多倍化、去多倍化，植物倍性操作育种的巨大潜力
摘要：在植物进化中，常并行进行着多倍化与去多倍化两种过程，且与两种不同生殖方式密切相关。进化借助于一定范围内倍性的更换—多倍化或去多倍化，由进化的适宜倍性水平与生态的适宜倍性水平共同决定。多倍体遗传性的广泛变异性给人工多倍体育种造成了困难，同时也带来机会。把多倍体与杂交的双重优势融为一体是多倍体育种所追求的。去多倍化，特别是花培单倍体技术，在常规杂交育种、杂种优势利用、诱变育种、同源多倍体、远缘杂交及异源多倍体、细胞工程、染色体工程、基因工程等育种途径中均有特殊价值。分解育种是多倍化与去多倍化的结合部，对同源多倍体物种的改良，二倍体物种多倍化与去多倍化的双向育种，均有重要价值。同源多倍体的“二倍化”可视为特殊意义上的去多倍化。拉大亲缘关系，引入相关基因，阻断多价体形成，使四倍体“双二倍化”，有可能实现多倍体育种的重大突破。
关键词：植物；多倍化；去多倍化；分解育种；倍性操作
Polyploidization , Depolyploidization, Plants Ploidy Manipulation Breeding of Great Potential
Abstract: Plant evolution is always accompanied by polyploidization and depolyploidization, and it is closely related to two different reproductive modes. Evolution depends on replacement of ploidy in certain scope, that is polyploidization or depolyploidization, by evolution appropriate ploidy level is associated with the appropriate ecological ploidy level codetermine. Wide variability in polyploidy genetics, for artificial polyploid breeding give rise to difficult, it also brings opportunities. The double advantage integration of polyploid and hybridization is the pursuit of polyploid breeding. Depolyploidization, especially anther culture haploid technology in conventional breeding, heterosis, mutagenesis breeding, autopolyploid, distant hybridization and allopolyploidy, chromosome engineering, cell engineering, genetic engineering and other ways have special value in breeding. Decomposed breeding is combines location of polyploidization and depolyploidization, for the improvement of autopolyploid species, diploid species two-way breeding of polyploidization and depolyploidization, it is of great value. “diploidization” of autopolyploid can be seen as depolyploidization of special significance.By widening the genetic relationship, introducing related genes and blocking the formation of multivalent bodies, so as to make the tetraploid “Double diploidization” It is possible to achieve a major breakthrough in polyploid breeding.
