综合论述 Comprehensive discussion
植物同源多倍体育种的几个问题
摘要：四倍体变异既来自染色体数量、结构的变异及基因突变、重组，而且与细胞核和细胞质、合子胚和胚乳之间协调关系的变化相关。其变异率显著高于二倍体。四倍体倍性纯合是一个相对平衡的系统，连续倍性选择是无效的。不同物种的四倍体表型变异有一定的差异，往往是既有有利突变，也有不利的变化，四倍体育种应采取风险规避，根据具体情况，选择适当的方法。减数分裂四倍体由二倍体的2n配子与经选择的四倍体的正常配子融合产生。避免了化学诱变的不利影响，可以更好地实现父母本的优良性状的互补，且相对容易稳定。四倍体可以直接育成稳定品种，也可以进行杂种优势的利用。利用多倍体作桥梁种，有利于促进种或种群间的基因交流。三倍体可能表现出强的杂种优势，也可能产生无籽果实，但并不是所有物种都能直接利用三倍体进行育种。对四倍体和二倍体物种以及人工四倍体的改良选择，利用双单倍体都具有重要意义。利用多倍体选育二倍体品种，进行非倍性诱变育种，是多倍体育种的重要组成部分。多倍体和无融合生殖相结合，利用多倍体创造新种质，进行遗传研究，也有重要价值。
关键词：同源四倍体；三倍体；遗传变异；育种
Plants Several Problems of Autopolyploid Breeding
Abstract: Tetraploid variation comes from chromosome number, structural variation and genetic mutation, recombination, As well as the nucleus and cytoplasm, zygote embryo and endosperm of the between coordinated relationship changes of related. The mutation rate was significantly higher than that of diploid.Autotetraploid ploidy homozygosity is a relatively balanced system, continuous ploidy selection is invalid. Different species of autotetraploid phenotypic variation has certain difference, is often not only beneficial mutations, also have adverse change, autotetraploid breeding should take risk aversion, according to the specific circumstances, select the appropriate method. Meiosis tetraploid be made up of diploid 2n gametes and tetraploid normal gametes fuse to produce.Avoid the negative impact of the chemical mutagenesis, Can better complementary the good traits of parents, and relatively easy to stabilize.autotetraploid can directly breeding stable varieties, can also be for the use of heterosis. The use of polyploid as bridge is conducive to the promotion of gene exchange between species or populations.The triploid may exhibit strong heterosis, may also produce seedless fruit, but not all the species can be directly use triploid breeding.On tetraploid and diploid species and artificial tetraploid of improvement selection, use double haploid has the important meaning. Using polyploidy breeding diploid varieties, proceeding Non ploidy mutation breeding, is an important component of the polyploid breeding.The combination of polyploid and apomixis, using polyploid to create new germplasm, proceeding genetic research, also has important value.
