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远缘杂交 一场物种间的跨界

用牧草与小麦杂交,培育出抗病性强的小麦品种——小偃系列小麦;用竹子和水稻杂交,培育出高产、稳产、抗倒、米质优良的水稻新品种——竹稻;用冰草与小麦杂交,培育出节水型小麦新品种——“普冰9946”;用枸杞与辣椒杂交,培育出个高大、产量高、营养丰富的宁夏枸杞辣椒……面对层出不穷的远缘杂交品种,恐怕多数人都会产生这样的疑问——究竟是怎样的融合,让看似不搭边儿的两个物种突破种属界限创造出了新物种?远缘杂交技术为农民致富增收创造了多少奇迹?

远缘杂交,选育最优秀后代

远缘杂交,其实就是个取长补短的过程。不同种、不同属,甚至亲缘关系更远的物种之间的杂交,突破种属界限,扩大遗传变异,从而实现创造新物种、改良旧物种、利用杂种优势的育种意义。

记者曾在南方的菜市场上看到过一种球形西葫芦,当时在想是不是基因突变?经调查了解,其实它是印度南瓜和美洲南瓜远缘杂交而成的特色西葫芦新品种,这听起来有些不可思议。

“让两个不同种、不同属,看似风马牛不相及的物种杂交,育出抗逆性强、适应性强、产量高的品种。”中国科学院院士、小麦育种学家李振声形象的比喻让记者对远缘杂交有了初步认识。他和他的育种团队几十年如一日,做着如此不可思议的探索,最终给了小麦野草般“春风吹又生”的旺盛生命力。

据李振声介绍,获得远缘杂种通常要克服三方面的困难:一是杂交不亲和性。可根据具体情况分别采用广泛测交、改变授粉方法、预先无性接近法、媒介法、改变亲本染色体的倍数性、理化因素处理,或其他方法克服。二是杂种夭亡或不育。由于远缘亲本在遗传、生理上的巨大差异,即使克服了受精过程的障碍,在胚乳植物中还可能出现胚与胚乳之间发育不协调以致幼胚败育,可采用杂种幼胚离体培养解决。造成杂种不育的原因多半是由于来自双亲的异源染色体不能正常配对,破坏了减数分裂的正常进程和大小孢子形成。利用秋水仙碱处理杂种使染色体加倍,不仅可克服杂种不育,还可创造新种。通过延长生育期、改善营养条件等措施对克服杂种夭亡、提高杂种育性有时也有一定作用。三是疯狂分离。由于来自双亲的异源染色体不能互相配对而形成大量单价染色体,在连续几个世代的配子形成过程中,随机分散到杂种后代的细胞内,形成多种多样的性状变异,解决办法是染色体加倍或回交。

就像马和驴杂交的后代骡子没有生育能力一样,让小麦的杂交后代获得牧草的抗病基因谈何容易,从上世纪50年代,李振声就在西北开始了大浪淘沙式的实验研究。“起初我们选了12种牧草与小麦杂交,只成功了3种,但其中的两种表现都不十分理想,只有长穗偃麦草一枝独秀,与小麦的杂交后代最优秀。”李振声说, “于是,我们就把研究重点集中于此,便有了现在的小偃系列小麦。”

远缘杂种,特性关键词解读

不难看出,高产、耐旱、抗倒伏等等,俨然成为了远缘杂交品种的特性标签。那么,远缘杂种品种的效果究竟如何呢?俗话说,是骡子是马拉出来遛遛。

高产:代表作物:“周麦22”

“我院培育的小麦品种‘周麦22’亩产764.2公斤,创造了国内千亩高产示范方实收最高亩产纪录。”河南省周口市农科院小麦室主任韩玉林说,“目前,‘周麦22’已迅速成为我省第一大推广品种,黄淮麦区累计推广面积7000多万亩。”

据韩玉林介绍,“周麦22”是通过小黑麦与普通小麦远缘杂交、回交、辐射诱变、阶梯聚合改良等模式,综合运用常规育种与抗病性平行接种鉴定、品质测定及一年三次加代等育种新技术定向选育而成,技术水平居国内领先。该品种于2007年9月通过国家审定,2009年获得国家植物新品种权保护。

