人工誘導植物多倍體的方法初探

張愛清

摘 要 重點總結了植物多倍體人工誘變的物理、生物和化學方法，并從植物多倍體的來源、特點及意義等方面進行了補充介紹。

關鍵詞 人工誘導 植物多倍體

中圖分類號 Q-49 文獻標志碼 E

多倍體是指體細胞中含有三組或三組以上染色體的個體。自然界廣泛生存著多倍體植物，大約一半的被子植物，2/3的禾本科植物，80%的草類，18%的豆類是多倍體。其中，以蓼科、景天科、薔薇科、錦葵科、禾本科和鳶尾科中多倍體最多。許多農作物及果樹、蔬菜、花卉（如小麥、燕麥、棉花、馬鈴薯、甘蔗、花生、煙草、甘薯、苜蓿、山藥、韭菜、薺菜、苦苣菜、香蕉、蘋果、李、櫻桃、梨、草莓、葡萄、菊、水仙、郁金香等）均為天然的多倍體。

1 多倍體植物的來源及特點

多倍體的類型有同源多倍體和異源多倍體。還有一些過渡類型或復合類型，如區段異源多倍體（BBB1B1）、同源異源多倍體（AAAABBBB）及倍半二倍體（ABB）等。現已查明多倍體形成的細胞學機制，是由于細胞分裂時染色體不分離而引起。大體有兩種情況：① 減數分裂時，全組或部分染色體沒有減數，仍停留在一個細胞核里，從而形成二倍性的生殖細胞。這種未減數的2n雄配子與帶有2n的雌配子結合，發育成四倍體。但由于2n雄配子在授粉過程中常競爭不過經減數分裂的雄配子（n），因而會出現未減數的雌配子與減數的雄配子相結合，形成天然三倍體植物。② 有絲分裂時，染色體雖然復制了，但細胞沒有相應地發生分裂，從而使細胞核里包含了比原來多一倍的染色體，產生了多倍體。總之，多倍體的產生是植物對不利條件的適應，是自然選擇的結果，從而進化發展成新的變種或物種。

巨型性是同源多倍體主要形態特征之一。細胞核和細胞體積（特別是保衛細胞）、葉片、厚度、氣孔和花粉粒、花和種子、莖的粗度增大。基因劑量倍增，從而使植物的一些生理生化過程加強，新陳代謝旺盛，其體內的某些生化成分的含量也相應提高。盡管同源多倍體育性差，結實率低，但多倍體植物一般生活力強，抗逆性提高，對環境適應性亦強。

2 染色體加倍方法

多倍體主要通過未減數配子融合，體細胞染色體加倍以及多精受精三種方式起源的。其中，未減數配子融合是多倍體形成的主要機制。多倍體的來源不外乎自然發生、人工合成和誘發突變等主要方式。而人工誘導植物多倍體的方法主要有以下三種。

2.1 物理誘導法

在植物多倍體誘導中，物理誘導法是指利用溫度驟變、機械損傷、電離射線（X射線、γ射線、β射線、中子和α射線）、非電離射線（紫外線和質子）、離心力、熱沖擊、超聲波、干旱等環境脅迫、逆境處理等物理因素處理植物材料，誘導細胞染色體加倍的方法。物理誘導法對象包括萌動的種子、幼苗以及雌雄花芽等。早期利用創傷與嫁接誘導多倍體，植物組織在創傷的愈合部位的染色體易加倍，其上面的不定芽發展成多倍體，用此方法在茄科植物上得到了多倍體。利用反復摘心的方法也可促使多倍體的產生。

物理方法在植物多倍體誘導中采用類似異常環境條件的處理方法，由于誘導率低，定向性差，嵌合體嚴重，危害性大（射線）而未能普及利用正逐步被淘汰。目前主要在一些具營養繁殖優勢的植物上有應用。

2.2 化學誘導法

化學誘導法是指利用某些化學試劑處理分裂中的植物器官、組織甚至細胞，從而誘導細胞染色體加倍的方法。采用化學誘變劑進行多倍體誘導是目前最常用、最普遍、最有效、最經濟的方法，主要利用富民農、萘嵌戊烷（C12H10）、富民隆、氧化亞氮（N2O）、吲哚乙酸等化學試劑誘發多倍體。化學誘導法的主要作用機理是抑制了細胞分裂時紡錘體的形成，使復制后的染色體不能拉向兩極，細胞不能繼續分裂形成兩個子細胞，從而導致染色體加倍形成多倍體細胞，在此基礎上進一步發育成多倍體植株。化學誘導又可分為活體誘導和離體誘導兩種基本方法。誘導方式主要有浸漬法、注射法、涂布法、噴霧法、藥劑-培養基法等。在化學誘導染色體加倍過程中需重視試劑的最適濃度、處理時期、處理持續時間和處理適宜溫度。