Key words: Autotetraploid; Triploid; Genetic variation; Breeding
作为进化的产物，在自然界中有70%～80%的植物为多倍体[1～3]。人工同源多倍体育种的成就是伟大的，但对更多的物种其成效却又不尽如人意。多倍体育种几起几落，困难重重，但又不乏生命力。在新一轮绿色革命中，多倍体的利用将再次为人们所关注。
1 四倍体的遗传变异
同源四倍体是由二倍体加倍产生的，加倍后的重复基因有三种可能的命运[4]：保持原有的功能；基因沉默（Gene silencing）；分化并执行新的功能。
三种命运不是孤立的，而是加倍后物种遗传特性的综合体现。其遗传变异主要涉及以下五个方面。
1.1 细胞核和细胞质之间的相互作用
染色体加倍，细胞核和细胞质之间原有的协调被破坏，胚和胚乳之间的比例也发生了变化，这些不仅会引发物种生理代谢机能的变化，而且会导致某些可遗传性状的变异。例如，同源四倍体普遍存在的自交亲和性的降低，某些物种还可能存在杂交不亲和等。在新的基础上重建核-质之间和谐、平衡的相互关系，提高兼容性水平，这是多倍体稳定和进化的一个重要基础。
1.2 纯合四倍体倍性的相对平衡
同源四倍体在倍性上不论如何纯合，都只能是一个相对平衡的系统，这是由四倍体减数分裂产生非整倍性配子所造成的。四倍体居群倍性的相对平衡，一方面表现为群体中经常出现一定比例的非整倍体，另一方面还表现为其非整倍体的类型往往也是比较恒定的。非整倍体的生活力和生产力较之正常的四倍体有明显变弱的趋势，其程度随着染色体数差异的增加而加强。但是对一个相对平衡的四倍体居群，由于非整倍体而造成的生产力下降却又并不很突出。例如，在四倍体糖甜菜中，一般认为不超过5%，有报告认为对产量的影响很少超过1%[5]。
对四倍体进行倍性选纯是必要的，但达到一定平衡状态后，再选择则将是无效的。
1.3 染色体结构变异
四倍体染色体结构变异的频率可以预料高于二倍体。染色体重排（Chromosomal rearrangement）是广泛存在的变异类型，在一些植物中，重排主要发生在同一染色体组内非同源染色体之间，对水稻四倍体花粉再生植株的减数分裂研究发现，粗线期出现染色体相互易位、倒位、疏松配对及缺失-重复环；终变期出现十字交叉及互锁染色体；中期出现染色体拖曳，核仁延迟消失；后期则有桥、落后染色体等[6]。在同源四倍体茄子的育种研究中发现，减数分裂中期不仅有四价体，还有六价体和八价体的染色体环，这显然是发生非同源染色体易位的特征[7]。对几乎所有异源多倍体的研究还发现，不同染色体组之间的相互易位（Reciprocal translocation）也都存在。通过GISH分析，在四倍体燕麦（Avena）中发现了5个基因组间的相互易位[8]；在六倍体燕麦中相互易位则多达18个[9]。对多倍体臂内倒位（Paracentric inversion）和臂间倒位（Pericentric inversion）的研究发现，这些染色体的结构变异，除可能影响优先配对外，主要意义还在于可能改变基因的平衡[10][11]。等臂染色体（Isochromosome）和假等臂染色体（Pseudoisochromosome）是植物中偶尔见到的一种染色体，被认为是畸形的，没有进化意义。但在四倍体里，因为有同源染色体，防止了等臂染色体的内部配对，于是有可能形成正常二价体，随后的分离也正常。同时，稳定的等臂染色体的形成意味着重复臂的存在，而重复基因则为突变的保留创造了条件，因而在同源四倍体的遗传研究中，等臂染色体作为一种染色体结构变异类型，不应该被忽视[12]。
1.4 B染色体的作用
B染色体对不同物种交叉的形成和基因重组发生着不同的影响，从而影响配子和子裔的变异性。在四倍体杂种中，当没有B染色体时，同源染色体配对，结果形成多价体；当有B染色体存在时，具有二倍化（Diploidization）的效应—抑制部分同源染色体配对，促进二价体的形成[13]。
1.5 突变和基因重组
同源多倍体的基因突变和基因重组，一般认为不像在二倍体中那样重要，特别是隐性突变频率较低，常常会被掩盖起来。但在实践中，同源四倍体的隐性突变有时却并不罕见。例如，在同源四倍体茄子的育种研究中，曾不止一次发现过一种叶片皱缩变厚、结果较少的突变类型，电镜检查并非病毒侵染，经遗传试验分析，为隐性突变体。现已将其转育到一些四倍体和二倍体中，并实现了和正常结果性状的基因重组，恢复了正常的结果能力（李树贤等，未发表）。