Key words: Plant; Polyploidization; Depolyploidization; Decomposed breeding; Ploidy manipulation
1 多倍化、去多倍化的生物学意义
多倍化是物种染色体倍性由低到高的过程；去多倍化是物种染色体倍性由高向低的回复。在自然界，多倍化、去多倍化常与不同的生殖方式相关联，同样都是物种进化的表现[1]。
1.1 进化与适宜倍性水平
植物倍性由低到高，一般是不可逆的，但也并不全都是不可逆的，这与其生殖方式及较少产生的一倍体配子能否正常受精相关。多倍体的进化作用在于增强了基因（显性超显性）的特定功能与物种遗传性的稳定性；同时显著降低了隐性性状出现的概率。这既显示了多倍体的力量，也包含着多倍体的无力。
和许多物种的进化途径有所不同，在禾本科、十字花科、蓼科、伞形花科等，以及蕨类到有花植物的进化过程中，还存在染色体基数缩减的趋势，即去多倍化进化。
进化通常是在最小的倍性水平上进行的，这个水平被认为是进化的适宜倍性水平。多倍体保证了物种对外界环境有害影响的极大抵抗力，这个倍性水平被称为生态的适宜倍性水平。
进化的适宜倍性水平主要取决于物种的系统发育史，与环境条件关系不大。生态的适宜倍性水平与地理和植物群落的状态有关，但也离不开种属的染色体特性。进化借助于一定范围内倍性水平的更换—多倍化或去多倍化，是由进化的适宜倍性水平和生态的适宜倍性水平共同决定的。
1.2 去多倍化的进化意义
在二倍体中，单倍化导致一倍体的产生，当其形成二倍体（加倍单倍体）时，是“绝对”纯合的，并在以后的杂交中能够表现良好的杂种优势，在种的生存中起很大作用。
多倍体的去多倍化有两种主要的途径：第一种，物种的染色体组中存在过多的重复，通过逐渐丢失染色体甚至整套染色体而获得了与进化或生态相适宜的倍性水平。第二种途径为单倍化，有更广泛的分布，其基础是减数胚囊中单倍性细胞发生无融合结籽。由多倍体产生的多倍单倍体，在自然选择下，经过或不经过染色体加倍都能得到纯合后代，并能表现强于原亲本种的生长优势。此外，在很多情况下，多倍单倍体（双单倍体）与相同倍性的其他种杂交产生的“双单倍体物种”（dihaploid-species, DS），一方面有可能在自然选择中稳定下来，成为二倍体新种；另一方面经染色体加倍而又恢复到多倍体水平。两种情况在进化与种的形成中都有重要作用，第一种显示了去多倍化的力量；第二种则显示了去多倍化与新一轮多倍化的共同力量。
1.3 繁殖方式、倍性变化与物种进化
多倍化和去多倍化，在自然界中经常并行进行着，与两种不同生殖方式密切相关—形成未减数配子并受精，导致多倍化；形成减数胚囊并由单倍性细胞单性发育，产生单倍体，即去多倍化。
多倍化使遗传物质增加，对于物种进化，多倍化是重要的源泉之一。
多倍体的去多倍化在较低和较有效的倍性水平上转变为进化。这种转变把多倍体的基因型充分地表现了出来。另外，在自然界，还可以由雌性可育而雄性不育的双单倍体与相近的二倍体种杂交，产生次生多倍单倍体（DS种），从而把进化的可变性同进化的改良联系了起来。
在某些无配子生殖类型的多倍体中，经常发生倍性水平的变化，这与它们的有性生殖和无融合生殖特性周期性变化有关。例如，双花草属Dichanthium的几个种以及其他一些属都具有“二倍体—四倍体—双单倍体”的倍性循环。
进一步阐明多倍体、单倍体、两性融合与无融合生殖等方面的相互关系，可以更深入地了解植物进化的规律性，并在育种中有效地利用这些规律性。
2 人工多倍化育种的潜力
2.1 成就与误区
人工多倍体育种取得了很大成就，其中首推三倍体糖用甜菜的应用，其次是三倍体无籽西瓜、四倍体葡萄、四倍体黑麦、四倍体黑麦草等。但和自然多倍体相比，其成就却要渺小得多。
人工同源多倍体育种的成效没有想象的那么好，原因是多方面的。同源多倍体育种有一些众所周知的基本原则，违反这些基本原则而导致育种失败的情况极少。相反地，这些基本原则并不是绝对的。不超过六倍体原则对某些染色体高基数的果树植物并不完全适用；收获营养体原则，黑麦、荞麦、芝麻等不受此限制；异花授粉原则，已为四倍体水稻所打破，等等。
同源多倍体育种，上述原则应予以重视。但更主要的是对多倍化缺乏更深入的了解，急功近利，才是最大的误区。
2.2 困难与机会
同源多倍体在带来育种机会的同时，也带来了某些二倍体所没有的困难，这些都是由多倍体的遗传特性决定的[1]。
