全 文 ：此文于 1998 年 4 月 8 日收到。
诱发突变技术在植物双单倍体生产中的应用
孙永堂　侯广云　李新华
(山东省农业科学院原子能农业应用研究所　济南　250100)
本文就各种理化诱发突变技术在高等植物双单倍体生产中的应用和发展情况进
行了简要综述。
关键词 :诱发突变体技术 　植物双单倍体 　应用
在植物育种中利用突变技术创造有用变异 ,已被实践证明是一种非常有潜力的方法。至
今全世界在 150 多种植物中已选出近 2000 个优良突变品种在生产中推广应用[1 ] 。例如由 X
射线诱变得到的半矮秆大麦品种 Diamant 在中欧地区的推广 ;由γ射线照射得到的意大利硬
粒小麦品种 Creso ;巴基斯坦棉花突变品种 N IAB78 和中国的鲁棉 1 号等。在中国和日本 ,已
有 10 余个水稻突变品种的年种植面积超过 10 万 hm2 。例如浙辐 802 水稻突变品种在 1988
年的种植面积达到 130 万 hm2 以上[2 ] 。小麦突变品种原冬 3 号具有多抗稳产特性 ,其种植面
积也曾在 20 万 hm2 以上[2 ] 。在观赏植物中 ,诱发突变已被视为一种常规方法用来培育具有
更高商业价值的新品种。离体培养技术为克服在应用诱发突变来产生作物有益突变方面的困
难提供了一种新的更加有效的途径 ,特别对于营养繁殖作物更是如此。在离体培养中 ,双单倍
体技术是促进突变技术应用的有效方法。对于有性繁殖和无性繁殖作物而言 ,在育种的早期
世代 ,突变体往往处于杂合状态或呈嵌合体状态 ,而应用双单倍体技术 ,因单细胞再生植株一
般为纯合突变体 ,从而可减少检测世代的数量 ,缩短育种周期。另外直接辐照单细胞培养物 ,
因在一个试管内就能容纳 107～108 个单细胞 ,因此 1 次就可对大量个体进行诱变处理 ,从而
使总体突变维持在较高水平[3 ] ,这种方法的优点已在实践中得到验证。
1 　不同植物中的双单倍体技术
在植物科学研究和育种项目中 ,已形成多种不同方法来生产单倍体。通常有两种方法来
获得植物单倍体 ,即通过雄核发育 (孤雄生殖)或雌核发育 (孤雌生殖) ,在多数植物中前种方法
更有效。在这两种方法中 ,有几种途径来产生单倍体。在大麦中 ,应用任何一种已知的方法均
可产生双单倍体。利用种间杂种中染色体消失来产生双单倍体的方法已在育种项目中得到广
泛应用[4 ] 。在一些大麦品种中 ,应用花药培养可得到高频率的双单倍体[5 ] 。近来应用分离的
小孢子培养也得到了高频率的双单倍体[6 ] 。子房和胚珠培养也可用于大麦中双单倍体的生
产[7 ] ,但其在传统育种中的应用受到限制。
早在 1982 年 ,双单倍体系统已在 170 多种植物中有过描述。但现成的双单倍体生产系统
只在少数植物属中利用。例如天门冬属、大麦属和芸苔属等。在大多数植物种属中 ,花药培养
是最常用的用于产生单倍体的方法。然而 ,在某些种属中 ,例如甜菜、扶郎花、黄瓜、香瓜、洋葱
352　核 农 学 报　1999 ,13 (4) :253～256Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
和向日葵 ,应用花药培养不成功 ,转而通过子房或胚珠培养进行孤雌生殖来产生单倍体。在大
麦、小麦、马铃薯和棉花中利用属间或种间杂种胚中染色体消失曾经是一种产生单倍体的重要
方法。近来利用分离的小孢子培养已成为大麦、油菜和其它芸苔种产生单倍体的最有效方
法[7 ] 。这种方法也最便于进行遗传操作如诱变发生、离体选择和遗传转化等。
拓宽植物遗传多样性尤其重要。在传统育种中应用双单倍体技术的两个最重要的优点是
缩短育种周期和增加选择效率 ,使得双单倍体系统非常适于应用突变技术来产生有益变异。
将突变育种和双单倍体生产技术相结合 ,无论在大田还是在离体条件下都可对隐性突变体进
行有效选择。从而对杂合突变体基因型可快速固定。这种方法可使得培育具有目的性状品种
的时间大大缩短。
2 　应用诱变剂增加双单倍体的生产频率
1949 年 , King 报道低剂量 X 射线在 10d 内能显著刺激烟草离体培养物的生长 ,而高剂量
照射则抑制其生长[8 ] 。佟道儒等用60Coγ射线辐照烟草单核靠边期的花药 ,也观察到了类似
的结果 ,即低剂量照射对花药培养的出苗力有一定促进效应 ,而随剂量增加 ,花药出苗力随之
下降 ,直至丧失出苗能力。在花药培养诱导双单倍体的实验中 ,Vagera 等报道用 MN H (N2甲
基2N2亚硝基脲)和 BMS(n2丁基甲基碘酸盐)处理烟草种子然后进行花药培养 ,其产生单倍体