据了解,该品种高产潜力大,稳产性、耐旱性、抗寒性及茎秆弹性都很好,抗倒伏能力强,适宜在河南省、安徽北部、江苏北部、陕西关中地区和山东西南部高中水肥地块早中茬种植。2013年已成为河南省麦播面积最大的小麦新品种。

韩玉林表示,该品种应用前景十分广阔,预计2年~3年内就能成为我国推广面积最大的半冬性小麦新品种之一,为国家粮食安全作出贡献。

耐旱:代表作物:“普冰143”

大旱当前,耐旱、节水、高产的作物有了用武之地。西北农林科技大学副研究员张正茂从具有先天性抗旱基因的冰草中找出一些优配个体,再通过人工组培出能开花结实的植株,与日本普通小麦Fukuho进行多代杂交回交,选育而成的“普冰143”不仅对提高陕西渭北旱塬和关中北部旱地区域的小麦产量产生重要影响,而且丰富了普通小麦的遗传背景,为我国小麦育种提供了优秀的种质资源。

据了解,“普冰143”具有冰草抗旱、抗病、分蘖力强、结实性好等优点,属冬性多穗型小麦品种,千粒重37克~41克,株高90厘米~100厘米,全生育期240天,是一个具有良好食品加工特性的面包、馒头兼用型小麦品种。

即便没有遇到干旱,耐旱作物也因替农民节约成本而受到农民青睐。种植农作物是件辛苦的事,要投入充足的人力和物力,浇水灌溉就是首当其冲的。据了解,给地里灌一次水少则三四十元,多则七八十元,再加上人力成本,让农民苦不堪言。“普冰143”可谓顺应农民需求,可减少浇水、施肥、打药次数,大大降低了种植成本,除了在陕西旱地种植,还在河南三门峡、洛阳以及甘肃陇东高原大面积推广。

抗倒伏:代表作物:竹稻

细细的叶,疏疏的节;雪压不倒,风吹不折。郑板桥笔下的竹子坚韧而挺拔。用竹子与水稻进行杂交,水稻就能抗倒伏吗?广东省梅州市蕉岭县霭岭村的农艺师钟章美用40年的时间给出了肯定的答案。

竹子和水稻是同科不同属的植物,“亲和性”很差,杂交育种是非常困难的事,要想竹子与水稻远缘杂交育种成功,必须解决两大技术难关:一是解决授粉授精技术;二是解决杂交后代不育的问题。钟章美利用竹子开花和水稻开花相互授粉,通过自然杂交,最终得到了根系发达,分蘖率强,叶片硬、直、厚,茎秆坚硬,茎部竹节明显,介于竹子与水稻之间的新物种——竹稻。目前,我国科学家已育成“竹稻966”、“竹稻963”、“竹包美”、“竹包香”、“竹稻香”、“再生竹稻208”等新型非转基因水稻品种。

据了解,经农业部稻米及制品质量监督检验测试中心检测,竹稻米含有竹子基因及其控制生成的多种有益营养元素,富含竹黄酮、蛋白质,以及锌、硒、钙、铁等微量元素,其中蛋白质、钙、锌、硒等含量是普通大米的数倍到数十倍,远超泰国香米和日本“月光米”。

远缘杂交的意义

创造新的作物类型:实践证明,人类完全可以有意识地通过远缘杂交创造新的作物类型。欧美的仙人掌类育种家利用远缘杂交己创造了19个观赏价值很高的新属,如用昙花和令箭荷花杂交创造的昙箭荷花等。

利用异属、种的特殊有利性状:通过远缘杂交利用野生类型的高度抗病性和对环境胁迫的抵抗能力,来改良栽培品种。如19世纪中叶欧洲育种者利用含抗晚疫病基因的野生马铃薯与栽培种杂交,获得了抗晚疫病的品种;利用现代月季与蔷薇杂交,筛选出部分抗寒性很强的新类型。

