《林木遗传育种》授课讲义

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《林木遗传育种》授课讲义段安安许玉兰绪论Introduction主要内容：1.遗伟学、林木遗传育种学的概念及其相关概念；2.林木遗传育种学的发展简史及现状，阐明遗传学是指导育种实践的基础理论；3.林木遗传传育种的特点和途径；4.林木遗传育种学的任务及趋势。目的：让学生在系统学习该门课程之前有一个基本的了解，弄清遗传、变异的概念以及两者间的关系，对林木遗传育种学的发展简史、现状及趋势有所了解，从而引出一些关键性问题——林木为什么会产生遗传与变异？它们遵循什么规律？其物质基础是什么？人们如何利用这些理论服务于生产，选育或培育出高产优质的林木新类型或新品种，为人类造福？重点和难点：1、林木遗传育种学的概念及任务；2、林木遗传育种学的发展简史、趋势和展望。具体内容如下：遗传是生物的一种属性，是生命世界的一种自然现象。自然科学(当然包括生命科学)是人们对自然现象的本质及运动规律的揭示，或者说是人们对客观存在的一种主观认识。自然现象的存在是客观的、永恒的；自然科学理论则是主观的、嬗变的。遗传学是认识与阐明遗传与变异这一自然现象规律的一门自然科学。当然，它也有建立、发展和不断完善的过程。一、概述1、什么遗传学？遗传学(Genetics)就是研究生物性状遗传和变异规律的科学，研究的对象是生物界的性状遗传和变异。人类在生产活动中早就认识到遗传和变异现象。俗话说“种瓜得瓜，种豆得豆”；在英文中有“Likebegetslike”；松树种子长成的苗子是松树；良种可获得丰产；杨树永远是杨树；一般不会出现种瓜得豆，育柳成杨，养子成龙，养女成凤。在我国古代流传“生麒麟，牛生象”的传说至今没有科学依据。所谓遗传(heredity，inheritance)是指子代与亲代相似(resemblance，likeness，similarity)的现象(有人认为遗传是亲代及祖先传递给后代相似性的现象；或亲代与子代相似性的传递过程)。遗传是伴以稳定性为基础的，没有遗传的稳定性，也就不成其为遗传。这是生物最普遍，最基本的特征。但是，俗语讲“一母生九子，十个不一样”；尽管同卵双胞胎虽然很相象，但他们细心的父母也能辨认出哥弟或姊妹来；同一球果上的种子有大有小，长成的松树有高有矮，针叶的颜色有深有浅，有长有短，有粗有细。所以遗传的稳定性是相对的，遗传只是亲子代间的相似，相似不意味着全等和相同(thesame，equality)。所以把亲代与子代，子代个体之间存在差异(差别)的现象称为变异(variation)。性状的丰富性和多样性正是来源于变异，变异是生物又一个最普遍，最基本的特征。变异是绝对的，无一例外的。2、什么是林木遗传育种学林木遗传育种学是以现代生物科学及其他有关自然科学的成就为基础的一门应用科学，它以遗传学为理论指导，根据林木的特性及其遗传变异的规律，研究林木选育和良种繁育的原理和技术的学科。林木遗传育种学(或称森林遗传学、林木改良)，其广义的意义是指对森林(或林木群体)进行遗传管理，或遗传学原理在森林管理中的应用，其目的是为了提高和维护森林的生产力、再生能力和生物多样性。狭义的林木遗传育种，是指为某种明确目标而育成栽植繁殖材料，如提高产量、品质，增强抗逆性、适应性等。如造林用种苗的遗传改良，属于狭义的育种，它是将遗传学知识运用于营林，研究林木是怎样变异的，怎样运用这些变异来提高森林生产力。林木育种的根本任务是选育和繁殖林木优良品种。3、遗传、变异和选择三者的关系 遗传和变异是通过生物的繁殖而反映出来的一对矛盾，它们既对立又统一。遗传是相对的，保守的，消极的，继承的；变异是绝对的，发展的，积极的，创新的。试想，如果没有遗传，性状就得不到继承与积累，则生物就不可能保持性状和物种的稳定性和继承性，选择的成果就得不到巩固；没有变异，就不会产生新的性状，进化就没有了原料，也就不可能有物种的进化和新品种的产生。另一方面，性状发生了变异，新的性状通过遗传得到巩固，所以遗传也有它积极的和建设的一面；变异有它好的，进取的，创造的一面(劣的性状可以变优)，也有它不好的，破坏的，取消的一面(好的性状也可以变坏)。遗传和变异这对矛盾在物种进化的漫漫长河中不断运动，自然选择为其规定了发展的方向，形成了形形色色的物种，同时经过人工选择，才育成适合人类需要的各种品种。所以说遗传、变异和选择是生物进化和新品种选育的三大因素。对于树木育种来说，变异也是人工选择的源泉和基础，没有变异就没有选择，选择确定了遗传变异的方向，所以选择是育种的基本方法，贯穿于育种的各个环节。概括地说，变异是选择的基础，没有变异就没有选择；而遗传是选择的保证，没有遗传，选择的成果就得不到巩固；而选择本身，确定了遗传变异的方向。4、遗传和变异的表现与环境具有不可分割的关系“生物与环境的统一”这是生物科学中公认的基本原则。任何生物都必须具有必要的环境，从环境中摄取营养并进行物质交换，通过新陈代谢进行生长和发育，从而表现出性状的遗传和变异。所以研究生物的遗传和变异必须密切联系其环境因子。也就是下面的关系式：性状(表现型)＝遗传基础(基因型)＋环境条件，即：Ｐ＝Ｇ＋Ｅ二、遗传学发展简史(1)遗传学的发展历程遗传学的产生来自于人类长期的育种实践。人们在长期的农业产生和饲养家畜过程中，认识到遗传和变异的现象，并通过选择，培育成了大量的优良品种。正如恩格斯所说的：“科学的发生与发展从开始起便是由生产所决定的”。19世纪是科学思想非常活跃的时代，在科学上有三大发现(1.相对论，2.能量守恒定律，3.生物进化论)；在生物科学上也有三大发现(1.细胞的发现，Hooke，R.1665，2.生物进化论，3.孟德尔的植物杂交试验)，分别创立了细胞学，进化论和经典遗传学。最早对遗传和变异现象进行研究的人是拉马克(Lamarck，J.B.，1744-1829)和达尔文(Darwin，C.，1809-1882)。拉马克认为环境条件的改变是生物变异的根本原因，他提出了获得性状遗传(inheritanceofacquiredcharacter)和器官的用进废退(useanddisuseoforgan)学说。“获得性状遗传”是指受环境影响造成亲本性状的改变而遗传给后代；“用进废退”是指动物的器官用就进化，发展；不用就退化，消失的理论。达尔文1859年发表了巨著《物种起源》(Ontheoriginofspecies)，提出了“物竞天择，存优汰劣，适者生存”(struggleforexistence，survivalofthefitted)的自然选择和人工选择(naturalselection，artificialselection)的进化论(evolutionism，evolutiontheory)学说。不仅否定了物种不变的神学谬论，而且有力地证明了生物是由简单到复杂，由低级到高级逐渐进化发展的。这是19世纪自然科学中最伟大的成语之一。在进化论上达尔文和拉马克是有区别的。达尔文认为变异自然发生，以自然选择、适者生存而进化；拉马克认为用进废退、获得性状遗传而进化。他们都以长颈鹿为例，达尔文说：长颈鹿的颈起初有长有短，树下部叶子吃完，适者生存，形成现在的长颈鹿；拉马克说：长颈鹿原来的颈不长，树下部叶子减少，用进废退，获得性状而遗传，形成现在的长颈鹿。对于遗传和变异的解释，达尔文承认获得性状遗传的一些论点，并提出了泛生假设(pangenesishypothesis)：认为动物身体的任何部位都存在微小的泛生粒(微芽，pangen)，所有泛生粒通过血液流动进入性细胞，当受精卵发育时，各种泛生粒发生作用形成各种器官，表现为遗传。如果泛生粒发生改变，则后代发生变异。(这一假设纯属推想，未获得科学证实)。之后出现了新达尔文主义(neo-Darwinism)学派，他们支持达尔文的选择理论，否定获得性状遗传。首创者魏斯曼(Weismann，A.，1834－1914)提出了种质连续论(theoryofcontinuityofgermplasm)，认为生物体是由体质(somatoplasm)和种质(germplasm)两部分组成；种质产生体质，体质不能产生种质；种质代代相传；环境只能影响体质，而不能影响种质，故获得性状不能遗传；只有种质发生变化，才能遗传下去。这一学说是基于他著名的老鼠断尾杂交试验。种质连续论在科学道路上更前进了一步，但是，把生物体分为种质和体质是片面的，在植物界是不存在的，在动物界也是相对的。首位真正有分析地研究遗传和变异是从孟德尔(Mendel，G.J.，1822-1884)。他在前人植物杂交的基础上，于1856-1864年从事豌豆杂交，1865年发表了“植物杂交试验(experimentinplant-hybridization)”论文，首次提出了分离和独立分配两个遗传规律，认为性状遗传是受细胞里的遗传因子(geneticfactor)控制的。可惜这一理论由于当时的历史原因和科学发展的限制，没有被人们所重视，被遗忘了36年后，于1900年被荷兰的狄·弗里斯(HugodeVires，月见草杂交)、奥地利的柴马克(Tschermak，E，豌豆杂交)、德国的柯伦斯(Correns，Carl，玉米杂交)重复了孟德尔杂交试验，重新发现了孟德尔定律。因此，孟德尔定律重新发现的1900年被公认为遗传学诞生的一年。遗传学(genetics)作为一个学科的名称是贝特生(Bateson，W.)1906年提出的。1902－1903年狄·弗里斯发表了“突变学说(mutationtheory)”。 1903年Boveri，T［(1862－1915，德国教授)1890年发现减数分裂，特别是在减数分裂中的联会现象和萨顿(Sutton，W．S．)(1876－1916美国研究生)提出了遗传的染色体理论(chromosometheoryofheredity)，提出了遗传中的基因与减数分裂中的染色体的行为相平行观点(aparallelismbetweenthebehaviorofchromomsomesandMendeliansegregationofgene)。1906年贝特生光荣在香豌豆杂交试验中发现了性状连锁现象。1908年德国医生温伯格(Weinberg，W.)和英国数学家哈德(Hardy，G.H.)同时发现了群体遗传学中的遗传平衡定律(thelawofgeneticequilibriumorbalance)(也称哈德-温伯格定律)。1909年约翰逊(Johannsen，W.L.，1859－1927)发表了“纯系学说(purelinetheory)”，最先提出了“基因(gene)”一词，来代替孟德尔的遗传因子，用基因型(genotype)和表现型(phenotype)把遗传基础与性状表达科学地区别开来。与此同时，细胞学及胚胎学已有了很大的发展，人们对细胞结构，有丝分裂，减数分裂，受精过程，染色体(chromosome)的结构和功能，细胞核作用有了了解，在魏斯曼“种质论”的基础上，细胞学的资料和孟德尔的遗传规律很快地结合起来了。1910年以后，摩尔根(Morgan，T.H.，1866－1945)等用果蝇(Drosophilamelanogaster)为材料同样发现了连锁现象，证明了孟德尔遗传定律与染色体行为的一致性，创立了基因理论，阐明了基因位于染色体上，染色体是基因的载体，呈直线排列。并提出了连锁遗传规律。摩尔根的连锁定律与孟德尔的分离定律和独立分配定律合起来，称为遗传学的三大基本定律，产生了染色体遗传学和细胞遗传学，它们也称为经典遗传学。斯特蒂文特(SturterantA.H.)果蝇为研究对象，于1913年绘制出第一张连锁图，标明基因中染色体上的线性排列。1913年美国的Emerson，R.A.(1873－1947)和East，E.M.提出了数量性状的遗传(inheritanceofquantitativecharacters)和可突变基因(mutablegenes).美国的Muller，H.J.(1890－1967)博士1915年完成了交换机理(TheMechanicsofCrossingOver)博士论文。1921年Albert，F.B.(1874－1954,美国植物学家和遗传学家)在曼陀罗[Jimsonweed(Daturastramonium)]中发现三体(trisomes)。美国人Calvin，B.B.(1889－1938)在果蝇中首次发现了染色体结构变异的重复(duplication)、缺失(deficiencies)和易位(translocation)。1924年德国生化学家Feulgen，R.J.(1884－1955)等人创造了孚尔根反应(Feulgenreaction)实验证实了在间期细胞的DNA位于染色体上。1927年穆勒(Muller，H.J.)和斯特德勒(Stadler，L.J.)几乎同时用X射线分别诱发果蝇和玉米突变成功。1930年日本东京大学教授Kihara，H.提出了染色体组分析(genomeanalysis)和同源异源多倍体(auto-andallo-polyploidy)概念。1937年布莱克斯里(Blakeslee，A.F.)等利用秋水仙素(colchicine)诱导植物多倍体成功，为探索能遗传的变异开创了新的途径。在20世纪30年代随着玉米等杂种优势在生产上的广泛利用，提出了杂种优势(heterosis，hybridvigor)的理论。从1940年起，遗传学进入了一个新阶段。1941年比德尔(Beadle，G.W.)等人用红色面包霉为材料，系统地研究了基因与生化合成间的关系，证明了基因是通过酶而起作用的，提出了“一个基因一个酶”的假说。从而发展了微生物遗传学(microbialgenetics)和生化遗传学(biochemicalgenetics)。20世纪50年代前后，随着近代物理和化学等先进技术和设备的应用，在遗传物质的研究上取得了重大进展：证实了染色体主要是由脱氧核糖核酸(DNA)、蛋白质(protein)和少量核糖核酸(RNA)所组成，其中DNA是主要遗传物质。美国的笆笆拉·麦克林杜克(BarbaraMcclintock)在玉米中发现了“跳跃基因”(jumpinggene可动基因)，该基因起“活化”和“开关”作用，游来游去，具有游动性，造成了常规基因重组的“非法重组”现象，之后又发现断裂基因、基因表达的调节等，极大地推动了对基因结构与功能的认识。1944年阿委瑞(Avery，O.T.)用实验方法直接证明了DNA是转化肺炎球菌的遗传物质。1952年赫尔歇(Hershey，A.D.)和简斯(Chase，M.)在大肠杆菌的T2噬菌体内，用放射性同位素标记实验，进一步证明了DNA的传递作用。1953年英国物理学家克里克(Crick，F.H.C.)和美国的瓦特生(Watson，J.D.)通过X射线衍射分析的研究，提出了著名的DNA双螺旋分子结构模型理论。(Watson，J.D.andCrick，F.H.C.，Molecularstructureofnucleicacids。Astruturefordeoxyribosenucleicacid。Nature，1953，(171)：737-738；Watson，J.D.andCrick，F.H.C.，Geneticalimplicationsofnucleicacids。Astruturefordeoxyribosenucleicacid。 Nature，1953，(171)：964-967)，这是遗传学发展史上的一个重大转折。这一理论为DNA的分子结构，自我复制，相对稳定性和变异性，遗传信息的储备和传递，控制蛋白质的合成提供了合理的解，。使遗传学的研究从细胞水平进入到分子水平，标志着分子遗传学的诞生。从分子水平研究基因的结构和功能，来揭示遗传和变异的奥秘。1956年威廉姆斯(Williams，R.C.)进行了有名的烟草花叶病毒(TobaccoMosaicVirus)的分离与组合实验，证明了在没有DNA的病毒中，RNA携带了遗传信息。70年代初，伯格(P.Berg1972年)实现了不同生物体来源的DNA的体外拼接；1973分子遗传学家(moleculargeneticist)科恩(S.N.Cohen)等通过DNA体外连接，构建了第一个有生物学功能的细菌杂交质粒，开创了基因工程的先河，使人类实现了按照自身的意愿能动地改造生物性状。之后科学家成功地进行人工分离基因和人工合成基因，把基因在体外人工剪接和搭配，然后引入不同物种的受体细胞，定向地改变生物遗传性状，开始了遗传工程(geneticengineering)这一新领域。80年代以来，生物技术(biotechnology)(现今的生物技术主要包括发酵工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程和基因工程)日新月异，飞速发展。例如基因遗传标记已经应用在林木遗传研究。转基因技术，如抗虫基因、抗灭草剂基因、抗病基因的研究正显示出灿烂的前景。90年代以来，人类基因组计划，15年完成30亿个核苷酸对(相当于10000booksX100pagesX3000characters)的排序。为揭开生长、发育、衰老、疾病和死亡的奥秘奠定基础。这项研究不亚于研制原子弹和载人登月飞船。简单地回顾遗传学的历史，清晰地表明遗传学是一门发展极快的学科。由简单到复杂，由宏观到微观，从细胞到分子，从个体到群体，在深度和广度上有了很大的飞跃。由于学科之间的相互结合和相互渗透，出现了许多边缘学科，遗传学已经发展到三十多个分支，如细胞遗传学、数量遗传学、发育遗传学、进化遗传学、辐射遗传学、医学遗传学、分子遗传学和遗传工程等。其中分子遗传学已经成为生物科学中最活跃和最有生命力的学科之一；而遗传工程将是分子遗传学中最重要的研究方向。无数的事实证明，遗传学不愧为生命科学中的带头学科，正在为人类的未来展示出无限美好灿烂的前景。遗传学是生物科学中一门十分重要的理论科学，涉及到生命起源和生物进化的机理。同时它是一门紧密联系生产实际的基础学科，直接为动植物和微生物的育种工作服务，是良种选育和遗传控制的理论基础；与人类的医学和保健事业也有密切的关系。所以遗传学不仅在理论研究上，而且在生产实践上具有十分重要的作用，是当今生物科学中最为活跃的学科之一。不仅要认识生物遗传和变异的客观规律，而且要能动地运用这些规律，使之成为改造生物，控制种性的有力武器，指导树木的育种实践。(2)遗传学是指导育种实践的基础理论遗传学是指导育种实践的基础理论。作为生命科学主导学科的遗传学，历经了百余年的发展。19世纪中叶细胞学、进化论和经典遗传学的创立，为生命科学的发展打下了坚实的基础；20世纪上半叶基因论的创立和DNA功能的确定，特别是20世纪中叶DNA双螺旋结构及遗传信息存储、复制、转录和翻译机制的阐明，蛋白质、核酸人工合成的成功等一系列突破，导致70年代和80年代的基因工程、单克隆抗体。聚合酶链反应(PCR—PolymeraseChainReaction)为代表的技术上的突飞猛进，以基因和基因组为基础的育种系统正在快速发展。使人类有可能在分子层次上深入认识生命现象和对生物体的遗传改良进行实验室设计和操作。遗传学与农、林、医、环保等部门均有密切联系，是人类认识自然、改造自然的有力武器。现代遗传学认为，生物的千差万别，根本的差别在蛋白质的氨基酸顺序上，其信息储存于遗传物质脱氧核糖核酸的核苷酸顺序中。近20多年来，大量的蛋白质得到纯化并测定了氨基酸顺序，可以看到2种生物亲缘越近顺序越接近，亲缘越远，氨基酸的替换也越多。同工酶的发现和深入研究为系统学家提供了一个相当简便的方法。同工酶是结构基因编码在进化中由最初的基因经基因重组和突变形成。因为脱氧核糖核酸的核苷酸顺序和蛋白质的氨基酸顺序有共线性关系，进化中形成的不同生物的不同基因组成会反映在同工酶酶谱上，构成同工酶谱的种属专一性。同工酶是基因位点差异的生化表现，只有在对大量的测定数据进行严密的数学分析之后才能确定遗传上的差异。组成高等植物性状的遗传信息贮存于核染色体和细胞器基因组的DNA中，DNA的基本结构是4种不同核苷酸通过磷酸二酯键相连接，在植物的自然群体中存在着由于点突变、倒位、易位、缺失或插入等碱基对的变化而导致大量变异，用分子标记手段可揭示种质的遗传多样性，为生态保护和恢复提供新的科学依据。(备注：标记有形态标记、细胞标记、生化标记和分子标记。形成标记即外部形态特征的区别；细胞标记如染色体数目与结构的分析；生化标记如同工酶酶谱；分子标记如RFLP(Bostein,1980)—RestrictedFragmentLengthPolymorphism限制性片段长度多态性；RAPD(Williams,1990)－RandomAmplifiedPolymorphismicDNADNA随机扩增多态DNA；AFLP(ZebeauMarc,1993)－AmplifiedFragmentLengthPolymorphism扩增片段长度多态性；SSR(Weber,1990)－SimpleSequenceRepents简单重复序列) 目前，人类基因组计划已提前完成，水稻和猪等农业动植物的基因组计划在紧张进行中，通过基因工程和细胞工程可以定向和有效地对植物进行遗传改良，培育出抗虫、抗病、抗除草剂、耐旱、耐寒、耐盐碱等性状，增加产量，改进品质，提高效益，减少农药、化肥和水的投入，保护资源和环境。生物工程技术越来越广泛和深刻地影响和改变着人类的经济社会生活以至人类自身。由于遗传学需要深入研究的问题往往不是单一学科所能解决的，为了从分子、细胞、个体和群体等生命不同结构层次深入探讨生命现象，各门学科之间发生了密切的联系。现代遗传学发展的一个突出特点，一方面是它冲破了本学科的狭隘界限，综合运用了当代自然科学的广泛成果，特别是应用近代数学、物理和化学的新成就、新技术和新仪器设备，使遗传学从早年的描述性学科上升为精密实验性学科，并取得了卓越成就；另一方面，它与许多学科相结合，交叉渗透，促进了一些边缘学科的形成，建立了许多新分支。例如，细胞学与遗传学的理论和方法相结合，产生了细胞遗传学，它主要是讨论通过交配以后，杂种后代所表现的遗传规律及其与染色体行为的关系。遗传学与数学相结合产生了群体遗传学，主要是研究基因在整个群体中的频率分布和变化速度，也就是建立数学模型，讨论在各种不同干扰因素作用的情况下，基因频率如何改变并达到新的平衡。群体遗传学＋统计，又产生数量遗传学，近20年来计算机的普及给数量遗传学的发展提供了极为有利的条件，数量遗传学的原理和方法越来越多的在动、植物育种中，特别是对经济性状的遗传改良起了重大作用。遗传学与化学相结合产生了生化遗传学，进而诞生了分子遗传学，也就是通过生物大分子物质的行为来说明生物的遗传现象，了解这些大分子的化学和生化结构、生化功能以及活动和变化的规律。以生物分子为基础的进化生物学，正成为当代理论生物学的热点。在分子遗传学的基础上，1974年又出现了遗传工程学，它为核酸的分割、基因的转移和新生命类型的塑造与合成提供了起点。近年来，DNA和RNA的重组技术和蛋白质工程的兴起，进一步开拓了改造生物的广阔天地。遗传学与物理学相结合发展了辐射遗传学，通过辐射来研究基因的突变机理，并利用辐射来产生动、植物的新类型。由于遗传学渗入到生物科学的各个领域或各种生物门类，依研究的对象和特点的不同形成了动物遗传学、植物遗传学、微生物遗传学、人类遗传学、森林遗传学、生理遗传学、生态系统遗传学等，使遗传学的研究越来越深入，从而揭示了更多的自然秘密，遗传学的发展对农业、林业、畜牧业、医药卫生和环保事业都产生了不可估量的影响。三、林木遗传育种的发展回顾1、国外林木遗传育种的回顾林木育种已有200年的发展历史。林木引种、选择和杂交的实践活动由来已久，特别引种可追溯到古代2000年前。但科学的林木遗传育种历史不长，19世纪达尔文提出的以自然选择为基础的进化论学说，阐明了物种的可变性和生物的适应性，他的学说对当时的林学界有很大影响。美国植物育种学家L.Burbank(1849－1926年)和苏联植物育种学家米丘林(1855－1935年)对林木育种实践和林木育种学的形成起过积极作用。法国学者DeVilmorin于1821年首次进行了欧洲赤松种源试验，随后法国、俄国、奥地利、瑞士等林学家对落叶松、云杉、松、橡等树种作了种源试验，证实了种内存在着明显的差异。1892年国际林联为主要造林树种制定了国际种源试验计划。30年代后和第二次世界大战后，在许多树种中开展了种源试验。在19世纪，杂交是植物育种工作的活跃中心。德国植物学教授Klotzch于1845年最早进行了欧洲赤松和欧洲黑松间的杂交，19世纪未，爱尔兰A.Henry开始搞杨树杂交，到20世纪初，美国、意大利、德国也搞杨树杂交，其中意大利的成绩尤其显著。30年代掀起杂交育种高潮，在松、落叶松、板栗、榆树等树种中都作过大量试验，但取得的成效最大的仍只限于杨属。1936年瑞典Nilsson－Ehle发现了三倍体山杨无性系，以及秋水仙碱的发现和利用曾掀起过多倍体育种的热潮，可惜没有取得显著成效。19世纪末到20世纪初，国外不少林学家注意到了林分内单株间的变异，但直到20世纪30年代，丹麦林学家C.S.拉森(Larsen)用嫁接方法繁殖选择出水青冈等树种的无性系，这种繁殖方式后来发展成为生产优质林木种子的主要形式——种子园。到50年代种子园逐步为世界各国认可，并普遍采用。先驱者的大量工作为建立林木遗传育种学奠定了基础。第二次世界大战后，为适应社会对木材的大量需求，为开展林木遗传育种创造了有利的客观条件。林木育种的基本任务是为林业生产不断提供产量高、品质好、适应性强的大量繁殖材料。传统的林木育种是目前提供林木良种的唯一途径，为世界各国广泛采用。由于全球气候的改变，人们环境保护意识的增强，对生物多样性和种质资源的保护，适应性状的研究有所加强。这赋予林木遗传育种新的内容。 70年代发展起来的生物技术，在林木中的研究虽然受林业和树木本身生物学特性的限制，稍滞后于生物学科的其他领域，但近年进展快。组织和器官培养于80年代取得的成绩大，但迄今通过组织培养能达到实用目的树种仅局限于桉、杨等少数树种。自1985年后以林木为试材的体细胞胚培养、原生质体培养已有研究，但不同树种原生质体融合成功的报道极少。自60年代印度植物学者Guha和Maheshwari取得毛叶蔓陀萝花药培养成功后，林木花粉植株(单倍体)培养于70年代掀起过高潮。基因工程是在70年代随着植物组织、细胞和原生质体培养方法的完善，DNA的重组、基因克隆和导入技术的建立而发展起来的。