2.2.1 同源四倍体遗传变异性的多样性
二倍体加倍的同源四倍体，一度曾被认为不能产生新性状，而只是原有性状的加强与提高[2]。随着研究工作的深入，已证实同源多倍体，特别是同源四倍体具有更加广泛的遗传变异性：①染色体数量加倍所引发的剂量效应。②染色体结构变异及基因突变的发生频率较二倍体更高。隐性突变在同源四倍体中并不都会被掩盖起来；由染色体重排与交换而产生的某些连锁性状常为二倍体所没有；某些在二倍体基因组中沉默的基因有可能被激活。③染色体加倍，重复基因大多保持了与二倍体中相似的功能；一些基因失去表达活性而沉默；还有一些重复基因逐渐分化而成为执行不同功能的新基因，多倍体是同时增加基因数目和基因种类的一种机制。④染色体加倍，细胞质基因没有加倍，原有的核-质平衡被破坏。⑤染色体加倍胚和胚乳之间的比例常发生变化。这些不仅导致四倍体原有性状的加强与提高，而且还会产生许多原二倍体所没有的新性状。
同源四倍体的遗传变异，不同物种、不同来源、不同诱导方法常有所不同。种子结实率大幅度降低，是同源四倍体普遍存在的突出问题之一。表型性状良莠不齐给育种造成困难，同时也带来机会。
2.2.2 四体遗传造成的选择困难
四体遗传的选择，相对于二倍体要困难得多：①选择需要更大的群体和更长的世代；②再大的群体，再长的世代，再严格的人工选择，都将难以避免还会有大量的被“遗漏”的基因处于自然选择状态之下，对于异花授粉作物尤其是这样；③在四倍体“二倍化”的过程中，一些遗传性状被固定，同时也时有新的性状出现。这既体现了困难，也包含了机会。
2.2.3 选择极限的影响
选择极限（Selection limit）在多倍体育种中较二倍体到来较晚，但克服难度也较大。选择极限的存在对育种有双重意义：一是作为品种遗传稳定性的标志；二是意味着选择困难的增大。育种选择一方面要加快有利基因的固定，另一方面还要采取相应措施在选择反应减弱、选择极限到来之前，重新加大遗传方差，扩大遗传增量，以期在现有“极限”基础上实现新的突破。
2.3 双重优势的利用
多倍体育种，不同物种、不同品种类型侧重点有所不同，共性是尽可能使多倍体与杂交的双重优势结合在一起。
2.3.1 多倍体的特殊优势
在不同物种中，多倍体的生长发育优势各有不同，其共性主要是：①“巨大性”优势—这对以营养体为主要收获物的物种特别有利；②生理生化，特别是代谢产物的变异，给品质育种带来巨大潜力；③生物学特性优势，特别是较强的适应性给抗逆育种提供了可能。针对不同优势进行同源多倍体育种有很大发展空间。
2.3.2 多倍体的杂交优势
同源多倍体复杂的遗传变异性造就了其较强的“杂合性”。杂合性使系谱选纯变得困难，但却使生长优势和适应性增强，给营养系品种和综合品种使用奠定了基础。利用杂合性较强的四倍体材料配制杂交种，其杂种优势有可能表现良好，也有可能会受到不利影响，不同物种、不同繁殖方式、不同性状有不同的表现。多倍体杂交种的适宜倍性水平各有不同，以籽粒为收获物一般多利用四倍体杂交种，如水稻、高粱等；以营养体或果实为收获物，三倍体优势可能更强，如糖甜菜、西瓜、柑橘等。在有的作物中，三倍体利用有困难，利用四倍体杂交种可能比较方便。同源多倍体杂交种的良好状态，既依赖于染色体的“剂量效应”，同时也取决于不同倍性的亲本及其配合力水平。显性/超显性的存在为同时发挥多倍体与杂种双重优势创造了条件。四倍体杂种优势还具有延续性特性。在自由交配下，第2代和第3代，甚至第4代，四倍体杂种优势效应还常有某种程度的增强，在不以果实为收获物或不强调产品外观性状的作物中，如糖甜菜四倍体杂交种可以连续使用3～4代，这是其独有的特性[3]。
2.3.3 双重优势的融合
将多倍体和杂交的双重优势融为一体，是多倍体育种所追求的。通过简单的单一二倍体材料的染色体加倍很少能育成优良的四倍体系，随后的杂交在大多数情况下都将是必要的。
多倍体的杂交育种和杂种优势利用，原始材料特别是四倍体材料匮乏，四倍体系纯合性差，常使育种陷入困境。鲍文奎等[4]在水稻同源四倍体育种中将大约150个包括籼、粳亚种、地方品种及改良品系加倍为同源四倍体，通过杂交获得了数千份种质材料，为育种打下了雄厚的物质基础[4]。涂升斌等在实现“三系”配套的基础上，已选出结实率超亲本、千粒重达58g、较对照品种增产33%的同源四倍体超级稻杂交组合[5]。在大白菜中，河北省蔬菜所利用产生2n配子的二倍体与四倍体杂交，经系普选育，获得了56个不同包球类型、不同生育期、抗不同病害的高代四倍体材料。所配制的四倍体杂种一代品系“多育2号”分别较2个二倍体对照品种增产27.24%和54.94%[6]。如此大的增产幅度，在二倍体中是较少见到的。