基因突变在物种进化，特别是多倍体物种进化中，具有重要作用。许多作者都认为，在不同染色体组内原是同源的基因，将会向着不同的方向突变，并且会逐渐变得不同而不再是等位基因了。这种分化最后把多倍体转变成这样一个物种，即其大多数基因在配子内只出现一次，在合子内出现两次，于是在效果上，染色体数目虽有改变，但却将恢复到二倍体的特性。因此，多倍体乃同时增加基因数目和基因种类的一种机制[14]。
导致多倍体重复基因遗传二倍性（Genetic diploidy）的因素，除染色体重排等大的结构变异外，由同源序列的相互作用和某种外遗传（Epigenetic）修饰而导致的基因沉默；由倍性变异而引发的DNA排除（DNA elimination）；由不同染色体的同源序列间可能发生的基因转换（Gene conversion）或相互重组（Reciprocal recombination）而导致位于不同染色体的rDNA序列的同质化等遗传现象都已为一些研究所证实[15～20]。新一轮多倍化过程可以在这种二倍化的多倍体基因组中再次发生，并伴随新一轮二倍化和进化趋势。这种重复（多倍化）和趋异的循环或许代表了多数被子植物基因组的进化历史[4]。
基因重组在同源四倍体中也经常发生，它一方面来源于染色体重排、基因组入侵（Genomic invasion）以及核-质之间的相互作用（Nuclear-cytoplasmic interaction）[21～24]，同时也来源于对四倍体的种质渗入（Introgression），这种渗入多是单向的，即由二倍体向四倍体渗入，由二倍体的2n配子和四倍体杂交，产生新的基因重组的四倍体；另外，也可以来自四倍体的二次杂交，即亲缘四倍体种或不同四倍体品种间的杂交和种质渗入。这些情况都已为许多事实所证实。
2 四倍体的选育
2.1 四倍体的表型变异
同源多倍体在表型上普遍具有巨大性，不同物种其具体表现有一定的差别，而且经常难以预料。例如，四倍体水稻茎秆增粗，千粒重增加，籽粒蛋白质增加，适口性较好；但穗数和每穗粒数减少，结实率下降，产量锐减。茄子的同源四倍体巨大性明显，分枝习性多由原来的伪双叉分枝变为不规则分枝，有的分枝不发达（或少分枝），有的分枝旺盛而近似丛生；授粉习性由自花常异交授粉变为高度自交不亲和及与二倍体杂交难以亲和；果实种子数大幅度下降；第一花节位升高，生育期推迟；结果能力普遍增强，但畸形僵果株率居高不下；果实营养成分普遍改善[7][25]。四倍体由于染色体加倍引发的变异，经常是有利性状和不利性状兼而有之，而且还常有不良连锁存在，因而能直接用于生产的可能性很小。
2.2 四倍体的分离
同源四倍体的等位基因有4个，存在按染色体随机分离、按染色单体随机分离和基因位点与着丝点间交换为50%时的染色单体分离三种不同分离方式。在独立分配下，自交后代及双式杂合体与任一纯合亲本回交，其纯合速率都要较二倍体慢得多，所需要的分离群体也要较二倍体大得多。且在实践中，还常常是同一世代，甚至同一位点几种分离方式并存。这就构成了同源四倍体遗传的复杂性和选择的困难性。
同源四倍体的选择需要更大的群体和更多的世代，这说起来容易，做起来难。从严格意义上讲，再大的群体、再长的世代、再严格的人工选择，都将难以避免大量被遗漏的基因处于自然选择状态之下，异花授粉作物尤其是这样。从品种的要求和适应性以及育种的可能性等因素考虑，在同源四倍体育种中，将选育主要性状基本稳定的综合品种作为育种目标是必要的。
2.3 四倍体的选择
由于变异的广泛性和复杂性，同源四倍体的选择较之二倍体要困难得多。有价值的同源四倍体多为异花授粉。自交不亲和则为原本自花授粉的二倍体的同源四倍体利用异花授粉作物常用的选择方法提供了方便。
单株选择同样是四倍体最基本的选择方法。例如，四倍体糖甜菜自交不亲和，对于基础较好的四倍体系，即使在群体较小的情况下，采用母系单株选择法也能选出优良的后代[26]。在葡萄中，通过实生苗单株系谱选择育成了四倍体品种[27]等。
四倍体的混合选择可分为授粉前与授粉后两种，授粉前混合选择较之授粉后选择烦琐，但选择效果将是授粉后选择的加倍[28]。
品种间杂交及回交是四倍体品种改良经常采用的方法，在西瓜、糖甜菜等许多作物中都有成功的报道。关于四倍体回交的适宜次数，研究认为，若只需改良某一特定性状，如杂合亲本选择得当，在理论上回交4代后不利基因频率即可下降到3.13%，带有不利性状的植株比例也可下降到12.42%。但在实际工作中，需要回交的次数可能较理论次数高一倍[29]。