林木遗传转化试验开始于80年代中期，探索了试验方法，并已有成功事例，为今后进一步工作奠定了基础。遗传标记技术已应用于研究林木群体生物学，如与遗传进化有关的种质渐渗、基因流、交配体系，以及生物多样性等问题。近年发展形成的数量性状基因定位(QTLs)方法，已用于杨树等树种多种性状的遗传分析。指纹图谱标记，辅助鉴别也已开始用于林木遗传育种方面的研究。林木遗传育种，经过了约200年的探索，特别是20世纪50年代以来大量的试验和实践，已成为颇具特色的育种技术体系，成为植物育种学中一个独立的分支，但它本身仍然是发展中的学科，需要有新的理论和技术来武装，不断加以充实和完善。林木遗传育种正沿着这条道路在发展。2、中国的林木遗传育种的兴起和进展我国林木遗传育种的研究和实践基本是从50年代发展起来的，大致可划分为2个阶段。(1)起步与兴起民间林木引种工作开展较早，也较频繁。杨、柳和杉木的无性繁殖已有几百年历史。我国林木育种的先驱者叶培忠教授于1931年由英国爱丁堡皇家植物园学习回国后，在中山陵园植物园任职期间收集多种杨树，作了杂交试验准备，因抗日战争爆发而使试验中断。1938年他在四川农业改良所峨眉山林业试验场作过杉木杂交，1946年在甘肃天水继续树树种间杂交，为我国开展杨树和杉木的育种工作积累了材料和经验。由20世纪50年代末起，我国林木遗传育种界学术活动比较活跃。1956年在全国林业专业开设了“林木遗传育种”课程，使用的教材有《树种选种学及森林良种繁育学》(苏联)。参考书《森林选种和良种繁育学》(中国的乐天宇和徐伟英)。1957年福建林学院俞新妥教授首次作了马尾松种源试验。60年代初由东欧引进杂种无性系杨树，70年代又从西欧和美国引进无性系杨树，同时开展杂交组合约200个。中国林业科学研究院林业研究所的徐伟英先生对杨树育种的发展作出了重要贡献。1963和1964年分别在郑州和北京召开了杨树学术讨论会和全国林木良种选育学术讨论会。1962年北京林学院陈俊愉教授作了楝树的种源研究。1964年南京林业大学陈岳武先生在闽北开展杉木优树选择，并于1966年在福建洋口建成我国第一个杉木无性系种子园，此后还对杉木作了早期选择、配合力育种、品种交互作用和稳定性研究。1964年中国林业科学院亚热带林业研究所也进行了杉木和马尾松等树种的种源试验。1966年广东省林业研究所所长朱志淞教授在广东台山建立了湿地松种子园。50年代末和60年代初，中国林木遗传育种界为我国林木育种的腾飞作了准备。1966年开始的文化大革命，严重挫伤了刚刚兴起的中国林木育种。在生产推动下，中国农林科学院于1972年10月在福建南平召开了国林木良种协作会议，1974年10月在广西玉林召开了全国林木引种驯化科技协作会，1976年10月在湖南靖县召开了全国林木良种选育协作会议。在这几次会议期间，酝酿了在全国范围内有计划地组织引种、林木种源试验，以及优树选择和种子园营建等问题。会后全国各地逐步对主要造林树种开展了种源试验、选优、建立种子园，对杨树品种作为普查、评比和鉴定，选育并推广了小黑杨等优良品种。同时原中国农林科学院科技情报所组织编写了国外林木遗传育种的相关资料。1979年9－12月，中国林学会树木遗传育种、林木引种驯化和杨树专业委员会等全国群众性学术团体相继成立。(2)全面推近，开创了新局面20世纪70年代末，林木良种基地建设纳入国家建设计划，到80年代，林木遗传改良被列入国家和林业部科技攻关项目——主要速生丰产树种良种选育，科研与生产密切配合，广大林木遗传育种工作者全心投入，育种工作活跃。主要工作成绩如下：引种方面：潘志刚的“加勒比松、马占相思等8个树种的引种研究”是代表性工作。这一领域发表的主要著作不：吴中伦的《国外树种引种概论》、潘志刚、游应天的《中国主要外来树种引种栽培》、王豁然的《林木引种驯化与森林可持续经营》等。种源试验方面：主要开展的树种有杉木、马尾松、落叶松、红松、油松、樟子松、侧柏、杨、柳、榆、泡桐等乡土树种，以及湿地松、火炬松、桉、刺槐等外来树种，共30多种。代表研究有：洪菊生等的“杉木地理变异和种源区划分优良种源选择和推广”；张培杲、杨传平等的“长白落叶松种源试验研究”；沈熙环、陈晓阳等的“侧柏地理变异和种源区区划的研究”；王章荣、秦国峰等的“马尾松材性的地理变异与制浆造纸优良种源选择”等。发表的著作有：徐化成《油松地理变异和种源选择》、马常耕《落叶松和种源选择》、潘志刚《湿地松、火炬松种源试验研究》等。优树选择及收集方面：累计收集优树约有4－5万株，在全国不同生态地区建立了收集圃和试验林。代表性研究有朱之悌的毛白杨基因的收集研究。出版的著作有顾万春等编著的《森林遗传资源学概论》等。 种子园方面：继陈岳武80年代完成的杉木的第一代种子园的研究之后，全国围绕种子园优质、高产、持续发展、开花结实特性、早期预测及再选择、遗传测定、加速育种世代及向高世代育种发展等问题作了研究。代表性的著作有沈熙环主编的《种子园技术》和《种子园优质高产技术》。施季森、潘本立、沈熙环和钟伟华等分别在杉木、落叶松、油松和火炬松等树种的选育研究中作出过重要贡献。杂交和无性系选育繁殖方面：代表性研究有黄东森等的“中林46等12个杨树新品种杂交育种研究”，熊跃国等的“C020，C125和白毛33号泡桐良种选育”，王明庥等的美洲黑杨南方型新无性系选育等。涂忠虞、黄敏仁主编的《阔叶树种遗传改良》、徐伟英主编的《杨树》、涂忠虞编著的《杨树育种与栽培》及朱湘渝等编著的《杨树遗传改良》等著作中。黄铨的沙棘选育。此外，在树木染色体、花粉植株的诱导和胚胎发生方面取得了重大进展，其中，我国学者于70年代首先在杨属中获得花粉植株。在杨树根癌农杆菌转化、Bt蛋白质基因导入等方面取得了显著的成绩，在RAPD分子标记，构建遗传连锁图谱方面也有所进展。在这一领域，韩一凡、黄敏仁、陈天华和陆志华等做子大量探索性试验，对基础性研究作出了重要贡献。上列工作表明，我国林木遗传育种已奠定了比较扎实的基础，为中国林木育种开创了新局面。在此期间召开的国际性学术会议有：1988年9月在北京召开国际杨树委员会18届会议；1994年10月在北就召开了亚洲—太平洋地区林木遗传改良学术讨论会；1998年8月在北就召开IUFRO林木遗传和树种改良学术讨论会。四、林木育种的特点、趋势和展望木本植物与谷物和果蝇相比较，其有机体的形态、结构、生活史不尽相同，但在分子水平上的遗传机制是相同的，森林遗传学的研究提供了树木个体或群体遗传特性的信息，确定树木之间或树种之间的遗传关系，为森林资源的保存和利用提供理论基础。从树木特性和林业经营条件考虑，林木育种有如下特点：(1)多数树种达到性成熟和经济成熟需要几年，乃至数十年，世代长，育种周期也长，同时，树体大，占地多，对开展遗传测定和多世代育种等造成一定的困难。(2)由于树木多年开花结实，选育材料能在较长的时期内被繁殖利用，因而可以在遗传测定后进行再选择。(3)多数树种分布广，开发利用不平不一，加之林木选育历史短，自然界尚存在着大量未被发现和利用的优良遗传型，选种和引种的潜力大，见效快。(4)主要造林树种都属异花授粉植物，自花授粉或近亲繁殖会引起衰退，要采用异花授粉植物育种方式，同时不少树种也能营养繁殖，可进行无性系选育。有性与无性选育相结合，是有效的林木育种方式。(5)在多数情况下，选育和繁殖遗传基础广泛的林木品种，或使用混合品种是适宜的。综观林木育种的发展过程，并考虑林木育种的特点，可以预期，引种、选种和杂交育种在相当长的时期内仍将是林木改良的主要途径。种子园和插条等无性繁殖方法将因树种、改良性状、造林地区自然条件等不同而分别成为良种繁殖的主要方式；多世代育种能提高改良效果，必然会得到发展；育种目标将打破现在以速生为主的框框，抗病、抗虫、抗逆、材质以及其他林副产品的育种将会提到重要日程。此外，随着研究的深入，生物技术将逐渐运用于林木育种中，如林木细胞工程、林木基因工程等，以及非常规育种如倍性育种和诱变育种也会逐渐与常规育种相结合，加强新技术的开发和利用，期望特定性状遗传因子的发现、获取、改良、导入、表达、评定和筛选等技术上有所突破。近一二十年内应着重考虑研究的方面如下：(1)继续加强对现有育种资源的收集、保存、研究和利用。(2)开展种源试验和遗传测定，逐步搞清主要树种的遗传育种参数，以及主要经济性状和生态性状遗传变异规律的探索和利用，主要经济性状和适应性状的表达和评价。(3)创造新的遗传变异，构建综合性状优良的品种。(4)加强良种繁育技术和原理的研究，完善和提高良种繁育技术。(5)建立育种群体，研究多世代育种和育种策略。思考题1．名词解释遗传变异2．如何理解遗传与变异的辩证关系?生物与环境的关系?3．当前林木育种工作是什么？为什么是这样？ 《遗传学》部分第一章遗传的细胞学基础主要内容：1．植物细胞的结构和功能。重点论述细胞壁内的原生质体，是细胞有生命的部分，它包括细胞膜、细胞质和细胞核等，不同的部分的细胞和功能也不同。2．染色体的形态、结构和数目。染色体存在于植物的细胞核中，是细胞遗传学研究的重要对象。染色体由着丝点、主缢痕、次缢痕、染色体臂和随体五个部分组成，其中着丝点对染色体形成和命运有决定性意义。染色体的数目和结构变异对研究物种的起源和亲缘关系具有重要意义。3．细胞的分裂。着重对有丝分裂和减数分裂的时期及其特点进行了详尽的介绍，此外还包括它们各自的遗传学意义。目的要求：遗传学是研究生物的遗传和变异的科学。生物的遗传与变异现象只有通过繁殖后代才能观察得到，然而无论何种繁殖方式，都必须在细胞的基础上，通过细胞分裂才能繁育出来。所以掌握细胞的细胞、功能、分裂方式是研究生物遗传与变异的基础。染色体存在于植物的细胞核中，是细胞遗传学研究的重要对象，因此，对染色体的形成特征要求掌握，而形成和数目也必须有所了解。重点1．染色体的形态和数目。染色体由着丝点、主缢痕、次缢痕、染色体臂和随体五个部分组成。各种生物染色体数目是恒定的，它们在体细胞里成双，在性细胞成单。2．细胞的分裂，尤其是有丝分裂和减数分裂的各个时期及其特点，以及它们的遗传学意义。难点：1．染色体的结构。现代研究认为，染色质的基本结构单位是核小体，其结构是由柯恩柏格等所提出的串珠模型结构。2．细胞分裂过程中各个时期的特点，尤其是染色体在细胞分裂各个时期的行为变化。具体内容如下：细胞(cell)是生物体结构和生命活动的基本单位。遗传和变异是生物通过各种繁殖方式表现出来的，不论是有性生殖还是无性生殖都必须通过一系列的细胞分裂来实现。因此，为了详细了解生物的遗传和变异规律及其内在机理，有必要对细胞的细胞和功能，细胞的分裂方式等有深入的认识。一、细胞的结构和功能植物细胞是由细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核四个部分组成。1．细胞壁(cellwall)植物细胞在质膜外还有细胞壁，它是无生命的细胞，其组成成分如纤维素等，都是细胞分泌的产物。细胞壁的功能是支持和保护细胞内的原生质体(protoplast)，同时还能防止细胞因吸涨而破裂，保护细胞的正常形态。细胞也有由肽聚糖形成的细胞壁。某些单细胞生物的表面有由细胞分泌产生的保护性外壳，如有孔虫的石灰质外壳等，但它们均不含纤维素。2．细胞膜(质膜)(cellmembrane，plasmamembrane)是细胞质外围的一层生物膜，由蛋白质和磷脂组成，它使细胞成为具有一定形态的细胞单位，借以维持和调节细胞内微小环境的相对稳定性。在细胞的整个生活期中，膜的细胞处于不断代谢、更新中。大多数质膜上还存在激素的受体、抗原结合点以及其他有关细胞识别的位点。质膜中物质运输、激素作用、免疫反应和细胞通讯等过程中起重要作用。3．细胞质(cytoplasm)细胞膜以内，细胞核以外的原生质，称为细胞质。包括各种细胞器(organelle)和细胞液(cellsap)。在细胞质内一些具有一定形态，结构和功能的物体称细胞器。(1)线粒体(mitochondria)：双层膜，外膜光滑，内膜折叠形成许多横隔。线粒体含有大量的脂类，主要是磷脂类，它是线粒体双膜结构的重要成分，还含有DNA、RNA和核糖体。功能：第一，因含有多种氧化酶，能进行氧分磷酸化，可传递和贮存所产生的能量，因而成为细胞是氧化作用和呼吸作用的中心，是细胞的动力工厂。第二，含有DNA、RNA和核糖体，具有独立合成蛋白质的能。第三，线粒体与细胞核是两个不同的遗传体系，线粒体具有分裂增殖的能力。第四，具有自行加倍和突变等遗传功能。(2)质体(plastid)：是植物细胞所特有的细胞器。根据是否含有色素或所含色素的不同分为三种：叶绿体(chloroplast)、白色体(leukoplast)和有色体(chromoplast)。白色体(leukoplast)：无色、不含色素，主要功能为贮藏作用。有色体(chromoplast)：含各种色素，如叶黄素、胡萝卜素等。花、成熟水果及秋天落叶的颜色主要是这种质体所致。番茄的红色来自一种含有特殊的类胡萝卜素番茄红素(lycopene)的质体。 叶绿体(chloroplast)：双层膜，含有叶绿素、叶黄素、胡萝卜素，主要分布于植物体绿色部位。是绿色植物特有的一种细胞器。其功能是光合作用(photosynthesis)，它含有DNA(deoxyribonucleicacid)，RNA(ribonucleicacid)和核糖体，具有分裂增殖，合成蛋白质，白化突变等遗传功能。(3)核糖体(ribosome)：大约由40%的蛋白质和60%的核糖体核糖核酸(rRNA)组成，故又称为核糖蛋白体，是蛋白质合成的主要场所。(4)内质网(endoplasmicreticulum)：是单层膜结构，分为粗糙型内质网(rough～，颗粒内质网granular～，在内质网外附有核糖体)和平滑型内质网(smooth～)。其功能是转运蛋白质合成的原料和最终合成产物而通道。4．细胞核(nucleus)根据细胞结构的复杂程度，可把生物界的细胞概分为两类：原核细胞和真核细胞。两者的区别在于：原核细胞(prokaryocyte,prokaryoticcell)：仅有核物质、没有核膜和核结构、没有细胞器的细胞，原核细胞，处于细胞进化的原始阶段。由原核细胞构成的生物称原核生物(prokaryote,procaryote)。如病毒，细菌，噬菌体(细菌病毒)和蓝藻等生物。真核细胞(eukaryocyte,eukaryoticcell,eukaryon)：具有核结构、完整细胞器的细胞称真核细胞。由真核细胞构成的生物称真核生物(eukaryota,eukaryote,eukaryon)。包括单细胞藻类，真菌，原生动物和高等动植物。表格汇总如下：原核细胞与真核细胞的区别区别项目原核生物的细胞真核生物的细胞细胞大小小，直径一般为1-10微米大，直径在10-100微米细胞壁由特征性的糖及肽组成由纤维素或几丁质组成(动物细胞无)细胞器没有膜包着细胞器具有线粒体、叶绿体(动物细胞无)遗传组成DNA存在于细胞质中DNA存在于染色体并由核膜包裹生殖二分裂式的细胞分裂(无丝分裂)有丝分裂、减数分裂细胞组织主要为单细胞的主要为具有细胞分化的多细胞的在真核生物中，细胞核(简称核)主要由核膜(nuclearmembrane)、核液(nuclearsap)、核仁(nucleolus)、染色体(chromosome)(或染色质chromatin)四部分组成。核是遗传物质集聚的主要场所，是核遗传的控制中心。核膜(nuclearmembrane)：是核的表面膜，它把核与细胞质划分为两个功能不同而又密切相关的部分，它将染色质、DNA等遗传物质集中于一处，与代谢活动频繁的细胞质隔开，有重要的遗传学意义。核膜上有核孔，是核与细胞质之间物质交流的通路。核液(nuclearsap)：在电子显微镜下，核液分散在代电子密度构造中的直径为100－200埃的小颗粒和微细纤维。由于它与细胞质内核糖体的大小类似，因此有人认为它可能是核内蛋白质合成的场所。核仁(nucleolus)：主要由蛋白质和RNA组成。核仁的主要功能是合成核糖体RNA(rRNA)及核糖体大亚基装配的场所，又是合成核内蛋白质的活跃场所。此外，没有核仁的细胞不能完成有丝分裂，也不能长期的生活，因此它有重要的作用。染色质(chromatin)和染色体(chromosome)：是在细胞不同时期所表现出不同形态的同一物质。在尚未进行分裂的细胞中或细胞分裂间期，核内可见到由碱性染料染色较深的，纤细的网状物质，称作染色质(chromatin)或染色质线(chromatinfiber)；在细胞分裂时，核内的染色质呈现为一定数目和形态，称作动物和植物细胞的区别：植物细胞有细胞壁，质体(叶绿体)和液泡，动物没有；动物有中心体，只有裸子植物及蕨类，其它均无。二、染色体的形态、结构和数目(一)染色体的形态特征1．在有丝分裂的中期一个完整的染色体表现为五部分：主缢痕(primaryconstriction)、次缢痕(secondaryconstriction)、染色体臂[长臂(longarm)和短臂(shortarm)]、着丝点(spindlefiberattachment，centromere)和随体(satellite)；在有丝分裂的后期染色体共表现为四种类型：V形染色体(中间着丝点染色体metacentricchromosome)，L形染色体(近中间着丝点染色体sub-metacentricchromosome)，棒状染色体(近端着丝点染色体acrocentricchromosome)和粒状染色体(端着丝点染色体telocentricchromosome)。2．由于染色体的形状是相对恒定的。可以根据有无随体，次缢痕，以及次缢痕和着丝点的位置，臂比等形态特征识别某一特定染色体，也就是核型分析(karyotypeanalysis)或染色体组分析(genomeanalysis)来进行遗传鉴定，树种分类，杂种鉴别等研究。3．各种生物的染色体形态特征不仅相对恒定，而且在体细胞中是成对(成双)存在的。把形态和结构相同的一对染色体称作同源染色体(homologouschromosome)；把这一对同源染色体与形态和结构不同的另一对同源染色体，彼此互称为非同源染色体(non-homologous chromo-some)。如银杏的体细胞共有24条染色体，为12对同源染色体，这12对同源染色体之间彼此互为非同源染色体。人有46条染色体，22对同源染色体，1对性染色体，这22对同源染色体彼此互为非同源染色体。(二)染色体的数目1．各种生物的染色体数目都是恒定的，而且在体细胞中是以同源染色体形式成对存在的；在性细胞中总是以非同源染色体形式成单存在的。故性细胞的染色体数目是其体细胞的一半，通常用n和2n表示。例如，银杏2n=24，n=12；人类2n=46，n=23。体细胞染色体数目的恒定是相对的，特殊组织或器官体细胞中有不同的染色体数目。如动物的肝脏常是正常数目的2-4倍，高等植物的胚乳细胞染色体数目为3n。体细胞中的同源染色体可以分成两套(两组)。在减数分裂以后，雌雄性细胞将各保留一套染色体，这一套染色体称作染色体组(genome)。2．各物种的染色体数目差异很大。在植物中有一种菊科植物(Haplopappusgracillis)2n=4，n=2，瓶尔小草属(Ophioglossum)的一些物种可达400-600以上的染色体。被子植物(angiosperms)常比裸子植物(gymnosperms)的染色体数目多些。染色体的数目和形态对于鉴别亲缘关系和分类有重要意义。3．有些生物的细胞中除了具有正常恒定数目的染色体以外，还常出现额外的染色体，把这种额外染色体统称为B染色体(B-chromosome)或超数染色体(supernumerarychromosome)或副染色体(accessorychromosome)。把正常的染色体称为A染色体(A-chromosome)。现已在640多种植物和170多种动物中发现B染色体，当它增加到一定数目时，会影响生存。至于B染色体的来源和功能不完全了解。(三)染色体的结构1．化学组成染色体就是核酸蛋白，即DNA、RNA和蛋白质的复合物，其中DNA是主要成份，约占染色体重量的30-40%；蛋白质属于碱性组蛋白，和DNA的含量相当，是很稳定的，在染色质结构上具有决定作用。2．染色体的结构在细胞有丝分裂的中期，利用光学显微镜可以观察到：一个染色体是由两条染色单体(chromatid)所组成。而每条染色单体包括一条染色质线(chromonema)盘绕而成的。通过电子显微镜观察到：一条染色质线仅含有一个DNA双螺旋链。3．染色质的串珠模型奥林斯等(Olins，A.L.etal，1974，1978)、柯恩柏格(Kornberg，R.D.，1974，1977)和钱朋(Chambon，P.，1978)等人通过电子显微镜的观察和研究，发现染色质犹如一串念珠(beadsonastring)，提出了染色质的串珠模型。这个模型认为染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)和连接丝(linker)两部分，核小体也称纽体(υ-body)。每个核小体的核心是由H2A，H2B，H3和H4四种组蛋白各以两个分子组成的八聚体，似扁珠状。DNA双螺旋链盘绕八聚体1.75圈，其长度相当于140个碱基对。在相邻的两个核小体之间，由长约60个碱基对的DNA连接，称为连接线。在相邻的连接线之间结合一个组蛋白分子H1，形成核小体单元。可见一个核小体单元是由200个碱基对的DNA双螺旋片段与8个组蛋白分子形成的8聚体圆珠所组成，核小体单元不断重复，形成一条以DNA为骨架的DNA－蛋白质纤丝，这就是柯恩柏格(kornberg,1974)等所提出的染色质结构的串珠模型。三、细胞分裂(celldivision，质分裂cytokinesis，和分裂karyokinesis)细胞分裂是生物进行繁殖的基础，而通过繁殖遗传和变异现象才能表现出来。细胞分裂有三种方式：1．无丝分裂(amitosis)：亦称直接分裂，体细胞分裂；先核拉长，缢裂成两部分，后质分开；2．有丝分裂(mitosis)：有纺锤丝出现和作用的染色体有规律分裂，属于体细胞分裂；3．减数分裂(meiosis)：又称成熟分裂(maturationdivision)，是在性母细胞成熟时，配子形成过程中所发生的一种特殊的有丝分裂。(一)有丝分裂其目的是实现细胞数量的增加，个体体积的增大。1．有丝分裂的5个过程和时期，构成了细胞周期。高等生物的细胞分裂主要是以有丝分裂方式进行的。它包含两个紧密相连的过程：先是细胞核分裂，即核分裂为两个；后是细胞质分裂，即细胞分裂为二，各含一个核。为了便于描述起见，一般把核分裂的变化特征分为四个时期。前期、中期、后期和末期。实际上，在细胞相继两次分裂之间还有一个间期。即有丝分裂的5个过程和时期，构成了细胞周期。(1)间期(interphase)：细胞连续两次分裂之间的一段时期，在间期外表上看起来似乎是静止的，实际上核处于高度活跃的生理、生化的代谢阶段；主要是遗传物质进行复制，DNA含量加倍。根据DNA合成的特点，分三个时期：G1期(合成前期，pre-DNAsynthesis，1stGap)；S期(合成期，periodofDNAsynthesis)和G2期(合成后期，postDNAsynthesis，2ndGap)，一般S期的时间较长，且较稳定，G1和G2的时间较短，变化也较大。 (2)前期(prophase)：核内出现细长而卷曲的染色体，以后逐渐缩短变粗，每个染色体含两个染色单体，核仁核膜逐渐模糊不明显，同时形成纺锤丝(spindlefiber)。(3)中期(metaphase)：核仁和核膜均消失，细胞两极的纺锤丝构成了纺锤体(spindle)，各个染色体的着丝点排列在细胞的赤道面上，两臂朝向两极，这时染色体具有典型的形状，是制片和计数的最佳时期。(4)后期(anaphase)：每个染色体的着丝点一分为二，各条染色单体已成为一个染色体。随着纺锤丝的牵引向两极移动。(5)末期(telophase)：分开来的染色体出现新的核膜，染色体又变松散细长。核仁重新出现形成两个子核，接着细胞质分裂，赤道板区域形成新的细胞壁。2、有丝分裂的遗传性意义(1)每个染色体准确复制一分为二，从而使两个子细胞与母细胞具有同样质量和数量的染色体。即两个子细胞的核基因与母细胞完全一样。(2)有丝分裂保证了物种的连续性和稳定性，植物的无性繁殖之所以能保持母本的遗传性状，就在于是经过了无性繁殖。(3)线粒体，叶绿体等细胞器在细胞质中分布不是均匀的，它们随机而不均等地分配到两个子细胞中去。因此，由细胞器所决定的遗传表现与染色体所决定的遗传表现不一定相同。(二)减数分裂减数分裂又称成熟分裂(maturationdivision)，是形成性细胞(花粉n、卵细胞n)的一种特殊的有丝分裂。通过减数分裂形成了雌雄配子，又通过受精，精细胞和卵细胞相结合，使合子(受精卵)又恢复了体细胞原有正常的染色体数目(2n)，从而保证了物种染色体数目的恒定性。1、减数分裂的特点首先各对同源染色体在细胞分裂的前期配对(pairing)，或联会(synapsis，syndesis)；其次分类过程包括两次分裂，第一次减数，第二次等数。2、减数分裂的时期(1)减数分裂前的间期：类似于有丝分裂的间期，核内染色体发生复制，S期较长些。(2)第一次分裂(reductionaldivision，firstmeioticdivision)A前期I(ProphaseI)A1.细线期(Leptotene)：核内出现细长如线的染色体，每个染色体都是由共同的一个着丝点联系的两条染色单体所组成。细长如线的染色体象开放的花束一样，故细线期也称为花束期(Bouquetstage)或凝线期(synizesisstage)。A2.偶线期(Zygotene)：各同源染色体开始配对，出现联会现象。联会是指各对同源染色体的对应部位相互靠拢，紧密并列，逐渐沿着纵向联结在一起。配对是有专一性的，只有同源染色体才能配对。2n个染色体经过联会而成为n对染色体。同源染色体的联会是减数分裂所特有的，有丝分裂中同源染色体是不配对的，这是这两种分裂方式的重要区别之一。我们把联会的一对同源染色体，称为二价体(bivalent)。据电镜观察二价体表现为联会复合体(synaptonemalcomplex)。