毛白杨细胞遗传与三倍体选育的研究

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1、毛白杨细胞遗传与三倍体选育的研究(作者：康向阳导师：朱之悌)摘要白杨三倍体速生质优，特别适宜作为短周期纸浆材等工业用材。六、七十年代，国外曾出现了杨树三倍体育种热潮，但随后马上步入低谷，这主要与一些相关的理论和技术难题未能得以攻克有关。本论文在攻克杨树染色体镜检技术难关基础上,将细胞遗传学理论和技术与花粉辐射、倍性育种等工作结合起来进行研究，在毛白杨等白杨细胞遗传学规律的揭示、花粉染色体加倍以及三倍体育种实践等方面取得了一定的进展。主要研究结果如下：1．首次发现在毛白杨分布区内有一定数量的天然三倍体的存在，现已检出5个无性系，这也是我国在杨属中发现的首例天然三倍体。此外，通过花粉观察发现

2、毛白杨天然花粉中含有一定比率的形态较大的大花粉，其直径在35～45μm之间，这种大花粉的发生因遗传型及环境的不同而存在个体差异性，大花粉最高可达14.3％。花粉染色体计数为n＝2x＝38，属于未减数二倍性花粉（2n花粉），从而进一步证明毛白杨天然三倍体起源于未减数2n配子与正常单倍性配子的结合。2．从细胞遗传学角度更为直接地证明了毛白杨属杂种起源。通过大量的花粉母细胞减数分裂观察发现，毛白杨减数分裂终变期、中期Ⅰ有单价体和棒状二价体的出现，在后期Ⅰ有落后染色体的存在，甚至在末期Ⅰ、末期Ⅱ亦可见到单独存在的落后染色体或由此形成的微核。这种减数分裂过程中的染色体异常行为表现因个体不同，其出现

3、频率等均有所差异，体现了遗传上的多样性，由此推断毛白杨种群中可能有8～14对染色体表现出一定程度的异源性,表明了毛白杨为杂种起源。此外鉴于新疆杨以及毛白杨与新疆杨杂交产生的杂种毛新杨的染色体同源性较强、育性较好等现象，进一步推断毛白杨起源亲本之一可能包括新疆杨或银白杨。3．从细胞遗传学角度较为系统地揭示了毛白杨花粉败育的原因，即毛白杨异质性遗传基础与环境相互作用的结果。主要包括：①与异质性相关的染色体行为异常，导致同源染色体向子细胞的不均衡分配，造成具功能染色体的缺失，引起毛白杨一定比率的败育花粉的产生；②遗传上的不平衡与温度等环境因子相互作用，进一步引发毛白杨生理乃至结构上的不平衡，绒

4、毡层细胞发育异常，导致不产粉或产粉较少；③染色体结构变异（易位、倒位等）和染色体数目变异（天然三倍体）的存在也是造成毛白杨花粉败育的原因。4．首次将细胞学技术与白杨花粉染色体加倍技术结合起来，较为准确地掌握了花粉染色体加倍的有效处理时期。要获得较佳诱导效果，开始处理时花芽所处的减数分裂时期最为关键，其中采用0.5％的秋水仙碱溶液注射法处理时，以从减数分裂细线末期到终变期之前处理为佳，处理次数以3～5次（每次间隔5～7h）为宜，这样不仅可以保证2n花粉比率达到60～80％，亦可避免花药受药物和机械的过重伤害，保障取得6～8mg／序的花粉产量。 高温诱导2n花粉时，不同发育时期的雄花芽对高温

5、的耐受能力表现不尽一致，以终变期至中期Ⅰ之间最不敏感，此时处理最高可取得87.6％的2n花粉，但花粉产量极低。造成这种高温与化学诱导在始处理时期上存在差异性反应的原因在于，秋水仙碱诱导需要一个药剂渗透、作用的过程，而高温处理时则更为直接迅速。6雄花芽经秋水仙碱溶液处理后，细胞内染色体会因药剂作用而极度收缩，聚集于核内成团状，醋酸洋红染色明显，易于观察，而这种染色体发生聚集的细胞比率与最终的2n花粉比率有显著相关。就毛新杨而言，当这种细胞比率约为80～90％时，最终取得的大花粉比率可达65～85％，因此可利用这一现象对处理效果进行预测、评估，根据处理的花芽中染色体聚集成团状细胞的比率高低，

6、决定处理的持续或停止，从而达到较佳的花粉加倍效果。5．提出了以单倍性花粉作为参照，通过活体授精试验观察测定2n花粉生命力的方法，并据此揭示了利用2n花粉选育杂种三倍体时三倍体得率低的原因。该方法具有操作比较简单、易于统计等优点，而且还可以同时进行花粉发育观察和染色体计数等工作。应用这种方法对2n花粉生命力和发育情况进行测定观察发现，尽管2n花粉保持有一定的萌发力，但与正常单倍性花粉相比,天然和人工2n花粉的发育进程均较迟缓,在参与授精的竞争中处于劣势，这也正是育种中三倍体得率低的根本原因。6．首次证明利用不同倍性花粉对辐射的敏感性差异作为提高三倍体得率的有效手段，为三倍体白杨大群体、强选

7、择育种奠定了理论与技术基础。对白杨二倍性未减数花粉和单倍性花粉萌发率和萌发进程的观察结果表明，不同倍性花粉对60Ｃoγ射线辐射的敏感性不同，其中单倍性花粉的敏感性约为未减数2n花粉的2～3倍。为克服2n花粉在参与授精过程中萌发迟缓、竟争能力较差的问题，可利用这种花粉倍性对辐射的敏感性差异，施加一定剂量的辐射以刺激2n花粉萌发，同时抑制或杀死部分单倍性花粉，从而在一定程度上相对提高柱头上萌发和萌发较快的2n花粉比率。白杨三倍体育种结果