轮回选择是同源四倍体行之有效而经常采用的选择方法。在苜蓿中，自交衰退严重，控制授粉也较困难，表型轮回选择在苜蓿的抗病育种中取得了很好的成就[30]。在糖甜菜的多倍体育种中，利用轮回选择不仅能有效地提高四倍体亲本系的经济产量和抗病性，而且还可同时进行不育系与O型保持系的改良[26]。水稻的同源四倍体育种难度很大，几个优良的4x系的获得，所利用的亲本数与轮回选择次数最多的达11个亲本4次轮回[31]。同源四倍体茄子品种新茄1号则是利用3个原始二倍体的多个优良四倍体系，历经20年轮回聚合选育而成[32]。
3 四倍体的利用
3.1 一般原则
利用多倍体改良植物品种，有一些众所周知的基本原则，包括染色体数目较少、以收获营养体为主、异花授粉、多年生习性和无性繁殖等。但这并不是绝对的。例如，不少果树植物染色体基数都较高，但却还有再次加倍利用的余地；一些以收获籽粒为目的的禾谷类作物，如水稻、大麦、高粱等也在进行多倍体育种。以籽粒为收获物的粮食作物进行四倍体育种，一方面是出于品质改良的考虑，另一方面也与常规二倍体育种种质资源不足及某些特殊育种目标有关。这些例子说明，在同源多倍体育种中，除了注意一般原则外，还应考虑互补和不可替代原则。
3.2 综合育种技术的应用
选择对同源多倍体育种具有重要意义，但选择效果并不是无限的。在水稻中某些高代四倍体系的平均结实率很难通过株选的办法再提高[31]。本文作者在茄子的同源四倍体育种研究中，通过对株高、叶形指数、结果数、单果重、单果种子数等一系列性状系谱选择的研究发现，随着品种趋于稳定，继续增效将非常困难。这些都证明，在同源四倍体育种中可能存在选择极限的问题。为了提高倍性育种效率，拓展诱变材料、扩大诱变谱，加大选择群体是必不可少的。此外，在选择的过程中，还应考虑采用新的有效措施不断创造新的变异，促进更有效的基因重组。为此经常采用：①四倍体水平上的多次杂交；②辐射诱变；③无性系选育及其他生物技术的运用等。
在同源四倍体水稻育种中，利用多亲本多次轮回杂交，育成了优良的4x系，后又经无性系选择，已获得了几个优良的4x无性系，其产量水平已达到或略高于最好的二倍体对照品种[31][33]。在二倍体大麦的未成熟胚培养中，从品种85-114的再生植株中检出3株同源四倍体，其中1株表现较好，经6代选择结实率达到82.1%±0.6%[34]。后又对其（四倍体）进行花药培养，在再生植株（R1）中，获得了1个结实率为84.4%、分蘖力也优于供体四倍体的变异体。这个无性系变异体来自雄配子体的加倍，其基因型应该是纯合的[55]。另外，也还有报道通过聚合杂交结合辐射诱变，加速了四倍体大麦的二倍化进程。
3.3 减数分裂四倍体的利用
在倍性育种中，对减数分裂四倍体的利用应给予足够的重视。所谓减数分裂四倍体，是相对于有丝分裂过程染色体加倍而言的。其途径是2x种群（品种）减数分裂紊乱产生2n配子参与受精而形成四倍体。减数分裂四倍体可以通过4x×2x、2x×4x、3x×2x等途径而获得。3x×3x、3x×4x也能够获得四倍体。减数分裂四倍体由四倍体和二倍体杂交而产生，所用四倍体一般多为已经多代选择、一些突出的不良性状已在很大程度上得到克服的优良四倍体系；二倍体也可择优采用，且其参与受精的2n配子在遗传上为纯系，这样两种雌雄配子融合所产生的四倍体为双亲遗传基因的重组，免除了化学诱导常出现的一些不良变异，容易选纯稳定。特别是四倍体一经获得，其倍性就是纯合的，这在化学诱变中是少有的。
在缩短育种时间、提高育种效率上，利用减数分裂四倍体也有好处。例如，茄子同源四倍体品种新茄1号的育成前后花费了20年，而以新茄1号的原4x系作为母本与优良的2x材料杂交，则仅用了7～8年（世代）就已选得了2个优良的4x选系，且都未出现有丝分裂四倍体所出现过的植株分枝性状的疯狂分离及居高不下的畸形僵果株率。其他如株高、茎粗、叶形指数、果形指数、第一花节位、植株结果数、单果重、单果种子数等性状，7～8代的选择效果就达到或超过有丝分裂四倍体20～25代的选择效果。2个减数分裂四倍体系不仅综合了双亲的优良遗传性状，而且还出现了原父母本所没有（或未能表现）的优良超亲性状。在厚皮甜瓜及黄瓜的四倍体育种中，通过4x×2x和2x×4x也都获得了四倍体，在甜瓜上其瓜个大小明显优于有丝分裂四倍体；在黄瓜上单瓜种子数明显多于有丝分裂四倍体。单瓜种子数少是黄瓜同源多倍体存在的主要问题；瓜外形变小是大果型厚皮甜瓜四倍体存在的缺点之一[35～37]。在大白菜上，通过4x×2x和2x×4x都获得了四倍体，其结球性、抗病性良好[38]。在糖甜菜及一些果树植物上，减数分裂四倍体的价值也早已被肯定。
3.4 利用四倍体培育新品种
利用四倍体可以直接育成稳定品种，也可以在四倍体水平上进行杂种优势育种。