因为二价体实际上已经包含了4条染色单体，故又称为四合体(tetrad)；在二价体中的一个染色体的两条染色单体，互称为姊妹染色单体(sisterchromatid)，而不同染色体之间的染色单体，则互称为非姊妹染色单体(non-sisterchromatid)。A3.粗线期(Pachytene)：二价体逐渐缩短加粗，一般认为联会复合体在粗线期完成，此时非姊妹染色单体之间出现交换(crossing-over)，因而造成基因的重组发生。A4.双线期(Diplotene)：四合体继续变粗变短，非姊妹染色单体相互排斥而松懈，但仍有一、二个甚至几个交叉(chiasma，chiasmata)联结在一起。这种交叉现象就是非姊妹染色单体之间某些片段在粗线期发生交换的结果。A5.终变期(Diakinesis)：二价体更为浓缩和粗短，可见交叉向两端移动，称为交叉的端化(terminalization)，这时二价体最为分散，是染色体计数和形态观察的最佳时期。B.中期I(MetaphaseI)：核仁和核膜消失，细胞质里出现纺锤体。各二价体排在赤道面上，着丝点分别在赤道面的两侧，这也是染色体计数好时期。C.后期I(AnaphaseI)：各个二价体的两条染色体分别向两极被拉开，每一极只分到每对同源染色体的其中任意一条，实现了2n数目的减半。但是每条染色体仍包含两条染色单体。D.末期I(TelophaseI)：染色体到两极后，松散变细，逐渐形成两个子核；同时细胞质一分为二形成两个子细胞，称为二分体(dyad)。(3)分裂间期(Interkinesis)在末期I大都有一个短暂停顿时期，称为分裂间期或中间期。它不同于有丝分裂的间期，一是时间较短，二是不发生DNA的复制。在动物中几乎没有。(4)第二次分裂(equationaldivsion，secondmeioticdivision)：和一般有丝分裂相似。A.前期II(ProphaseII)：每个染色体细长如线并有两条染色单体，着丝点仍然连接在一起，纺锤丝又开始形成。 B.中期II(MetaphaseII)：每个染色体的着丝点整齐地排列在子细胞的赤道板上，纺锤体形成。C.后期II(AnaphaseII)：着丝点分裂为二，各个姊妹染色单体由纺锤丝分开成为染色体拉向两极。D.末期II(TelophaseII)：拉到两极的染色体形成新的子核，同时细胞质又分为两部分。经过两次分裂形成了4个子细胞，也称为四分体或四分孢子(tetraspore)。减数分裂结束。3减数分裂的遗传学意义(1)减数分裂是雌雄配子形成的必要阶段。(2)减数分裂是保证物种染色体数目稳定的重要机制。通过减数分裂使染色体减半，而受精作用则使染色体数目倍增，一减一增，维持了原来物种染色体数目的不变；而染色体数目的恒定，是性状稳定遗传的来源，是新旧世代得以交替和绵延(延续)的保证。(3)减数分裂过程中同源染色体分离和非同源染色体的组合是随机的，同时同源染色体(二价体)的非姊妹染色单体之间的片段还可能出现各种方式的交换，因而就形成了各种不同的染色体组成的配子，为生物的变异提供了重要的遗传物质基础。增加了变异的复杂性，产生广泛的变异利于生物的适应和进化，为自然选择和人工选择提供了丰富的材料。若有n对染色体，就有2n种组合方式。如人：2n=223=8388608，松212=4096种配子产生。(三)有丝分裂与减数分裂的比较区别项目有丝分裂减数分裂功能及目的体积的增大和组织分化形成雌雄配子(性细胞)配对和联会无有片段交换无有分裂及复杂性一次(过程简单)两次(先减数，后等数，过程复杂)子细胞数目24染色体数目2n2n(等数)2nn(减半)思考题：1．名词解释同源染色体二价体联会姊妹染色单体染色体与染色质2．线粒体、质体、核糖体的遗传功能是什么?3．染色体的形态特征和形态分类?4．染色体的化学组成?串珠模型?四级结构模型?5．有丝分裂和减数分裂的区别及其遗传学意义?6．DNA复制的时期?减数分裂细胞发生联会的时期？7．植物的10个花粉母细胞可以形成多少花粉粒?多少精核?多少管核?10个卵母细胞可以形成多少胚囊?多少卵细胞?多少极核?多少助细胞?多少反足细胞?8．一种植物有20对染色体，写出下列组织的细胞中染色体数目：(1)叶；(2)根；(3)胚乳；(4)胚；(5)卵细胞；(6)胚囊母细胞；(7)反足细胞；(8)花药壁；(9)花粉管核9．假定一个杂种体细胞含有4对染色体，分别是Aa，Bb，Cc，Dd。它能形成几种配子?写出个配子的染色体组成? 第二章分离规律(LawofSegregation)主要内容：1.孟德尔的豌豆杂交试验(一对相对性状的遗传)；2．分离现象的解释——遗传因子的分离假说；3．分离规律的验证；4．分离规律的应用。目的要求：生物的性状是怎样从亲代遗传给后代，在性状遗传上有哪些共同的规律？这是遗传学研究的基本任务之一。通过本章学习，认识孟德尔从研究一对相对性状的遗传来认识生物的遗传规律，掌握在一对相对性状的条件下，其遗传行为为F1(子一代)是显性，F2(子二代)要分离，比例是3：1的性状分离规律。重点难点：1.分离规律的因子分离假说及实质；2.杂合体和纯合体在遗传上的行为表现；3．分离规律的应用。具体内容如下：人类很早就认识和看到了子代与亲代的相似性,但是笼统地认为子代表型出来的性状就是父本性状和母本性状的混合性状(blendingcharacter),而且父母本的性状在以后的世代中再也不能区分(分离)出来,这种看法称为混合遗传(blendinginheritance),孟德尔在前人(Kolreuter,1763；Knight,1799；Goss,1824)植物杂交实验的基础上,进行了豌豆杂交实验,否定了长期流行的混合遗传的观念,明确地指出亲代的性状不是彼此混合的,而是独立地传递给后代,而且父母本的性状在其后代中还将会分离(区分)出来。孟德尔在试验中所揭示的一对性状和两对性状的遗传规律，后来在遗传学中称之为分离规律(thelawofsegregation)和独立分配规律(thelawofindependentassortment),以及后来1906年由贝特生和彭乃特所发现、1915年由摩尔根所解释的连锁遗传定律一起，合起来称为遗传的三个基本定律。这三个基三定律，构成了经典遗传学的基石，具有普遍意义。第一节一对相对性状的遗传一、什么是性状、单位性状和相对性状1.性状(character):把生物体所表现出来的形态特征和生理特性统称为性状。所以生物的性状是很多很多的。比如叶片的形状、花的颜色等等。2.单位性状(unitcharacter):把植株表现出来的所有性状(性状总体)区分为各个单位作为研究对象,这样把区分开来的性状,称单位性状。如花色、叶形、种子形状、种子颜色等。3.相对性状(contrastingcharacter):把具有明显相对差异的同一单位性状称为相对性状。如:红花与白花；种子形状的圆与皱以及颜色黄与绿；植株的高与矮；花位的顶生与腋生等。二、孟德尔的豌豆杂交试验(以豌豆的花色杂交为例)P红花(♀)×白花(♂)P:亲本,♀:母本,♂:父本,×:杂交↓P-parentF1红花F1:杂种第一代,↓⊙⊙:自交F2红花(705)白花(224)共929F2:杂种第二代;比例:3.15∶1子代:filialgeneration如果把A×B这一组合称为正交,则把另一杂交组合B×A称为反交,正交和反交是相对而言的。由上可知红花×白花，F1全部是红花，F2中出现两种类型,共929株，红∶白≈3∶1。反交白花×红花也得出相似的比例，说明F1和F2的表现不受亲本杂交组合的影响。孟德尔在豌豆的其他6对相对性状的杂交试验中，都获得同样的试验结果。如下表：孟德尔豌豆一对相对性状杂交试验的结果性状杂交组合F1表现的显性性状F2的表现显性性状隐性性状比例花色红花×白花红花705红花224白色3.15:1种子性状圆粒×皱粒圆粒5474圆粒1850圆粒2.96:1子叶颜色黄色×绿色黄色6022黄色2001绿色3.01:1 豆荚形状饱满×不饱满饱满822饱满299不饱满2.95:1未熟豆荚色绿色×黄色绿色428绿色152黄色2.32:1花着生位置腋生×顶生腋生651腋生207顶生3.14:1植株高度高的×矮的高的787高的277矮的2.84:1上述杂交结果有两个共同特点：(1)F1所有植株的性状都是一致的，都只表现一个亲本的性状。他把F1表现出来的一个亲本性状称为显性性状(dominantcharacter)；把F1没有表现出来的一个亲本性状称为隐性性状(recessivecharacter)。(2)F2植物在性状表现上不同的，一部分植株表现一个亲本的性状，其余植株则表现另一个亲本的相对性状，即同时出现了两个亲本的(显性和隐性)性状，这就是性状的分离现象(charactersegregation),且显性个体与隐性个体的分离比例大致总是3∶1。第二节分离现象的解释一、孟德尔分离规律的遗传因子假设在细胞学还处于萌芽状态，虽然细胞是被确认了，但染色体还没有被发现，细胞核的功能还没有完全清楚的那个时代，孟德尔不但发现了分离规律，而且圆满地和完善地解释了分离规律。孟德尔提出的因子分离假说的基本要点如下：(1)遗传性状受遗传因子(基因)控制；(2)遗传因子在体细胞内是成对的，形成配子时，成对的遗传因子相互分离，各自分配到不同的配子中，因此遗传因子在配子中成单存在的；(3)配子的结合是随机的。(4)配子双方所带的遗传因子在合子中结合在一起，但不发生融合或掺合，各自保持高度的独立性。到形成配子时，它们又完整无损地各自分离，始终持高度纯粹的状态。二、表现型和基因型、纯合体与杂合体的概念1.基因型和表现型基因型(genotype)：是指个体的基因组合(组成)。它是性状表现必备的内在因素；是生物体内在的遗传基础，它是看不见的，只有根据表现型来确定。表现型(亦称表型,phenotype)：是指个体所表型出来的性状。它是基因型和外界环境(enviroment)条件共同作用下的最终表现，是可以直接看得见的、观察到的。即表现型=基因型+环境或P=G+E从基因型和表现型的关系来看，同一表现型，也可能有不同的基因型；同一基因型，如置于不同环境之下，也会有不同的表现型。2.纯合体和杂合体纯合体(homozygote)：是指具有纯合基因型的个体称为纯合体。纯合基因型(homozygousgenotype)是指成对的基因都是一样(相同)的基因型。纯合体在遗传上的表现是稳定遗传，即不发生性状的分离现象。杂合体(heterozygote)：是指具有杂合基因型的个体称为杂合体。杂合基因型(heterozygousgenotype)是指成对的基因不一样(不相同)的基因型。杂合体在遗传上的表现是不稳定的，后代会发生性状的分离和变异。上述纯合体和杂合体两者在遗传上的不同，在于自交时一对基因的纯合体只能产生一种配子，自交子代只发育与纯合体一样的性状，表现了遗传上的稳定性；而一对基因的杂合体却能产生两种配子，以致自交子代就成为分离的群体，出现了遗传上的不稳定性。第三节分离规律的验证分离规律是建立在一种假设的基础之上，这个的假设的实质就是“控制生物性状的遗传物质——基因在体细胞中是成对的,成对的基因在形成配子过程是彼此分离,互不干扰,因而配子中只具有成对基因的一个。有人称基因具有粒子性(particulateattributeorproperty)，即粒子在分而后合，合而后分的世代相传中，永远保持其高度的独立性、稳定性和纯粹性，即永远保持粒子的完整结构和作用。这就是颗粒遗传的概念(particulatetheoryofinheritance)。这个假设能否成立？为了证明这一假设的真实性，可以采用以下几种方法进行验证。一、测交法(test-cross,属于回交back-cross的一种)测交就是把被测验的个体与隐性纯合个体间的杂交，属于回交的一种。回交是指杂种个体与其亲本之一的交配。测交是专门测定交配对方的遗传组成的。一株双隐性亲本，因只能分解产生一种隐性因子，在形成合子时，不会发生掩盖作用，因此测交后代的表型种类及其比例理应反映出被测定植株F1经减数分裂后所产生的配子类型和其比例。(见课本P27－28)二、自交法 孟德尔认为红花与白花杂交，F2表现型为红花的个体，其中2/3的基因型应是Rr，1/3应是RR。他把F2的100株红花追踪观察，看F3的表现，结果其中64株在F3中发生分离，36株未分离。实际结果证明了Rr∶RR=2∶1的正确性。(见课本P28－29)三、F1花粉鉴定法(该方法不是孟德尔采用的,是后人采用的)由于基因的分离是和染色体的行为相平行的，配子中基因是单套的。在水稻、高粱、玉米等发现糯性(支链淀粉)和非糯性(直链淀粉)。用碘液进行显色反应，糯性的支链淀粉遇碘显棕红色，非糯性的直链淀粉遇碘显蓝黑色。用糯粒和非糯粒的纯合体进行杂交，则杂交F1花粉粒中含有双亲遗传组成的一半，则显色反应后应为红色：蓝黑色为1：1。实验的结果也正好验证。经过反复验证，证明分离规律为客观存在的规律，普遍存在于一切生物的遗传中。从此孟德尔的分离假说，被称为孟德尔的分离规律。第四节分离比例实现的条件根据分离规律，由具有一对相对性状的个体杂交产生的F1，其自交后代分离比例为3：1，测交后代分离比例为1：1。这些分离比例的出现必须满足以下的条件：1．选研究的生物体必须是二倍体，研究的性状必须差异明显；孟德尔采用严格的自花授粉植物—豌豆—纯合体得到分离规律。他曾以豌豆、玉米、山柳菊、菜豆及小动物进行杂交实验，在豌豆(Pisumsativum)上发现了规律，获得了成功，而在其它试材中没有得出规律和成功。2．控制性状的基因显性作用完全，并且不受别的基因影响而改变作用方式；3．F1个体形成的两种配子的数目是相等的或接近相等的，并且两种配子的生活力是一样的，受精时各雌雄配子都能以均等的机会相互自由结合。4．受精以后不同基因型的合子及由合子发育的个体具有同样的或大致同样的存活率。5．杂种后代都处于相对一致的条件下，而且试验分析的群体比较大。这些条件在一般情况下是具备的，所以大量试验结果都能符合这个基本遗传规律。第五节分离规律的应用1.我们观察和分析遗传现象时,必须具备“性状都是由遗传物质-基因所决定的,基因具有高度的独立性和粒子性”的观点。2.如何保持性状遗传的稳定是我们制定林木育种方案的科学理论依据。即如何获得优良性状的纯合体。3.必须重视表现型与基因型的区别与关系，基因型不完全等于表现型，而是P＝G＋E。4.自交使基因型纯合,群体发生分解；杂交使基因型杂合，群体趋于一致；杂种的自交将产生性状的分离,同时也导致基因的纯合。这些规律可用于育种工作中，如抗病杂种植株→自交→得到纯合,稳定群体。5.配子在基因组成上是单套的，近年来利用花粉培养的方法，已培育出优良的纯合二倍体，为育种工作开辟了新的途径，即单倍体育种。思考题1、名词解释性状单位性状相对性状显性性状隐性性状表现型基因型纯合体杂合体测交法2、分离规律的解释要点及实质?3、学习分离规律对我们有什么指导作用?4、纯种甜玉米和纯种非甜玉米间行种植,收获时发现甜玉米果穗上结有非甜的子实,而非甜玉米果穗上找不到甜的子实,如何解释这个现象?5、小麦毛颖基因P为显性，光颖基因p为隐性。写出下列杂交组合的亲本基因型。(1)毛颖×毛颖，后代全部毛颖；(2)毛颖×毛颖，后代3/4毛颖，1/4光颖；(3)毛颖×光颖，后代1/2毛颖，1/2光颖。6、小麦无芒基因A为显性，有芒基因a为隐性。写出下列各杂交组合中F1的基因型和表现型。每一组合的F1群体中，出现无芒或有芒个体的机会各为多少？(1)AA×aa；(2)AA×Aa；(3)Aa×Aa；(4)Aa×aa；(5)aa×aa7、大豆的紫花基因P对白花基因p为显性，紫花×白花的F1全为紫花，F2共有1653株，其中紫花1240株，白花413株，试用基因型说明这一试验结果。 第三章独立分配规律(LawofIndependentAssortment)主要内容：1．两对或两对以上相对性状的遗传及实例；2．独立分配现象解释(遗传因子的自由组合假说)的基本要点和独立分配规律的实质；3．独立分配规律的验证；4．孟德尔定律的应；5．统计原理在遗传研究中的应用，如概率定理、二项式及卡方检验；6．孟德尔遗传定律的补充和发展，包括显隐性关系的相对性，复等位基因以及非等位基因间的互作。目的要求：通过本章学习，进一步了解两对或两对以上的相对性状的亲本到子代的遗传规律问题。要求对多对基因杂交后代的遗传表现、显隐性关系的相对性及非等位基因间的互作及独立分配定律的应用等方面有一个全面的了解。重点难点：1．两对或两对以上相对性状的传递规律；2．独立分配定律的实质及其应用；3．孟德尔遗传定律的补充和发展，包括显隐性关系的相对性，复等位基因以及非等位基因间的互作；4．统计原理在遗传研究中的应用。具体内容如下：复杂的植物体是由许许多多的性状所构成，分离规律只是回答了许多相对性状中某一对性状的遗传规律，不曾揭示多对性状同时从亲代到子代的遗传表现和关系。在分离规律之后，孟德尔针对两对以上相对性状提出了独立分配规律(或称自由组合规律)。第一节两对相对性状的遗传例如：P黄色圆粒×绿色皱粒↓F1黄色圆粒↓⊙F2黄色圆粒绿色圆粒黄色皱粒绿色皱粒总数实际粒数31510110832556比例9∶3∶3∶1理论粒数312.75104.25104.2534.75556差数+2.25-3.25+3.75-2.75首先按一对性状分析,圆粒∶皱粒=423(315+108)∶133(101+32)=3.18∶1；黄色∶绿色=416(315+101)∶140(108+32)=2.97∶1，就一对性状而言符合3∶1分离规律。说明(1)分离规律在起作用，同时，这一对性状的分离与另一对性状的分离无关，即这两对性状是独立遗传的,互不干扰,互不影响；(2)F2出现了双亲性状和两种重组性状(重组型)的个体,说明这两对性状的基因从F1到F2是自由组合的,独立分配的。根据概率(probability)原理的乘法定律,两个独立事件同时发生的概率就等于它们分别发生的概率之乘积。黄色圆粒=(3/4)(3/4)=9/16；黄色皱粒=(3/4)(1/4)=3/16；绿色圆粒=(1/4)(3/4)=3/16；绿色圆粒=(1/4)(1/4)=1/16，即9:3:3:1的比例。按理论粒数与实际粒数的比较来看也是符合实际的。在树木中也发现有独立分配规律：欧洲赤松(Pinussylvestris)中，在种子和种翅的颜色上有两种,褐色的种子和种翅分别对浅色的种子和种翅为显性，经过杂交试验，F2代也得到了9:3:3:1的分离比例。第二节独立分配现象的解释一、孟德尔提出遗传因子自由组合假说的基本要点孟德尔在分离假说的基础上，提出了不同对的遗传因子在形成配子时的自由组合假说，基本要点如下：(1)不同对遗传因子的二个成员，各自独立地进行分离； (2)一对遗传因子的一个成员，与另一对遗传因子的一个成员，以自由随机的组合方式，组合在同一雌雄配子中；(3)当雌雄配子受精结合时，不同性别的配子相结合也是随机的。例如：YyRr×YyRr(见课本P34)×(见课本P38)二、独立分配规律的实质等位基因(allele)是指凡在同源染色体上占据相同位置(称为座位或位点)，但以不同方式影响同一性状的基因，都称为等位基因。非等位基因(non-allele)是指在同源染色体上占有不同位点的基因，或在非同源染色体上的基因，均互称为非等位基因。独立分配规律的实质：控制这两对性状的两对等位基因分别位于不同的同源染色体上,在减数分裂时形成配子时，每对同源染色体上的每一对等位基因发生分离，而非同源染色体上的非等位基因之间可以自由组合共同进入同一配子中。第三节独立分配规律的验证一、测交法为了验证两对基因的独立分配规律，、孟德尔同样采用了测交法。就是用F1与双隐性纯合体测交。当F1形成配子时，不论雌配子或雄配子，都有四种类型，即YR、Yr、yR、yr，而且出现的比例相等，即1：1：1：1的比例。由于双隐性纯合体的配子只有yr一种，因此测交子代种子的表现型和比例，理论上应能反映F1所产生的配子类型和比例。孟德尔所得到的实际结果与测交的理论推断是完全一致的。YyRr×yyrr理论值：YyRr:Yyrr:yyRr:yyrr=1:1:1:1实际值：YyRr:Yyrr:yyRr:yyrr31：27：26：26(F1作母本)24：22：25：26(F1作父本)二、自交法孟德尔让F2自交产生F3，按照分离和独立分配规律的理论推断，由纯合的F2植株(如YYRR、yyRR、YYrr、yyrr)自交产生的F3种子，不会出现性状的分离，这类植株在F2群体中应各占1/16。由一对基因杂合的F2植株(如YyRR、YYRr、yyRr、Yyrr)自交产生的F3种子，一对性状是稳定的，另一对性状将分离为3：1的比例，这类植株在F2群体中应各占2/16。由两对基因都是杂合的F2植株(如YyRr)自交产生的F3种子，将会出现9：3：3：1的分离比例，这类植株在F2群体中应各占4/16。孟德尔观察F2529株所作的试验结果，完全符合预定的推论，如下：理论株数F2实际株数F33338株黄色圆粒YYRR(1/16)────→全部为黄色圆粒;没有分离3335株绿色圆粒yyRR(1/16)────→全部为绿色圆粒;没有分离3328株黄色皱粒YYrr(1/16)────→全部为黄色皱粒;没有分离3330株绿色皱粒yyrr(1/16)────→全部为绿色皱粒;没有分离6665株黄色圆粒YyRR(2/16)────→全部为圆粒;子叶颜色3黄:1绿6668株黄色皱粒Yyrr(2/16)────→全部为皱粒;子叶颜色3黄:1绿6660株黄色圆粒YYRr(2/16)────→全部为黄色;子粒形状3圆:1皱6667株绿色圆粒yyRr(2/16)────→全部为绿色;子粒形状3圆:1皱132138株黄色圆粒YyRr(4/16)────→分离9黄圆:3绿皱:3黄皱:1绿皱第四节多对性状的遗传一.三对相对性状的遗传P黄色,圆粒,红花×绿色,皱粒,白花↓F1黄色,圆粒,红花↓⊙F2黄圆红绿圆红黄皱红黄圆白绿皱红黄皱白绿圆白绿皱白比例27:9:9:9:3:3:3:1F2共八种表现型,F1产生八种比例相等的配子。上述分别按三对性状(黄—绿、圆—皱、红—白)进行分析时，同样符合3：1的分离比例。 二.多对性状时,可得到下表的规律:基因对数与F2,F1的基因型和表型关系表───────────────────────────────────────基因F1配子F2表型种类F2基因F1配子F2纯合F2杂合F2表型分离对数种类(完全显性)型种类组合数基因型基因型比例───────────────────────────────────────1223421(3:1)124491645(3:1)23882764819(3:1)341616812561665(3:1)4n2n2n3n4n2n3n-2n(3:1)n───────────────────────────────────────满足上述表关系式的前提条件是只要各对基因都属于独立遗传的,其杂种后代的分离符合这个规律(换句话说:只要各对基因分别位于不同的同源染色体上,就符合这个规律)。第五节独立分配(自由组合)规律的应用(1)独立分配规律是在分离规律的基础上,进一步揭示了多对基因之间自由组合关系,它解释了不同基因的独立分配是自然界生物发生变异的重要来源之一。(2)自由组合规律揭示了杂交育种是培育新品种的有力武器。(3)根据自由组合规律后代的分离的规律及比例，可人工进行杂交育种,有目的地组合亲本性状,并预测优良性状的大致比例，以便确定育种工作的规模，减少工作的盲目性。(4)由于有性生殖中性状要进行分离和重组，因此如何采取措施、注意良种的保纯、防杂、防近交、防止优良性状变质和退化等，在建立种子园和良种繁育中是首先应考虑的。第六节统计原理在遗传研究中的应用一、概率定律的应用所谓概率是指某事件发生可能性的大小，常用p(E)来表示该事件的概率。在遗传学中，可以通过概率来推算遗传比率，这个方法主要依据概率的两个定理：(1)加法定理：两个或两个以上互斥事件(即一事件的出现，其它事件则被排斥)同时发生的概率是各个事件各自单独发生的概率之和。p(AorB)=p(A)+p(B)(2)乘法定理：两个或两个以上的独立事件同时发生的概率等于各个事件单独发生的概率的乘积。p(AandB)=p(A)×p(B)。性状的遗传时，亲本是通过减数分裂产生配子，配子相互结合形成合子，合子再进一步发育形成子代。所以合子的形成是两个独立事件(雌雄配子)的结果，也就是说一个特定的合子的形成概率相当于构成它们配子概率的乘积。1．棋盘法一对相对性状的遗传：Aa(♀)×Aa(♂)1/2A1/2a1/2A1/2a1/2A1/2a1/2A1/4AA1/4Aa1/2a1/4Aa1/4aa由上可知，在Aa×Aa交配中，可形成4种合子，每种概率都是1/4。然而这些合子都是互斥事件，如一个Aa合子，不可能同时是Aa、AA或aa，所以一个合子是Aa的概率为1/4＋1/4＝1/2。若A对a为显性，则显性表型A出现的概率是由AA和Aa(杂合子)两个互斥事件之和，即1/4+1/2=3/4。同样的道理，运用概率定律可知两对或两对以上等位基因的遗传情况。两对基因杂合体AaBb，Aa为一对等位基因，Bb也是一对等位基因，由于这两对基因是独立的，表明它们是独立事件。在形成配子时，A与a、B与b各自分离，而A(或a)与B(或b)在配子中的结合是随机的，也就是说，同一配子中具有互斥性质的等位基因不可能同时存在，只可能存在非等位基因，最后必然会均等地形成四种类型的配子AB、Ab、aB和ab,这四种类型配子的概率分别都是1/2×1/2=1/4。雄配子是这样，雌配子也是这样，按照概率原理，既可推算出这些配子产生下一代的各种基因型比率。两对相对性状的遗传：AaBb(♀)×AaBb(♂) 1/2A1/2a1/2B1/2b1/2A1/2a1/2B1/2b1/4AB1/4Ab1/4aB1/4ab1/4AB1/4Ab1/4aB1/4ab1/4AB1/4Ab1/4aB1/4ab1/4AB1/16AABB1/16AABb1/16AaBB1/16AaBb1/4Ab1/16AABb1/16AAbb1/16AaBb1/16Aabb1/4aB1/16AaBB1/16AaBb1/16aaBB1/16aaBb1/4ab1/16AaBb1/16Aabb1/16aaBb1/16aabb各个雌配子和雄配子受精结合为一种基因型的合子以后，它就不可能再形成为另一种基因型的合子。