丰富作物的变异类型:通过种、属间杂交可显著丰富园艺植物变异的多样性。以花卉的色泽为例,由单一物种起源的花卉如香豌豆、翠菊、旱金莲、牵牛花等花色往往比较单调,而由若干个野生种杂交起源的花卉如唐昌蒲、香石竹、大丽花、蔷薇类则花色丰富多彩。日本蔬菜茶业试验场久留米支场通过种间杂交把黄毛草莓的抗性和果实的特殊香味整合到凤梨草莓中,10x的IH1号果实大小已接近栽培品种;通过属间杂交将红花性状转到栽培草莓中,育成了红、粉红和淡红花而花期很长的观赏品系,其中一个已用于商品生产(野口裕司等,1998)。

创造新的雄性不育源:利用雄性不育系是简化育种手续的重要手段。现代育种学利用远缘杂交的手段导入胞质不育基因或破坏原来的质核协调关系育成番茄、南瓜、白菜等多种作物质核不育的雄性不育系和保持系。

探索研究生物进化:远缘杂交后代中可再现物种进化过程中所出现的一系列中间类型和新种类型,这就可为研究物种的进化历史和确定物种间的亲缘关系提供实验根据,有助于进一步阐明某些物种或类型形成与演变的规律,进而利用这些规律创造新物种。例如以黑刺李与樱桃李杂交,Fl加倍后,得到双二倍体,其特征与欧洲李相似,而且和欧洲李杂交亲和性良好,从而提出了关于欧洲李起源于上述种间杂交的观点。

远缘杂种特有症状

●高度不育性,主要是由于染色体的不亲和与生理平衡受到严重干扰等引起的。例如母马和公驴杂交生下的骡子不能生育。但在植物中可用秋水仙碱等化学药物处理杂种的生长点或分蘖节等有分生组织的部位,使体细胞的染色体加倍,变成异源四倍体,每一条染色体都有双份,就能像二倍体一样进行正常的减数分裂,形成可育的配子,这样,远缘杂种就可以有正常的繁殖能力。

●杂种后代会出现“疯狂分离”现象,所谓“疯狂”是指后代性状分离的类型很多,稳定性差,有时甚至到10多代后还出现分离。

●杂种后代比较容易回复到亲本类型,这是因为远缘杂种中间类型的生活力和育性都比较差,在选择压力下很容易被淘汰。

●有些远缘杂种在胚胎发育过程中,会发生一个亲本排斥另一亲本染色体的现象。

●远缘杂种的生活力一般低下,在很多情况下在胚胎期就死亡。

    来源:农民日报

    远缘杂交(distant hybridization)一般是指植物分类上不同种、属或亲缘关系更远的物种间的杂交,它可以把不同种、属的特征、特性结合起来,突破种属界限,扩大遗传变异,从而创造新的变异类型或新物种。

    远缘杂交一般不易结实,即使结实,也通常不育或夭亡,杂种后代分离幅度大,分离世代长且不易稳定。远缘杂交在育种上的意义主要是:创造新物种、改良旧物种、创造和利用杂种优势。用杂交技术进行作物育种是本世纪初以后的事,将远缘杂交用于作物育种上的历史就更短了。然而,远缘杂交作为新物种形成的重要途经之—,在自然界里早就开始了。例如,普通小麦、普通烟草、陆地棉等都是经不同物种天然杂交和长期的自然选择而产生的。

    现在种植的普通小麦,就是由三种野生植物,经过两次天然远缘杂交,九千多年的自然选择和人工选择而形成的。人类最早种植的小麦叫一粒小麦,一粒小麦的产量是很低的;以后是二粒小麦,二粒小麦就是由一粒小麦与拟斯卑尔脱山羊草经天然远缘杂交而产生的,二粒小麦的产量高,慢慢取代了一粒小麦;二粒小麦又遇到另外一种田间杂草叫粗山羊草,通过二粒小麦和粗山羊草相互杂交和染色的加倍就形成了最古老的普通小麦,又经过了五千多年的自然选择和人工选择,才形成了我们今天种植的普通小麦。

    如今普通小麦已成了小麦属作物中的集大成者,不仅产量提高了,另外还有一个非常重要的变化,就是普通小麦的面粉可以发面做成馒头,做成面包,二粒小麦的面粉没有这个功能,是不能发面的,这个基因是从粗山羊草里面来的。因此说,小麦的进化历史就是一部远缘杂交史。

    来源:遗传与发育生物学研究所

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