同源四倍体育种，在禾谷类作物中已有四倍体黑麦、四倍体荞麦、四倍体水稻品种（系）的育成与推广[31][39～41]。在饲草作物中，四倍体黑麦草、四倍体三叶草及四倍体饲用玉米等已在一些国家和地区得以推广应用。在果树植物中，四倍体“巨峰”系列葡萄品种的培育和利用最具代表性[42]。此外，梨也有优良四倍体的报道[43]。一些著名的美味猕猴桃（Actinidia deliciosa）品种均是六倍体（2n=6x=174）；草莓的大果型品种都是八倍体（2n=8x=56）;1个果大、果型端正、高桩、色泽鲜艳、丰产性好的无核自然突变椪柑品种“桂林良丰”为4x与2x的混倍体[44]，等等。在蔬菜作物中已有芦笋[45]、大白菜[38][46][47]、茄子[32]、金针菜[48]等四倍体品种育成。作为以营养器官为收获物、改善品质、多年生或无性繁殖植物品种改良的手段之一，同源四倍体的利用可能有比较广阔的前景。
四倍体水平上的杂优育种，目前研究得还不够充分。以下情况可供参考。
（1）植物的杂种优势与其授粉习性、倍性水平有密切的关系。物种自身基因杂合性（内源优势）越大，双亲杂交杂合性（外源优势）就越小；杂种优势为异花作物＞自花作物，二倍体＞四倍体。
（2）四倍体杂种优势的利用，亲本的选纯及配合力测验仍然是最基本的。例如，糖甜菜块根产量和含糖率具有不同的遗传结构，可通过亲本选配达到二者都有较高的优势[26]。
（3）雄性不育系、自交不亲和系等育性基因的利用，在四倍体杂种优势育种中同样重要。在高粱、水稻四倍体杂交种选育中，细胞质雄性不育系已有三系配套的报道[49][50]；在糖甜菜中，四倍体单交种已被成功地用于双交种三倍体品种的选育中，其四倍体单交种是利用两个自交不亲和系配制的，二倍体单交种是利用雄性不育系和异型保持系配制的[26]。
（4）标志性状在四倍体杂交种中的利用。在糖甜菜中以下胚轴颜色作标志性状已被采用；在西瓜中，黄叶脉、无杈等标志性状已有利用。
（5）四倍体杂交种的杂种优势在F2、F3和F4都能保持较高的水平，甚至可能有所增加，这在糖甜菜中已得到证实，被认为是四倍体水平的独有特性。四倍体杂交种有可能连续使用几代，这对降低种子成本有积极作用[5]。
3.5 利用多倍体作桥梁种
人工多倍体作为媒介可能发挥重要作用：①提高两个种间的可杂交性；②促进同源多倍体种群之间的基因流动；③提高育种效率。
在蔬菜作物中，利用桥梁种将野生种有利基因引入栽培种，做工作多的是马铃薯。在马铃薯的品种改良中，被广泛利用的野生种有2x、3x、4x、5x和6x等材料。除少数例外，这些野生种与栽培种杂交大都难以成功。但通过一些不同倍性的桥梁种，则可实现其与栽培种的杂交。其中对二倍体野生种的利用，常以一个四倍体野生种S.acaule作为桥梁种，获得三倍体以后再加倍为六倍体，再与二倍体或四倍体栽培种杂交，可以获得四倍体、五倍体和七倍体等不同倍性类型，供进一步育种利用[51]。
甘薯为同源六倍体，其近缘野生种I.trifida是由二倍体、三倍体、四倍体、六倍体组成的复合种，具有多种病虫害的抗性基因和其他有利基因，能够和栽培种甘薯杂交，是目前甘薯育种中研究和利用最多的野生种。缺点是其贮藏根几乎不能膨大。以其三倍体系统K222的不同株系作桥梁种进行杂交，再与六倍体栽培种杂交，再将该杂种同二倍体的K221杂交，经几代选择得到栽培性状可与六倍体栽培种匹敌，其他性状优于六倍体栽培种的四倍体栽培种。该四倍体种不仅可直接用于农业生产，而且还可与其他不同倍性的近缘野生种杂交[52]。
在水稻中，李氏禾属（Leersia）中的假稻（L.hexandra）有许多可供利用的遗传性状，但不能与二倍体杂交。后通过同源四倍体水稻与之杂交获得了成功[53]。
在高粱育种中，约翰逊草（S.halepense L.pers.2n=40）具有很多可利用的性状，但与二倍体栽培高粱存在遗传障碍，通过栽培高粱的同源四倍体与之杂交获得了成功[54]。在苜蓿育种中，Medicagosativa-falcata种群已建立了从1x到8x的全套同源多倍体系列，供育种学家在任何倍性水平间转移基因。冰草属Agropyron二倍体的A.cristatum与A.spicatum杂交很难成功，只有其中之一或两者都加倍为同源四倍体时杂交才能成功。与此相似，把二倍体 A. spicatum或二倍体A. stipifolium与六倍体A. repens杂交，也未能成功，但利用同源四倍体杂交就容易成功。另外，在野芝麻属Lamium、三叶草属Trifolium、草莓属Fragaria、烟草属N.icotiana的许多作物上，也都得到了相似的结果[30]。
3.6 创造种质材料