已發現有200余種化學試劑對植物多倍體有誘導作用，化學誘導劑中秋水仙素是一種被廣泛應用的多倍體化學誘導劑。在一定濃度范圍內，秋水仙素對染色體結構無破壞作用，在遺傳上很少造成其他不利變異，處理一定時間的細胞可在藥劑去除后恢復正常分裂，形成染色體加倍的多倍體細胞。此外，一些除草劑在某些植物多倍體誘導中表現出多倍化程度高、藥害輕，值得引起重視和注意。如安磺靈（一種二苯基胺類除草劑）、戊炔草胺（一種苯基酰胺除草劑）、甲基氨草磷（APM，一種磷酰胺除草劑）和氟樂在洋蔥、甜菜、甘藍胚培養中誘導多倍體已有成功報道。這類抗微管的除草劑物對微管蛋白有很強的結合力，對染色體損傷小，引起其他變異的機率比秋水仙素小，并且在這些再生植株中不存在嵌合體和植株生長延遲現象。秋水仙素的濃度則需高出幾十倍甚至上百倍，用以上除草劑更經濟有效，對植物材料及人體毒性更小。在生物多倍體誘導過程中，二甲基亞砜（DMSO）、吐溫、赤霉素、甘油、BA等作為輔助藥劑（誘導輔助劑），在提高染色體加倍效果上有一定的積極作用。其中，二甲基亞砜（DMSO）是運輸化學物質進入組織的一種載體，在多倍體誘導過程中可作為一種助滲劑和增效劑，能促進化學誘導劑快速進入生物細胞，從而縮短處理時間，減少毒害作用，對提高染色體加倍效果有一定作用。

2.3 生物學誘導方法

生物多倍體誘導法在植物領域主要采用有性雜交、胚乳培養、細胞融合（體細胞雜交）、組織培養等。體細胞雜交法又稱原生質體融合，該技術的發展是建立在組織培養和原生質體培養的基礎上的。原生質融合是細胞水平雜交的發展，克服了植物遠緣雜交障礙，是創造多倍體的新途徑。迄今從原生質體培養成的藥用植物有石刁柏、石龍芮、南洋金花、顛茄等十余種。植物胚乳培養是產生三倍體植株的主要方法。某些植株果核大、種子多，會帶來加工的困難，降低了產量和質量，而三倍體植株常常表現出無子，這對一部分藥用植物是非常有用的性狀，目前已成為改良果樹的重要途徑。目的性強的人工有性雜交可以在相同或不同倍性的屬、種或品種間進行。有計劃的有性雜交多是在二倍體間及二倍體與四倍體間進行，其中二倍體與四倍體的雜交目前仍是獲得三倍體的最有效途徑。

組織培養中的“體細胞無性系變異”是一種普遍現象，其中染色體倍性化變異是一個重要方面，在不添加任何誘變劑的情況下，可產生人工多倍體。研究中發現染色體加倍效果與材料的發育階段、取材部位、培養基類型、培養條件（如光照、溫度）等密不可分，激素種類及其濃度對誘導也有一定作用。

3 植物多倍體的育種意義

多倍體育種由于其誘變手段較簡單，育出的品種經濟價值高，還可有效克服遠緣雜交不親和等特點，因此應用較為廣泛。通過人工方法誘導植物多倍性在作物育種上的意義主要包括：① 多倍性植物常產生出巨大型效應。② 通過植物多倍性可以改變某些物種的自交不親和性。③ 在多倍體細胞內重復基因的存在對雜種后代群體內遺傳分離比例有明顯的影響。④ 通過遠緣親本或種間不育雜種的染色體加倍，可以克服遠緣雜交的不親和性，合成新類型或新物種。⑤ 利用植物多倍性作為種、屬間的遺傳橋梁，進行基因轉移或漸滲，便于遠緣物種間有利基因的相互轉移。⑥ 通過人工誘導多倍性可以從現有的二倍性作物中挖掘出潛在的無融合生殖種質資源。

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