全 文 ：收稿日期:2002-11-14
基金项目:国家自然科学基金(项目编号 39970536)资助
作者简介:王树彦(1971-),女 , 内蒙古临河市人 , 讲
师 ,在读博士 , 1997年毕业于内蒙古农牧学院作物遗传育
种专业 ,主要从事植物育种研究 ,现已发表论文 6篇.
禾本科小麦族植物远缘杂交的障碍及其克服
王树彦 , 云锦凤 , 李　莉 , 朱　琳
(内蒙古农业大学 ,内蒙古　呼和浩特　010019)
摘要:远缘杂交是改良植物种质的有效手段之一 ,但植物自身有保持物种稳定性的遗传屏障 ,
针对不同植物的杂交障碍应采取不同的克服不育的方法。
　　关键词:小麦族;远缘杂交;不育障碍;育性恢复
　　中图分类号:S54　　文献标识码:A　　文章编号:1000-6311(2003)02-0059-04
Barriers and Fertility Restoration of Wide_cross Hybrids of Perennial Herb in Tri t-
iceae.WANG Shu_yan , YUN Jin_feng ,LI Li ,ZHU Lin(Inner Mongolia Agricultural
University , Hohhot 010019 , China):Grassland of China , No.2 , 2003 ,pp.59 ～ 62.
Abstract:Wide_cross is one of useful methods in improving plant germplasm.Plant has
i ts genetic barriers in order to keep species stability.Dif ferent methods should be taken
acco rding to different sterile mechanisms in plants.
Key words:Tri ticeae ;Wide_cross;Sterile barrier;Fertility restoration
　　植物的远缘杂交是指种以上分类单位的
生物类型之间的杂交 ,包括同属植物的种间
杂交和不同属植物的属间杂交以及更远缘的
族间以上的杂交 。远缘杂交可应用于植物改
良 、基因和基因组作图 、染色体行为研究和进
化研究等各个遗传育种学研究领域[ 6] 。近
年来 ,由于绝大多数粮食作物和饲料作物都
属于禾本科 ,禾本科小麦族的作物及其近缘
野生种作为作物遗传改良特定性状的基因资
源引起了重视。回顾禾本科小麦族植物远缘
杂交的研究成果 ,种间以上的远缘杂交的不
育障碍决定了杂交工作的成败 。小麦族植物
的杂交能力变异很大 ,即使在种内也分化出
许多交配能力不同的亚种和类型。不同植物
种在受精前(pre -fert ilization)和受精后
(post-fertilization)的不育障碍强度不同 ,由
于器官的进化和分化 ,有些植物种的受精前
的生殖隔离系统完善 ,而有些植物种的受精
后的隔离机制复杂 ,由此造成不同植物种的
远缘杂交不育机制的差异 。
1　受精前的不育障碍及克服
受精前的不育障碍主要表现在杂交的不
亲和性。一种反应是柱头与花粉不识别 。如
果是正常的近缘花粉接触到柱头 ,花粉会迅
速从柱头乳突细胞中吸收水分 ,将花粉壁物
质释放到柱头表面和对柱头的角质层起消化
作用的酶系统进行活化 ,然后萌发长出花粉
—59—
第 25卷　第 2期　　　　　　　　　　　　中　国　草　地　　　　　　　　　　　　2003 年 3 月
Vol.25 　No .2　 　　　　　　　　　　　Grassland of China　　　　　　　　 　　　　Mar.2003
管 ,穿入柱头 ,伸进花柱 , 进入胚囊 ,实现受
精。而远缘的花粉往往不被柱头识别 ,一种
表现是吸收不到水分 ,不能萌发;一种表现是
不能产生花粉管;第三种表现是花粉管虽然
能伸长到胚囊 ,但精卵不能融合。对于禾本
科小麦族植物 ,在进行杂交操作时 ,往往采用
提早重复授粉的方法 ,一般要每天一次 ,重复
三次。在去雄的当天授粉 ,可以在识别蛋白
合成之前授粉 ,躲过识别反应 。多次重复授
粉也可使识别蛋白消耗殆尽而达到蒙混过关
的目的。在授粉期间 ,每天要浇水 ,以保持湿
润的环境 ,利于花粉萌发 。在授粉后也可在
穗部喷洒低浓度(2×10-6 ～ 10×10-6)的生
长激素 ,如 2 , 4-D 、NAA 、IAA 、6-BA及 KT
等 ,单独使用或混合使用均可 ,以促进受精卵