通过各种途径获得的四倍体，对于育种工作都是种质材料，由于染色体结构和数量变异及基因突变，其原始四倍体在若干世代都将产生分离，这些分离出的不同类型也是重要的种质材料。通过无性系诱导，还常能出现更多的变异类型，如在水稻、大麦、大白菜的四倍体花药培养中都曾获得过各种不同的倍数体。在大麦中，所获得的双单倍体系成熟期相差1个月左右，株高、穗长、分蘖力、成熟期、结实率等方面都有较大差异，特别是结实率有高达84.4%的，千粒重大幅度增加（38.48～55.5g，亲本平均39.3g），籽粒蛋白质含量保持了四倍体的水平[55]。在水稻中，中国农业科学院作物所已将大约150个栽培品种转变成同源四倍体，通过杂交获得了数千份种质材料，这些种质材料既有类型丰富、性状突出的四倍体；也有四倍体孤雌生殖回复的二倍体，这种二倍体与亲本四倍体相比，分蘖增多，穗粒数增多，结实性变好，相当部分仍保持了四倍体蛋白质含量高的特性；后通过器官离体培养、无性系选择，又获得了很多有价值的种质材料，例如，已建立了1个高频率再生植株花粉无性系；获得了1个株高30cm的矮秆突变系，该突变系不仅矮秆，而且茎较粗、分蘖多、穗粒数多、剑叶短宽、株型紧凑，在水稻育种中可作为矮源加以利用；另外还获得了1个独秆变异体，1个不育变异体；9种类型的三体系，证明通过四倍体花药培养获得成套三体系将是可能的[56～58]。
在蔬菜和瓜类作物中，西瓜已获得了四倍体短秧系、四倍体无缺刻叶系、四倍体黄苗系、四倍体无杈系、四倍体雄性不育系等种质材料。在甜瓜中，利用同源四倍体系“石甜401”和薄皮甜瓜杂交，获得了新的不同倍数体的薄皮甜瓜、厚皮甜瓜及中间类型的种质材料[59]。在茄子中，已经对20多份二倍体材料进行了加倍，通过变异体的分离及不同倍数体的杂交，也已获得了一些有价值的四倍体和二倍体种质材料。
3.7 无融合生殖与多倍体
无融合生殖在植物育种中具有很高的利用价值。无融合生殖可以在二倍体中发生，但在多倍体中则更为常见。这既包括同源多倍体，也包括异源多倍体。例如，在世界上现存的35种苹果属植物中，已经发现至少8种具有无融合生殖特性。这8个种除三叶海棠（Malus sieboldii）和丽江山定子（M.rockii）2个种含有二倍体类型（2n=34）外，其余6个种都为三倍体或四倍体。其中湖北海棠（M.hupehensis）等的三倍体类型的无融合生殖能力高于四倍体类型[60]。在禾本科植物中，已鉴定的42属166个具有无融合生殖特性的种中，除澳大利亚茅香（Hierochloe australis）和茅香（H.odorata）两个种是二倍体外，其余164个种都是同源多倍体或异源多倍体[61]。鸭茅状摩擦禾（Tripsacum dactyloides）的二倍体进行有性生殖，其四倍体则进行二倍性孢子生殖和假配合生殖，表现出兼性无融合生殖特性[62]。在大黍（Panicum maximum）中不存在无融合生殖的二倍体，四倍体大黍表现为兼性无融合生殖，在比四倍体更高的倍性水平上则只有无融合生殖[63]。银背委陵菜（Potentilla argentea）的一些类型是在二倍体就表现配子体无融合生殖特性的少数被子植物之一，在二倍体时，无融合生殖是兼性的；四倍体、五倍体、六倍体和八倍体则表现出很高程度的无融合生殖，并趋向专性[64]。
通过多倍体选育无融合生殖种质，在许多植物上已取得了很大进展。例如，通过同源三倍体筛选出了水稻的无融合生殖种质TA R[65]。在甜菜中，以栽培甜菜（B.vulgaris）与野生种白花甜菜（B.corolliflora Zoss）进行种间杂交与回交，获得了异源三倍体甜菜（VVC,2n=27），并选出了高频率传递的无融合生殖系[66]。
将无融合生殖基因导入栽培种中，在许多物种中也都有成功的报道。例如，法国科学家与国际玉米、小麦改良中心从1989年起合作开展培育无融合生殖玉米的工作，已从摩擦禾属（Tripsacum）的各个种中收集了上千份材料，计划在不久的将来能获得无融合生殖的玉米种质[67]。在小麦上，已获得了普通小麦与具有专性无融合生殖特性的披碱草（Elymus rectisetus,2n=6x=42）的属间杂种F1（SSYYWWABD, 2n=63）及回交后代，可望育成具有无融合生殖特性的小麦品种[68]。
我国水稻同源四倍体育种坚持进行了半个多世纪，取得了瞩目的成就，但仍然存在结实率偏低、稳定性较差等问题。目前我国已选育出多个水稻无融合生殖材料，有的材料已发现具有不定胚发生、无孢子生殖和二倍体孢子生殖的特性，为在多倍体育种中利用创造了条件。黎垣庆等利用无融合生殖水稻品系PDER-2B与美洲栽培稻品种进行四倍体及其杂种研究，其亲缘关系较远的亚种间四倍体杂种表现出强大的杂种优势，不仅穗大、粒大，而且结实率为70.4%～85.9%，已完全达到正常结实水平[69]。为此提出了通过异源多倍化、无融合生殖、广亲和及 ph基因的利用，解决水稻多倍体育种问题的策略，进行超级稻育种[70]。
4 三倍体的利用
同源三倍体的利用主要有4个方面：①三倍体杂种优势的利用；②三倍体无籽果实的利用；③通过异倍体杂交进行二倍体育种；④利用三倍体获得非整倍体系列。
4.1 三倍体杂种优势的利用
