二、染色体消除法

二、染色体消除法

大部分植物种间杂交后其后代杂种中一般携带双亲染色体,称为核型稳定的杂交。但是有些种间杂交在精卵融合形成的杂种合子会随着合子分裂和早期杂种胚的发育,父本的染色体会消失而只剩下母本染色体,杂种胚中只携带一套母本染色体,因此这也是单倍体产生的一种方式。染色体消除法产生单倍体的确切机制目前还不清楚,基于前期的研究结果,现主要有两个假说:①两个精核中的其中一个与胚珠中的极核经正常受精形成了有生物学功能的胚乳,并刺激未受精卵进行孤雌生殖,从而产生了单倍体胚;②在双受精过程发生后,杂种胚中的父本染色体在胚胎发育早期消失,进而形成单倍体,即单一亲本的染色体消失。

利用球茎大麦给栽培大麦授粉,可获得单倍体大麦胚,幼胚经胚拯救可获得单倍体植株,这种方法也称为球茎大麦法,在大麦单倍体生产中得到广泛应用;又如在用玉米作为父本与小麦杂交,玉米染色体也会在杂种胚中消失,因而可产生小麦单倍体。在染色体消除法中,由于远缘杂交所形成的杂种胚一般情况下无胚乳或胚乳发育异常,在自然情况下,幼胚缺少生长发育中的必要营养。因此,需要进行胚拯救,即对幼胚进行离体培养。目前已在约110个植物物种中发现了单一亲本的染色体消失现象。

1.小麦与玉米杂交法

小麦和玉米杂交后,由于玉米的染色体与小麦的纺锤体不亲和,在最初的几次细胞分裂中,杂合子中的玉米染色体会全部丢失,因而产生仅含有小麦21 条染色体的单倍体,经胚挽救获得单倍体苗,之后经染色体加倍,即可获得纯合的加倍单倍体。

(1)优点

①玉米对于小麦可交配的Kr 基因不敏感,因此其得胚率远高于小麦与球茎大麦杂交法;

②小麦基因型依赖性不强,绝大多数小麦基因型一般均可获得单倍体,这就特别适合于那些在花药培养中无反应的小麦基因型;

③无白化苗产生及体细胞变异现象,因此较易获得稳定纯合的单倍体,而白化苗的产生是小麦花药培养成效的一个重要的限制因素。

(2)操作技术要点

陈新民等在多年研究(1993—2013)的基础上,提出了一套可以稳定获得较高单倍体胚胎产率(30%左右)的小麦与玉米杂交和幼胚培养的方案,现简述如下:(https://www.daowen.com)

选用易于诱导单倍体胚胎的玉米品种(系)作为父本,如中单120、中单5384或中夏一号等,分期分批在温室中种植,注意要调节其开花期,使其与小麦花期恰好相遇;同时把冬小麦材料种植或移栽至温度较低的温室,加强肥水管理,抽穗时浇水,从而提高生长环境中的湿度。在小麦开花前4~5 d,采用垂直穗轴剪颖剪药技术去雄,套袋;套袋之后4~5 d 用玉米花粉重复授粉2 次。第1 次授粉后1 d 再进行第2 次授粉。第2 次授粉后24 h用2,4-D(150 mg/L)的溶液蘸穗处理1 次。授粉后12~14 d 时在23~25 ℃、黑暗条件下培养幼胚(用1/2MS 培养基)。待幼胚萌发后光照培养14~21 d。待试管苗长高后置于冰箱中(4 ℃左右)越夏,11月上旬时移栽到阳畦,地表覆盖塑料薄膜增温以促进分蘖,待生长至3~4个分蘖时进行染色体加倍处理(秋水仙素浸根),之后生长至成熟,收获加倍单倍体植株种子。采用上述技术,每100朵小花一般可以获得单倍体胚20~30个,单倍体植株10~20个,加倍单倍体植株7~10个。

2.球茎大麦法

球茎大麦(Hordeum bulbosum)是一种多年生的野生大麦,有二倍体与四倍体两种倍性类型,具有较强的抗寒性和分蘖能力,对大麦白粉病、叶锈病、斑点病等具有良好的抗性;其花药大,异花授粉,且自交不育。当二倍体球茎大麦与栽培大麦(Hordeum vulgare)杂交后,绝大多数杂合子的染色体会消失,从而产生栽培大麦的单倍体,其可交配性好、结实率高。

球茎大麦法的主要技术要点如下:

(1)调节花期

球茎大麦为强冬性和长日照植物,通常需要经过低温和长日照处理才可以开花。为了与栽培大麦的花期相遇,就需提早移栽(球茎)或播种(种子),这一工作一般在9—10月进行。作为母本的栽培大麦可以分期分批播种,以使父母本的花期能够相遇,确保杂交工作的正常进行。

(2)胚挽救(幼胚培养)

球茎大麦与栽培大麦之间的杂交与其他远缘杂交相似,其杂种胚乳在授粉后8~10 d也开始退化。因此需要拯救幼胚,即在授粉后12~14 d时对杂种幼胚进行离体培养。通常情况下接种于不添加任何激素的MS 培养基上,暗培养3~5 d 即可分化出苗,之后转入光照培养。当幼苗出现2个叶片时,转至4~10 ℃低温越夏。

(3)染色体加倍

一般采用先移栽,再取苗后用秋水仙素浸根的方式进行染色体加倍处理,但这种方式对试管苗产生的药害较大,可导致苗的根系受到破坏,因此移栽成活率也较低。有人采用了低浓度长时间结合液体培养的方式进行染色体加倍,获得了较为理想的结果。主要过程为:试管苗在室内炼苗几天后洗去培养基,在添加有0.01%~0.02%秋水仙素的Knop 培养液中培养2~3 d,冲洗干净后在去除秋水仙碱的Knop 培养液中继续培养至新根长出,取根镜检之后进行移栽。这种方式药害小、移栽成活率高。加倍后的植株在形态上与其母本相似,且发育正常;而未加倍的植株形态也似母本,但植株相对矮小、生长势弱、开花提前、叶片及花药较小。因而根据植株外部形态不用镜检也基本可以区别这两种植株。