2011植物远缘杂交育种进展

植物远缘杂交育种研究进展

邓衍明，叶晓青，佘建明，汤日圣

（江苏省农业生物学重点实验室，江苏省农业科学院，江苏南京210014）

摘要：综述了近年来远缘杂交在植物育种中的应用价值和最新进展，重点介绍了导致远缘杂交失败的生殖障碍原因及其有效的克服方法，包括杂交不亲和等受精前障碍因素和胚胎败育等受精后障碍因素；概述了远缘杂种的形态学、细胞学和分子细胞遗传学等鉴定方法，并对植物远缘杂交育种提出了新的研究方向。

关键词：植物远缘杂交；不亲和；受精前障碍；受精后障碍；杂种鉴定中图分类号：Q32

文献标识码：A

文章编号：1000－7091（2011）增刊－0052－04

TheResearchProgressonDistantHybridizationofPlantBreeding

DENGYan-ming，YEXiao-qing，SHEJian-ming，TANGRi-sheng

（JiangsuKeyLaboratoryofAgrobiology，JiangsuAcademyofAgricultureSciences，Nanjing210014，China）Abstract：Theresearchprogressandvalueondistanthybridizationofplantbreedinginrecentyearswasre-viewedcomprehensively，especiallyaboutthereproductivefactorswhichresultedinunsuccessfulhybridizationandtheeffectivemethodstoovercome．Theseincludedthepre-fertilizationbarrierssuchascrossingincompatibilityandpost-fertilizationbarrierssuchasembryoabortion．Themorphological，cytologicalandmolecularcytologicalidentifi-cationmethodsforhybridityofdistantprogenywerereviewed，andanewstudyfieldofplantdistanthybridizationwasproposedaswell．

Keywords：Plantdistanthybridization；Incompatibility；Pre-fertilizationbarrier；Post-fertilizationbarrier；Hy-bridityidentification

远缘杂交（Distanthybridization）是指种以上分

类单位生物类型之间的杂交，包括同属植物的种间杂交（Interspecifichybridization）、不同属植物的属间杂交（Intergenerichybridization）以及更高分类阶元subtribalhy-物种之间的杂交，如亚族间杂交（Inter-bridization）、族间杂交（Intertribalhybridization）等，是实现基因远缘转移的一条重要途径

［1－3］

起来的有益性状重新组合，以形成新的产量、品质性

状和对病、虫、寒、旱、涝等胁迫的抗（耐）性状等。因此远缘杂交育种在创造植物新类型、新性状和获得有应用价值的新品种方面意义重大，并且在许多植物上已经发挥了重要作用。同时，远缘杂交在物种的起源、进化、发育、遗传、变异等生物学理论问题的研究上，也具有重要的指导意义。

。人们早

就希望可以借助生物技术等新育种手段，有选择地

定向创造新的物种和栽培类型，丰富生物的遗传多样性，提高产量、品质和抗逆性等，以满足生产和生

［4］

活需要。如果说种质资源是进行品种改良和种质创新的前提和基础，远缘杂交则是实现这一目标的一条重要和有效途径。

远缘杂交最重要的意义在于可以打破种属间自然存在的生殖隔离，把两个物种经过长期进化积累

1植物远缘杂交的生殖障碍

众多育种实践表明，由于各物种间存在不同程

使得远缘杂交在很多情况下都难以度的生殖隔离，成功

［2，3，5］

。成功的远缘杂交依赖于植物传粉受精

过程中一系列成功的事件，从花粉粒的附着、萌发、

花粉管的生长、双受精的完成，到合子、胚乳的发育等，其中任何一个环节发生障碍，都会直接导致杂交

收稿日期：2011－10－11

基金项目：国家自然科学基金（31101569）；江苏省自然科学基金（BK2011673）；江苏省农业科技自主创新项目（CX（11）4032）作者简介：邓衍明（1976－），男，安徽滁州人，副研究员，博士，主要从事观赏植物生殖生物学与生物技术育种研究。