也就是说通过受精所形成的组合彼此是互斥事件，因此，各基因型和表现型进一步归纳可得：基因型比例：1/16AABB：2/16AABb：2/16AaBB：4/16AaBb：2/16Aabb：1/16AAbb：2/16aaBb：1/16aaBB：1/16aabb。表现型比例：9A－B－：3A－bb:3aaB-:1aabb(2)分配法上述棋盘法对于多对基因杂种后代的推算相当繁琐。为了简便，可以把多对基因遗传型的交配式分解成单对基因遗传型交配式的相乘，然后将所求的各对基因的基因型或表型的分离比率相乘展开即可。AaBb×aaBb=(Aa×aa)(Bb×Bb)基因型比例＝(Aa＋aa)(BB+2Bb+bb)＝AaBB：2AaBb：Aabb：aaBB：2aaBb：aabb表现型比例＝(A－＋aa)(3B－＋bb)＝3A－B－：A－bb：3aaB－：aabb(3)分枝法(见课本P41)二、二项式展开的应用设p为某一事件出现的概论，q为另一事件出现的概率，p+q=1，n为估测其出现概率的事件数。则某一事件出现的概率为Cnk(p)k(q)n-k，其中k代表某事件出现的次数，n-k代表另一事件出现的次数，这正是二项式(p+q)n展开式的通项式。如：AaBb×AaBb表现型结构：根据孟德尔的遗传规律，任何一对完全显隐性的杂合基因型，其自交的的F2群体中，显性性状出现的概率p=3/4，隐性性状出现的概率q=1/4，p+q=1。n代表杂合基因对数2。那么：2显——C22(3／4)2(1/4)0＝9／161显1隐——C21(3/4)1(1/4)1＝6／162隐——C20(3/4)0(1/4)2＝1／16基因型结构：根据孟德尔的遗传规律，任何一对完全显隐性的杂合基因型，显性基因出现的概率为p=1/2，隐性基因出现的概率为q=1/2,p+q=1。n为杂合基因个数。那么：4显——C44(1/2)4(1/2)0=1/163显1隐——C43(1/2)3(1/2)1=4/162显2隐——C42(1/2)2(1/2)2=6/161显3隐——C41(1/2)1(1/2)3=4/164隐——C40(1/2)0(1/2)4=1/16三.分离和自由组合规律的实际试验数据的X2检验(卡方检验)(数理统计分析)X2=∑［(实际数-理论数)2/理论数(预测数)］自由度df=n-1123456789X2临界值(0.05):3.845.997.829.4911.0712.5914.0715.5116.62X2临界值(0.01):6.649.2111.3413.2815.0916.8118.4820.0921.67判别标准:实际的X2值>0.05临界值,而<0.01临界值时,差异显著；实际的X2值>0.01临界值时,差异极显著；实际的X2值小于0.05临界值时,差异不显著,符合理论比例。第七节孟德尔遗传定律的补充和发展一、显隐性关系的相对性(一)显性现象的表现1．完全显性(completedominance):杂种F1表现的性状都和亲本之一完全一样，这样的显性表现称为完全显性。2．不完全显性(incompletedominance):杂种F1的性状表现是双亲性状的中间型,样的显性称为不完全显性。 完全显性与不完全显性可交织在一起，如：P红色,有角(AAbb)×白色,无角(aaBB)↓F1灰色,无角(AaBb)↓⊙F2红,无(AAB_)灰,无(AaB_)红,有(AAbb)灰,有(Aabb)白,无(aaB_)白,有(aabb)比例:3:6:1:2:3:1上例中红色与白色这一对相对性状为不完全显性，而有角与无角这一相对性状为完全显性。3．共显性(codominance):如果双亲的性状同时在F1个体上表现出来，这种显性表现称为共显性。4．镶嵌显性(mosaicdominance)：双亲的性状在后代的同一个体不同部位表现出来，形成镶嵌图式，这种显性现象称为镶嵌显性。另外，鉴别性状的显性表现也取决于所依据的标准而改变。(二)显性与环境的影响当一对相对基因处于杂合状态时，为什么显性基因能决定性状的表现，而隐性基因不能，是否由于显性基因直接抑制了隐性基因的作用？试验证明，相对基因之间的关系，并不是彼此直接抑制或促进的关系，而是分别控制各自所决定的代谢过程，从而控制性状的发育。如白脂肪免子(Y－)和黄脂肪免子(yy)。免子食入的绿色植物除含有叶绿素外，还含有大量的黄色素，显性基因Y可合成黄色素分解酶，因而能破坏吃进的黄色素使脂肪内没有黄色素的积存，于是脂肪是白色。基因型yy的免子，由于细胞内不能合成黄色素分解酶，所以脂肪是黄色。因此，基因与表现型间的关系是间接的，一个基因是显性还是隐性取决于它们各自的作用性质，取决于它们能不能控制某个酶的合成。显隐性关系有时受到环境的影响，或者为其他生理因素如年龄、性别、营养、健康状况等左右。如将金鱼草(Antirrhinummajus)的红花品种与象牙色花品种杂交，其F1如果培育在低湿、强光照的条件下，花为红色；如果在高温、遮光条件下，花为象牙色。可见环境改变时，显隐性关系也随着发生相应的改变。又如，须苞石竹(Dianthusbarbatus)中，花的白色和暗红色是一对相对性状。让开白花的植株与开暗红色花的植株杂交，杂种F1的花最初是纯白的，以后慢慢变为暗红色。这样个体发育中显隐性关系也可相互转化。又如，有角羊与无角羊杂交，F1雄性有角，雌性就没有角，因此，杂种有无角与性别有关。二、复等位基因(multipleallele)复等位基因是指在同源染色体的相同位点上，存在3个或3个以上的等位基因，这种等位基因在遗传学上称为复等位基因。复等位基因的产生是由于基因突变的结果。如人类的A、B、AB、O血型遗传就是由3个复等位基因IA、IB、IO决定的，IA和IB间共显性(无显隐性关系)，IA、IB对IO都是显性，这3个等位基因组成6种基因型，但表现型只有4种。应当指出，在一个正常二倍体的细胞中，在同源染色体的相同位点上只能存在一组复等位基因中的两个成员，只有在群体中不同个体之间才有可能在同源染色体的相同位点上出现3个或3个以上成员；在同源多倍体中，一个个体上可同时存在复等位基因的多个成员。孟德尔遗传规律是建立在一个基因(遗传因子)代表(或控制)一个性状和独立分配,自由组合的基点上进行解释的。然而孟德尔之后,许多试验证明基因与性状并非是”一对一”的关系,而是任何性状受多个基因(polygene)的控制,并且非等位基因之间还存在相互作用(互作,interactionofgenesorgeneinteraction)。三、非等位基因间的相互作用实际上,基因互作应该分为基因内互作(intragenicinteraction,是指同一位点上等位基因间的互作,如显性作用,不完全显性作用等)和基因间互作(intergenicinteraction,是指不同位点的非等位基因间的相互作用)。1.互补作用(complementaryeffect)(贝特生和庞乃特BatesonandPunnett发现)以香豌豆(Lathyrusodoratus)的两个白花品种杂交为例:P白花(CCpp)×白花(ccPP)↓F1紫花(CcPp)↓⊙F29紫花(C_P_)∶7白花(3C_pp+3ccP_+1ccpp)香豌豆的野生祖先是紫花,杂种后代的性状和它们的野生祖先相同的现象,称为返祖遗传(atavism)。又如人类中的毛孩,毛人现象均属于返祖遗传。当两对独立遗传的基因分别处于显性纯合或显性杂合状态时,共同决定一种性状; 当只有一对是显性或都是隐性状态时,表现为另一性状，这种基因互作类型称为互补作用。发生互补作用的基因称为互补基因(complementarygene)。互补作用F2分离比例为9:7。2.积加作用(additiveeffect)以南瓜(Cucurbitapepo)两个品种果形杂交为例:P圆球形(AAbb)(Spherical)×圆球形(aaBB)(Spherical)↓F1扁圆形(AaBb)(Discoid)↓⊙F29扁圆形(A_B_)∶6圆球形(3A_bb+3aaB_)∶1长圆形(1aabb)当两种显性基因同时存在时,产生一种性状；当一种基因显性存在时表现另一种性状；当两对基因都是隐性时又表现另外一种性状,这种基因互作方式称为积加作用,积加作用的F2分离比例为9:6:1。3.重叠作用(duplicateeffect)(DuplicateGenes)以荠(ji)菜(Capsellabursa-pastoris)杂交为例:P三角形蒴果(TTT'T')×卵形蒴果(ttt't')↓F1三角形蒴果(TtT't')↓⊙F215三角形蒴果(9T_T'_+3T_t't'+3ttT'_)∶1卵形蒴果(ttt't')4.基因的上位作用(epistasis)两对独立遗传基因共同作用于一对性状时，其中一对基因对另一对基因有遮盖作用，这种基因互作称为上位作用；反之，被遮盖(被抑制)现象称为下位作用(hypostasis)；起遮盖作用的基因称为上位基因(epistaticgene)；被遮盖(被抑制)的基因称为下位基因(hypostaticgene)。上位基因可以是显性基因也可以是隐性基因。(1)显性上位作用(epistaticdominance):是指一个位点中的显性基因抑制另一位点的显性或隐性基因的作用。显性上位作用就是隐性下位作用。F2分离比例为12:3:1。如黄瓜(Cucurbitapepo)中有白(white)、黄(yellow)、绿(green)三种皮色。白皮对黄皮、白皮对绿皮为显性；黄皮对绿皮为显性。现以白皮对绿皮的杂交为例:PWhite白皮(WWYY)×绿皮(wwyy)Green(DominantEpistaticGenes)↓F1白皮(WwYy)White↓⊙F212白皮(9W_Y_+3W_yy)∶3黄皮(wwY_)∶1绿皮(wwyy)从这个结果可以看出:白皮基因W对黄皮基因Y有上位作用，当W存在时能阻碍Y基因的作用，表现白皮；缺少W时，Y基因表现黄皮，当W和Y都不存在时，表现为绿皮。(2)隐性上位作用(epistaticrecessiveness)：是指一个位点的隐性基因对另一位点的显性或隐性基因起上位作用。隐性上位作用就是显性下位作用。F2分离比例为9:3:4。例1:以玉米胚乳蛋白质层颜色的遗传:(RecessiveEpistaticGenes)P红色蛋白质层(CCpp)×白色蛋白质层(ccPP)↓F1紫色(CcPp)↓⊙F29紫色(C_P_)∶3红色(C_pp)∶4白色(3ccP_+1ccpp)当基本色泽基因C存在时，另一基因P和p都能表现各自的作用，即P表现紫色，p表现红色。当C缺乏时，隐性基因c对P和p起上位作用，使得P和p都不能表现各自的性状，而为白色。上位作用和显性作用不同表现在:上位作用发生在两对不同的等位基因之间，而显性作用则发生在同一等位基因的两个成员之间。5.抑制作用(inhibitingeffect或suppressiveeffect)在两对独立遗传的基因中,其中一对显性基因本身不控制性状的表现,但对另一对基因的表现有抑制作用,使它不能表达。这种显性基因称为抑制基因(inhibitinggene,或suppressivegene)。抑制作用的F2分离比例为13∶3。例1:玉米胚乳蛋白质层颜色的遗传:P白色蛋白质层(PPII)×白色蛋白质层(ppii)↓F1白色(PpIi) ↓⊙F213白色(9P_I_+3ppI_+1ppii)∶3有色(P_ii)P为有色基因,I为抑制基因。P_I_表现白色是由于I的抑制作用；同样ppI_也是白色由于I的存在；ppii中虽然ii不起抑制作用,但pp为隐性也不能表现颜色,而为白色。只有P_ii表现有色。上位作用和抑制作用的不同之处是:抑制基因本身不能决定性状，而上位基因除了遮盖作用外，本身还能决定性状。上述6种基因互作形式是在两对基因独立遗传的前提发生的,虽然F2不是9:3:3:1的分离比例,不是对孟德尔遗传规律的否定,而是对独立分配规律的进一步深化和发展。四、多因一效或一因多效根据独立分配规律，两对相对性状的遗传，F2出现9：3：3：1的分离比例，以上基因互作的实例，根本不符合此比例关系，这并不是对独立分配规律的否定，而是对独立分配规律的进一步深化和发展。9：3：3：1的比例是基于一对基因控制一对相对性状、F1完全显性，基因与基因间在染色体上既不连锁，在生理上又无互作的情况下得出的。然而，在多数情况下，一对相对性状的表达并非只受一对等位基因所控制,而是受许多不同位点基因的影响。多因一效(multigeniceffect)：许多基因影响同一性状的表现,称为“多因一效”。研究证明,生物体的许多性状都是由多基因互相影响所决定的。例如玉米叶绿素的形成与50多对不同的基因有关,其中任何一对发生改变,都会影响叶绿素的改变或消失；玉米胚乳蛋白质层的紫色已知由6对不同的显性基因和一对抑制基因共同决定的。一因多效(pleiotropism)：一个基因可以影响许多性状的发育,这种现象称为一因多效。孟德尔在进行豌豆杂交时发现，开红花同时结灰色种子并叶腋上有黑斑；开白花永远伴随结淡色种子和叶腋无黑斑。由此可见决定花色的基因不但影响花色，而且也控制种皮的颜色和叶腋上黑斑的有无；在水稻中发现矮生基因除了矮化作用以外，还有增加分蘖能力，增加叶绿素含量和扩大栅栏细胞的直径的作用。从生物个体发育的整体概念,也不难理解“一因多效”和“多因一效”。一个性状的表现或发育是由许多生化过程(许多基因控制的酶系统)连续作用的结果；另一方面，如果某一基因发生了改变，其影响虽然只是一个以该基因控制为主的生化过程，但是，也会影响与该生化过程有联系的其它生化过程，从而影响其它性状的表现或发育。思考题1.名词解释独立分配规律基因互作互补作用重叠作用累加(积加)作用显性上位隐性上位抑制作用一因多效多因一效等位基因非等位基因复等位基因2.独立分配规律的解释要点及实质是什么?3.上位作用与显性作用的区别?上位作用与抑制作用的区别?4.从个体发育角度如何理解“一因多效”和“多因一效”?并举例说明。5.下表是不同小麦品种杂交后代产生的各种不同表型的数量,试写出亲本的基因型:────────────────────────────────杂交组合毛颖,抗锈毛颖,感锈光颖,抗锈光颖,感锈────────────────────────────────毛颖,抗锈×光颖,感锈45000毛颖,感锈×光颖,感锈018014毛颖,抗锈×光颖,感锈10889毛颖,抗锈×光颖,抗锈157165────────────────────────────────7.光颖、抗锈、无芒(ppRRAA)小麦和毛颖、感锈、有芒(PPrraa)小麦杂交,希望从F3中选毛颖、抗锈、无芒(PPRRAA)的小麦10株纯合体,试问在F2群体中,至少要选出毛颖、抗锈、光颖个体多少个? 第四章连锁遗传规律(Lowoflinkage)主要内容:1.性状的连锁遗传现象；2．连锁遗传的解释；3．连锁和互换的遗传机理；4．交换值及其测定；5．基因定位与连锁图。目的要求:通过本章学习了解基因连锁和互换现象及其遗传机理；要求掌握连锁遗传规律性，揭示位于不同对染色体上的基因，其遗传时遵守自由组合定律；位于另一遗传定律，即连锁遗传定律。重点难点:1.性状连锁遗传的表现；2．交换值的计算和测定；3．基因交换的遗传机理。具体内容如下:孟德尔遗传定律重新发现以后，许多学者进行了大量类似的研究，发现有的符合独立分配规律，有的不符合。就连孟德尔也发现从豌豆上得出的两对及两对以上的自由组合规律，并非适应于豌豆的一切性状之间。不少学者曾一度怀疑孟德尔遗传规律的真实性。但是不久，1906年贝特逊(BatesonW)等人在香豌豆杂交试验中发现性状的连锁遗传现象。1910年以后，摩尔根(MorgenT.H.,1860-1945)等人用果蝇为材料，把基因的遗传与染色体的动态结合起来，创立了基因论(theoryofgene)，论证了染色体是基因的载体，基因直线排列在染色体上。所谓不符合独立分配规律的一些例证，实际上不属于独立遗传，而属于另一类遗传，即连锁遗传。可见连锁遗传定律的发现，是基因落实到染色体上的必然产物。摩尔根对孟德尔遗传规律不是简单地修正，而是具有重大地补充和发展。第一节性状的连锁遗传现象连锁遗传现象首先是贝特生(Bateson，W.1861-1926)和庞乃特(Punnett，R.C.)1906年在香豌豆中发现的。并提出了Genetics，allelomorph=allele，homozygote，heterozygote，epistasis)术语。这位英国生物学家用香豌豆杂交:试验1:P紫花，长花粉粒×红花，圆花粉粒(PPLL)↓(ppll)F1紫花，长花粉粒(PpLl)↓⊙F2紫，长紫，圆红，长红，圆总数实际个数483139039313386952按9:3:3:1理论数3910.51303.51303.5434.56952试验2:P紫花，圆花粉粒×红花，长花粉粒(PPll)↓(ppLL)F1紫花，长花粉粒(PpLl)↓⊙F2紫，长紫，圆红，长红，圆总数实际个数22695971419按9:3:3:1理论数235.878.578.526.2419从实验1和实验2来看:F2虽然与独立分配规律一样出现了4种表现型；但是不符合9:3:3:1的分离比例，实际数和理论数明显相差很大(大家可以检验)；亲本组合性状多于理论数；重新组合性状却少于理论数。原来为亲本所具有的两个性状，在F2中有联系在一起遗传的倾向。这种现象称为连锁遗传。把像实验1中两个显性性状和两个隐性性状分别联系在一起遗传的杂交组合称为相引相或相引组(couplingphase；couplingseries，顺相cisphase)；把像实验2中显性和隐性性状，隐性和显性性状分别联系在一起遗传的杂交组合，称为相斥相或相斥组(repulsionphase，repulsionseries；反相transphase)。那么一对性状是否受分离规律的支配呢?实验1:紫花:红花=(4831+390):(393+1338)=5221:1731≈3:1长花粉粒:圆花粉粒=(4831+393):(390+1338)=5224:1728≈3:1 实验2:紫花:红花=(226+95):(97+1)=321:98≈3:1长花粉粒:圆花粉粒=(226+97):(95+1)=323:96≈3:1统计结果分析说明:连锁遗传虽然两对性状的分离不符合9:3:3:1的独立分配规律，但就一对性状而言，仍然受分离规律的支配。第二节连锁遗传的解释和验证一、解释和分析的思路自由组合(独立分配)规律F2的4种表型之所以呈现为9:3:3:1的分离比例，是以F1形成4种同等数量(比例)的配子为前提的(测交证明4种配子的比例1:1:1:1)。如果F1形成的4种配子数量(比例)不等，那么F2就不能获得9:3:3:1的分离比例。据此可以这样推论:在连锁遗传中，F2没有表现出独立分配规律的9:3:3:1典型比例，可能是F1形成的4种配子比例不等。二、推论的验证1922年Hutchinson在玉米中发现连锁遗传，并进行了测交(回交)，种子的颜色和形状有连锁关系，其中有色对无色是显性，饱满对凹陷是显性。1.相引相的测验P:有色，饱满(colored，full)(CCSS)X无色，凹陷(colorless，shrunken)(ccss)↓TC:有色，饱满(colored，full)(CcSs)X无色，凹陷(colorless，shrunken)(ccss)↓test-crossprogeny:有色，饱满有色，凹陷无色，饱满无色，凹陷总数实际得到粒数:403214915240358368百分比%:48.21.81.848.2测交后代中:亲本组合(parentals，parentalcharacters)共8067个，占96.4%；重新组合(recombinants)共301个，占3.6%。2.相斥相的测验:(quotefrom<>P:无色，饱满(colorless，full)(ccSS)X有色，凹陷(colorled，shrunken)(CCss)↓TC:有色，饱满(colored，full)(CcSs)X无色，凹陷(colorless，shrunken)(ccss)↓test-crossprogeny:有色，饱满有色，凹陷无色，饱满无色，凹陷总数实际得到粒数:638213792190667244595百分比%:48.531.471.4748.53测交后代中:亲本组合(parentals，parentalcharacters)共43285个，占97.06%；重新组合(recombinants)共1310个，占2.94%。相斥相和相引相的测验结果基本一致，证实了F1虽然也形成4种配子，但是数目差异悬殊，比例不象独立分配规律那样为25%:25%:25%:25%=1:1:1:1，独立遗传中，重组型的配子百分数称为重组率(percentageofrecombination)为50%，亲本型配子的百分数(即亲本率percentageofparentals)也为50%；而连锁遗传时，重组率总是小于50%，亲本率大于50%。这就清楚地说明，原来亲本具有的两对非等位基因不是独立遗传的，而是联系在一起遗传的。另外，尽管F1的4种配子数目不等，但是两种亲本型配子却是相等的，两种重组型配子也是相等的。为什么?请听下节分解。＊＊介绍摩尔根(Morgan)两个果蝇经典杂交实验:1.突变体(mutant):白眼小翅(white-eyed，miniature-winged)作母本(femaleparent)；野生型(wildtype):红眼长翅(red-eyed，long-winged)作父本(maleparent)。P白眼、小翅(♀)(wmwm)X红眼、长翅(♂)(WM--)--:Y染色体↓F1红眼、长翅(♀)(WMwm)，白眼、小翅(♂)(wm--)(doublerecessivemale)↓⊙F2白眼、小翅:750红眼、长翅:791白眼、长翅:455红眼、小翅:445共:2441(♀:359♂:391)(♀:439♂:352)(♀:218♂:237)(♀:235♂:210)亲本性状共1541，占63.1%；重组型共900，占36.9%；2.1919年Morgan用果蝇灰体残翅(greybodyandvestigialwings)和黑体长翅(blackbodyandnormalwings)两个纯系杂交，F1灰体长翅(说明这两个性状是显性)。P黑体残翅XF1灰体长翅F1灰体长翅X黑体残翅 ↓↓BCF1灰体残翅和黑体长翅灰，残黑，长黑，残灰，长比例1:141.541.58.58.5雄蝇很少发生交换，联会复合体发现在雌体，而没有在雄体。第三节连锁与交换的遗传机理一、基因与染色体的关系以及完全连锁与不完全连锁贝特逊1906年发现连锁遗传现象，摩尔根1910年发现果蝇白眼突变体及性连锁遗传，提出了交替连锁遗传理论(alternativelinkagetheory)，1933年他第一个在遗传学领域里的基因论成就获得了医学和生理学诺贝尔奖(NobelPrize)。他认为基因在染色体内有组织地线性排列，具有连锁遗传关系的一些基因，就是位于同一染色体上的那些非等位基因。美国的Muller，H.J.(1890-1967)博士1915年完成了交换机理(TheMechanicsofCrossingOver)博士论文。任何一种生物的性状成千上万，控制这些性状的基因自然也成千上万，然而每种生物的染色体数目却是有限的。因此，势必在同一染色体上载有(携带)许多基因，位于同一染色体的非等位基因只能随着染色体的行为而行动，所以连锁遗传是必然的。根据连锁的程度分为完全连锁和不完全连锁(completelinkageandincompletelinkage)两种。完全连锁:不产生重组型配子，后代无重组性状出现，几个非等位基因的遗传现象与一对基因的行为一样的遗传现象称为完全连锁。如孟德尔在豌豆杂交中发现，开红花和结灰色种子以及叶腋有黑斑；开白花和结淡色种子以及叶腋无黑斑总是完全联系在一起。在雄果蝇和家蚕(雌蚕)中发现有完全连锁现象，完全连锁是罕见的。(图示举例说明，见课本P56)不完全连锁:F1不仅产生亲本型配子，而且产生重组型配子，但是重组率小于50%的遗传现象称为不完全连锁。课本上的例子均属于不完全连锁。二、交换与不完全连锁(cross-overandincompletelinkage)大量的细胞学观察证明:在减数分裂前期I的偶线期，同源染色体发生联会，形成二价体。在粗线期，二价体的非姊妹染色单体发生片段交换(cross-over)，在双线期，出现交叉现象(chiasma)。交换引起同源染色体间的非等位基因的重组，形成了重组型配子。打破原有的连锁关系，因而表型不完全连锁。(见课本图示P57)在非姊妹染色单体的任何区段都可以发生交换。即可以在两对连锁基因相连区段之内发生交换，也可以在两对连锁基因相连区段之外发生交换。在两连锁基因相连区段之内发生的交换是“有效交换”，它会产生重组型配子；在两连锁基因相连区段之外发生的交换是“无效交换”，它不会产生重组型配子。如果是全是“有效交换”才产生重组型配子50%，这样重组型配子的比例就不象独立遗传那样各为50%；也就是说重组率总是小于50%。发生一次“有效交换”，产生两种重组型配子各一个，减少两种亲本型配子各一个。所以连锁遗传F1形成的两种重组型配子数量基本接近，比例相等；两种亲本型配子数量基本接近，比例相等。交换是双方的，互换的，同时的；所以互换双方的配子比例(数量)相等。第四节交换值及其测定一、交换值(crossovervalue，C.O.V.)亦称重组率(percentageofrecombination)，是指F1形成的重组型配子数占配子总数的百分率:重组型配子数交换值(C.O.V.)=重组率=───────×100%所有配子总数交换值与重组率有学术上的争论，有人认为这两个不是一回事情，请参阅资料:1.刘祖洞，关于交换值与重组率，遗传，1984，6(2):47-482。潘沈元华卫建，交换值和重组值的概念及其相互关系，遗传，1995，17(6):34-48)。重组率(recombinationfraction)指双杂合体产生重组型配子的比例，即重组型配子在总配子中所占的百分数，也称重组频率(recombinationfrequency)。交换值是指染色单体上两个基因间发生交换的平均次数。染色体上的平均交换次数m与交换值x的关系为:m=2x。理由:是交换分为有效交换(validcrossover)和无效交换(invalidcrossover)。也就是说非姊妹染色单体的交换不一定都发生连锁基因的重组。