的数量比对照增加 100 %～220 %。即使较高剂量的诱变剂 (例如 011～012mMMN H/ 24h 或 5
～10mM BMS/ 24h)也能显著增加花药出愈率和雄核发育单倍体的频率。Przewozny 等也发
表了类似的研究报道 ,用 X射线、γ射线和化学诱变剂处理双单倍体的马铃薯花序 ,在其花药
培养物中由小孢子衍生出来的多细胞结构的频率增加 ,其中用 011 或 015mM MN H 处理的刺
激效应最高 ,比对照分别增加 165 %和 126 %。多数文献报道在各种植物生长早期 ,用低剂量
的辐射或化学诱变剂处理种子具有刺激生长效应。仅有少数文献报道用较高剂量的诱变剂处
理种子有显著的刺激效应[9 ] 。Maluszynski 和 Adamska 观察到用 MN H 处理烟草种子后有两
种不同的刺激效应。用低剂量 (1mM MN H/ 3h) 处理时对其在发育早期阶段的生长有短暂的
刺激效应。用高剂量 (3mM/ 3h)处理可首先抑制其生长 ,而后使其芽尖分生组织的有丝分裂
指数迅速增长。在植物成熟时其叶子大小和植株高度有明显增加。诱变剂的这种效应可持续
对某些培养物中孤雌生殖产生刺激效应。在谷类作物、油菜和苹果中 ,观察到低剂量处理对雄
核发育有刺激效应。这种刺激效应对于一些植物的迟钝型品种产生孤雄生殖植株是非常重要
的。MacDonald 等报道反应迟钝型的油菜品种 Ariana 经用 10 Gyγ射线照射芽后产生了双单
倍体植株。Zhang 等报道用 5～20 Gyγ射线照射苹果花芽后进行花药培养 ,获得了孤雄生殖
的胚胎发育 ,若不进行照射则只能形成愈伤组织。
为从迟钝型品种中获得双单倍体 ,在花药培养前用诱变剂处理 ,在水稻和小麦中有较详细
的报道。Aldemita 和 Zapata 用 6 个迟钝型和 2 个敏感型水稻品种为材料 ,调查了不同剂量的
γ辐射对孤雄生殖的效应。用 100～400 Gyγ射线照射休眠种子 ,用 M1 代的花药进行培养 ,结
果与对照相比两个敏感型品种对花药培养的反应减弱 ,而大多数迟钝型品种的愈伤组织诱导
率上升且获得绿色植株。
Ling 等用高度敏感型品种 Grebe 和迟钝型品种 Kite 为材料 ,研究了不同剂量的γ射线对
小麦花药培养的影响。在花药培养前用γ射线照射穗子 ,对于 Grebe 品种 ,低剂量 (1～3 Gy)照
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射使花药出愈率和绿色植株的百分率显著增加 ,较高剂量 (7～10 Gy) 则抑制花药培养反应。
而对 Kite 品种 ,只有低剂量γ射线处理才能获得雄核发育的愈伤组织和绿色植株。对于迟钝
型或反应弱的品种 ,在花药培养前用低剂量突变剂处理是产生单倍体的一条有效途径。
3 　辐照花粉诱导雌核发育单倍体
核技术在植物遗传中的最早应用是利用辐射来破坏花粉和卵细胞核。用此方法 Blakeslee
等在 1922 年首次获得曼陀罗的雌核发育单倍体。后来有人观察到用辐照过的花粉授粉可诱
导单倍体胚的发育[10 ,11 ] 。这种方法需用较高剂量的辐照才能破坏花粉种质细胞核 ,但这种方
法因在发育种子中的败育胚的比例较高而受到限制。离体培养特别是胚珠培养和胚挽救技术
的应用大大增加了用辐照花粉授粉后获得雌核发育单倍体的频率。为避免正常授粉获得单倍
体胚 ,须用高剂量的辐射 (超过 300y) ,由该方法获得的单倍体胚的频率每 100 粒种子很少超
过 1 %～3 %。尽管如此 ,对某一特定品种若是无法利用其它方法来产生单倍体 ,仍可推荐使
用该方法。该方法促进了应用高剂量辐射处理使细胞核失活在原生质体融合中的应用。
4 　应用雌配子体辐照诱导孤雌生殖单倍体
目前 ,有许多关于应用辐射产生单性生殖单倍体的报道 ,但应用辐照雌配子体来诱导产生
孤雌生殖单倍体的报道却廖廖无几。Lacadena 报道在用未处理的花粉授粉前辐照胚囊能诱导
产生孤雌生殖植株。在碧冬茄属中 ,授粉前用离体培养技术培养辐照过的雌配子体是产生孤
雌生殖单倍体的一种简单方法。故建议用该技术向新细胞质进行快速基因组转移 ,用 200～
1000 Gy 剂量辐照子房不能改变细胞质 DNA 模式。然而在花椰菜中应用该方法进行细胞质
转移未得到孤雄生殖单倍体植株而未取得理想结果。
5 　来自 M1 植株分离配子的双单倍体
单倍体细胞 (特别是小孢子)是进行突变诱发和突变体选择的理想材料。在 M1 代即可选
择显性和隐性突变且无嵌合性是其最大优点。然而 ,对单倍体细胞进行突变处理能显著降低