3 去多倍化—单倍体育种的潜力有待充分发挥
去多倍化在一定范围内表现为物种的进化趋势，其育种潜力还远未得到充分发挥。
3.1 加倍单倍体与常规杂交育种
单倍体途径，特别是花培育种，一个花粉植株即一个配子基因型，可以从植株表现型直接选择基因型，能够获得较有性分离后代更多的优良变异体；将杂交育种的选纯从5～7代缩短为1个世代，对选择效率的提高，是其他育种方法所无法比拟的。通过加倍单倍体选育稳定品种，在小麦、水稻、大麦等禾谷类作物中取得了举世瞩目的成就[1]。在蔬菜作物中，北京市海淀区组培实验室通过花培技术育成了辣椒海花系列品种[8]；河南省农科院育成了春、夏、秋播大白菜系列新品种[7]。在其他一些作物中，加倍单倍体育种也取得了一些很好的成绩，但其覆盖面仍不够大。
3.2 加倍单倍体与杂种优势利用
在杂种优势育种中，加倍单倍体可用于选择性固定杂种优势；也可以代替自交系用于杂优组合的配制；还可以利用单倍体技术选育雄性不育系及其保持系和恢复系等。
单倍体能够在植株水平上表现亲本的配子基因型，通过对表现优势的单倍体植株的染色体加倍，使杂合基因型变纯，从而达到不再分离和固定杂种优势的目的。
加倍单倍体在杂优育种中的可行性还依赖于其优良性状传递给子代的能力。利用“超级授粉者”授粉获得了许多马铃薯双单倍体，以双单倍体与双单倍体杂交，或者四倍体与双单倍体杂交，某些组合其块茎产量提高非常显著，每年收获时都使人惊奇不已。
花培加倍单倍体途径还可用于细胞质雄性不育“三系”配套选育；借助雄核发育转育细胞质雄性不育性，除大大缩短育种时间外，还有一个突出优点，就是新不育系的细胞核保持了供体染色体组的完整无缺。而常规核置换则不论其回交多少次，都难免会残留母本核基因的成分；通过活体或花培加倍单倍体途径，选育自然界不存在的纯系显性细胞核雄性不育系可一次纯合。
3.3 单倍体与无性系变异
在花药（花粉）培养中，产生配子体无性系变异是普遍存在的一种生物学现象。其变异类型包括染色体数量变异、结构变异、基因突变及细胞质变异等。这些变异的产生，通常不需要在培养以外再另行物理和化学处理。但通过对花药（花粉）的辐射或变温处理，以及在花培过程添加不同的化学和生物选择剂，对于诱导抗病突变体、抗除草剂突变体、各种胁迫抗性突变体及不同的育性类型等都具有特殊的价值。这已为许多不同作物和研究者所证实。
3.4 加倍单倍体技术在更大范围的应用
加倍单倍体技术最主要的育种学效能，是能够通过植株表现型直接选择基因型，经加倍使杂合子一步纯合。这一特性不仅对常规杂交育种、杂种优势利用及理化诱变育种（包括航天育种）有重要价值，而且在同源多倍体、远缘杂交及异源多倍体、细胞工程、染色体工艺、基因工程等几乎所有育种途径中均有独特的利用价值。例如，通过花培双单倍体加倍途径，可以在一个世代选得各种不同类型的纯合四倍体系，这是目前已知的同源四倍体快速选纯的唯一措施；远缘杂交后代疯狂分离、体细胞杂种普遍存在染色体丢失现象、遗传稳定性较差及遗传转化材料的选育等等，都可以通过加倍单倍体而一次纯合；对同源多倍体通过花培选育非整倍体系；对异源多倍体花培，选育异染色体系都常能取得良好结果，等等。其潜力远没有充分发挥。
4 分解育种—多倍化、去多倍化的结合部
多倍化、去多倍化的倍性操作，既针对不同倍性的物种，同时也是对同一物种进行不同倍性的育种。
4.1 四倍体物种的分解育种
在同源四倍体物种的育种中，利用双单倍体进行品种改良被称作分解育种。该方案包括：①把四倍体栽培种分解为双单倍体；②以双单倍体与具有优良性状的二倍体亲缘种杂交，获得双单倍体杂种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。
在这个方案中，将四倍体分解为双单倍体可以扩大种质资源的利用范围，提高育种的选择效率。例如，栽培马铃薯为同源四倍体作物，生产品种多为杂合体，可能包含的有害隐性基因往往会给品种留下隐患。栽培种和其他倍性的种质很难进行成功的杂交，分解为双单倍体可以和二倍体亲缘种进行广泛杂交，既拓宽了种质资源利用范围，又有助于择优选纯，提高育种效率。
马铃薯的双单倍体可以通过雌雄配子体离体培养而产生，但技术比较复杂，诱导率也有待提高。目前国内外都已选育出了一些“超级授粉者”，以其诱导无融合生殖产生双单倍体，有效地用于马铃薯的品种改良中[9]。