增刊邓衍明等：植物远缘杂交育种研究进展53

［6－9］

［6－8］

。因此，的失败除了时空隔离这一非生物因素

与生物体自身相关的远缘杂交障碍主要有：亲本外，

以发育成种子，但后者却不能正常发芽等。

的不育性（Sterility）；亲本的不可交配性（Incrossabil-ity）或不亲和性（Incompatibility）；杂种胚与胚乳组织发育的不协调性（Incongruity）以及由于杂种胚的降解（Degeneration）或败育（Abortion）或杂种的不育（Sterilehybrid）而引起的杂种崩溃（Hybridbreak-6－8］

down）［3，。一般依据能否正常完成受精作用并ferti-而将其划分为受精前障碍（Pre-发育形成合子，

lizationbarriers）（也称合子前障碍，Pre-zygoticbarri-ers）和受精后障碍（Post-fertilizationbarriers）（也称

6－9］

Post-zygoticbarriers）［3，。合子后障碍，1．1

受精前障碍

受精前障碍具体体现在两个方面，首先是亲本

自身性器官的发育状态，即亲本是否可育；其次是杂即双亲能否完成正常的受精作用。毕交是否亲和，竟，胚珠不育或雌蕊异常是很多种子植物结实率低或不结实的原因

［10，11］

受精后障碍产生的内在机理依然不十分清楚。

有一种营养缺乏论的观点，认为是营养的缺乏导致了杂种胚的降解：胚的发育源于胚乳供给的营养物质，当降解的胚乳不能给胚体提供发育所需的营养胚处于营养缺乏的状态，于是发育停滞进而元素时，

［8，16］

。至于胚乳为何会发育异常，降解有人认为是杂种幼胚和胚乳组织之间缺乏协调性，或胚、胚乳和

母体组织（如珠被绒毡层）之间的发育缺乏协调性所致

［3，16，17］

。有人认为是母体的基因印记（Genetic

imprinting）决定了胚、胚乳和母体组织之间的不协

［18］

调，于是发育出现异常。还有一种“机械模型观点，认为是异常发育的母体组织，如珠被绒毡论”

层的异常增生，机械地了胚和胚乳的发育空间，使得胚和胚乳的发育受到阻滞，进而相继败育。该

［3，8］

。观点主要源于菊花远缘杂交的生殖障碍

。同时，花粉活力低或不育也

2

2．1

植物远缘杂交生殖障碍的克服

受精前障碍的克服

在授粉前对花粉、花柱进行一定的物理处理，如

使得很多种子植物无法结实，甚至是某些植物濒临

［12，13］

。因此，在开展远缘杂交灭绝的主要原因之一

育种试验时，必须首先了解所选亲本的生殖生物学

特性，确保亲本具有发育正常的雌、雄配子体，杂交授粉工作才可以进行。如在开展菊花远缘杂交育种时，首先对父本花粉活力和母本胚珠育性进行检测，以确保杂交亲本的可育性

［2，3，14］

适当加热、电磁辐射、紫外线和γ射线照射等，可以

［19，20］

。提高受精率，对克服受精前障碍有积极帮助切割柱头技术曾是克服百合远缘杂交受精前障碍的

［21，22］

。通过切除柱头或短截花柱后直接有效方法

给子房授粉，被认为可避免因花粉管长度不够而无

法到达胚囊释放配子的不利现象。

应用赤霉素、萘乙酸或秋水仙素等化学物质涂抹或喷洒柱头，可促进花粉管生长，抑制花的脱落，使生长很慢的花粉管也能到达柱头，从而提高受精［15］

率。有研究者认为激素类物质可能不直接促进花粉管生长，而是靠吸引花柱中促进花粉管生长的

［23］

物质来发挥作用。

此外，改良授粉方式，如混合授粉（Mixedpolli-nation）、授蒙导花粉（Mentorpollen）、蕾期授粉（Budpollination）和重复授粉（Repeatedpollination）等，也被证明是克服远缘杂交不亲和性非常有益的方［15，19，20］

。法2．2

受精后障碍的克服

幼胚拯救技术（Embryorescue）作为克服受精后胚胎败育最有效的手段之一，已经在小麦、油菜等大田作物以及果树、蔬菜、花卉等园艺作物远缘杂交

［3，4，15，19－22］

。根据培养对育种领域得到了广泛应用

象的不同，幼胚拯救又可分为子房培养（Ovarycul-ture）、胚珠培养（Ovuleculture）和幼胚培养（Embryoculture）［24］。如Cheng等采用子房培养获得了菊花