二、交换值的测定方法1.测交法是指F1与双隐性亲本的杂交，如玉米测交验证。2.细胞学观察方法(1)观察孢母细胞减数分裂时，特定染色体连锁区段的交换情况和数量； 统计连锁区段内和连锁区段外分别发生交换的孢母细胞数量，连锁区段内发生交换的孢母细胞的百分率(孢母细胞交换率)就是交换值的2倍，换句话说，交换值就是孢母细胞交换率的一半。原因在于每个孢母细胞形成4个配子，其中发生交换的配子只占一半的缘故。(2)F1花粉形态类型观察统计和化学染色和活性测定等统计有些物种由于不同组合的配子在形态上有所区别，统计不同花粉的数量，可以直接求出交换值；有些物种不同组合的配子在生化特性上不同，如糯性和非糯性，同功酶的活性，特定的生化反应等，通过化学实验的结果统计分析，得出交换值。3.自交法利用F1自交产生F2的实际结果(表型个体数量)来推算:以香豌豆为例。相引相:P紫花，长花粉粒×红花，圆花粉粒(PPLL)↓(ppll)F1紫花，长花粉粒(PpLl)↓⊙F2紫，长紫，圆红，长红，圆(ppll)总数实际个数483139039313386952F2双隐性个体比率:1338/6952=0.192，(0.192)-2=0.44=44%。所以F1形成四种配子的比例为:PL=44%:Pl=6%:pL=6%；pl=44%，故交换值为12%。相斥相:P紫花，圆花粉粒×红花，长花粉粒(PPll)↓(ppLL)F1紫花，长花粉粒(PpLl)↓⊙F2紫，长紫，圆红，长红，圆总数实际个数22695971419F2双隐性个体比率:1/419=0.0024，(0.0024)-2=0.05=5%。所以F1形成四种配子的比例为:PL=5%:Pl=45%:pL=45%；pl=5%，故交换值为10%。关键根据杂交组合，弄清那个是重组型配子，那个是亲本型配子。三、交换值的意义及遗传学应用1.交换值是衡量连锁强度的标志。当交换值越小接近0时，说明连锁强度越大，两个连锁的非等位基因之间的距离越近，发生交换的孢母细胞[(sporemothercell，sporocyte，孢原细胞sporognium，大孢子母细胞=胚囊母细胞macrosporocyte，embryosacmothercell(E.M.C)，小孢子母细胞=花粉母细胞microsporocyte，microsporemothercell，pollenmothercell(P.M.C.)]数越少；当交换值越大接近50%时，连锁的强度越小，两个连锁的非等位基因之间的距离越大，发生交换的孢母细胞数越多，接近独立遗传。交换值(重组率)变动在0-50%之间。2.交换值在生物正常生长条件下测定时，具有相对稳定性(relativestability)。例如玉米C和S基因的交换值为3.6%和3.0%；香豌豆P和L之间的交换值为10%和12%。如果统计群体越大数据越趋于接近和一致。正是由于交换值具有相对稳定性，所以通常用交换值表示两个连锁基因在同一染色体上的相对距离(relativedistance)，这个距离称为遗传距离(geneticdistance)。连锁的非等位基因之间的距离越远，在它们之间发生交换越多(象两条长的绳子一样交叉的机率越大)，交换值就越大。反之，交换值越小。这就是以连锁基因之间的交换值当作它们之间的相对距离(遗传距离)的原因。这个距离是相对的，没有实际单位。如交换值为3.6%，就认为它们之间相距3.6个遗传距离。再如C.O.V=12%，则基因距离为12个遗传距离。3.根据交换值可以找出同一连锁基因群(linkedgenegroup)，即同一染色体上的所有基因具有连锁关系称为一个连锁基因群或连锁群(linkagemap)，有多少同源染色体就有多少连锁基因群。一个染色体就是一个连锁基因群。根据交换值可以进行基因定位(genemapping，genelocation)，并绘制出所有基因的连锁关系图(genelinkagemap)。第五节基因定位与连锁遗传图(genelocationandgenelinkagemap)基因定位是指确定基因所在染色体上的相对位置，即确定基因的排列顺序和基因间的距离，并将它们标记在染色体上，绘制成图，这就是连锁遗传图。基因定位的方法主要是两点测验(two-pointtestcross)和三点测验(three-pointtestcross)。一、两点测验两点测验是基因定位最基本的一种方法。通过一次杂交和一次测交，求出两个基因的距离。 对多对基因分别进行两两测验，根据交换值就可以给多个连锁基因排序。实际测验数据:玉米有色C对无色c，饱满S对凹陷s，非糯性W对糯性w分别是显性。一个试验是CCSS×ccss，然后用ccss测交；下一试验wwSS×WWss，之后用wwss测交；再下一个WWCC×wwcc，F1用wwcc测交。第一个试验交换值为3.6%，即C和S相距3.6个遗传距离。第二试验测得W和S之间的距离为20。W和C之间的距离可能是23.6，也可能是16.4。依据这两个结果还无法给3个非等位基因排序，第三个试验的结果为22。这三个基因的顺序为WSC；或者CSW。二、三点测验通过一次杂交和一次测交，同时测出三对连锁基因的距离和顺序，这种方法称为三点测验。其优点:可以纠正两点测验的缺点，是估算的交换值更加准确；而且一次试验同时确定三对基因的位置。三点测验在玉米和果蝇上应用最多。果蝇野生型长翅、直刚毛、红眼与三隐性果蝇小翅、焦刚毛、白眼经典实验。以玉米三点测验为例:P凹陷，非糯性，有色(ss++++)×饱满，糯性，无色(++wwcc)+表示显性基因gamete(s++)↓(+wc)+s+w+c×sswwcc测交得到8种表型，说明产生了8种配子，具体结果如下:类别测交后代的表型F1配子类型粒数交换类型1饱满，糯性，无色+wc2708亲本型2凹陷，非糯性，有色s++2538亲本型3饱满，非糯性，无色++c626单交换(singlecrossover)4凹陷，糯性，有色sw+601单交换5凹陷，非糯性，无色s+c113单交换6饱满，糯性，有色+w+116单交换7饱满，非糯性，有色+++4双交换(doublecrossover)8凹陷，糯性，无色swc2双交换总数67088种表型中每两种个数接近，比例一样，共分4类。亲本型配子最多，双交换应该最少。因为双交换就等于一连发生了两次单交换，其频率必然比发生一次单交换的要低。F1的3个基因顺序有3种排列:第一，(S++)和(+wc)；第二，(+s+)和(w+c)；第三，(++s)和(wc+)。只有第二种能产生双交换配子(+++)和(SWC)，可以确定S在W和C之间。由此可见，三点测验，首先要找出双交换配子(个体最少)和亲本型配子(数量最多)，然后分析，判断，找出居中的基因。这样就给所测定的三对基因定序。三点测验交换值的计算:由于每个双交换都包括两个单交换，所以估算单交换值时应加上双交换值。在本例中，双交换值(D.C.O.V.)=(4+2)/6708=0.09%；W和S的单交换值(S.C.O.V)=(601+626)/6708+0.0009=18.4%；S和C的单交换值(S.C.O.V)=(116+113)/6708+0.0009=3.5%。三、干扰与符合(interferenceandcoincidence，并发，巧合，符合coincidence)根据概率乘法定律，如果两个基因间的单交换不影响相邻两个基因间的单交换(独立发生)，那么，出现双交换的预期理论值应是两个单交换值的乘积。如上例子，0.184×0.035=0.64%，而实际观察到的双交换值(0.09%)往往偏低。这说明一个单交换发生后，在它邻近再发生一次单交换的机率就会减少，这种现象称为干扰。干扰的程度用干扰系数(率)来表示：干扰系数(率)(coefficientofinterference)=1-(实际D.C.O.V)/(理论D.C.O.V)。把(实际D.C.O.V)/(理论D.C.O.V)=符合系数(率)或并发系数(率)(coefficientofcoincidence),干扰率=1-符合(并发)率,符合系数和干扰系数变动在0-1之间。当符合系数接近1时，表示两个单交换独立发生，干扰程度最小；当并发率趋于0时，一位点发生交换，其相邻近位点就不发生交换，干扰最大。四、连锁遗传图(linkagemap)通过两点和三点测验，可以确定连锁基因间的相对距离与排列次序。从而可使基因在染色体上定位。在同一染色体上的所有基因组成一个连锁群(linkagegroup)，把一个物种的每个染色体上的基因都定位，就能绘制该物种的连锁遗传图。目前人们在玉米，小麦，蕃茄，曼陀罗等植物和动物中的果蝇都以绘制出遗传图。第六节连锁遗传规律的意义及应用一、实质具有连锁关系的非等位基因位于同一染色体上，或同一染色体上所载有的基因具有连锁遗传关系。 二、意义1.连锁遗传规律的发现，使遗传学克服和超越了自身发展中遇到的曲折和怀疑，把孟德尔遗传因子由假想状态推进到更加完善，更加深入的实体状态和阶段，是遗传学发展的又一飞跃。2.连锁遗传规律证实了染色体就是基因的载体。即基因的行为伴随着染色体的行为(基因和染色体具有平行性thepapallelismbetweenchrom。andgene)；通过交换值(重组率)的测定，进一步可以确定基因所在染色体上的相对位置和相对距离，呈直线排列。导致细胞遗传学(Cytogenetics)和染色体遗传学(ChromosomeGenetics)的诞生和发展。3.连锁与交换之间存在对立统一关系，交换解除原有的连锁，形成新的性状组合；新的重组又使基因陷入新的连锁之中。连锁与交换给我们两方面的机会，如何利用其中有利的一面。三、应用1.杂交育种中，所涉及的性状若具有连锁关系，就需要慎重考虑性状的连锁强度，以便安排育种规模和育种群体。例如，水稻的抗稻瘟病(P)与晚熟(L)都是显性且连锁，它们的交换值为2.4%，今抗病晚熟品种与早熟感病品种杂交，希望F2有5株纯合的抗病早熟个体，F2的群体必须多大?2.利用性状的连锁关系，可以提高相关选择的效果，缩短育种周期。以速生为例。A.早晚期生长的相关性，早期选择和早期预测；B.形态特征与生长的相关性(叶背茸毛的多少与抗锈病有关；叶片大小与生长有关)；C.生理生化指标与生长的相关性(光合与生长，酶的活性与生长及抗性等)。第七节性别决定与性连锁性连锁(sex-linkage)是连锁遗传的一种形式，是指性染色体上的基因所控制的性状总是伴随性别而遗传的现象。亦称伴性遗传(sex-linkageinheritance)。为例了解性连锁，势必涉及到性染色体和性别决定。一、性染色体(sexchromosome){[Henking，H.1891年在半翅目昆虫中首先描述性染色体，用X表示。Mcclung，C.E.在1902年发现昆虫中有“副染色体(accessoryoraccessarychromosome，额外染色体)”]}1.在生物许多成对的染色体中，直接与性别决定有关的一个或一对染色体，称为性染色体，其余各对染色体统称为常染色体(autosome)。2.常染色体的每对同源染色体一般是同型的，即形态，大小，结构和功能都很相似。而性染色体可成对，亦可成单，若成对则是异形的，即形态，大小，结构和功能都不相同。如:人类，23对染色体，其中22对是常染色体，1对是性染色体，异形的，X和Y果蝇，4对染色体，其中3对是常染色体，1对是性染色体，异形的，X和Y二、性别决定(sexdetermination)雌雄性别是生物一个明显的性状(性器官)，动物尤其是这样。性别同其他性状一样是受亦称物质控制的。生物的性别决定有三大类型。1.动物性别决定的几种类型A.雄杂合性(雄配子异型maleheterogamety):XY型(theX-Ysystem):♂个体异配子性别，产生两种X，Y配子；♀个体是同配子性别只产生一种配子。如人类及高等动物，果蝇等。XO型(theX-Osystem):♂个体异配子性别，只有一个X染色体，不成对，产生两种(含X和不含X)配子；♀个体是同配子性别XX，只产生一种配子。如蝗虫，蟋蟀(半翅目昆虫)等。B.雌杂合性(雌配子异型，femaleheterogamety)，也称ZW型，♂个体同配子性别(ZZ)，♀个体为异配子性别(ZW)，产生两种配子。如家禽，鸟类，蛾子类，蝴蝶类。C.染色体的倍数性:n为♂，2n为♀。蜜蜂，蚂蚁等社会性群体生活的昆虫。公蜂，公蚁等。2.性比(sexratio)在大多数生物群体中不随世代而变化，保持1:1关系；3.性别决定的畸变:由于性染色体的增加或减少，引起性染色体与常染色体的平衡关系失调，表现生活力下降，高度不育。如人类中，出现XXY，XO，XXX，XYY等超雌，超雄，两性等。4.植物的性别决定:植物性别没有动物那样明显。低等植物的性别只表现在生理上的分化，形态上差别很小；种子植物虽然有雌雄分化，但是，雌雄同花，雌雄同株异花和雌雄异株；雌雄异株植物中只有蛇麻是XY型，具有性染色体，雌是XX，雄是XY型。在玉米中发现有基因控制性别。如Ba_Ts_雌雄同株；Ba_tsts腋生雌花；babaTs_顶生雄花；babatsts顶生雌花；5.性别分化与环境条件A.性激素影响:“牝鸡司晨”母鸡叫鸣，母鸡体内雌激素多造成的；女人长胡子，男人长乳房。B.营养条件的影响:生物在营养好，营养充足时，生牝；营养差，生牡；bee，n=16雄，2n=32雌蜂中，吃蜂王浆最多的才能成为蜂王，有产卵能力，其余的则不能。 C.C/N影响植物的花芽分化，光照和光周期现象，温度等影响植物的开花。综上所述，性别决定可以概括以下三点:①性别同其他性状一样，也受遗传物质的控制，但是环境条件影响性别分化甚至变性，可是不会改变原有的遗传物质；②环境条件之所以能够影响甚至变性，是以性别有向两性发育的自然本性为前提。③遗传物质对性别的决定是多种多样的，有的是通过性染色体的组成；有的是通过性染色体和常染色体的平衡关系；有的是通过染色体的倍数性；有的是通过基因组成控制性别。三、性连锁(伴性遗传)性连锁是Morgan，T.H.1910年在果蝇(Drosophila)中发现的，表现在正交和反交不一样。果蝇中控制眼色的基因只存在X染色体上，Y染色体上没有眼色的等位基因。如：P红眼(x+x+)×白眼(xwy)白眼(xwxw)×红眼(x+y)↓↓F1红眼(♂:♀=1:1)♀红眼♂白眼↓⊙↓⊙F2红眼:白眼=3:1(♂)红眼:白眼=1:1又如：人类色盲的遗传，男性患色盲比女性多。色盲(xcxc)X正常(x+y)正常(x+x+)X色盲(xcy)↓↓女:正常男:色盲女:正常男:正常↓↓男女正常和色盲各半正常:色盲(男)=3:1此外，除了伴性遗传外，还有限性遗传和从性遗传(性影响遗传)等遗传现象。限性遗传(sex-limitedinheritance)这种遗传是指某些性状只局限于雄性或雌性上表现。在XY型中某些基因只是位于Y染色体上；在ZW型中，只是位于W染色体上。限性和伴性不同，伴性性状即可在雌体也可在雄体，只是表现的频率有所差别而已。限性只局限于一种性别上表现。从性遗传(sex-controlledinheritance，性影响遗传sex-influencedinheritance)是指常染色体上基因所控制的性状，因内分泌及其他关系使某些性状只出现于雌雄一方或者一方为显性，一方为隐性的现象。如羊:第一种雌雄无角，第二种雌雄有角，第三种雌无角雄有角。把第一和第二种交配，不论正反交，F1雌无角，雄有角。思考题:1.解释名词连锁遗传相引相相斥相完全连锁不完全连锁交换值符合系数有效交换无效交换基因定位两点测验2.为什么重组率小于50%?重组型配子是怎样产生的?两种重组型配子为什么比例一样?3.连锁遗传与独立遗传的本质区别是什么?4.交换值、连锁强度、基因距离三者的关系?交换值为什么可以作为基因的遗传距离?5.交换值的求算途径?6.连锁遗传的意义及应用是什么?7.a，b，d三个基因位于同一染色体上，让其杂合体进行测交，得到下列结果:+++74；++d382；+b+3；+bd98；a++106；a+d5；ab+364；abd66。试求这三个基因排列的顺序，距离和符合系数。8.已知B和C连锁，距离为9，A位于另一染色体，求AaBbCc可能产生的配子类型及比例?9．在大麦中，带壳(N)对裸粒(n)、散穗(L)对密穗(l)为显性。今以带壳、散穗与裸粒、密穗的纯种杂交得F1。让F1与双隐性纯合体测交，其后代为：带壳、散穗201株，裸粒、散穗18株，带壳、密穗20株，裸粒、密穗203株。问：(1)F1表现如何？(2)这两对基因是否连锁？(3)若连锁，交换值是多少？ 第五章遗传物质的分子基础(essentialmoleculargenetics)主要内容：1.DNA作为主要遗传物质的证据；2．核酸的化学结构与自我复制；3．DNA与遗传密码；4．DNA与蛋白质合成；目的要求：前面介绍了细胞分裂使亲代与子代之间的遗传物质获得传递，那么究竟是什么在起遗传的作用呢？它的分子结构怎样？它又怎样控制性状的遗传？通过本章学习要求掌握这些问题。(基本重点难点：1.DNA作为主要遗传物质的间接证据与直接证据；2．DNA分子的双螺旋结构以及DNA分子的半保留复制；3．DNA与遗传密码；4．中心法则概念及其主要内容。具体内容如下：孟德尔最初提出遗传因子，Johannsen定名为基因，摩尔根把基因落实在染色体上，Avery等人证实又把基因落实在DNA上，DNA片段即为基因。从经典遗传学来看，遗传物质必须具备以下要求：(1)遗传功能即基因的复制。遗传物质必须能够保证物种的连续性和适应性进化的需要，因此遗传物质必须含有生物学上有用的信息，这些信息必须能够稳定复制和稳定传递，否则会影响性状的稳定性；(2)表型功能即基因的表达。遗传物质要有某种机制将遗传物质中所含信息翻译成产品，从而控制生物体性状的发育和表达。(3)进化功能即基因的变异。遗传物质必须能够发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。那么DNA具备上述这些条件吗?这就是本章必须回答的问题。第一节DNA作为遗传物质的证据基因存在于染色体上，从40年代以来，大量化学分析和实验表明真核生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物。原核生物(细菌，蓝绿藻，病毒和噬菌体)的遗传物质是一条裸露的DNA链。在没有DNA的某些病毒(如烟草花叶病毒)中，RNA就是遗传物质。真核生物┌─DNA(脱氧核糖核酸，deoxyribonucleicacid)，27%的染色体─┼─RNA(核糖核酸，ribonucleicacid)，6%组成├─Protein(蛋白质，由组蛋白和非组蛋白各半)66%└─拟脂和无机物质1%一、DNA作为遗传物质的间接证据1．DNA是所有生物的染色体所共有的；从噬菌体、病毒，直到人类的染色体中都含有DNA，DNA几乎是所有生物(除了个别病毒是RNA，目前发现了4个：A.烟草花叶病毒TMV；B.小儿麻痹病毒；C.分别侵害家畜和哺乳动物的两个口蹄疫病毒)所共有的。而蛋白质则不同，噬菌体、病毒的蛋白质不是存在于染色体上，而是存在于蛋白质外壳上；在细菌的染色体上也没有蛋白质；只是真核生物的染色体才由核蛋白组成。这说明染色体上的蛋白质是不固定的，变动的，唯DNA则是稳定的，能作为遗传物质。2.DNA含量恒定或存规律变化；每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的，而蛋白质的含量是不定的；性细胞中的DNA含量恰好是体细胞的一半；在多倍体系列中细胞中的DNA含量随着染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。3.DNA在代谢上比较稳定；利用放射性或异常重量的元素进行标记发现，细胞内许多分子，一面迅速形成同时又一面分解，而原子一旦被DNA分子所摄取，则在细胞健全生长的情况下，不离开DNA。4.用不同波长的紫外线诱发突变时，最有效的波长为260nm，这与DNA吸收紫外线光谱是一致的，即在260nm处吸收最多。说明基因突变与DNA的关系密切相关。二、直接证据1.细菌的转化(Griffith'sbacteriatransformationexperimentwithSandRpneumococcus)1928年英国的格里费斯(F.Griffith)所做肺炎双球菌转化试验。肺炎双球菌有R型无毒、无荚膜粗糙型(uncapsulatedandnonpathogenic)和S型有毒、有荚膜光滑型(capsulatedandpathogenic)。1928年F.Griffith通过实验发现转化现象：无毒R2型有毒S3型有毒S3型(加热杀死)R2型、S3型(加热杀死) ↓(注射)↓(注射)↓(注射)↓(同时分别注射)转家鼠家鼠家鼠家鼠化↓↓↓↓现家鼠正常家鼠死亡家鼠正常家鼠死亡象R2型细菌重现S3型细菌重现无细菌重现重现有毒S3型细菌推测：被加热杀死的S3型肺炎双球菌必然含有某种促成以上结果的活性物质。16年后，1944年Avery，O.T(美国纽约一医院职员)证明了这种使转化的活性物质是DNA。他重复了上述实验，之所以确认转化物质是DNA，因为该提取物(DNA)不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶(RNase，ribonuclease)的影响，而只能为DNA酶所破坏(分解)。对上述转化试验的解释：高温处理只能将有毒的多糖荚膜分解，使之无毒，但未能损失导致合成S3荚膜的DNA(设为基因A)，混合注射家鼠后，这种S3型DNA(基因A)进行入R2中，并与之等位基因(设为基因a)互换，从此R2获得了合成S3型DNA的基因A了，通过繁殖产生大量的S3型肺炎双球菌。2.噬菌体的侵染与繁殖(Hershey-Chaseexperiment)(theexoerimentofHersheyandChasein1952withthebacteriophageT2，whichinfects大肠杆菌E.coli)噬菌体是比细菌还小的单细胞原核生物，极小的低级生命类型，由头部、尾部和末端三部分组成，头部主要含有蛋白质和DNA，其中蛋白质作为外壳，DNA作为芯子藏在它的头部之中。在侵染时末端先附着在大肠杆菌菌体表面，然后尾部分泌一种溶菌酶，将杆菌胞溶出一个小孔，通过小孔，噬菌体将头部的DNA注入菌体内，而将其外壳弃于细胞菌体外。这时杆菌已被感染不能繁殖了，而进去的DNA则反客为主，接管了细菌的尸体，将细菌DNA溶解，利用其核苷酸组分复制成自己的DNA；利用细菌蛋白质的氨基酸组分，来建造自己的蛋白质外壳。因此，T2噬菌体的DNA在大肠杆菌内，不仅能够利用大肠杆菌合成DNA的材料来复制自己的DNA，而且能够利用大肠杆菌合成蛋白质的材料，并用其合成蛋白质外壳和尾部，因而形成完整的新生的噬菌体。DNA进入菌体内后需30分钟完成自身复制，就这样不断地繁殖。在此繁殖过程中，噬菌体是通过其蛋白质还是DNA起性状的传递作用呢？赫尔歇(Hershey,A.D.)等于1953年用32P和35S分别标记噬菌体T2的DNA和蛋白质(DNA中只含P而不含S,蛋白质只含S而不含P???)，发现进入菌体内的只是含有32P的DNA，而无35S的蛋白质，证实了DNA是连续性的、控制遗传的异常物质。3.烟草花叶病毒的侵染与繁殖(RNAandtheTobaccoMosaicVirus，TMV，1956)1956年威廉姆斯(Williams，R.C.)进行了有名的烟草花叶病毒(TobaccoMosaicVirus)的分离与组合实验，证明了在没有DNA的病毒中，RNA携带了遗传信息。烟草花叶病毒(TobaccoMosaicVirus，TMV)由两部分组成——蛋白质外壳及中心的单链RNA，圆筒状，长300nm，直径15nm。两个品系：TMV-1(降解分离)───>蛋白质壳1+RNA链1(又组合)──>TMV-1│接种│接种│接种│接种↓↓↓↓症状1无症状症状1症状1TMV-2(降解分离)───>蛋白质壳2+RNA链2(又组合)──>TMV-2│接种│接种│接种│接种↓↓↓↓症状2无症状症状2症状2蛋白质壳1+RNA链2(组合)──>TMV-1/2(新组合病毒)│接种│接种│接种↓↓↓无症状症状2症状2蛋白质壳2+RNA链1(组合)──>TMV-2/1(新组合病毒)│接种│接种│接种↓↓↓无症状症状1症状1说明在没有DNA的TMV中，RNA就是遗传物质，RNA决定性状(症状)表现，RNA决定后代的RNA和蛋白质。第二节核酸的化学结构与自我复制1871年瑞典化学家Miescher，F.(1844-1895)在鲑鱼的精子(salmonsperm)中发现了核酸(当时称作核素nuclein，或核质)和氮化物(nitrogenoussubstance)称为鱼精蛋白(protamine)， 该蛋白和核酸结合在一起形成复合物，称为核蛋白(nucleoprotein)。但是，当时对它的结构和功能还不了解。直到1944年Avery的研究，才知DNA是遗传物质，从而促进了人们对DNA的研究。一、两种核酸的化学组成及其分布核酸(nucleicacid)是一种高分子的化合物，是核苷酸(nucleotide)的多聚体(poly-nucleotide),所以核酸的构成单元是核苷酸。而核苷酸有3部分组成：五碳糖，磷酸和环状的含氮碱基,核糖与碱基结合称为核苷，核苷与磷酸结合称为核苷酸。核酸有两种,其区别如下：区别点DNA(脱氧核糖核酸，deoxyribonucleicacid)RNA(核糖核酸，ribonucleicacid)核苷(酸)脱氧核苷(酸)核苷(酸)五碳糖脱氧核糖核糖碱基腺嘌呤(A，adenine)、鸟嘌呤(G，guanine)、胞嘧啶(C，cytosine)、胸腺嘧啶(T，thymine)腺嘌呤(A，adenine)、鸟嘌呤(G，guanine)、胞嘧啶(C，cytosine)、尿嘧啶(U，uracil)分子链双链，较长单链，较短分布主要在染色体，少量于叶绿体，线粒体等主要在核仁和细胞质体少量于染色体由于碱基有4种，所以脱氧核苷酸和核苷酸相应分别也有4种。如DNA的腺嘌呤脱氧核苷酸和RNA的腺嘌呤核苷酸，依次类推。核苷也一样。二、DNA和RNA的分子结构1.DNA分子结构美国人瓦特森(Watson，J.D.)和英国生物物理学家和遗传学家克里克Crick，F.H.C.)