双单倍体杂种的改良可以通过不同双单倍体杂种杂交，或者与不同四倍体栽培品种的双单倍体回交来实现。在存在严重不良连锁的情况下，还可以考虑采用轮回选择法等，以打破不良连锁，达到品种改良的目的。
将优良的双单倍体杂种恢复为四倍体，有两种途径：一是无性加倍法，二是有性杂交法。无性加倍法是将优良的双单倍体杂种加倍为四倍体，然后直接进入品种鉴定程序；或再和四倍体栽培种进行杂交育种。这种方法双单倍体杂种无须具有形成2n配子的能力，是分解育种的传统做法。
有性杂交法即通过有性杂交而获得四倍体，包括4x×2x和2x×2x两种做法。前者父本需具有形成2n花粉的特性，后者父本、母本均需形成2n配子。
同源四倍体物种的分解育种从4x到2x再恢复为4x，经历了分解—选择—合成三个不同阶段，其选择主要在二倍体水平上进行，双单倍体杂种恢复为四倍体后，一般不再进行更多的选择，是否和栽培种再进行杂交，视需要而定。
在二倍体品种改良中，为扩大种质利用范围，也可以将四倍体亲缘种分解为双单倍体，再以其与二倍体栽培种杂交，对杂种进行花培，通过加倍单倍体获得优良的二倍体新种质。
4.2 二倍体的双向育种
在二倍体品种改良中，通过人工同源四倍体的分解，进行多倍化和去多倍化双向育种，有广阔的发展前景。这个方案包括：①将二倍体加倍为同源四倍体；②对四倍体进行理化诱变或杂交；③对诱变后代或杂种进行花培，在配子体再生植株中筛选优良的双单倍体；④将优良的双单倍体不加倍或加倍为四倍体；⑤以二倍体或四倍体进入正常育种鉴定程序，分别育成2x和4x品种。这一方案可以充分利用四倍体的广泛变异性，扩大选择概率。目前植物育种中有意识利用这一方案的还不多。
通过四倍体花培，除可获得各种配子基因型的双单体以外，还常能获得一些四倍体和原二倍体亲本所没有的无性系变异，这种变异有可能是四倍体、二倍体、非整倍体或某种特殊的基因突变体或重组体。除过择优育成品种外，更多的则可作为种质资源而为育种所利用。例如，单体、缺体和三体等非整倍体系列通过常规倍性操作选育需花费很长时间和精力，通过四倍体花培，常能较快完成。刘宗贤等通过四倍体花药培养已获得了水稻的部分初级三体系[10]；申书兴等通过四倍体游离小孢子培养，则已获得了大白菜的整套初级三体系[11]。
分解育种作为多倍化、去多倍化的结合部，在倍性操作中具有很大潜力，应给予足够重视。
5 同源多倍体的“双二倍体化”
多倍化、去多倍化在同源多倍体育种中还有一层含义，即同源四倍体的“二倍化”。在自然界中，通过2n配子杂交或体细胞加倍而产生的同源四倍体，之后常伴随着迅速的“二倍化”，否则将会被自然选择所淘汰。但在人工同源多倍体育种中，“二倍化”却相当困难和“漫长”。
促使同源四倍体“二倍化”和种子结实力的恢复，不同物种存在一定的差别。但有两条遗传学途径却是所有物种都可参考的：一是引入无融合生殖基因，避开有性生殖过程，使四倍体具有无融合结籽能力；二是同源四倍体的“异源化”—增大同源四倍体双亲染色体的异质性，形成“双二倍体”，使减数分裂和稔性恢复正常。
同源多倍体种子结实率下降，有性生殖能力变弱，无融合生殖基因较易表达，一些经过鉴定的水稻、高粱、甜菜、苹果、草莓等作物的无融合生殖种质大都是通过多倍体途径获得的。
同源四倍体的“异源化”，即利用种内不同亚种、变种或不同生态型、不同地理宗（Geographical race）的材料进行杂交，然后再加倍；或先加倍再杂交。因为染色体组相同，这种途径通常仍划归为同源四倍体。
利用亲缘关系较远的材料创建四倍体，能否实现“二倍化”，取决于能否阻止部分同源染色体配对形成多价体，而只允许同源染色体配对形成二价体，为此引入或诱变获得如小麦族的Ph基因很有必要。
上述有关策略在水稻育种中已列入研究计划。黎垣庆等利用4x籼稻无融合生殖系和4x美洲栽培稻（粳稻）杂交，杂交种结实率达70.4%～85.9%[12]；蔡得田等以无融合生殖系与籼稻（或粳稻）杂交，获得了具有无融合生殖特性的亚种间杂种，然后加倍为四倍体，选得了结实率62.1%～82.8%的株系5个[13]。之后，又以具有类Ph基因作用的多倍体减数分裂稳定性（Polyploid meiosis stability, PMeS）基因系，配制四倍体籼粳亚种间杂交种，获得了2个穗大、粒大、结实率完全正常（84.72%和83.19%）的强优势的四倍体超级稻品系。事实充分证明，通过拉大亲缘关系，引入相关基因，阻断多价体形成，使四倍体“双二倍体化”，实现多倍体与杂种双重优势的结合，选育超高产品种是完全有可能的[14]。
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