶的特性(在温室内进行水
培、催芽及结实较少受外界环境的影响)可
以为育种工作提供很大的方便。
① 张志毅 (1994) 白杨染色体加倍技术研究及三倍体
育种．博士学位论文, 北京林业大学, 北京
380 22(3)
在多倍体倍性的水平问题上, 尽管多倍体
有形态巨大性的优势, 但这也是相对的, 并不
是染色体的倍数越高越好。有些植物加倍以
后表现良好, 有些则不同。有人认为, 在各个
多倍体系列中, 三倍体的营养生长是表现最好
的(鲍文奎, 1988)。Johnsson等(1942, 1944,
1945a, 1945b, 1953)进行了欧洲山杨(Populus
davidiana) 3n× 3n、2n× 3n、3n× 4n和
2n×4n等杂交试验及杂种后代染色体倍性变
化观察及形态分析和生长测定等研究, 认为欧
洲山杨的非整倍性和胚的成活能力与其染色
体数量有关, 非整倍体和较高倍性植株具有较
低的活性, 特别是染色体数超过57条的植株活
性降低, 而三倍体植株生长快且产量高, 是理
想的倍性。
多倍体育种中的嵌合体问题, 仍然是多倍
体育种中的难点。在用秋水仙碱处理时由于
细胞发育的不同步性, 有的细胞已经变成四倍
体, 有的变成八倍体, 也有的没有变化。如何
从众多嵌合体组织中筛选出我们所需要的多
倍体还是个难点, 因此嵌合体问题限制了多倍
体育种的发展。葡萄的多倍体, 无论是自然
发生的突变或人工诱发的突变, 都往往呈嵌合
状态, 因此在繁殖或用于育种时, 要注意分析
嵌合组织的结构。
在木本植物多倍体育种中, 尤其是林木和
果树, 不仅存在着生长周期长、树体高大、不
容易人工控制的特点, 而且受环境的影响比较
大, 因此给多倍体育种工作带来很大的困难。
被子植物的多倍体往往具有优良特性, 而
裸子植物的人工多倍体(如松属、云杉属和落
叶松属的树种中育成的人工多倍体)常常生长
缓慢, 树体矮小(南京林产工业学院, 1980)。这
些在木材生长的育种目标上意义不大。因此,
人们对人工诱导培育针叶树种的多倍体并没
有很大兴趣。即便是利用四倍体和二倍体杂
交培育出三倍体, 其生长速度也只是中等水
平。因此, 裸子植物的多倍体育种难度还相
对较大。
5 展望
多倍体具有巨大性、不育性和抗性强等
特点, 尤其三倍体优势更强, 这在林业上具有
重要的利用价值。三倍体的欧洲山杨(南京林
产工业学院, 1980), 其叶和其他器官都非常巨
大, 树高和直径的生长都非常迅速。据调查,
56至57年生的三倍体欧洲山杨与同龄的二倍
体在相同立地条件下相比, 树高超过11%, 直
径超出10%, 材积增长36%。因此在采用常规
和其他育种方法的同时, 多倍体育种是培育良
种的有效途径之一。
尽管目前在多倍体育种工作中尽管积累
了一定的经验, 但还有很多需要进一步探索的
技术和方法。化学诱变中使用的秋水仙碱价
格昂贵, 且有剧毒。因此, 寻找价格合理和无
毒副作用的有效化学试剂是当务之急。嵌合
体现象还不能完全克服, 真正同一倍性的多倍
体出现的有效频率不高。另外, 在判定多倍
体时, 各种特征、特性对倍性的决定系数究
竟有多大, 结果尚不一致, 例如已有学者指出
花粉粒形状的变化与倍性关系不大(郭启高等,
2000)。再次, 在有性阶段用2n配子育成的多
倍体在遗传上是高度杂合的, 这种高度杂合的
过剩遗传信息对多倍体的遗传效应的贡献有
多大, 也有待进一步的研究。多倍体诱导技术
在育种上的应用还不完善, 因多倍体的产生与
处理时间、基因型及环境条件等因素有关, 要
使其成为一项成熟的技术还需在多种植物、
特别是不易受环境条件影响的广谱性物种上开
展广泛的研究, 以解决应用中的具体问题。
尽管木本植物的多倍体育种较农作物起
步晚, 但目前已经取得了可喜的成绩。随着
多倍体育种研究的不断深入, 木本植物多倍体
育种与应用将会有更大的发展。
3812005 李 云等: 木本植物多倍体育种研究进展
参 考 文 献
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