。

远缘杂交不亲和的表现主要体现在花粉与柱头

的互作上，具体可分三类：第一类是父本的花粉在母本柱头上不能萌发或只萌发极少一部分；第二类主要是花粉在母本柱头上虽能萌发，但花粉管生长慢、变粗或末端膨大、前端分叉甚至破裂等；有时候花粉管在柱头表面扭曲、盘绕而不能正常进入柱头内部向子房生长，有时候在柱头内沉积大量的胼胝质，阻止花粉管向前伸长；第三类是花粉管虽能进入子房，到达胚囊，但它释放的精细胞不能和卵细胞融合形成杂种合子（Zygote），从而出现受精失败（Fertiliza-tionfailure）、延迟受精（Postponedfertilization），或只有卵核或极核发生单受精（Singlefertilization）等异

［2，3，7，8，14，15］

。常现象

1．2受精后障碍

正常情况下，受精作用完成后，合子即开始有丝

初生胚乳核发育成胚乳，最终形成可发育成胚，萌发的正常种子

［7，8］

。但在远缘杂交中，却经常会

有影响种子发育的异常现象发生，主要表现为：受精

后的合子不或原胚发育异常或早期停止；胚乳发育不正常，在发育过程中提早降解；虽然杂种胚可

华北农学报26卷

的种间远缘杂交种，而Deng等分别应用胚珠培养和幼胚培养获得了菊花的不同属间远缘杂交［2，14，25］

。一般来说，处于不同发育阶段的胚在培种

发育早期的幼胚处养时的技术要求和难度不一样，

于完全异养的状态，对营养和环境的要求很高，故培所以养的胚愈小愈不易成活；太晚的胚又易于降解，胚拯救的最佳时间应该是在降解前尽可能晚一点的时期，可通过石蜡切片连续观察受精后的胚珠发育进度确定。

分析法可以精确测定细胞核DNA的含量，通过比较

就可以对倍性进行可靠鉴定，最突出的优点是可以快速测量，能在短时间内完成大量样品的分析，而且可以同时鉴定出倍性嵌合体。然而染色体倍性鉴定只能应用在有倍性差异亲本之间的杂交后代，对于染色体数相同的两个物种，无论是进行染色体的直接计数，还是利用流式细胞仪等间接检测，结果都说

须借助其他方法进行更加可靠明不了问题。此时，的鉴定。

3．3分子细胞学鉴定

近年来，随着分子细胞生物学和分子细胞遗传

运用分子细胞学技术手段，即染色体原位学的发展，

CISH）进杂交技术（Chromosomeinsituhybridization，

行远缘杂种的鉴定正在发挥日益重要的作用。荧光FISH）是原位杂交（Fluorescentinsituhybridization，以荧光标记取代同位素标记而形成的一种新的原位

杂交方法，而基因组原位杂交（Genomicinsituhy-GISH）则是利用异源物种的基因组DNAbridization，

作探针进行的原位杂交，它们两者结合应用的最大优点就是准确（在分子水平上进行）和直观（将鉴定

［27］

的结果直接展示）。如Zhou等应用此技术不仅区分了东方百合和亚洲百合杂交后代中来自不同亲本的基因组，并检测到花粉母细胞中不同基因组染

［28］色体在减数时的交换；Tang等以荧光素标记的芙蓉菊总DNA为探针，在大岛野路菊和芙蓉菊

3远缘杂种的鉴定

在远缘杂交时，尤其是采用幼胚拯救技术克服

远缘杂交障碍时，很容易出现因母体组织形成愈伤

并分化成苗导致的假杂种。因此，对远缘杂交的后代进行杂种真实性鉴定，从而选择目的杂种，是远缘杂交育种的一个重要环节。远缘杂种鉴定的方法很多，包括形态学鉴定、细胞学鉴定、同工酶鉴定、分子

