人工诱导植物多倍体的方法初探

张爱清

摘 要 重点总结了植物多倍体人工诱变的物理、生物和化学方法，并从植物多倍体的来源、特点及意义等方面进行了补充介绍。

关键词 人工诱导 植物多倍体

中图分类号 Q-49 文献标志码 E

多倍体是指体细胞中含有三组或三组以上染色体的个体。自然界广泛生存着多倍体植物，大约一半的被子植物，2/3的禾本科植物，80%的草类，18%的豆类是多倍体。其中，以蓼科、景天科、蔷薇科、锦葵科、禾本科和鸢尾科中多倍体最多。许多农作物及果树、蔬菜、花卉（如小麦、燕麦、棉花、马铃薯、甘蔗、花生、烟草、甘薯、苜蓿、山药、韭菜、荠菜、苦苣菜、香蕉、苹果、李、樱桃、梨、草莓、葡萄、菊、水仙、郁金香等）均为天然的多倍体。

1 多倍体植物的来源及特点

多倍体的类型有同源多倍体和异源多倍体。还有一些过渡类型或复合类型，如区段异源多倍体（BBB1B1）、同源异源多倍体（AAAABBBB）及倍半二倍体（ABB）等。现已查明多倍体形成的细胞学机制，是由于细胞分裂时染色体不分离而引起。大体有两种情况：① 减数分裂时，全组或部分染色体没有减数，仍停留在一个细胞核里，从而形成二倍性的生殖细胞。这种未减数的2n雄配子与带有2n的雌配子结合，发育成四倍体。但由于2n雄配子在授粉过程中常竞争不过经减数分裂的雄配子（n），因而会出现未减数的雌配子与减数的雄配子相结合，形成天然三倍体植物。② 有丝分裂时，染色体虽然复制了，但细胞没有相应地发生分裂，从而使细胞核里包含了比原来多一倍的染色体，产生了多倍体。总之，多倍体的产生是植物对不利条件的适应，是自然选择的结果，从而进化发展成新的变种或物种。

巨型性是同源多倍体主要形态特征之一。细胞核和细胞体积（特别是保卫细胞）、叶片、厚度、气孔和花粉粒、花和种子、茎的粗度增大。基因剂量倍增，从而使植物的一些生理生化过程加强，新陈代谢旺盛，其体内的某些生化成分的含量也相应提高。尽管同源多倍体育性差，结实率低，但多倍体植物一般生活力强，抗逆性提高，对环境适应性亦强。

2 染色体加倍方法

多倍体主要通过未减数配子融合，体细胞染色体加倍以及多精受精三种方式起源的。其中，未减数配子融合是多倍体形成的主要机制。多倍体的来源不外乎自然发生、人工合成和诱发突变等主要方式。而人工诱导植物多倍体的方法主要有以下三种。

2.1 物理诱导法

在植物多倍体诱导中，物理诱导法是指利用温度骤变、机械损伤、电离射线（X射线、γ射线、β射线、中子和α射线）、非电离射线（紫外线和质子）、离心力、热冲击、超声波、干旱等环境胁迫、逆境处理等物理因素处理植物材料，诱导细胞染色体加倍的方法。物理诱导法对象包括萌动的种子、幼苗以及雌雄花芽等。早期利用创伤与嫁接诱导多倍体，植物组织在创伤的愈合部位的染色体易加倍，其上面的不定芽发展成多倍体，用此方法在茄科植物上得到了多倍体。利用反复摘心的方法也可促使多倍体的产生。

物理方法在植物多倍体诱导中采用类似异常环境条件的处理方法，由于诱导率低，定向性差，嵌合体严重，危害性大（射线）而未能普及利用正逐步被淘汰。目前主要在一些具营养繁殖优势的植物上有应用。

2.2 化学诱导法

化学诱导法是指利用某些化学试剂处理分裂中的植物器官、组织甚至细胞，从而诱导细胞染色体加倍的方法。采用化学诱变剂进行多倍体诱导是目前最常用、最普遍、最有效、最经济的方法，主要利用富民农、萘嵌戊烷（C12H10）、富民隆、氧化亚氮（N2O）、吲哚乙酸等化学试剂诱发多倍体。化学诱导法的主要作用机理是抑制了细胞分裂时纺锤体的形成，使复制后的染色体不能拉向两极，细胞不能继续分裂形成两个子细胞，从而导致染色体加倍形成多倍体细胞，在此基础上进一步发育成多倍体植株。化学诱导又可分为活体诱导和离体诱导两种基本方法。诱导方式主要有浸渍法、注射法、涂布法、喷雾法、药剂-培养基法等。在化学诱导染色体加倍过程中需重视试剂的最适浓度、处理时期、处理持续时间和处理适宜温度。