于1953年提出了DNA双螺旋结构(doublehelixstructureofDNA)模式学说。1962年瓦特森、克里克和新西兰人Wilkins在医学和生理学领域获得NobelPrize。他们根据X射线衍射图象分析和电镜直观照片提出的。这是遗传学发展史上的一个重大转折。这一理论为DNA的分子结构，自我复制，相对稳定性和变异性，遗传信息的储备和传递，控制蛋白质的合成提供了合理的解。使遗传学的研究从细胞水平进入到分子水平，标志着分子遗传学的诞生。从分子水平研究基因的结构和功能，来揭示遗传和变异的奥秘。DNA双螺旋结构模式的特点是两条互补的细长多核苷酸链，彼此以一定的空间距离，在同一轴上相互盘旋起来，很象一个扭曲起来、螺旋状的梯子。||PP5'||3'(见课本P74分子结构平面图)S-A··T-S3'||5'PP(3，5-磷酸二脂键)5'||3'S-C···G-S(碱基之间是氢键)A-T两氢键；C-G三氢键。3'||5'每条单链都是核糖和磷酸纵向交替相连，每个磷酸根分别在脱氧核糖的5'和3'碳位上与前后以磷酸二脂键相连。碱基(核苷酸)对上下之间的距离为3.4埃，每个螺旋的间距为34埃，每个螺旋包含10对碱基(或10对核苷酸)，A和T以2个氢键相连，C和G以3个氢键相连。贾格夫Chargaff，E于1950年对多种生物DNA化学成份分析表明A和T的含量相同，C和G的含量相同，即A永远和T配对，G和C配对，碱基的前后排列顺序不受任何限制，碱基配对具有专一性，这种碱基互补配对规律称为贾格夫定律。所以DNA两条链是两条互补的链，一条链的走向是从3'5'，另一条恰好相反是从5'3'。这种DNA两链相互颠倒现象称为反向平行(reverseparallelism，oppositedirectionparallelism)。DNA分子中，每一碱基对受贾格夫定则规定了的，但碱基的前后排列不受任何限制。所以对具有一个碱基来说，因为碱基有4种，所以就有4(41＝4)种排列：即：A-(T)，或C-(G)，或T-(A)，或G-(C)；对两个碱基位点来说就有16种排列：42=16A-AA-TA-CA-GT-AT-TT-CT-GC-AC-TC-CC-GG-AG-TG-CG-G||||||||||||||||||||||||||||||||T-TT-AT-GT-CA-TA-AA-GA-CG-TG-AG-GG-CC-TC-AC-GC-CDNA分子一般有几十万至上百万个这两种核苷酸对，但是它们在分子链内排列的位置和方向的方式对于一个碱基位点来说只有四种形式。现已证明，一个DNA链上的一个区段，为一个基因。假定某一段DNA分子链有1000对核苷酸，则该段就可以有41000种不同的排列组合形式，这就意味着有41000种不同性质的基因，41000是一个很大的天文数字，足以满足性状多样性，遗传信息丰富性的要求。对某一物种的DNA分子来说，其碱基顺序是一定的且通常保持不变，这样才能保持该物种遗传特性的稳定。只有在特殊条件下(如辐射)，由于改变了碱基的顺序，或被另一碱基替代，才能出现遗传的变异(突变)。所以 DNA碱基排列的特异性，解释了物种遗传性状的稳定性和可变性；满足了DNA作为遗传物质应具有的信息多样性，稳定性和变异性的要求。2．RNA的分子结构RNA的结构从化学组成来说，也是由4种核苷酸组成的多聚体。它与DNA不同之处，首先是U(胞嘧啶)替代了T(胸腺嘧啶)；其次是核糖替代了脱氧核糖；第三，绝大多数RNA以单链形式存在。也可形成若干双链区域，在该区域凡是互补的碱基可以形成氢键(A-U，C-G)存在。三、DNA与RNA在活体内的自我复制(一)瓦特森(1953年)DNA复制假说─半保留复制(semiconservativereplication)方式步骤是：1.DNA分子首先从它的一端沿氢键逐渐断开，因为氢键较弱，在常温下不需要酶即可断开，当双螺旋的一端已拆开为两条单链，而另一端仍保持双链状态；2.以分开的每条单链为模板，从细胞核内吸取与自己碱基互补的游离核苷酸(A找T，T找A，C找G，G找C)进行氢键的结合；3.在复杂的酶系统(如聚合酶、连接酶)作用下,逐渐连接起来，各自形成一条新的互补链；4.原来的模板单链和新的互补链相互盘绕恢复DNA的双链结构；5.这样一边复制,一边前进,随着原来双链的完全拆开,形成了与原来一样的两个新的DNA分子。半保留复制学说得到了大量试验的验证，最早是1958麦塞逊(Meselson，M.)和斯塔尔(Stahl，F)用大肠杆菌(E.coli)亲代进行重同位素15N(15NH4Cl)标记十几小时后，转入含有14NH4Cl之中培养，每隔50分钟取样(因50分钟繁殖一代)进行氯化铯(CsCl)密度梯度离心，结果证实了半保留复制的假说，这种复制方式保证遗传的稳定性(见课本P77)。(二)科恩伯格(Kornberg，A.1967)复制假说在上述半保留复制提出以后，发现在复制中把相邻核苷酸连在一起的DNA聚合酶，只能从5'到3'方向发生作用，这样一来，DNA的双链之一严格按照瓦特森假说连续合成，但是另一条从3'到5'的链就不能采取同样的方式进行合成，为此，科恩伯格等人提出了在5'-3'链上连续复制，在3'-5'链上一段一段地合成DNA单链片段(这个片段称为冈崎片段，1000-2000个核苷酸)，这些不相连，不连续的冈崎片段再由连接酶联接起来，形成一条完整地单链。(三)冈崎(1968)复制假说冈崎研究认为：DNA两条链都是先由5'到3'方向合成许多片段，然后由聚合酶系统(DNApolymerases)再联接起来。1973年他还发现DNA的复制与RNA有密切关系，在合成片段之前，先由一种RNA聚合酶(polymerase)以DNA为模板，合成一小段有十几个核苷酸的RNA，它起“引物”的作用，称为“引物RNA(primerRNA)”。然后，DNA聚合酶才开始按5'到3'方向合成DNA片段，也说是这些片段的5'端与引物RNA的3'端相连，之后DNA聚合酶I将引物除去，并弥补上引物RNA的DNA片段，最后由DNA连接酶(ligase)将DNA片段连成一条连续的DNA链。(四)RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链。原来的，起模板作用的链为“+”链，新复制的RNA链为“-”链，暂时形成了双螺旋的复制类型(replicativeform)。然后这个“-”链又从“+”链的双螺旋中释放出来，以自己为模板复制出一条互补的，新的"+"链，于是形成了一条新生的RNA链。第三节ＤＮＡ与遗传密码(geneticcode)从基因到性状中间还有一段过程，这涉及到基因与蛋白质的关系以及复杂的生化代谢过程。在受精卵中，子代接受亲代的遗产，只不过是由父母分别各传递给子代的一份DNA分子。所以DNA是原来就有的，传递下来的，复制或“印”出来的；而蛋白质是通过DNA上的碱基顺序(遗传信息，遗传密码basesequence，geneticinformation，geneticcode)翻译成氨基酸来合成的，是新产生的。既然这样，有什么样的碱基顺序(碱基排列组合)就产生什么样的蛋白质(氨基酸顺序或组成)。那么从DNA上翻译一个氨基酸需要几个密码符号(碱基)呢?碱基(base)与氨基酸(aminoacid，AA)两者之间的密码关系是怎样的呢?一、三联体密码三个相连碱基构成一个功能单位，这称为三联体(triplet)；一个三联体，作为一个密码子(codon)，决定一个AA，这三个连续的碱基称为三联体密码(triplet，或三联体)；DNA中一定顺序的三联体密码，决定蛋白质中一定顺序的氨基酸的产生，这种对应关系，称为遗传密码(geneticcode)。DNA分子中，核苷酸只有A、T、G、C四种，但密码中却是A、U、G、C四种，这是因为蛋白质的合成，不是直接用DNA分子的正本作模板，而是用DNA的副本(mRNA，RNA的一种)作模板，这比直接用DNA作模板具有更深刻意义，可以增加DNA的稳定性，使性状在繁殖和传递中不致于产生差错。二、三联体密码的翻译每种三联体密码译成什么氨基酸呢？从1961年开始，经科学家的大量研究，已经得出了20种AA 的遗传密码字典(见课本P79)。从这种字典中可以看出除色氨酸，甲硫氨酸外，大多数AA都有几个三联体密码如亮氨酸6个(UUA、AAG、CUU、CUC、CUA、CUG)，丝氨酸4个(UCU、UCC、UCA、UCG)，脯氨酸四个(CCU、CCG、CCC、CCA)，这种一个AA由一个以上的三联体密码所决定的现象，称为简并(degeneracy，兼并)。从简并(兼并)现象可以看出，第一和第二个碱基比第三个碱基更为重要。兼并现象对生物的遗传稳定性具有重要意义。一个DNA分子，往往由几十万到几百万个核苷酸所组成，而蛋白质一般只有几十或几百个氨基酸，因此一根DNA分子可以控制合成许多蛋白质，这势必在DNA分子碱基上要有分隔，终止密码是UAA，UAG，UGA就充当了这一作用。分隔后又由起始密码(信号)AUG，GUG起动。除1980以来发现某些生物的线粒体tRNA在解读个别密码子时有不同的方式外，整个生物界，从病毒到人类，遗传密码都是通用的，即所有核酸语都是由四个基本的碱基符号所编成，所有的蛋白质语都是由20种氨基酸所编成，它们用共同的语言写成不同的文章(生物种类和生物性状)。共同语言说明了生物界有共同本质和共同起源，即生命的本质是同源的；不同的文章说明了生物变异的原因和进化的无限历程，即生物是进化的。第四节ＤＮＡ与蛋白质合成蛋白质的合成过程实际上就是DNA的碱基序列决定AA序列的过程。包括两个步骤：转录(transcription)和翻译(translation)。转录就是以DNA双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补地方式转录到信使RNA(messengerRNA，mRNA)上；翻译就是携带着转录来的遗传密码的mRNA附着在核糖体(ribosome)上，把由转移RNA(transferRNA，tRNA)运来的各种AA，按照mRNA的密码顺序，相互连接起来称为多肽链，并进一步折叠成为立体蛋白质分子。DNA控制蛋白质的合成揭示了基因是如何通过一定生化步骤来促成某些性状表现的。翻译转录附着DNA基因片段mRNA核糖体ribosome多肽链polypeptide折叠立体化tRNA+AAs生化代谢酶enzymes蛋白质protein性状细胞构造功能蛋白一、mRNA，tRNA和rRNA1．mRNA一般说来，DNA主要存在于核内的染色体上，而蛋白质的合成在细胞质内的核糖体颗粒上。DNA分子是不能越过核膜进入细胞质的。mRNA的功能就是把DNA链上遗传信息精确无误的转录并负责将它携带的遗传信息带到核糖体上翻译成蛋白质。mRNA的转录与DNA的复制十分相似，不同之处在于：(1)DNA复制两个链都是模板，而转录只用其中一条链为模板，即不对称转录；(2)DNA复制后两条亲本链不再合拢，永久分离，且分子稳定，转录时RNA聚合酶离开合成区后，mRNA迅速脱落下来，DNA两链合拢，蛋白质合成后mRNA自动解体“销毁”；(3)复制是整个分子的复制；转录是局部，有选择性的。2．tRNA的功能如果说mRNA是蛋白质合成的蓝图，则核糖体是蛋白质合成的场所。转运蛋白质所需原料20种AA的是tRNA。故tRNA的功能是把AA搬运到核糖体上，具体地讲，tRNA能根据mRNA的密码依次准确地将它携带的AA联接成多肽链。3.rRNArRNA是核糖体的主要组成部分，与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体，核糖体是合成蛋白质的中心，如果把rRNA从核糖体上除掉，就会发生塌陷。二、核糖体(ribosome)核糖体是蛋白质合成的中心,既起着装配员的作用，使AA成为多肽；又起着翻译协助员的作用，mRNA在核糖体上才能进行翻译使命。三、在核糖体上蛋白质合成的步骤1.首先以DNA分子双链之一为模板，复制出与它互补的DNA副本──mRNA链，完成转录； 2.象一条带子一样的mRNA链附着在一系列核糖体的小亚基上；3.AA在AA活化酶(aminoacidactivatingenzymes)作用下，由ATP(三磷酸腺苷)活化，活化后的AA才能与特定tRNA相结合，结合成为氨基酰-tRNA；4.各种AA的氨基酰-tRNA用它们的反密码子与核糖体上的mRNA互补密码子相结合；依次卸下它们运送的AA；5.在转肽酶(transpeptidationenzyme)的催化下，在核糖体上形成多肽；6.随着mRNA逐渐移出核糖体，一条长的多肽链也就逐渐释放出来；7.在核糖体上合成的多肽链，经过链的卷曲或折叠，成为具有立体结构的，有生物活性的蛋白质。三种去向，一是结构蛋白，作为细胞的组成部分；二是功能蛋白，如血红蛋白；三是成为控制细胞各种生化反应的酶。四、中心法则(centraldogma)及其发展(见课本P87－88)中心法则是指遗传信息从DNA─>mRNA─>protein的转录和翻译过程和遗传信息从DNA─>DNA的复制(replication，copy，duplication)过程。也可以说中心法则阐述了基因的两个基本属性：自我复制(self-duplication，self-replication)和蛋白质(性状)控制。新发现反转录(reversetranscription)现象；在反转录酶(reversetranscriptase)作用下，可以用RNA为模板合成DNA。在几十种由RNA致癌病毒引起的癌细胞中发现反转录酶；在正常细胞(胚胎细胞中)也有；大部分RNA病毒可以把RNA直接复制成为RNA，即RNA的复制现象。反转录酶的发现不仅有重要的理论意义，而且对于遗传工程上基因的酶促合成，致癌机理的研究都有重要意义。五、基因的概念及其发展(GeneConceptandItsdevelopment)(一)经典遗传学的基因概念孟德尔称控制性状的因子为遗传因子，用它表示植物的各种性状。1990年丹麦遗传学者约翰生提出基因以取代孟德尔遗传因子。摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗传研究。建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。认为基因是一种化学实体，是以念珠状直线排列在染色体上。按照经典遗传学对基因的这一解释，基因具有以下共性：1.基因和染色体的行为相平行：都具有自我复制和相对稳定性；在有丝分裂和减数分裂中有规律地进行；2.基因在染色体上占有一定位置(位点)，且是交换的最小单位；3.基因是以一个整体进行突变的，故它是一个突变单位；4.基因是一个功能单位，控制一个或某些性状表现；如红花，白花等可以把重组单位和突变单位统称为结构单位。这样基因即是一个结构单位又是一个功能单位。(二)分子遗传学的基因概念分子遗传学揭示DNA是主要的遗传物质，基因在DNA分子上，一个基因相当于DNA分子上的一定区段，带有特殊的遗传信息，这类遗传信息或者被转录为RNA(包括mRNA，tRNA和rRNA)；或者被翻译成多肽；或者对其它基因的活动起调控作用(调节基因regulatorgene，启动基因switchgene，操纵基因operatorgene，manipulategene)。在一个基因区段内，仍然可以划分出若干个起作用的小单位。按照现代遗传学的概念，重组、突变、功能这三个单位应该分别是：1.突变子(muton)产生性状突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一个核苷酸对。2.重组子(recon)性状重组时的可交换的最小单位。一个交换子只包含一对核苷酸。3.顺反子(作用子，cistron)表示一个起作用的单位，基本上符合通常指的基因或略小。平均500-1500个核苷酸。过去作为结构单位的基因实际上包含大量的突变子和重组子。认为基因最小的结构单位现已不成立了。分子遗传学保留了基因功能单位的解释(1.能为一个多肽链编码；2.功能上被顺反测验cis-transtest或互补测验complementarytest所规定)，而抛弃了最小结构单位的说法。(三)基因的作用与性状的表达1.直接作用(directaction)：形成结构蛋白和功能蛋白直接表现为性状。如人的血红蛋白基因的密码中，仅仅改变其中的一个碱基，就可以直接引起它的最后产品——血红蛋白的性质发生改变，引起红血球镰形血症。2.间接作用(indirectaction)：通过酶控制生化反应或代谢过程，间接影响性状表达。如孟德尔豌豆杂交试验中的高茎与低茎。在高茎豌豆的节间细胞含有使细胞伸长的物质──赤霉素，而矮茎豌豆中没有。高茎基因有特定的核苷酸序列，可翻译赤霉素合成酶，促使赤霉素的合成；矮茎基因中的核苷酸序列不能翻译成赤霉素合成酶，不产生GA(gibberellicacid，gibberellin)。这说明高茎与矮茎基因控制株高的性状并不同直接的，而是通过指导赤霉素酶的合成而间接实现的。(四)基因表达的调控为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间，才呈现活化状态， 而在它不应该发挥作用的时间和细胞内，则处于不活化(惰性)状态呢?这里有一个基因作用调控系统在起作用。关于高等生物基因作用的机理，虽然有不少假说，还没有成熟的理论，基本的看法是：高等生物染色体上的基因，其活性在很大程度上是受染色体上蛋白质的成份制约的，组蛋白能抑制基因的活性，而非组蛋白则能有选择地使某些基因发挥作用。第五节遗传工程(geneticengineering)遗传工程是七十年代才发展起来的一门新技术，是分子生物学和微生物学的现代技术结合发展起来的。自50年代DNA双螺旋，60年代遗传密码的发现，遗传密码在生物界的通用性和碱基配对的一致性，于是人们移出了一种设想：采取类似于工程建设的方式，按照事先设计的蓝图，借助于试验室的技术，将某种生物的目的(target)基因提取出来，在体外组装或重组之后再转移到另一生物中去，使后者定向获得新的性状，成为新类型。实现远缘基因重组，使基因在微生物、植物、动物等各大系统间进行交流，定向培育新的生命类型。这样就使遗传学和育种学发展到一个新的阶段。遗传工程有两个水平的研究，一是细胞水平，一是基因水平。细胞水平就是指细胞工程，如细胞融合(体细胞杂交)、单倍体细胞培养、核移植、细胞器移植、染色体替换、染色体片段的分离与重组等；基因水平就是指基因工程，如DNA分子的直接操纵——分离、提取、纯化、重组及克隆与拼接。不论那种水平统称生物技术，或生物高新技术(highbiotechnology)。基因工程首先需要一个施工的设计蓝图，然后才能进行施工的操作。其施工程序大致分4步骤：第一，准备材料，目的基因，载体和工具酶等；第二，目的基因与载体结合成重组DNA分子；第三把重组DNA分子引入受体细胞，建立分子无性繁殖系(clone)或称克隆；最后从细胞群体中选出所需要的无性繁殖系，并使外源基因在受体细胞中正确表达。思考题：1.DNA作为遗传物质的间接证据和直接证据？2.DNA和RNA的化学组成、分子链、分布上的区别？3.DNA的分子结构？4.DNA的复制(半保留复制)？RNA的复制？5.蛋白质合成的步骤？蛋白质在核糖体上的合成步骤？6.mRNA的产生、功能、和DNA区别？7.tRNA的功能、种类、结构？8.核糖体的作用和结构？9.中心法则的内容？10.基因怎样决定性状表达？ 第六章基因突变(genemutation)主要内容：1.基因突变的时期和特征。2．基因突变与性状的表现。3．基因突变的鉴定。4．基因突变的诱发。目的要求：通过本章学习，掌握基因突变是引起生物体性状变异的主要因素之一，要求对基因突变的概念、频率和种类、特征以及基因突变的分子基础有一个全面的了解，熟悉诱变剂引起突变的机理。重点难点：1.基因突变及其发生方式；2．显性突变和隐性突变的规律性；3．引起基因突变的分子基础。具体内容如下：以前我们讨论的能遗传的变异都是基因重组的结果。基因重组只是原有基因之间关系的变动，不是基因本身发生质的变化。而基因突变是指染色体上某一基因位点内部发生了化学性质的变化，形成了新的等位基因并与原来基因形成对性关系。如农作物中高秆基因D突变为矮秆基因d。基因突变也称为点突变(pointmutation)，是生物进化原材料的主要源泉。突变一词是Vries，H.de.1901年提出的。(abookofTheMutationTheory)。由于基因突变而表现突变性状的细胞及个体，成为突变体或突变型(mutant)。1generecombination基因重组(三大遗传规律)可遗传的变异有三个来源2genemutation基因突变数量变异3chromosomeaberration染色体畸变结构变异第一节基因突变的时期和特征一、基因突变的时期1.突变在生物个体发育的任何时期都可以发生，不论体细胞和性细胞均能发生突变。2.性细胞的突变率比体细胞的突变率高。这是因为性细胞在减数分裂时对外界环境有较大的敏感性。3.性细胞的突变可以通过配子传递给后代；而体细胞突变则不能传递下去，往往竞争不过周围正常细胞，受到抑制或消失。体细胞突变还可形成嵌合体(chimaera，chimera)。嵌合体是指体细胞组织发生显性突变(包括完全显性和不完全显性)，同原来组织的性状并存的现象。芽变(budmutation，bud-sport，budvariation，sport)就是体细胞突变的结果。芽变是指芽内分生组织细胞(体细胞)发生的突变。一次芽变一般只涉及个别性状，很少同时涉及多个性状，一旦发现优良的芽变，立即可采用无性繁殖方法选育成新的品种。二、基因突变率(mutationrate)基因突变率(简称突变率)是指在有性生殖中，每一配子发生突变的概率。即用一定数目配子中的突变配子百分数表示。基因突变在自然界广泛地存在。1910年摩尔根首先在果蝇大量野生红眼群体中发现了一只白眼突变。基因突变并非罕见的现象，如玉米的白化，矮生突变，人类的白化，多毛突变，树木的长节间变为短节间，直立型变为下垂型，扭曲型等。基因突变的发生不是随机的，而是受内在因素和外界条件的制约，且自然状况下，突变率是很低的。高等生物中基因突变率在1×10-5─1×10-8之间，即十万至一亿个配子中只有一个发生突变。三、基因突变的一般特征1.突变的独立性，重演性和可逆性基因突变通常是独立发生的。即等位的一个位点基因发生突变，不影响其它等位基因。这种特性成为突变的独立性(independence)。如AA→Aa，aa→Aa。重演性是指(reappearance，recapitulation)。同一突变可以在同种生物的不同个体间多次发生，这种特性称为突变的重演性。同一突变在不同个体重复出现，且频率相似。基因突变象许多生化反应一样是可逆的，这种特性称为突变的可逆性(reversibility)。显性基因可变为隐性基因(隐性突变，正突变，forwardmutation)；而隐性基因可突变为显性基因(显性突变，反突变，backmutation)。通常用u表示正突变的频率，v表示反突变率。一般正突变高于反突变，即u>v。2.突变的多方向性与复等位基因(polydirectionalmutationandmultiplealleles) 基因突变的方向是不定的，可以多方向发生。如基因A可以突变为a，a1，a2，a3等。对A来说a，a1，a2，a3等都是它的隐性基因。这些隐性基因彼此之间，以及它们与A基因之间都存在对性关系。其中两个纯合体杂交会出现3:1或1:2:1的分离。具有这些对性关系的基因是位于染色体同一个基因位点，把位于同一基因位点的各个等位基因称为复等位基因。所以复等位并不存在于同一个体(同源多倍体例外)，而是存在于同一生物类型的不同个体里。由于复等位基因的存在，增加了生物的多样性，为生物的适应性和育种提供了丰富的资源。复等位基因广泛地存在于生物界。如果蝇的翅，有野生型的长翅，还有小翅和残翅等突变型。最简单的例子是人类血型就是复等位基因。表现型(血型)基因型AIAIA，IAiBIBIB，IBiABIAIBOii多方向性并不是随心所欲地变化，复等位基因的产生都有一定范围。如桃花有红、粉红、紫红、白色等颜色，但是从来没有黄色、蓝色花瓣的出现。3.突变的有害性和有利性(harmfullnessandbenefit，ordisadvantageandadvantage)大多数基因突变是有害的，甚至死亡。如致死突变(lethalmutation)植物常见的白化突变(albinomutatiom)。还有一些突变不会影响生物的正常生理活动，仍能保持其正常的生活力和繁殖力，为自然选择所保留下来，这类突变称为中性突变(neutralmutation)。另外还有少数突变不仅对正常的生命活动无害，反而有利。例如，抗倒伏性，早熟性等。突变的有利和有害是相对的，不是绝对的。突变的有害性和有利性对人类的需求与生物本身的需要有时是不一致的。如落粒性，对生物有利而对人类不利；雄性不育对生物有害为对人类有利，杂交时免去人工去雄之苦。矮化突变在阳光不足时，表现有害；在多风和高肥土壤上，可以抗倒伏，生长茁壮，反而有利。4.突变的平行性(类似性，parallelism，平行突变，parallelmutation)亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往往发生相似的基因突变，这种现象称为生物突变的平行性或平行突变。突变的平行性与前苏联学者瓦维洛夫的“遗传变异的同型系”学说(Lawofhomologousseries)是一致的。这个学说指出:“当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见到近缘的其他物种或属内也同样存在相似的变异类型。”由于突变的平行性的存在，如果在某一物种或属内发现一些突变，可以预期在亲缘关系相近的物种或属内也会出现类似的突变，这对人工诱变有一定的参考意义。第二节基因突变的表现和鉴定一、基因突变的表现1、显性突变(反突变)与隐性突变(正突变)显性突变表现的早而纯合的晚；隐性突变表现的晚而纯合的早。