很多时候需要采用标记鉴定及分子细胞学鉴定等，

两种或两种以上的方法相互验证，以确保杂种的真

实性。3．1

形态学鉴定

对杂交后代和亲本进行形态特征方面的比较，是鉴定远缘杂种真实性最简单易行的方法。远缘杂交时，由于杂种体内含有双亲的遗传物质，其性状大都会介于双亲之间或倾向于亲本之一；同时，由于双亲的遗传基础存在差异，杂种后代又通常会表现出一定的变异。因此，真正的杂种往往会在表现出亲表现出自身的特异性状；通过各本某些性状的同时，种性状的综合比较，就可以对杂种的真实性做出初步鉴定。形态鉴定的优点在于简单易行、成本低廉，但在亲本性状相似和苗期时应用比较困难。因此，形态学鉴定的方法只能作为初步判断，必须与其他方法相结合，才更科学可靠。3．2

细胞学鉴定

通过对染色体形态及其倍性水平进行研究是植物远缘杂种鉴定最可靠的方法之一。众多的研究结果表明，大多数F1植株体细胞染色体数为亲本染色体数的平均值

［2，14，25，26］

的F1中期染色片中，成功地确定了其染色体的

组成；笔者也成功地利用此技术对多个属间远缘杂

［2，14］

。种进行了鉴定

总之，远缘杂交已经在植物育种中发挥了重要

作用，不仅提高了粮食产量，改良了作物品质，并有效地提高了植物对病、虫、高温、低温、干旱等逆境的

［2，14，25，29，30］

。由于气候变坏、适应性和抵抗力资源枯

竭、环境污染等社会问题日益突出，人们越来越期盼

可以选育出高产、优质、多抗的“环境友好型”植物新品种。因此，通过将具有不同优良性状的远缘杂种进行复合杂交，以实现抗性聚合种质的创制，应是植物远缘杂交育种未来研究的一个重要方向。参考文献：

［1］RiplevVL，BeversdorfWD．Developmentofself-incom-patibleBrassicanapus．I．IntrogressionofS-allelesfromBrassicaoleraceathroughinterspecifichybridization［J］．PlantBreeding，2003，122：1－5．

［2］DengYM，ChenSM，LuAM，etal．Productionandchar-acterisationoftheintergenerichybridsbetweenDendran-themamorifoliumandArtemisiavulgarisexhibitingen-

。目前用于杂种染色体倍性

鉴定的方法主要有两种：①通过体细胞染色体计数

直接鉴定法，这是确定倍性最简单和最准确的方法。其中进行染色体标本制备应用较多的是手工压片法

材料通常为根尖、茎尖等含和去壁低渗火焰灼烧法，

旺盛细胞的部位。②间接鉴定法，主要包括流

式细胞仪分析法、气孔大小及保卫细胞叶绿体数目鉴定法、植株形态指标鉴定法等。其中流式细胞仪

增刊邓衍明等：植物远缘杂交育种研究进展55

hancedresistancetochrysanthemumaphid（Macrosipho-niellasanbourni）［J］．Planta，2010，231：693－703．［3］DengYM，TengNJ，ChenSM，etal．Reproductivebarri-ersintheintergenerichybridizationbetweenChrysanthe-mumgrandiflorum（Ramat．）Kitam．andAjaniaprzewal-．Euphytica，2010，174：41skiiPoljak．（Asteraceae）［J］－50．

［4］卢良恕．21世纪我国农业科学技术发展趋势与展望

［J］．中国农业科学，1998（2）：1－19．

［5］WolffK，RijinJP．Rapiddetectionofgeneticvariability

inChrysanthemum（DendranthemagrandifloraTzvelev）usingrandomprimers［J］．Heredity，1993，71：335－341．［6］McClureBA，Franklin-TongV．Gametophyticself-incom-patibility：understandingthecellularmechanismsinvolvedin\"self\"pollentubeinhibition［J］．Planta，2006，224：233－245．

［7］BergerF．Double-fertilization，frommythstoreality［J］．

SexualPlantReproduction，2008，21：3－5．

［8］RaghavanV．双受精：有花植物的胚和胚乳发育［M］．

2007．杨宏远，译．北京：科学出版社，

［9］AliyuOM．Pollen-stylecompatibilityincashew（Anacar-diumoccidentaleL．）［J］．Euphytica，2007，158：249－260．

［10］DengYM，ChenSM，TengNJ，etal．Flowermorpho-logicanatomyandembryologicalcharacteristicsinChrys-anthemummulticaule（Asteraceae）［J］．ScientiaHorti-culturae，2010，124：500－505．