已发现有200余种化学试剂对植物多倍体有诱导作用，化学诱导剂中秋水仙素是一种被广泛应用的多倍体化学诱导剂。在一定浓度范围内，秋水仙素对染色体结构无破坏作用，在遗传上很少造成其他不利变异，处理一定时间的细胞可在药剂去除后恢复正常分裂，形成染色体加倍的多倍体细胞。此外，一些除草剂在某些植物多倍体诱导中表现出多倍化程度高、药害轻，值得引起重视和注意。如安磺灵（一种二苯基胺类除草剂）、戊炔草胺（一种苯基酰胺除草剂）、甲基氨草磷（APM，一种磷酰胺除草剂）和氟乐在洋葱、甜菜、甘蓝胚培养中诱导多倍体已有成功报道。这类抗微管的除草剂物对微管蛋白有很强的结合力，对染色体损伤小，引起其他变异的机率比秋水仙素小，并且在这些再生植株中不存在嵌合体和植株生长延迟现象。秋水仙素的浓度则需高出几十倍甚至上百倍，用以上除草剂更经济有效，对植物材料及人体毒性更小。在生物多倍体诱导过程中，二甲基亚砜（DMSO）、吐温、赤霉素、甘油、BA等作为辅助药剂（诱导辅助剂），在提高染色体加倍效果上有一定的积极作用。其中，二甲基亚砜（DMSO）是运输化学物质进入组织的一种载体，在多倍体诱导过程中可作为一种助渗剂和增效剂，能促进化学诱导剂快速进入生物细胞，从而缩短处理时间，减少毒害作用，对提高染色体加倍效果有一定作用。

2.3 生物学诱导方法

生物多倍体诱导法在植物领域主要采用有性杂交、胚乳培养、细胞融合（体细胞杂交）、组织培养等。体细胞杂交法又称原生质体融合，该技术的发展是建立在组织培养和原生质体培养的基础上的。原生质融合是细胞水平杂交的发展，克服了植物远缘杂交障碍，是创造多倍体的新途径。迄今从原生质体培养成的药用植物有石刁柏、石龙芮、南洋金花、颠茄等十余种。植物胚乳培养是产生三倍体植株的主要方法。某些植株果核大、种子多，会带来加工的困难，降低了产量和质量，而三倍体植株常常表现出无子，这对一部分药用植物是非常有用的性状，目前已成为改良果树的重要途径。目的性强的人工有性杂交可以在相同或不同倍性的属、种或品种间进行。有计划的有性杂交多是在二倍体间及二倍体与四倍体间进行，其中二倍体与四倍体的杂交目前仍是获得三倍体的最有效途径。

组织培养中的“体细胞无性系变异”是一种普遍现象，其中染色体倍性化变异是一个重要方面，在不添加任何诱变剂的情况下，可产生人工多倍体。研究中发现染色体加倍效果与材料的发育阶段、取材部位、培养基类型、培养条件（如光照、温度）等密不可分，激素种类及其浓度对诱导也有一定作用。

3 植物多倍体的育种意义

多倍体育种由于其诱变手段较简单，育出的品种经济价值高，还可有效克服远缘杂交不亲和等特点，因此应用较为广泛。通过人工方法诱导植物多倍性在作物育种上的意义主要包括：① 多倍性植物常产生出巨大型效应。② 通过植物多倍性可以改变某些物种的自交不亲和性。③ 在多倍体细胞内重复基因的存在对杂种后代群体内遗传分离比例有明显的影响。④ 通过远缘亲本或种间不育杂种的染色体加倍，可以克服远缘杂交的不亲和性，合成新类型或新物种。⑤ 利用植物多倍性作为种、属间的遗传桥梁，进行基因转移或渐渗，便于远缘物种间有利基因的相互转移。⑥ 通过人工诱导多倍性可以从现有的二倍性作物中挖掘出潜在的无融合生殖种质资源。

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