显性突变(反突变)隐性突变(正突变)ddDD↓↓M1Dd(表现)Dd↓自交↓自交M21DD:2Dd:1dd1DD:2Dd:1dd(表现，纯合)↓↓↓(分别自交)M3DD(纯合)2、可见突变与生化突变能通过表型观察出来的性状突变，叫可见突变(visiblemutant)；必须借助生化手段，测定代谢过程中出现异常反应或产物，才得知发生了突变，叫生化突变(biochemicalmutant)。3、大突变与小突变(macromutationandmicromutation，微突变)根据突变引起表型性状改变的程度，可分为大突变和微突变。大突变是指质量性状的基因突变。有些突变效应表型微小，较难察觉，这叫微(小)突变。由于控制数量性状的基因多(微效多基因)，控制数量性状的基因突变大都属于微突变。实验表明，在微突变中出现有利突变率高于大突变，所以在育种工作中应注意突变的分析和选择。4、自发和诱发突变凡是在自然条件下发生的基因突变，叫自发突变(naturalmutation或自然突变)；凡是用人工方法引起的基因突变，叫诱发或诱导突变inducedmutation)。 自然突变和诱发突变在效应上和遗传规律上没有区别，只是突变的频率不同而已。二、基因突变的鉴定经诱发而产生的变异是否属于真实的基因突变？是显性突变还是隐性突变？突变发生的频率的高低等？这些都应进行鉴定。1、突变发生的鉴定在处理材料的后代中，一旦发现与原始亲本不同的变异体，就要鉴定它是否真实遗传。变异有可遗传变异与不可遗传的变异。由基因本身发生某种化学变化而引起的变异是可遗传的，而由一般环境条件导致的变异是不可遗传的。在一致的环境条件下进行田间对比试验，以鉴别是否属于遗传的变异。如将变异体和对照亲本的有性或无性后代栽在条件均一，完全随机和多次重复设计的试验中，若变异的性状在后代上得到重现，则说明属于真实的变异。若为可遗传变异，应用嫁接，扦插，分株等无性繁殖方法对芽变及时分离，固定和鉴别。一次芽变一般只涉及个别性状，很少同时涉及多个性状，一旦发现优良的芽变，立即可采用无性繁殖方法选育成新的品种。2、显隐性的鉴定突变体究竟是显性突变还是隐性突变，还可利用杂交试验加以鉴定。让突变体矮秆与原始亲本杂交，如果F1表现高秆，F2既有高秆，又有因分离而出现的矮秆植株，这说明矮秆突变是隐性突变，而不是显性突变。一般显性突变早现晚纯，隐性突变晚现早纯。3、突变率的测定基因突变率(简称突变率)是指在有性生殖中，每一配子发生突变的概率。即用一定数目配子中的突变配子百分数表示。第三节基因突变的分子基础一、突变的分子机制从经典遗传学来看，基因为染色体上直线排列的一点，称为位点。基因是功能，交换和突变的，三位一体的最小单位。微生物遗传学和分子遗传学已经证实，基因是DNA链中的一个区段，大约有500-1500个核苷酸对。这些核苷酸的排列顺序是很严格的，如果顺序发生了改变，基因的信息就发生了改变，最后导致表型的变异。即基因区段内的核苷酸顺序的改变可以理解为基因突变。基因还可分为许多亚单位，叫座位。座位由一个或若干个核苷酸所组成。一个座位内的核苷酸顺序发生改变，就产生了一个新的等位基因；若干个座位发生改变，就产生若干个新的等位基因。因此复等位基因的出现就是不同个体中同一基因区段内不同座位发生改变的结果。Benzer把这种不能分割的，改变后可引起表型突变的座位称为突变子(muton)。基因可分割为若干个起作用的小单位(座位)，起重组作用的称为重组子(交换子recon)，顺反子(作用子，cistron)是功能单位，基本上相当于通常所指的基因或略小。突变的主要方式有两种:一是分子结构的改变如碱基替换substitution和倒位inversion；二是移码frameshift如碱基的缺失deletion和插入insertion等。错义突变missensemutation是指基因DNA区段中因一个碱基改变(change)或替换(substitution)，导致DNA，RNA和蛋白质、氨基酸(aminoacid)的顺序(sequence)的改变，从而产生的突变现象。有时一个碱基的变化，不改变最终的氨基酸的顺序，如替换发生在三联体密码(tripletcode)的第三个碱基上时，这种只改变密码，不改变氨基酸种类的突变叫同义突变samesensemutation。移码突变frameshiftmutation是指基因DNA分子区段中，增加或减少一个或几个核苷酸，造成密码编组移动，导致表型改变的现象。由于碱基替换使mRNA中出现了终止密码子时(VAA，UAG，UGA)，终止了蛋白质的合成，产生了不完全的没有活性的多肽链，这种突变称为无义突变nonsensemutation。二、突变的修复(mutationrepair)1、DNA的防护DNA具有稳定性，具有应付和恢复外界诱变的防护机理:(1)密码的兼并现象；(2)突变的可逆性；(3)基因间和基因内的抑制作用(intergenicandintragenicsuppression):前者是指基因位点间的掩盖，使突变恢复为野生型。后者是指控制翻译机理的抑制基因可使无义突变，误义突变(missensemutation)或移码突变恢复野生型。(4)致死突变消失；(5)多倍体化:多倍体具有几套染色体组，每个基因有几份，自体保护能力增强。2、DNA的修复系统： (1)光修复(lightrepair)两个胸腺嘧啶在2800埃紫外线(UV，ultraviolet)下变为胸腺嘧啶二聚体；在2400埃UV下胸腺嘧啶二聚体变回为两个胸腺嘧啶。胞嘧啶在UV下可变为水合胞嘧啶；在无UV时可恢复为胞嘧啶。另外有一种“巡回酶”(patrolingenzyme)和“光激活酶”(photoreactingenzyme)在蓝光下能使二聚体切开，使DNA恢复正常。(2)暗修复(darkrepair)或切除修复(excisionrepair)(3)重组修复(recombinationrepair):在DNA复制后进行的修复，也称复制后修复。第四节基因突变的诱发自然条件下各种植物基因突变的频率总是很低的。基因的这种相对稳定性对植物的稳定无疑是非常重要的。但是对育种工作来说，却是获得大量变异的一个障碍，必须人工诱发基因突变，来提高突变率。美国的Muller，H.J.(1890-1967)博士1915年完成了交换机理(TheMechanicsofCrossingOver)博士论文。1927年首次发现X射线(X-rays)可以提高突变率几千倍，为此1946年荣获诺贝尔奖。在1928年Stadler，L.J.证实用X射线可使植物的突变倍增。诱发基因突变的因素(诱变剂)包括物理因素和化学因素。一、物理因素(physicalfactors)物理因素只限于电离辐射(ionizingradiation)和非电离辐射(non-ionizingradiation)。基因突变需要相当大的能量，辐射就是很好的能量来源。紫外线除产生热能外，还能使原子“激发”(activation)；X射线，γ射线，α射线，β射线，中子等除产生热能和使原子激发外，还能使原子“电离”(ionization)。1、电离辐射诱变：电离辐射包括α射线，β射线，中子等的粒子辐射(neutron-radiation)和X射线，γ射线等的电磁波辐射(electromagneticwaveradiation)。电离辐射不但造成基因突变，而且还造成染色体畸变。经常这两种变异交织在一起。2、非电离辐射：紫外线(ultravioletlight)最有效的波长为2600Å(ai)，这个波长正是DNA吸收紫外线的有效波长。紫外线直接作用使分子结构离析，间接作用产生过氧化氢(H2O2)可诱发突变。二、化学因素(chemicalsubstance，orchemicalmatter):化学诱变的历史较晚。1941年Auerbach，C.和Robson，J.M.第一次发现芥子气(mustardgas)可诱发突变。1934年Oehlkers，F..第一次发现氨基甲酸乙酯(NH2COOC2H5)可诱发染色体结构变异。化学药物的诱变具有特异性和定向性。即一个性质的药物诱发移动类型的变异。化学诱变剂可分为:烷化剂和亚硝酸，碱基类似物，抗生素等。1、烷化剂有一个或多个不稳定的烷基(C2H5)，烷基具有置换其它分子氢原子的作用(烷化作用)，烷化作用改变了碱基的分子结构，从而造成基因突变；亚硝酸能使腺嘌呤(A)，胞嘧啶(C)分别脱去氨基并氧化成为次黄嘌呤(H)和尿嘧啶(U)等酮式类似物。常用这类诱变剂有亚硝酸，甲基磺酸乙酯(EMS)，硫酸二乙酯(DES)，乙烯亚胺(EI)，胲等。2、碱基类似物取代正常的碱基，造成DNA复制时碱基的错配。胸腺嘧啶(T)的碱基类似物(baseanalogs)是5-溴尿嘧啶(Bu)和5-溴脱氧尿核苷(BudR)；腺嘌呤(A)的类似物是2-氨基-嘌呤(AP)。3、抗生素如重氮丝氨酸，丝裂霉素C等具有破坏分子结构的能力，可造成染色体的断裂。4、作用方式不清的化合物:芥子气、H2O2、甲醛等。思考题1.解释名词基因突变复等位基因芽变突变体自发突变诱发突变错义突变移码突变光修复暗修复重组修复2.基因突变的一般特征是什么?3.性细胞突变和体细胞突变有何不同?4.突变有哪些表现?怎样鉴定?5.基因突变的诱变剂有哪些? 第七章染色体的结构变异chromosomestructureaberrantion主要内容：染色体结构变异的种类，各类变异发生的方式及其遗传效应。目的要求：通过学习，了解染色体结构变异也是引起生物体性状变异的重要因素之一。要求掌握染色体缺失、重复、倒位和易位的遗传效应及其在育种中的应用。重点难点：染色体结构变异的机理及各类染色体结构变异的遗传学效应。具体内容如下：染色体畸变包括染色体结构变异和数量变异两大部分。前面讲述的核遗传现象及规律，无不依靠染色体形态，结构和数量的稳定。然而染色体的稳定性是相对的，变异才是绝对的。在自然条件下，如温度剧变，代谢失调等可以使染色体折断(breaking)；人为某些物理和化学措施，可使染色体折断(断开)的频率(机率或概率)大大地增加，断开形成的染色体断片(fragment)会自动恢复(restitution)或复原(healing)，一个按原来的直线顺序重接起来，另一个接错，造成结构的变异。所以染色体折断是结构变异的前奏。细胞学中称为先断后接学说(Break-reunionhypothesis)。自从1927年开始发现电离辐射能使染色体发生结构变异之后，细胞遗传学把通过“折断――重接”而出现的染色体结构变异分为四类：缺失deficiency、重复duplication、倒位inversion、易位translocation。Chromosomestructureaberrations(Thedotrepresentsthecentromere)TypeDescriptionChromosomestructurechangeNormal:CompleteorIntegratedchromosome1.23456正常Deficiency:Lossofchromosomalsegment1.2345缺失Duplication:Additionofchromosomalsegment1.234566重复Inversion:Rearrangementofchromosomalsegments1.25436倒位Translocation:Chromosomalsegmentexchangedbetweennonhomologouschromosomes1.23457'8'9'易位一、缺失(deficiency)的类型及遗传效应缺失是指染色体的某一区段丢失了。依据缺失的部位有顶端缺失terminaldeficiency和中间缺失interstitialdeficiency。缺失的区段称为断片fragment，缺失也可能造成双着丝点染色体dicentricchromosome,双着丝点染色体不稳定，会继续再变。遗传效应：(1)改变原有正常的连锁群，影响生物体的生长和发育。缺失是有害于植物的生长和发育，其有害程度取决于缺失区段内的基因数量及其重要性；缺失纯合体通常很难存活，缺失杂合体的生活力也较差；含缺失的花粉一般是败育的，缺失主要通过雌配子而遗传；(2)出现假显性现象；(3)导致位置效应，即缺失后改变了它与邻近基因的位置关系，从而导致表型随之发生改变的现象。二、重复(duplication)的类别及遗传效应重复是指染色体多了自己的某一区段。有顺接重复(tandemduplication断片按照自己正常直线顺序重复)和反接重复(reverseduplication断片按照原有顺序颠倒重复)。重复也可能形成双着丝点染色体，不稳定，继续发生结构变异。重复和缺失相伴随。遗传效应：(1)重复扰乱了基因固有的平衡体系，；改变原有正常的连锁群，影响生物体的生长和发育；(2)产生基因剂量效应(dosageeffect)，某断片基因重复出现的次数越多，表现效应越显著；(3)导致位置效应(positioneffect)，重复区段的位置不同，表现效应不同。三、倒位(inversion)的类别及遗传效应倒位是指染色体某一区段的正常直线顺序给颠倒了。有臂内倒位和臂间倒位(paracentricinversion一侧倒位andpericentricinversion两侧倒位)。倒位形成倒位环或倒位圈，容易在偶线期和粗线期观察和鉴定。遗传效应：(1)改变了原有连锁基因的重组率，影响生物体的生长和发育。如头巾百合(Liliummartagon)和竹叶百合(L.hansonii)是倒位形成的两个不同的种；(2)倒位降低了倒位杂合体的连锁基因的重组率；(3)改变与邻近基因的位置关系，从而导致表型随之发生改变，即位置效应；(4)倒位导致倒位杂合体部分配子不育。四、易位(translocation)的类别及遗传效应易位是指某染色体的一个区段移接在非同源的另一个染色体上。易位有相互易位和简单易位(reciprocaltranslocatuionandsimpletranslocation)，相互易位就是两个非同源染色体之间的相互移接，简单易位就是转移(shift变迁)。易位的形成过程以及在偶线期和粗线期的联会，先形成“ 十字形”，然后形成“四体环”或“四体链”或“8字形”。遗传效应：(1)易位首先造成半不育现象(semisterility)，即花粉50%败育的，胚囊也有50%不育的(相邻式产生全部不育的配子，交替式产生全是可育配子，因为相邻式和交替式各占一半)；(2)降低了易位结合点的基因重组率；(3)易位使两个正常的连锁群改组为两个新的连锁群；(4)易位还造成染色体的融合(极小染色体的丢失)，导致染色体数目的变异。五、染色体结构变异的诱发一切能够诱发基因突变的物理和化学因素也均能造成染色体的结构变异，此外化学药物中如8-乙氧基咖啡碱(8-ethoxycaffeine，EOC)、顺丁烯联胺(Maleichydrazide，MH)和2，3环氧乙醚丙醚(2，3-epoxypropylether，DEPE)对结构变异有特效(特异)。六、染色体结构变异的应用1、利用缺失进行基因定位。2、对新的变异个体进行细胞染色体诊断和分析；如核型分析等。3、利用结构变异创造稳定的新变异类型。思考题1.染色体结构变异的前奏是什么?2.缺失、重复、倒位和易位的概念，类别及遗传效应?3.染色体结构变异有什么用途? 第八章染色体数目(数量)的变异chromosomenumberaberrantion主要内容：1.染色体组及其变异；2．整倍体的变异；3．非整倍体的变异。目的要求：通过本章学习，了解染色体数目发生不正常的变化规律及其在育种上的利用，要求掌握染色体数目的变异类型以及整倍体、非整体倍体的遗传表现。重点难点：1.染色体组及其倍数性的变异；2．染色体数目的变异类型以及整倍体、非整体倍体的遗传表现。具体内容如下：荷兰的狄·弗里斯(DeVris，H)孟德尔定律重现发现者之一，1901年他在普通月见草(Eveningprimrose；Sundrops，Oenotheralamarckiana)中发现许多变异(如侏儒型(dwarftype)叫(O.nanalla))，但其中一种组织和器官较大的变异体(gigas)，定名为巨型月见草(O.gigas)新种，同年还发表了“突变学说”(TheMutationTheory)专著，他认为O.gigas是基因突变的结果。后来(1907年)人们发现巨型月见草的合子染色体数是2n=28，正好是普通月见草2n=14的2倍。这就启发人们思考和认识到染色体数目的变化也可以导致遗传性状的变异。变异的特点是按一个染色体的基本数目(基数)成倍增加或减少。第一节染色体组及染色体数目的变异一、染色体组的概念以小麦属的情况为例:种合子染色体数规律一粒小麦，野生一粒小麦2n=142n=2xx=7二粒小麦，硬粒小麦，圆锥小麦，波兰小麦2n=282n=4xx=7普通小麦，密穗小麦，斯卑尔脱小麦2n=422n=6xx=7其它植物属内情况:基数(x)2x3x4x5x6x7x8x蔷薇属(Rosa)71421283542--56柳树属(Salix)1938--76--114杨树属(Populus)19385776桦木属(Betula)14284256--84樱属(Prunus)8162432--48菊属(Chrysanthemum)918273645546372马铃薯属(Solanum)12243648607296108月见草属(Oenothera)14284256这些数字系列，细看起来并非杂乱无章，如同等差数列一样，是按照某一基数倍增的。把基数(基本数目)所指的染色体总起来称为一个染色体组(genome)，或者染色体组是指某个物种最基本的异源染色体数目，用x表示(或者可以认为二倍体生物配子里的所有染色体，称为一个染色体组)。一个染色体组所包括的染色体数(即为染色体基数)，不同种属间可能相同，也可能不同。染色体组的基本特征:同一染色体组的各个染色体在形态，结构和连锁基因群都彼此不同，但它们却构成了一个完整而协调的体系，缺少其中的任何一个都会造成不育或性状的变异。二、染色体数目的变异可分为两大类:一类是以整套染色体组为基数单位的倍增，称为整倍性(euploidy)改变，另一类在体细胞中，某一个或几个染色体增加或减少，染色体数不是以染色体组基数成倍增加或减少，这种变异类型称为非整倍性(aneuploidy)改变。以染色体组基数成倍增加的物种称为整倍体(euploid)，几个x就是几倍体。正常配子中所含的染色体数，或半体细胞染色体数称为单倍体，以n表示。于是以n表示的配子中染色体数，与x表示的染色体组的染色体基数，有时可以相同，如绝大多数二倍体生物；有时也可以不同，n是x的倍数，如多倍体生物。1n=1x一倍体(monoploid)，2n=2x二倍体(diploid)，2n=3x三倍体(triploid)，2n=4x四倍体(tetraploid)，2n=5x五倍体(pentaploid)，2n=6x六倍体(hexaploid)。凡是体细胞具有三个或三个以上染色体组的个体统称多倍体(polyploid)。在多倍体中，倍增的染色体组来自同一物种， 一般由二倍体加倍而来，称为同源多倍体(autopolyploid)；相应地异源多倍体(allopolyploid)是指增加的染色体组来自不同物种，一般由种间杂交后加倍而成的。所以多倍体是多种多样的，千变万化的。凡是比该物种正常合子染色体数(2n)多或少一个或几个染色体的个体统称为非整倍体(aneuploid)。在非整倍体中，染色体数多于2n者称为超倍体(hyperploid)，染色体数少于2n者称为亚倍体(hypoploid)。非整倍体是多种多样的。2n=2x二倍体也称双体(disome，二体。2n+1=(n-1)Ⅱ+Ⅲ，多一条染色体为三体(trisomic)；2n-1=(n-1)Ⅱ+Ⅰ，少一条染色体为单体(monosomic)；2n+1+1＝(n-2)Ⅱ+Ⅲ＋Ⅲ，二对同源染色体上各增加一条为双三体(doubletrisomic)；2n-1-1＝(n-2)Ⅱ+Ⅰ+Ⅰ，二对同源染色体上各减少一条为双单体(doublemonosomic)；2n+2＝(n-2)Ⅱ+Ⅳ，某一对同源染色体上增加了两条为四体(tetra-somic)，2n-2=(n-1)Ⅲ，某一对同源染色体减少了为缺体(nullisomic)。染色体数量变异类型表┌──┬──────┬──────┬───────┬──────────┐│类型│名称│染色体组数│染色体类别│染色体组成**│├──┼──────┼──────┼───────┼──────────┤│整│单倍体│x=n│A│(1234)││倍│二倍体│2x=2n│AA│(1234)(1234)││体│同源三倍体│3x=2n│AAA│(1234)(1234)(1234)│││异源三倍体│3x=2n│A'AA(1'2'3'4')(1234)(1234)│├──┼──────┼──────┼───────┼──────────┤│非│亚单体│2n-1│A(A-1)│(1234)(123-)││整│倍缺体│2n-2│(A-1)(A-1)│(123-)(123-)││倍│体双单体│2n-1-1│(A-1)(A-1)│(123-)(12-4)││体│超三体│2n+1│A(A+1)│(1234)(1234)(4)│││倍四体│2n+2│(A+1)(A+1)│(1234)(1234)(44)│││体双三体│2n+1+1│(A+1)(A+1)│(1234)(1234)(34)│└──┴──────┴──────┴───────┴──────────┘**1234分别代表一个染色体组中的4条非同源染色体，1'2'3'4'来自另一种属的染色体第二节整倍体的变异一、单倍体(monoploid)是指由未受精的配子发育的个体。其体细胞中仅具有配子的染色体数，因只有雌雄配子受精成合子的体细胞染色体数的半数，故称单倍体(n)。单倍体在产生上毫无价值，但是在遗传学研究上却意义很大。第一.单倍体每个染色体上的基因都是成单的，因此没有显隐关系，每个基因都能发挥作用，这对于研究基因的性质和功能是极好的材料。第二.单倍体加倍可获得纯合二倍体，这种后代群体不会发生性状的分离。为了明确起见，我们把只有一个染色体组的单倍体称为一倍体(n=x)。一倍体的特点是高度不育，植株弱小。来自同源偶数多倍体的单倍体是可育的，来自异源偶数多倍体的单倍体一般是部分可育的。二、二倍体(diploid)也称双体或二体(disomic):2n=2x。大多数生物都是二倍体，动物几乎全是二倍体。三、多倍体凡是体细胞具有三个或三个以上染色体组的个体统称多倍体(polyploid)。在多倍体中，倍增的染色体组来自同一物种，一般由二倍体加倍而来，称为同源多倍体(autopolyploid)；异源多倍体(allopolyploid)是指增加的染色体组来自不同物种，一般由种间杂交后加倍而成的。所以多倍体是多种多样的，千变万化的。多倍体在形态变异方面比二倍体大的多，三倍四倍表现出形态上(细胞的体积，气孔及保卫细胞，叶片，果实，种子)的巨大性，高倍的却表现出侏儒性或其它方向的变异；多倍体的育性上差异很大，偶数多倍体可育，但育性差于二倍体，奇数多倍体根本不育。多倍体的巨大性(gigaseffectofpolyploid，gigantism)是人们追求的育种目标。(1)同源三倍体(autotriploid):一般部分个体在形态上有巨大性；但是，由于同源染色体有3个，减数分裂时形成三价体，不好分离，容易造成染色体的断裂而雌雄配子部分不育。无籽西瓜，无籽葡萄正好利用了三倍体的这一优点。二倍体和四倍体杂交产生三倍体。(2)同源四倍体(autotetraploid):可育。个别个体具有形态上有巨大性。(3)异源三倍体(allotriploid):形态上有巨大性,不育。朱之悌教授培育的三倍体毛白杨［(毛新)×毛］速生，纤维长，是短周期工业用材(造纸)的好品种，即有倍性优势又有杂种优势。(4)异源四倍体(allotetraploid):具有形态巨大性， 可以培育出即有杂种优势又有倍性优势相结合的新品种。基本上是部分可育的。四、多倍体形成的途径1、自然发生的途径(1)形成未减数的2N配子(即配子内保持原种或杂种的合子染色体数)形成合子后产生多倍体。在树木中，毛白杨，山杨就有天然的未减数花粉(2npollen)或叫大花粉(macropollen)。形成天然三倍体。(2)自然芽变和顶端分生组织的体细胞自然加倍形成多倍体。2、人工创造多倍体途径(1)合子(受精卵)加倍形成多倍体，胚培养，芽处理，顶端分生组织处理诱导多倍体；(2)人工诱导(2n)大花粉，用未减数的大花粉粒授粉产生多倍体(杨树，毛白杨)；(3)诱导胚囊形成未减数卵细胞产生多倍体；(4)胚乳组织培养产生多倍体(杜仲)树木中三倍体育种成果很多。欧洲山杨，美洲山杨，灰杨，香脂杨，桦木，桤木，云杉，落叶松，榆树，柳树，欧洲赤松，椴树，栎类，水青冈，合欢，日本柳杉，刺槐，桑树，漆树，欧洲花椒，七叶树；农作物上多倍体很多，小麦是6倍体。3、诱导剂(1)组培方法:根据双受精原理，种子的胚乳是3n，直接胚乳培养和受精卵加倍后组织培养。(2)化学方法:秋水仙素(碱)(colchicine)淡黄色粉末，针状结晶，易溶于凉水和酒精，不溶于热水，它是从秋水仙(ColchicumautumnaleL.)的鳞茎和种子中提炼出来的。秋水仙素能使分生组织的细胞染色体加倍，阻止，破坏和抑制纺锤丝的形成，染色体停留在赤道板上。利用秋水仙素可以处理顶端分生组织细胞；受精卵(合子)形成加倍；处理雌花芽使卵细胞加倍；处理雄花芽使花粉加倍；效果不错。(3)物理方法:高温38-40℃处理花序2小时左右，可形成2N花粉。五、多倍体的应用1、克服远缘杂交的不孕性:(不亲和性，不受精，无结实)白菜(2X=20)×甘蓝(2X=18)不成功；甘蓝(2X=18)×白菜(2X=20)不成功；而用白菜(2X=20)×甘蓝(4X=36)和甘蓝(4X=36)×白菜(2X=20)均获得成功。所以进行种间杂交之前，使一个亲本加倍成同源多倍体，是克服种间杂交不孕的一个途径。2、克服远缘杂种不实性:使F1植株加倍成多倍体，变不育为可育。3、创造远缘杂交育种的中间亲本:李振声小麦育种学家不但创造出小麦单体系列和缺体系列，而且更突出的贡献是将伞型山羊草(2X=14)抗叶锈显性基因(R)转移给普通小麦。伞型山羊草和普通小麦(6X=42)无法直接杂交成功，先用伞型山羊草与异源四倍体的二粒小麦(4X=28)杂交得到F1(3X=21)，再将F1加倍成异源六倍体(6X=42)，利用这个异源六倍体作中间亲本再与普通小麦杂交和回交，得到了抗叶锈的优良品种。