在多倍体系列中，三倍体被认为是营养生长最好的。三倍体杂种优势育种最成功的是三倍体糖甜菜品种的应用。在人工同源多倍体育种中，形成完整育种体系的大约也只有糖甜菜。一些欧洲国家在20世纪70年代以后，在生产中即已100%采用了三倍体品种[26]。另外，由于细胞体积的增大所引起的巨大性，以及由于减数分裂紊乱而造成的不育性，三倍体成为无性繁殖和以获取材积为目标的林木育种的主要目标。在杨树中，三倍体较二倍体生长速度快30%～200%，材积为二倍体的1.35～3.5倍，抗病性强，木纤维也长，非常适合造纸，已在一些国家大力推广[71][72]。在经济林木植物中，一个漆树的自然三倍体已被广泛推广栽培[68]。在蔬菜作物中，已有三倍体全雄系芦笋育种的研究报告[73]。
4.2 三倍体无籽果实的利用
三倍体无籽果实，最成功的是自然三倍体香蕉及三倍体无籽西瓜品种的应用。在葡萄[74][75]、柑橘[76][77]、梨[78]、苹果和其他一些果品植物中，也有三倍体品种发现、育成和推广应用的报道。
对一些作物，三倍体并不都表现出优越性。这是因为：①许多作物的三倍体并不是完全不育的，常有一定的稔性，不能形成无籽果实；②一些作物通过四倍体和二倍体杂交难以获得三倍体，还有一些作物能够获得三倍体，但种子太少，无法用于生产；③在三倍体水平上不能表现经济产量的优势。
有关事例很多。例如，在已有的厚皮甜瓜和黄瓜4x×2x和2x×4x的杂交中，获得的杂种种子很少，且为四倍体而不是三倍体；对茄子4x×2x和2x×4x的杂交试验，其中2x×4x很少能杂交成功，收到的种子一般都是二倍体，很可能是无融合生殖的产物，研究工作正在进行之中；4x×2x能得到3x，但种子很少，且杂种大都只表现植株同化器官的巨大性，结果能力有所增强，但果实多畸形且有少量种子，有无商业价值，还有待进一步研究（李树贤等，未发表）。
4.3 通过异倍体杂交进行二倍体育种
通过异倍体杂交进行二倍体育种，在多倍体育种中是一个新动向。在茄子中，通过三倍体的自由授粉和与二倍体杂交，已经获得了一系列有利用价值的二倍体种质材料（李树贤等，未发表）。在水稻中，通过3x与2x杂交，获得了遗传性变异来自双亲的二倍体，而且能够在早代稳定，其杂种亲缘已通过微卫星标记实验得到证实。有关遗传机制尚需进一步研究，有可能是发生了染色体组消失，在消失过程中发生了异源染色体DNA片段整合，此后合子在分裂过程中经染色体加倍而成为纯合体[79]。
4.4 利用三倍体获得非整倍体系列
三倍体是获得单体和三体，特别是三体的重要材料，其方法多是利用3x×2x通过n和n+1两种配子的融合而产生2n+1的三体合子。三体在作物遗传育种研究中有很高的价值，蔬菜作物的番茄是最早获得整套三体系的植物之一。非整倍体用于品种改良，在小麦等禾谷类作物中已受到普遍重视，取得了巨大成就。国内糖甜菜也已有三体系的建成[80]。在蔬菜作物中，通过四倍体小孢子培养建立大白菜三体系的工作已取得了进展[81]。
5 双单倍体的利用
双单倍体（Dihaploid）是来自四倍体配子体的二倍体，是针对同源四倍体的专用概念。不同于二倍体的单倍体再经人工加倍而产生的加倍单倍体（Doubled haploid, DH）；也不同于异源多倍体的多元单倍体（Polyhaploid）。
5.1 四倍体种的分解育种
普通栽培种马铃薯为同源四倍体，生产中所使用的品种多为无性繁殖、异质结合的杂种，其中可能包含的有害隐性基因在育种中很难剔除，往往会给品种留下隐患。四倍体栽培种和其他倍性的种质很难进行成功的杂交，如和二倍体种或异源四倍体种杂交都存在不可交配性。由于长期限于种内近亲交配，遗传背景相对狭窄，因而难以适应生产和消费发展的要求。
把四倍体马铃薯降解为双单倍体，由四体遗传变为二体遗传，可以和二倍体亲缘种进行广泛杂交，将二倍体原始栽培种和野生种的优良遗传特性引入普通栽培种，拓宽马铃薯种质资源利用范围，可以在短期内获得高度纯合的选系，由纯合系杂交可获得优势更强的杂合体。
四倍体马铃薯诱导双单倍体有多种方法，其中最常用的是以具特殊基因的二倍体亲缘种作授粉者诱导孤雌生殖。其基因源为二倍体原始栽培种S.phureja。目前，美国、德国、法国、荷兰、独联体以及日本等国家和地区都已选育出了一些超级授粉者，我国也已选育出NEAP-16、D-2-1等优良授粉者[82]。
在马铃薯育种中，利用双单倍体被称作分解育种，该方案包括：①把四倍体栽培种分解为双单倍体；②以双单倍体与具有利性状的二倍体亲缘种杂交，获得双单倍体（杂交）种（Dihaploid-species, DS），并对其进行选择改良；③恢复四倍体水平，进入正常育种程序。
在对DS的改良中，对特别优良者可直接加倍为四倍体，但这种情况很少。一般多是先将DS加倍为四倍体，再和栽培品种杂交选择，进入正常育种程序。还有一种普遍的做法，无须创造加倍双单倍体杂交种，直接以2x的DS与4x栽培种杂交，或利用两个2x的DS进行杂交，这时DS则应具有形成2n配子的特性，这样所得杂种即为四倍体，可直接进入正常育种程序[83]。
5.2 二倍体种的双单倍体育种