［11］TengN，ChenT，JinB，，etal．Abnormalitiesinpistilde-velopmentresultinlowseedsetinLeymuschinensis（Poaceae）［J］．Flora，2006，201：658－667．

［12］LiJ，TengNJ，ChenFD，etal．Reproductivecharacter-isticsofOpisthopappustaihangensis（Ling）Shih，anen-J］．Sci-dangeredAsteraceaespeciesendemictoChina［entiaHorticulturae，2009，121：474－479．

［13］WilcockC，NeilandR．Pollinationfailureinplants：why

ithappensandwhenitmatters［J］．TrendsPlantSci-ence，2002，17：270－277．

［14］DengYM，ChenSM，ChenFD，etal．Theembryores-cuederivedintergenerichybridbetweenchrysanthemumandAjaniaprzewalskiishowsenhancedcoldtolerance［J］．PlantCellReports，2011，30：2177－2186．

［15］汤访评．菊属与四个近缘属植物远缘杂交研究［D］．

2009．南京：南京农业大学，

［16］胡适宜．被子植物生殖生物学［M］．北京：科学出版

2005．社，

［17］TanakaR，WatanabeK．EmbryologicalstudiesinChrys-anthemummakinoianditshybridcrossedwithhexaploid

［24］

Ch．japenense［J］．JournalofScienceforHiroshimaUni-versitySeriesBDiv．2（Botany），1972，14：75－84．

［18］Gutierrez-MarcosJF，PenningtonPD，CostaLM，etal．

Imprintingintheendosperm：apossibleroleinpreven-J］．PhilosTransRSocietySeriestingwidehybridization［2003，358：1105－1111．B，

［19］李玉花．草莓辐射生物学效应及应用的研究［D］．沈

1994．阳：沈阳农业大学，

［20］李玉晖，陈学森，郑

洲．果树远缘杂交育种研究进

J］．山东农业大学学报，2003，34（1）：139－143．展［

［21］黄济明．王百合×大卫百合远缘杂种的育成［J］．园

1982，9（3）：51－56．艺学报，

［22］黄济明．采用切割花柱的幼胚离体培养方法培育百

J］．种子，1983（3）：24－27．合种间远缘杂交种［

［23］孟金陵．植物生殖遗传学［M］．北京：科学出版社，

1997．

SharmaDR，KaurR，KumarK．Embryorescueinplants：areview［J］．Euphytica，1996，：325－337．

［25］ChengX，ChenSM，ChenFD，etal．Interspecifichy-bridsbetweenDendranthemamorifolium（Ramat．）KitamuraandD．nankingense（Nakai）Tzvel．achievedusingovaryrescueandtheircoldtolerancecharacteris-tics［J］．Euphytica，2010，172：101－108．

［26］TangFP，ChenSM，DengYM，etal．Intergenerichy-bridizationbetweenDendranthemacrassumandAjaniamyriantha［M］．ActaHorticulturae，2010，855：267－272．

［27］ZhouSJ，RamannaMS，VisserRGF，etal．Analysisof

themeiosisintheF1hybridsofLongiflorum×Asiatic（LA）oflilies（Lilium）usinggenomicinsituhybridiza-tion［J］．JournalofGeneticsandGenomics，2008，35：687－695．

［28］TangFP，ChenFD，ChenSM，etal．Intergenerichy-bridizationandrelationshipofgenerawithinthetribeAnthemideaeCass．（I．Dendranthemacrassum（Kitam．）Kitam．

Crossostephiumchinense（L．）Makino）［J］．

Euphytica，2009，169：133－140．

［29］DengYM，ChenSM，ChangQS，etal．Thechrysanthe-mum×Artemisiavulgarisintergenerichybridshowsbet-terrootingabilityandalternarialleafspotresistancethanitschrysanthemumparent［J］．ScientiaHorticulturae，Doi：10．1016/j．scienta．2011．11．012．

［30］SunCQ，ChenFD，TengNJ，etal．Interspecifichybrids

betweenChrysanthemumgrandiflorum（Ramat．）Kita-muraandC．indicum（L．）DesMoul．andtheirdroughttoleranceevaluation［J］．Euphytica，2010，174：51－60．