和胚乳的正常分裂 ,有助于维持种子发育。
这些技术在某种程度上能提高杂交的成功
率。
2　受精后的不育障碍及克服
有些禾本科植物种虽然能完成受精 ,它
的外部形态表现为一周之后子房膨大且变
绿 ,但以后的发育还会出现障碍:如胚和胚乳
不能正常发育;在接近成熟时 ,杂种胚败育;
虽然杂种有胚 ,但不发芽或苗期死亡 ,不能形
成植株;甚至是在后代中不能生殖生长及结
实。造成受精后的不育原因有以下几种可
能:一是远缘杂种胚在发育过程中要不断从
胚乳和母体组织吸收营养 ,如果营养物质的
来源及运输途径发生障碍 ,就会造成杂种衰
亡[ 2] ;有学者还认为杂种胚生长过程中内源
激素的合成失调也是杂种胚败育的原因[ 6] ;
再者是植物内部杂交抑制基因的存在。禾本
科小麦族的植物在杂交能力上存在广泛的遗
传多样性 。例如小麦属植物中的杂交抑制基
因是小麦与其近缘属杂交的主要障碍(Lein ,
1943;Snape et al., 1979)。然而 ,在小麦栽培
种如中国春中 , 发现有高度可交配基因
(Kr1 、Kr2 、Kr3),可促进小麦与其他属植物
种的杂交。近来 ,又发现了比中国春有更高
交配能力的小麦地方品种 ,它具有一个新的
可交配基因 Kr4(Luo et al., 1993)。在小麦
族 ,由于单基因可产生后代分离 ,这种基因型
的远缘杂交潜力是无穷的。再者 ,染色体结
构和数目上的差异也是造成杂种不育的原
因。通过对禾本科小麦族远缘杂种的花粉母
细胞减数分裂中期观察 ,发现同源染色体越
少 ,配对异常现象越明显 ,表现为单价体和多
价体较多 ,染色体消除或丢失 ,减数分裂后期
染色体滞后及染色体桥的出现[ 10] 。S tebbins
等(1946)认为禾本科小麦族的冰草属染色体
上存在 6%～ 10%的隐藏性结构是造成杂种
不育的原因[ 7] 。笔者认为 ,远缘杂交不育的
实质性原因还是双亲的基因的差异 。基因差
异越远 ,杂种不育障碍越难克服。
2.1　胚拯救是克服受精后不育障碍的有效
途径
禾本科小麦族植物的远缘杂交所遇到的
更多障碍是在受精后的不育。多年生禾本科
牧草一旦得到杂交种子 ,尽管后代有不育障
碍 ,可暂时通过无性繁殖保存下来 ,而一年生
禾本科小麦族植物做了远缘杂交之后 ,如果
后代不育就很难保存。现在最普遍的做法是
在授粉后的适宜时间(7 ～ 14d)实施胚拯救 。
无论远缘杂种胚将遇到受精后的哪一类障
碍 ,经过胚培养都可达到保留植株存活的目
的。现在 , 禾本科小麦族小麦的胚拯救技
术[ 8]最为成熟 ,很容易培养成功 。其次还有
大麦 、黑麦 、燕麦等谷类作物 ,经过器官发生
途径和体细胞胚发生途径均成功地获得了再
生植株。对于多年生禾本科小麦族植物的组
织培养研究报道相对较少 。多年生禾本科小
麦族牧草的胚很小 ,剥离胚有一定难度 ,研究
者往往要取其幼穗或子房部分进行离体培
养 ,但诱导率和生长速率远不及谷类作物 。
Richard R.C.Wang 等(1990)将薄冰草属植
—60—
中国草地　2003 年　第 25卷　第 2期
物一个种(Thinopyrum elongatum)与新麦
草属的三个种(Psathyrostachys juncea , P.
f ragi lis和 P .huashanica)的属间杂种以及
大麦属内(Hordeum violaceum ×H .bog-
dani i)的种间杂种进行了幼穗培养 ,做法是
将幼穗小块放在 M s培养基上 ,补充以 2 ,4-
D(2 mg/ l)、6苄基腺嘌呤(0.05mg/ l)和蔗糖
(3%),经过愈伤组织的继代培养 ,减少 2 , 4
-D至 0 ～ 1mg/ l ,蔗糖增加到 5%进行分化
茎和根的培养过程。然后将小实生苗转移到
试管中做生根培养 ,这时仍用 M s培养基 ,其
中补充了 L -天冬酰胺酸(150mg/ l)和蔗糖
(2%),这样可以获得根系较发达的实生苗。
在愈伤组织的培养和分化过程中 ,细胞的遗
传变异机率很大 ,这时也是一个杂交后的细
胞自我协调的过程 ,经过组织培养可以增加
实生苗恢复育性的机会。
2.2　染色体加倍处理是克服远缘杂交不育
的常用手段
以秋水仙素等诱变剂处理杂种植株 ,促
进杂种植物细胞染色体数目加倍 ,也是克服
不育障碍的有效手段 。在研究禾本科小麦族
植物的进化史和植物亲缘关系时 ,人们发现 ,
自然界中存在一些天然的种间或属间远缘杂
交植物 ,也表现为 F1 代不育 ,但由于是多年
生植物 ,可以通过无性繁殖保存下来 ,遇到特
殊的自然气候条件 ,如温度的骤升骤降 ,会导