作为一种二倍体品种选育途径，该方案包括：①对二倍体种-品种或品种间杂种F1或亚种间杂种F1通过加倍或无性系诱导四倍体；②将四倍体降解为双单倍体；③以双单倍体进入正常育种程序。
这在水稻和大麦中都已有成功的报道。在大麦中，通过对申麦1号四倍体花粉植株再进行花药培养，已选育出几个比申麦1号矮、成熟期提早、产量接近的双单倍优良株系[84]。对粳型杂交稻四倍体的花药培养，在第二代即获得了其他性状有别于原杂交组合，而产量保持了原杂交组合优势的稳定株系，另外还选得了不同于原杂交组合不育系的新的不育系[85]。
在亚种间或种间杂交育种中，双单倍体更是具有其他方法不可替代的作用。例如，在水稻中，由于籼粳杂种的不育性及后代的不稳定性，要使分属于两个亚种亲本的优点结合于一体，保持籼粳二亚种杂合型优势，在现有的育种中已证明是相当困难的。对杂种后代进行回交和复交，或对籼粳杂种进行花药培养，虽能解决籼粳杂种后代的育性和稳定性问题，但常导致杂种后代遗传基础变窄，出现偏粳、偏籼，难以充分利用籼粳二亚种所提供的变异源。利用籼粳杂种的茎、鞘、幼穗离体培养获得四倍体无性系，再用这种四倍体无性系进行花药培养，诱导获得的双单倍体其育性和结实率明显不同于籼粳杂种F1、F2和二倍体杂种的无性系，出现了具有超亲优势的株系，其后代性状大部分稳定，育性正常，成为籼粳杂交育种与遗传研究的一条新途径[86]。
5.3 通过双单倍体加速选择四倍体
双单倍体可以在植株水平上表现四倍体的配子基因型，四倍体的4个等位基因可以多种分离方式产生配子体，其中既有原等位基因的重组体，也有新产生的突变体；既有杂合配子，也有纯合配子；通过双单倍体可以很快鉴定出这些不同的基因型。利用这一原理选择四倍体，不仅可以扩大四倍体的优选概率，而且能够大大加快四倍体选纯的速度。这个方案包括：①对四倍体进行杂交；②对其杂种F1（或二倍体杂种F1的加倍四倍体）进行花药（或未授粉子房）培养，在配子体再生植株中筛选优良的纯合四倍体（或将优良的双单倍体加倍为4x）; ③当选的无性系四倍体进入正常育种程序。
目前在同源多倍体育种中有意识地利用这一方案的还不多。在水稻的四倍体育种中，利用无性系经1～2次选择，产量即超过二倍体对照品种，其结实率的标准差较二倍体对照品种还要小[33]。
5.4 双单倍体在遗传研究中的应用
双单倍体在遗传研究中也有重要价值[87～89]:①可用于研究多倍体的起源、性质和染色体基数；②进行农艺性状基因数的测定及遗传变异研究；③用于构建遗传图谱和对数量性状位点（QTL）的定位分析等。
6 同源四倍体育种中非倍性变异的利用
秋水仙素能够影响有丝分裂的正常活动而导致染色体加倍，产生倍性效应。关于秋水仙素的非倍性效应，迟迟未能引起重视。但是越来越多的事实证明，非倍性效应作为倍性育种的一个方面具有很大的潜力。在1972—1979年对黄瓜的同源四倍体诱导中，曾不止一次发现一些染色体未能加倍、株型与花性型在二倍体水平上发生了变异的类型，其花性型有全雌株、雄全同株、雌全同株等类型。其中雌全同株型又有正常株型、自封顶矮秧型和丛生型等；雄全同株型有短子房类型，也有长子房类型。这些二倍体水平上的变异，有可能来自秋水仙素的诱导作用，也可能还与秋水仙素诱导前的辐射处理有关[90]。对这些变异类型进一步选育，育成了雌性系SG-2、两性花系SH-1等珍贵种质材料（李树贤等，未发表）。在茄子的同源四倍体诱导中，秋水仙素所引发的非倍性变异也普遍存在。例如，1997年以条茄品种新茄3号为试材进行秋水仙素诱导，除获得了几个不同类型的四倍体变异及未能保留下来的八倍体以外，在后代中还分离出了包括株型、果型、果色等不同类型的变异体。其中株型有弱分枝型和多分枝型；果型有短棒形、短锥形、长锥形、细长条形等；果色有枣红色、玫瑰红色、桃红色、紫红色、紫黑色等；另外，叶形、第一花节位、结果性能等也多有变异，经选择已有一些变异系趋于稳定，可作为种质材料供育种使用（李树贤等，未发表）。在辣椒中，对一个果实为牛角形的品种以0.2%秋水仙素水溶液进行浸种诱变，在C2分离出了灯笼形、长灯笼形、长牛角形、粗牛角形4种变异类型，其中，有1系早熟性和产量显著优于两个对照品种。经G显带核型分析，变异系的部分染色体着丝点位置和臂比发生了变异，其中有两对染色体着丝点位置发生了改变，12条染色体的24个臂中有6个臂发生了明显变异，占总臂数的25%[91]。在禾谷类作物的水稻、小麦、大麦中，秋水仙素的非倍性效应也已被证实。例如，在大麦中秋水仙素除诱导四倍体外，还能诱发二倍体的早熟、大穗、矮秆等变异。已有一株高、熟性、穗粒数和粒重等性状都发生了明显变异的选系完成了育种程序，被审定命名为闽诱3号[92]。
利用秋水仙素诱发二倍体染色体结构变异和基因突变，具有诱变效应强、遗传传递力高、基因纯合快等优点，作为倍性育种的一个方面有广阔前景。
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