小孢子或花药培养的效率。已证明大麦花药对辐射很敏感 ,培养前用 1～10 Gyγ射线照射穗
子可显著降低花药培养反应 ,从而导致绿色植株诱导率大大降低。
考虑到以上因素 ,可用一种不同的方法在双单倍体系统中进行诱变处理。将经诱变处理
得到的 M1 植株作为花药培养的供体植株 ,培养前处理休眠种子 ,而非穗子或花药 ,从而可用
较高的辐射剂量诱发得到较高频率的突变。在大麦实验中 ,Laib 等发现γ射线照射后得到的
M1 植株的花药出愈率及绿色植株诱导率与对照无显著差异。可见用处理种子得到的 M1 植
株花药为供体 ,可得到大麦的纯突变系。
谢嘉华等将大麦花药预处理 3d 后 ,经 5 Gyγ辐照 ,与接种花药前用 5 Gyγ辐照穗子相比 ,
其小孢子启动分裂比例和出愈率下降幅度较小 ,且胚状体仍有一定的绿苗分化能力。
552　4 期 诱发突变技术在植物双单倍体生产中的应用
6 　突变体杂种优势中的双单倍体
双单倍体技术不仅可用于纯型突变体的快速生产 ,还可用于从突变体间的杂交组合中选
择有益组合。由独立选择的突变体进行杂交后其 F1 的杂种优势已有许多报道[12 ] 。这种杂种
优势或来自相同亲本的突变体间杂交 ,或来自突变体与其亲本间杂交 ,并在多种性状上有显著
的杂种优势 ,如植株产量、株高、叶片和花的大小、分蘖性、根群、种子蛋白质含量和净同化率 ,
有些重要农艺性状上的优势效应可高于亲本品种 30 %～100 %。优势效应与亲本突变体的表
现无相关性 ,即使突变体的农艺性状表现很差也能得到优异的产量超亲的 F1 植株。
目前还不清楚突变体杂交组合中的杂种优势效应是依赖于突变基因的超显性还是互补效
应或加性效应。若依赖于突变基因的互补效应或加性效应 ,则可用双单倍体系统来固定杂种
优势 ,从而可望选出优于亲本或具有 F1 杂种优势效应的双单倍体系统。
在大麦中 ,对突变体间杂交的 F1 花药进行培养 ,可获得很多双单倍体系。对保持 F1 杂种
优势效应的双单倍体系便可进行选择。双单倍体植株可通过自交进行繁殖 ,且双单倍体植株
在籽粒品质、株高或抗病性方面与亲本相似 ,而产量却显著提高。
综上所述 ,在植物双单倍体生产中恰当地运用各种理化诱变技术 ,可增加双单倍体的生产
频率。诱发突变技术和双单倍体生产技术的有机结合可提高总体突变水平 ,并使得培育具有
目的性状品种的时间大大缩短 ,提高选择效率。
参 考 文 献
1 　Maluszynski M , et al. Mutation breeding Newsl. 1989 ,129～146
2 　王琳清 1 我国植物诱变育种进展剖析 1 核农学通报 ,1992 ,13 (6) :282～295
3 　李雅志 1 花卉辐射育种的成就与前景 1 原子能农业应用 ,1986 , (3) :57～60
4 　Pickering R A. Euphytica. 1983 ,32 :863～876
5 　Finnie S J , et al. Plant Bread. 1989 ,103 :110～118
6 　Kasha K J , et al. Nature , 1970 ,225 :874～876
7 　谢嘉华 ,等 1 离体诱变对大麦游离小孢子培养影响的初步研究 1 核农学报 ,1996 ,10 (1) :57～60
8 　King G S. Am J Bot . 1949 , 36 :265～270
9 　Sax K. Radiation Bot , 1963 ,3 :179～186
10 　Pandey K K , et al. Theor Appl. Genet , 1982 ,62 :295～300
11 　Sniezko R , et al. Euphytica , 1987 ,36 :287～294
12 　Maluszynski M , et al. In : M Maluszynski ( Ed. ) , Current Options for Cereal Improvement . Kluwer Academic Publishers ,
1989 ,129～146
APPL ICATION OF IND UCED MUTATION TECHNIQUES IN THE
DOUBL E HAPLOID PROD UCTION OF HIGHER PLANTS
Sun Yongtang 　Hou Guangyun 　Li Xinhua
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