致杂种植物染色体加倍 ,从而杂种因变成双
二倍体而恢复育性 ,于是该植物作为一个新
的物种繁衍后代 。人们在远缘杂交研究中 ,
为了克服受精后的不育障碍 ,也通常采用染
色体加倍的方法 。如果远缘杂交的双亲之一
的染色体倍数很低 ,而另一亲本倍数几乎是
其二倍以上 ,可以将前者加倍后再进行杂交;
对于杂交后不育的 F0 和 F1 代植株 ,也可采
用染色体加倍的方法使其恢复育性 。经过众
多研究者的试验 ,认为最简单有效的加倍方
法是用适当浓度的秋水仙素溶液处理植物器
官。秋水仙素作用机理已经很清楚 ,在细胞
有丝分裂时 ,秋水仙素抑制纺缍体的形成 ,从
而使染色体复制的细胞不能分裂 ,变成染色
体加倍的细胞。通常使用的处理浓度在 2%
以下 ,因植物器官不同而采取不同的处理浓
度和时间 ,温度在 20℃左右均可。例如浸泡
处理植物种子 、根系时 ,往往使用的浓度高些
(1%～ 2%),而在胚培养分化的实生苗加倍
处理时 ,培养基中加入的秋水仙素浓度通常
较低(0.01%～ 0.2%)。秋水仙素处理染色
体倍数较低的植物 ,较容易加倍成功[ 8] 。然
而 ,秋水仙素对植物的毒害作用很大 ,导致植
株的死亡率很高。处理后的植株通常为染色
体倍数不同的细胞的嵌合体 ,很不稳定 ,生长
势也很弱 。要经过几代的种植和筛选才能得
到加倍的植株 。而在这一过程中 ,绝大多数
加倍成功的植株夭亡了。所以 ,加倍的成功
机率很低。现在 ,研究者往往把胚拯救与染
色体加倍技术结合起来 ,取得了较大的成功 。
无论是经过体细胞胚发生途径还是器官发生
途径 ,细胞在分化过程中是处于一个无序的
状态 ,自身发生变异的机率很大 ,经过低浓度
的秋水仙素处理很容易加倍 ,加之培养条件
较为精细 ,故较容易获得双二倍体植株。在
禾本科小麦族植物的远缘杂交研究中此法被
广泛采用[ 3 , 5 , 9] 。
2.3　回交是克服远缘杂种不育的有效方法
多年生小麦族禾草的远缘杂交的不育障
碍往往出现在 F1 代 ,其植株可以正常孕穗 、
抽穗 ,但常常因为花粉败育或育性极低结不
到种子。所以 ,通常将植株以无性繁殖方式
保留下来 ,而有些远缘杂种植株在开花期 ,以
其母本或父本的花粉授粉 ,可以获得少量回
交一代的种子 。李造哲(2001)将披碱草和野
大麦的互交杂种分别与野大麦回交 ,获得了
回交一代的种子 ,回交结实率达 1.8%左右 。
在其他多年生禾草的远缘杂交上也有许多回
交恢复育性的报道 。而对于一年生小麦族植
—61—
王树彦　云锦凤　李　莉　朱　琳　禾本科小麦族植物远缘杂交的障碍及其克服
物 ,由于不能通过根系的无性繁殖获得大量
植株 ,用回交法有一定的局限性。
3　克服禾本科小麦族植物远缘
杂交不育的其它辅助技术
　　禾本科小麦族植物在杂交能力上存在着
广泛的遗传多样性 ,这种现象不仅存在于小
麦属 ,在其他属植物上也广泛存在。不同植
物种的受精前障碍和受精后障碍的强度不一
样 ,所以研究者进行远缘杂交时 ,通常把双亲
互换一下 ,分别尝试杂交的可行性。事实证
明 ,互交的杂交结实率有很大差别 ,F 1 代表
现也差异很大。王照兰等(1993)将披碱草和
野大麦进行互交 ,结果均获得了 F1 代植株 ,
植株外部形态上有很大差异 ,尤其在形 、穗色
上的差异更为明显 。通过回交 ,均得到回交
一代种子 ,植株表现也有很大差异[ 4] 。互交
是使远缘杂交成功的不可忽略的方法。
在禾本科小麦族植物的远缘杂交研究报
道中 ,不同的基因型 、杂交方向 、年限 、地理气
候及研究项目均有不同的数据结果 ,我们不
能只着重一个试验结果而确定其交配能力。
许多小麦与其同源种的前期曾经报道的不可
交配的组合 ,后来均获得了成功[ 6] 。远缘杂
交失败的报道往往激起其他研究者更大的挑
战兴趣 。Sharma(1995)回顾了禾本科小麦
族远缘杂交的历史 ,总结了 70多年的禾本科
小麦族远缘杂交组合的杂种结实率 ,认为在
一个远缘杂交组合中以染色体数目低的亲本
作母本 ,杂交比较容易成功 。而我们常规认
为以高染色体数目的植物作母本 ,杂交容易
成功 。如米景九(1963)在小麦(2n=42)×黑
麦(2n=14)杂交时 ,以小麦为母本的组合平
均结实率为 30.6%,最高达 90%;而以黑麦
为母本的组合平均结实率为 7.1%,最好也
只有14.4%[ 11] 。这个争议还需我们通过实
践检验。
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中国草地　2003 年　第 25卷　第 2期