浅论花药花粉的培育

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1发展概况

花药和花粉的离体培养,简称花培,开始于20世纪50年代,Tulecke首先培养银杏的成熟花粉粒得到愈伤组织。1964年Guha和Maheshwari成功用毛叶曼陀罗花药培养获得许多胚状体,并证明胚状体直接起源于花粉粒,最终从胚状体进一步发育得到单倍体植株。目前至少有34个科,88个属,300多种植物的花药培养成功川。我国的研究始于20世纪70年代,将花培和传统育种手段相结合先后培育出大批具研究和应用价值的品种,如烟草、小麦、玉米、甜椒等川。1974年中科院植物所与山东烟草研究所合作,成功培育成烟草新品种并大面积推广,这是世界上第一个用单倍体育种方法培养出来的新品种。我国花培及单倍体育种应用在世界上处于领先地位川。

2相关概念

2.1花药

花药是植物花的雄性器官,一般被子植物的花药有4个花粉囊,每个花粉囊由外部的药壁和内部的花粉组成。药壁和药隔等组织的细胞为二倍体的体细胞,花粉是由花粉母细胞经过减数分裂形成的雄性性细胞。

2.2花粉

花药内的花粉母细胞(Zn)经减数分裂产生4个一群的单倍体细胞(n),这个发育时期称为四分体。由四分体刚刚解体形成的4个单倍体细胞,即单核花粉,又称为小抱子。小抱子继续发育,其核进行第一次有丝分裂后形成1个精核和l个营养核的二核细胞(二核花粉);营养核再有丝分裂一次形成2个精核和1个营养核的三核细胞(三核花粉),即成熟花粉。成熟花粉是植物的雄配子体。

2.3花药培荞

花药培养是将花药(花粉发育到一定阶段)接种到人工培养基上培养,以形成花粉胚或愈伤组织,进而分化成植株的技术。

2.4花粉培养

花粉培养是将花粉从花药中分离出来,使之成为分散或游离的状态,通过培养使花粉脱分化,进而发育成完整植株的技术。

3花药和花粉培养技术

3.1花药培养技术

花药离体培养基本步骤如下:外植体选择(以其中的花粉处于单核中、晚期为宜)、预处理(低温、高温或N饥饿等)~消毒一剥取花药(注意不要损伤花药,因为花药受损后会刺激药壁细胞形成二倍体的愈伤组织)*接种*诱导培养。花粉植株。花药培养可以得到单倍体,但也会得到二倍体或多倍体。例如,在水稻花药离体培养得到的24%株花粉植株中,单倍体只占35.3%,二倍体占53.4%,多倍体占5.2%[3]。这些变化中,非单倍体可能来自花药体细胞如药壁细胞,由它们先形成二倍体愈伤组织,再分化为二倍体植株,或者来自单倍体细胞的自主加倍,也可能雄核发育过程中的营养核和生殖核的融合。故花药离体培养不一定都能获得单倍体。

3.2花粉培养技术

花药离体培养中不可避免地会出现体细胞的干扰,为了解决这一干扰,可直接用花粉离体培养。其基本步骤是:花粉分离(自然散落或机械挤压等)*花粉预处理(低温、离心或乙烯利处理)一*花粉培养(可在合成培养基中加人失活的花药提取物,然后接人花粉进行培养)*花粉植株。由于花粉已是单倍体细胞,诱发它经愈伤组织或胚状体发育成的植株都是单倍体。花粉培养比花药培养难度大。在诱导培养过程中,因激素等条件的不同,使花粉植株的形成有两条途径:一是由小抱子的异常发育形成花粉胚(胚状体),再由花粉胚循着与合子胚相似的发育顺序发育,长成植株;另一条是小抱子多次分裂形成愈伤组织,再由愈伤组织进一步器官分化,形成芽、根,最后形成完整植株。花药和花粉离体培养的特点见表l。

4单倍体植株的加倍和单倍性的意义

4.1单倍体植株的加倍

单倍体植株通常表现为高度不育,对单倍体进行加倍处理是稳定其遗传行为和育种的必要措施。培养过程中不同发育阶段的单倍体细胞可以自发加倍,但自然加倍率很低,多数情况需人工加倍。人工加倍多用化学诱变法,常用的诱变剂有秋水仙素、对二氯苯、氟乐灵等。加倍处理时需注意的是,秋水仙素同时也是一种诱变剂,容易使细胞多倍化。因此,对处理的植株要经过一到几个生活周期的选择,才能得到正常纯合加倍植株。

4.2单倍性的意义

单倍体植株高度不育,从植物体生产繁殖角度看,意义不大,但在遗传研究,加速育种进程等方面有重要作用:①单倍体植株的基因表达不受同源染色体上基因干扰,是研究基因互作、基因定位的良好遗传材料;②一般杂交育种,需5一6代才趋于稳定.而单倍体育种从子一代获得花药离体培养后,经染色体加倍就可获得纯合品系,大大缩短育种周期;③雌雄异株植物中,雌雄植株的性状、经济价值可不同。正常杂交的话,后代中雄株只占50%。如果要想获得营养价值高的雄株,可通过花药或花粉的离体培养方法获得只含Y染色体的单倍体,加倍后得到超雄植株(YY),将超雄植株(yy)和雌株(XX)杂交就可得到100%的雄株;④花药培养出来的植株可以脱毒。