4、诱导多倍体直接育成新品种或新类型。利用多倍体的巨大性，如树木三倍体和四倍体等。第三节非整倍体的变异凡是比该物种正常合子染色体数(2n)多或少一个或几个染色体的个体统称为非整倍体(aneuploid)。在非整倍体中，染色体数多于2n者称为超倍体(hyperploid)，如三体、四体、双三体等。染色体数少于2n者称为亚倍体(hypoploid)，如单体、缺体、双单体等。非整倍体导致遗传上的不平衡，对生物体是不利的，生长表现较差或极差。二倍体的生物自然群体中出现亚倍体是极罕见的，因为n-1的配子一般不能正常发育。异源多倍体则相反，可生成有生命力的n-1配子；超倍体即可在异源多倍体的自然群体中出现，也可在二倍体的自然群体中出现，因为n+1的配子一般能正常发育。常见单体，缺体，三体，四体等。单体和缺体首先发现在小麦上。三体最早(1921年)美国植物和遗传学家Blakeslee，A.F发现在直果曼陀罗(Jimsonweed，`DaTurastramonium')上，共有12种三体(除了正常normal果形外，辊轴形rolled，发光形glossy，小圆盾形buckling，延长形elongate，猬刺形echinus，褶皱形cocklebur，小粒形microcarpic，减缩形reduced，尖齿形poinsettia，菠菜果形spinach，球形globe，冬青果形ilex)，之后人们在金鱼草属(1958)，玉米(1931)，菠菜属(1959)，大麦(1959-1961)，蕃茄(tomato，1964)，碧冬茄属(1975)，小麦中均发现三体。四体也是在小麦中发现。非整倍体的应用，非整倍体本身虽然没有任何直接的实用价值，但是间接地可进行许多有价值的工作。(1)测定基因所在的染色体:缺体，单体和三体都可以用以测定基因所在的染色体。尤其对等效异位基因(polymericgenes)，它们不能用两点或三点测验来定位。(2)有目标地替换染色体:(生物技术工程)著名的例子是小麦单体杂交进行的染色体置换: 不抗病，高产单体抗病双体P20Ⅱ+6BⅠr×20Ⅱ+6BⅡRR↓F120Ⅱ+6BⅠR20Ⅱ+ⅡRr(淘汰双体)↓(自交)F220Ⅱ(缺体)20Ⅱ+6BⅠR(单体)20Ⅱ+ⅡRR(双体)从20Ⅱ+ⅡRR(双体)中进一步选择其它性状符合要求的，提纯复壮，得到抗病高产品种。(3)利用四体-缺体复合体测定异源染色体组间的同源程度。根据同源染色体的联会程度观察。思考题1．解释名词染色体组整倍体非整倍体多倍体同源多倍体异源多倍体超倍体亚倍体一倍体单体缺体四体三体双单体双三体双体二倍体2．多倍体是怎样产生的途径有那些?3．秋水仙素(碱)来自何方?作用和功能是什么?4．非整倍体的有什么价值?5．染色体组的基本特征是什么?6．多倍体的特征是什么?为什么要进行多倍体的创造? 第九章细胞质遗传(cytoplasmicinheritance)主要内容:1.细胞质遗传的概念及特点；2．细胞质遗传的特质基础；3．植物雄性不育的遗传。目的要求：通过本章学习，了解生物的遗传现象和规律除由核基因决定外，在细胞质内也存在着自主性的遗传物质即细胞质基因。要求掌握细胞质遗传的表现和特点以及植物雄性不育的表现及其遗传机现等方面。重点难点：1.细胞质遗传的特征；2．植物雄性不育在育种中的利用。具体内容如下：前边所介绍的遗传现象和规律都是核内遗传物质，即由核基因所决定的。这些现象和规律在遗传学领域中占主导和主要地位。与此同时，人们发现在细胞质中也存在自主性的遗传物质，即细胞质基因(plasmogene)，由其决定的遗传现象，称之为细胞质遗传。第一节细胞质遗传的概念及特点一、细胞质遗传的概念细胞核以外的任何细胞成份所引起的遗传现象称为细胞质遗传。真核生物的细胞质基因主要存在于线粒体、质体(plastid，叶绿体chloroplast)、核糖体、中心体(centralbody)等细胞器中以及非固定成份的细胞质颗粒(共生体symbiont，附加体episome)。把所有细胞器和细胞质颗粒中的遗传物质统称为细胞质基因组(plasmon)。综观生物的遗传体系，可以概括如下：┌核基因组(染色体基因组)──染色体DNA(chromosomalDNA)│┌线粒体基因组(mtDNA)遗传物质─┤┌细胞器基因组─┤叶绿体基因组(ctDNA)└细胞质基因组─┤│动粒基因组(KintoDNA)││中心体基因组(centroDNA)│└膜体系基因组(membraneDNA)└非细胞器基因组┬共生体基因组(symbiontDNA)└质粒基因组(plasmidDNA)遗传学中把染色体基因所控制的遗传现象和规律称为核遗传(nuclearinheritance)；把细胞质基因组所决定的遗传现象和遗传规律称为细胞质遗传，也称为非染色体遗传(nonchromosomalinheritance)，非孟德尔遗传(Non-Mendelianinheritance)，染色体外遗传(extrachromosomalinheritance)，核外遗传(extranuclearinheritance)以及母体(母性)遗传(maternalinheritance)等。二、细胞质遗传的特点细胞学研究表明：真核生物的有性生殖，卵细胞(雌配子)不仅为子代提供其核基因，而且也为子代提供了它的全部或绝大部分细胞质基因；而精子(雄配子)则仅能为子代提供其核基因，不能或者很少能为子代提供其细胞质基因。故细胞质遗传有以下特点：1、正交和反交的遗传表现不同。某些性状只有通过母本传递给后代，故成为母性遗传；但是，由核基因所决定的性状，正交和反交的遗传表现是一样的。2、细胞质基因是不均等分配的，在遗传表现上不、符合孟德尔的三个基本遗传规律。3、通过连续的回交能把母本的核基因全部置换掉，但是母本的细胞质基因及其控制的性状仍然不消失。第二节叶绿体的遗传一、花斑现象(variegation)孟德尔定律重新发现者之一的柯伦斯(Correns，C.F.J.)1909年首先报道了花斑遗传现象。他发现紫茉莉(Mirabilisjalapa)中有一种花斑植株，着生绿色，白色和花斑3种枝条，花斑(绿白相间)枝条的白色和绿色组织之间有明显界线。他分别以这3种枝条上的花作母本，用3种枝条上的花粉分别授给每种作母本的花上。杂交结果如下：┌──────────┬────────────┬────────────┐ │接受花粉的枝条(♀)│提供花粉的枝条(♂)│杂种植株的表现│├──────────┼────────────┼────────────┤│白色│白色│白色││白色│绿色│白色││白色│花斑│白色│├──────────┼────────────┼────────────┤│绿色│白色│绿色││绿色│绿色│绿色││绿色│花斑│绿色│├──────────┼────────────┼────────────┤│花斑│白色│白色，绿色，花斑││花斑│绿色│白色，绿色，花斑││花斑│花斑│白色，绿色，花斑│└──────────┴────────────┴────────────┘后代的表现完全由母本枝条来决定；而与父本花粉无关。植物叶绿体所表现的这种花斑遗传现象先后在天竹葵，月见草，柳叶菜属等20多种植物中发现。二、花斑现象的原因质体变异造成的，质体(plastid)有叶绿体(chloroplast)，白色体(leukoplast)和有色体(chromoplast)。研究表明：花斑枝条的细胞中含有叶绿素的叶绿体和无叶绿素的白色体；而在绿白交界的细胞里即有叶绿体又有白色体。由于质体在有丝分裂中的随机性，不象染色体那样的均等分配。这样，一个原来含有两种质体的细胞经过多次分裂会出现：(多次分裂)┌含两种质体细胞────>花斑植株含有两种质体细胞─────┼只含叶绿体细胞────>绿色植株(叶绿体，白色体)└只含白色体细胞────>白色植株三、叶绿体遗传物质的分子基础现已知叶绿体中含有遗传物质，称作叶绿体DNA(ctDNA)，是闭合双链的环状结构。各种植物通过氯化铯(CsCl)的浮力密度(buoyantdensity)(浮力密度是通过离心法测得的DNA分子量的一种度量，其单位为g/cm3)测定，ctDNA都与核DNA在分子重量上有不同程度的差异，但从碱基成份比例上，ctDNA与核DNA没有明显区别；另外，核DNA是与核蛋白结合的复合体，以染色体形式存在，而ctDNA是裸露的。ctDNA具有其独立性(独立复制，转录和翻译)的一面，也有和核DNA协同合作的一面。核与质两个遗传体系相互依存和联系。第三节线粒体遗传线粒体是重要的细胞器，是细胞的能量转化工厂；同时也与某些性状的遗传有关。现已红色面包霉的遗传为例：P正常生长野生型×缓慢生长突变型缓慢生长突变型×正常生长野生型↓↓F1野生型突变型经生化分析，缓慢生长突变型不含有细胞色素氧化酶，这种酶是正常氧化作用所必需的，该酶的产生与线粒体直接有关的。线粒体DNA(mtDNA)为双链闭合环状，也有线状的。mtDNA与核DNA相比有明显不同。第一没有重复碱基序列；第二浮力密度较低；mtDNA中G，C含量少于A，T；第四，mtDNA的两条单链的密度不同；一条成为重链(H链)，一条为轻链(L链)；第五，mtDNA非常小短。现已查明线粒体中有100多种蛋白质，其中十分之一左右是线粒体自身合成的。线粒体还能产生一种阻遏蛋白，遏制核基因的表达。核与质两个遗传体系相互依存和联系。第四节细胞质遗传的物质基础一、细胞质基因在细胞质内的细胞器中含有DNA，生物的某些性状就是通过这些细胞器而遗传的，因些把这些细胞质结构中的遗传物质叫做细胞质基因。它们与核中DNA一样，都具有稳定性、连续性，并能自我复制，但是细胞质DNA没有和组蛋白结合成复合体，而且有的是全闭合的环状结构，同时它们在进行细胞分裂时不均等地分裂，在遗传上不服从孟德尔的分离规律。二、细胞质基因与细胞核基因之间的关系 细胞质基因与细胞核基因在遗传上的作用不是孤立的。有些性状的遗传往往由收核基因与细胞质基因共同决定。它们之间有互相依存、互相协调、不可分割的关系。、说明核质基因关系的一个很好的例子是某些植物雄性不育的遗传现象。第五节植物雄性不育的遗传在细胞质基因所决定的许多性状中，实践上较重要的是植物雄性不育(malesterility)。雄性不育是指雄蕊发育不正常，不能产生有功能的花粉，但是它的雌蕊发育正常，能接受正常花粉而受精结实。雄性不育在植物界很普遍，迄今在18个科，110多种植物中发现了雄性不育的存在。一、雄性不育的类型1、核不育这是一种由核内染色体上的基因所决定的雄性不育，简称为核不育。大量试验证明，多数核不育型均受简单的一对隐性基因(ms)所控制，纯合体(msms)表现不育。符合孟德尔的分离，因此用普通遗传学方法不能使整个群体均保持这种不育性，使核不育的利用受到很大限制。2、质-核不育：由细胞质基因和核基因互作控制的不育类型，简称质核型。研究证明质核型是由不育的细胞质基因S和对应的核基因rr共同决定。当基因型为S(rr)时，个体才表现不育。用N表示细胞质可育基因。见下表。质核互作不育性可以在育种上得到利用。─────┬───────────┬───────┬──────胞质基因│核基因：(RR)(可育)│(Rr)(可育)│(rr)(不育)─────┼───────────┼───────┼──────N(可育)│N(RR)(可育)│N(Rr)(可育)│N(rr)(可育)S(不育)│S(RR)(可育)│S(Rr)(可育)│S(rr)(不育)─────┴───────────┴───────┴──────(1)S(rr)×N(rr)-->S(rr)，F1表现不育。N(rr)使不育系得以繁殖，保持和传递，故N(rr)称为雄性不育系的保持系(maintainerline)，S(rr)称为不育系(sterileline)。(2)S(rr)×N(RR)-->S(Rr)，或S(rr)×S(RR)-->S(Rr)。F1全部正常可育。N(RR)或者S(RR)具有恢复育性的能力，因此称为恢复系(restorerline)。(3)S(rr)×N(Rr)-->S(Rr)+S(rr)或S(rr)×S(Rr)-->S(Rr)+S(rr)。F1表现育性分离，说明N(Rr)或S(Rr)具有杂合的恢复能力，故称为恢复性杂合体，很显然N(Rr)的自交后代能选育出纯合的保持系N(rr)和纯合的恢复系N(RR)，而S(Rr)的自交后代既能选育出不育系S(rr)和纯合恢复系S(RR)。不育系，恢复系和保持系三系配套利用，称三系育种法。根据理论研究和实践表明，质核型不育性的遗传往往比较复杂，现介绍以下三个方面的特点：(1)孢子体不育和配子体不育；(2)胞质不育基因的多样性与核育性基因的对应性；(3)单基因不育性和多基因不育性。二、雄性不育性发生的机制(《遗传学P253－255》)1、胞质不育基因的载体线粒体DNA、叶绿体DNA。2、关于质核不育型的假说(1)质核互补控制假说(2)能量供求假说(3)亲缘假说三、质核雄性不育的利用在农业上主要杂交制种上，采用雄性不育的母本大面积繁育良种时，就可以免去大量的、重复的去雄劳动，并且保证了良种的纯度。对于树木来说，利用雄性不育亦有很大的优越性，首先雄性不育可以嫁接等无性繁殖实现保存；树木寿命长，利用时间长；树体高大，难于进行杂交前的去雄和套袋控制授粉。选用雄性不育的母本又可以避免自交，获得杂种。思考题1．解释名词细胞质基因细胞质遗传核基因雄性不育保持系恢复系2．细胞质遗传的特点是什么?3．雄性不育的类别及应用优越性?4．花斑现象的细胞学和遗传学原因是什么? 第十章群体的遗传(EssentialPopulationGenetics)主要内容：1.基因频率和基因型频率。包括群体遗传学的产生；基因频率和基因型频率，重点的论述从基因型频率求基因频率等。2．遗传平衡定律。包括遗传平衡的证明，平衡状态下基因频率的计算，基因突变，基因迁移，遗传漂移等。目的要求：通过本章学习，目的在于了解群体并不是一些个体的简单集合体，它的传递也不是单个个体的简单相加，群体遗传学正是研究一个群体内基因的传递情况及其频率改变的科学，它应用数学和统计学方法研究群体中等位基因频率和基因型频率以及影响这些频率的遗传因素。要求学生对该章的内容有个全面的了解。重点难点：遗传平衡定律及计算，基因频率与基因型频率之间的推算。具体内容如下：一、群体遗传学概述群体遗传学是以孟德尔遗传规律与数学相结合而产生的一个遗传学分支。研究的对象从原来的个体走向群体。群体遗传学中的“群体”和通常所说的群体涵义不同。这个群体不是一些个体的简单集合，而是指在个体之间有相互交配关系的集合体。也称为孟德尔群体(MendelianPopulation)，是指“在个体相互之间有交配的可能性，并随着世代进行基因交换的有性繁殖群体”。在同一群体内，不同个体的基因虽然有不同的组合(即不同的基因型)，而群体的所有基因总体则是一定的。把一个群体所包含的基因总数称为“基因库(genepool)”。基因库也认为是指有性生殖生物的某一群体中，能够进行生殖的个体所含有的遗传信息的总和。有机体在繁殖过程中，每个个体不能把它的基因型传递给子代，而传递给子代的只不过是不同频率的基因而已。所以群体遗传学是研究一个群体内基因的传递情况及其频率改变的科学。也认为群体遗传学是研究群体的遗传结构及其变化规律的科学；或认为研究群体基因型频率和基因频率的变化规律的科学。群体遗传结构(geneticconstitution):是指群体中各种基因的频率以及由不同交配体系所带来的各种基因型在数量上的分布。二、基因频率与基因型频率(genefrequencyandgenotypicfrequency)基因频率是指在一个群体内，一个基因位点上不同基因所占的比例。基因型频率是指在一个群体内，一个基因位点上不同基因型所占的比例。设某一群体个体总数为N，一个位点上有一对等位基因A和a，由它们形成的三种基因型AA，Aa，aa的个体数分别为n1，n2和n3。N=n1+n2+n3。则A基因的频率为:p(A)=(2n1+n2)/2Na基因的频率为:q(a)=(2n3+n2)/2N则AA基因型频率为:D(AA)=n1/NAa基因型频率为:H(Aa)=n2/Naa基因型频率为:R(aa)=n3/Np+q=1，D+H+R=1，从而可知:p(A)=D+H/2q(a)=R+H/2基因频率可由基因型频率推算而来，是理论值。孟德尔群体的基本特征:从亲代到F1，F2，F3等，每代个体的基因型数量或频率发生了改变但是基因(A和a)在每代中只是自我复制，一代一代地传递下去，其频率没有发生改变(除非发生突变等因素)，这就是孟德尔群体的基本特征。PAA×aaF1Aa，F21AA:2Aa:1aaF33AA:2Aa:3aa为了度量群体或个体间亲缘关系的远近，采用近交系数(coefficientofinbreeding)来表示(血缘consanguinity系数)。近亲(近交)系数(F)是指一个合子中两个等位基因来自双亲共同祖先的某一基因的概率，即每一个体中某一位点上两个基因共同来源的概率。F值从0-1。近交系数：是指个体具有的同源基因来自共同祖先的概率。双亲关系近交系数(F)双亲关系近交系数(F)同胞、亲子1/4半同胞、叔侄、甥舅1/8表亲1/16半表亲1/32三、随机交配(randommating)群体的特征 随机交配群体(randommatingpopulation)是指孟德尔群体中，任何一个个体都有与任何一个异性个体交配完全相等的机会，这样的群体称为随机交配群体。生物界的交配方式分为随机交配，选型交配(人类)，优势交配(高等动物，力大优先)等。1.随机交配的定义:是指在有两个性别的生物群体中，一种性别的任何一个个体有同样的机会和相反性别的任何一个个体交配，即任何一对雌雄的结合都是随机的，不受任何影响。2.Hardy-Weinberg平衡定律(哈德-温伯格定律)(英国数学家，德国医生Geneticequilibrium)在一个完全随机交配的群体内，如果没有其他因素(如突变，选择，迁移和漂变等)干扰时，则每一位点的基因频率和基因型频率保持一定，各代不变。设有一原始群体，某位点上有一等位基因A和a，则群体中，必有三种基因型AA，Aa和aa。频率如下:原始基因型AAAaaa原始基因型频率D0H0R0D+H+R=1原始基因频率p(A)=D+H/2q(a)=R+H/2p+q=1随机交配群体中基因型的频率────────────┬──────────────────────交配型可能│下一代中基因型的频率交配频率│─────────────────────♀♂│AAAaaa────────────┼──────────────────────AA×AAD2│D2AA×AaDH│1/2DH1/2DHAA×aaDR│DRAa×AADH│1/2DH1/2DHAa×AaH2│1/4H21/2H21/4H2Aa×aaHR│1/2HR1/2HRaa×AADR│DRaa×AaHR│1/2HR1/2HRaa×aaR2│R2───────────┼──────────────────────合计(D+H+R)2│(D+H/2)22(D+H/2)(R+H/2)(R+H/2)21│p22pqq2───────────┴──────────────────────下一代基因型频率为:AA=D1=p2Aa=H1=2pqaa=R1=q2基因频率则为:p(A)=p2+pq=pq(a)=q2+pq=q上表说明，从上代到下代基因频率没有改变，平衡后的群体AA，Aa，aa分别为p2，2pq，q2。现在举例说明:设亲代群体D0=0.6，H0=0.4，R0=0；则p=0.8；q=0.2，随机交配后一代后D1=0.64，H1=0.32，R1=0.04；p=0.64+0.32/2=0.8，q=0.32/2+0.04=0.2；二代D2=0.64，H2=0.32，R2=0.04；永远不变。由此可见，基因频率自始自终保持不变，基因型频率虽然D0≠D1，H0≠H1，R0≠R1，但经一代随机交配后，永远保持不变，平衡群体永保下列关系式，保持AA=p2Aa=2pqaa=q2关系式。这说明在自然条件下，随机交配可保持群体遗传结构相对稳定性的原因。遗传平衡群体具有2个基本性质:(1)H(Aa)=2pq不会大于0.5(≤0.5)，微积分证明；当p=q=1/2时，H=0.5达到最大值。(2)H=2×(DR)1/2，检验群体是否平衡的公式；4DR-H2=0人类的婚姻是属于选型交配，不是随机的。但是在血型上是随机的。(3个复等位基因)表现型(血型)基因型基因型频率表现型频率AIAIA，p2p2+2prIAi2prBIBIB，q2q2+2qrIBi2qrABIAIB2pq2pqOiir2r2可以根据表现型推算基因频率和基因型频率:因为(p+q+r=1)，所以---遗传平衡定律的生物学意义：生物群体有保存自身稳定的趋势，育种工作要打破原有的平衡，改变原有群体的基因频率，建立新的平衡。 四、影响群体遗传平衡的因素遗传平衡定律是，群体遗传学中的一个很重要的定律，它揭示了群体中各种性状如何保持稳定的原因。但是稳定是相对的，变化是绝对的。在自然界中有许多因素时刻影响着群体的遗传平衡。另外，我们就是利用这个规律，在稳定的群体中谋求变异，达到改良；在变异后的群体中谋求稳定，达到种性保纯。从这个意义上讲，育种工作就是既求变，又求不变。影响基因频率和基因型频率的因素有选择，突变，迁移，漂变等等。1、选择有自然选择(naturalselection)和人工选择(artificialselection)之分，人工选择是按照人为的目标进行定向培育，而自然选择是适应性选择，物竞天择，适者生存。选择对群体基因频率的改变有着重要作用。选择就是保留与淘汰，选择可以迅速改变群体显性基因的频率，而对隐性基因开始改变较快，越来越慢。(1)对显性基因的淘汰；(2)对隐性基因的淘汰；(3)对杂合基因型的淘汰。2、突变对群体遗传组成的改变有二:突变供给自然选择的原始材料，没有突变，选择无从发生作用；第二、突变本身就是影响基因频率的一种力量，突变压(mutationpressure)。3、迁移(migration)是群体间基因的流动，是指一个群体的花粉或种子向另一群体内的迁入。迁移是生物进化的一个因素，带进新的基因，改变了迁入群体的基因频率。迁移是以两个群体有交配的可能性为前提。4、遗传漂变(geneticdrift)是指在小群体中，由于抽样误差(不能充分随机交配)而引起群体基因频率的偶然变化，基因频率的每一次具体变动都是偶然的，不可预测的。这种基因频率的变动成为随机遗传漂变(randomgeneticdrift)。大群体小群体│充分随机交配│不能随机交配，产生偏差基因频率不变基因频率改变││无漂变发生随机漂变一般来说，群体越小，遗传漂移(漂变)作用越大，群体越大，遗传漂变作用越小。遗传漂移在生物进化中使一些中性性状得以保存下来，没有被自然选择所淘汰。思考题1．什么是孟德尔群体、基因频率和基因型频率以及基因库？2．什么是遗传和平衡定律？如何证明？3．有哪些因素影响基因频率？4．什么叫遗传漂移？它在生物进化中起什么作用？ 第十一章数量性状的遗传QuantitativeCharacterGenetics主要内容：1.数量性状的概念和遗传机理；2．数量性状表型值的剖分及其方差；3．数量性状遗传参数—遗传率的估算。目的要求：生物的性状是受基因所控制，前面各章阐述的遗传现象都是基于一个共同的遗传本质—生物体的遗传表现直接由其基因型所决定，可直接根据遗传群体的表现型推测群体的基因型变异或基因的差异，但有的性状是受多基因所控制。通过本章的学习，要求掌握遗传率的概念与计算。了解数量性状的概念、特征以及数量性状遗传的微效多基因假说。重点难点：1.数量性状遗传参数—遗传率的估算;2.数量性状遗传的微效多基因假说。具体内容如下：第一节数量性状的遗传特征一、数量性状的概念（Conceptofquantitativecharacter）生物界的所有遗传性状大致分为两种变异类型表现不连续变异的性状，彼此界限分明，在后代中性状分离明显，可以明确的分组，这类性状称为质量性状(qualitatitvecharacter)，它们常受几个主要基因的控制。例如，树型、分枝角度与粗细、花色、叶片形状、树皮颜色与粗糙程度、品质与成分等；但是，有些性状表现为连续的变异，在后代中性状分离不明显，不能明确分组，这类性状称为数量性状(quantitativecharacter)，它们常受多基因控制。例如生长量、叶片大小等。数量性状的特征：(1)数量性状表现为连续变异，杂交后代中，分离不明显，不能明确分组。(2)数量性状一般容易受环境条件的影响而发生变异，这种变异是不遗传的，容易和能遗传的变异相混淆，比较复杂。(3)控制数量性状的基因在特定的时空条件下表达，在不同环境下基因表达的程度可能不同。因此数量性状普遍存在基因型与环境的互作。质量性状和数量性状的划分不是绝对的。不同物种有不同的划分，例如，植株高度在豌豆中是质量性状，在树木中是数量性状。二、数量性状的遗传机理(GeneticMechanism)-----微效多基因假说（Multiple-factor(gene)hjpothesisofquantitativecharacter）瑞典遗传学家Nilsson-Ehle（尼尔逊·埃尔）1908年首次提出的。这个假说的基本要点是：（1）数量性状是许多彼此独立的基因作用的结果，每个基因对性状的作用效果较小(甚微)，但其遗传方式服从孟德尔的遗传规律；（2）各个等位基因的表现为不完全显性或无显性，或表现为增效或减效；（3）微效多基因的作用是累加的(加性的)。基因作用有三种方式；加性效应(Additiveeffect)：某一性状的表现是每个基因对该性状的单独效应之和，这种基因加性关系，称为加性效应。显性效应(Dominanteffect)：由等位基因间显隐性相互作用而产生的效应，称为显性效应。上位效应(Epistaticeffect)：由非等位基因间的相互作用而产生的效应，称为上位效应或互作效应(Interacttioneffect)。通常把显性效应和上位效应统称为非加性效应(Non-additiveeffect)。控制数量性状的多基因之间既存在加性效应，又存在非加性效应。把以加性效应为主的基因又称加性基因，把以非加性效应为主的基因称为非加性基因。三、超亲遗传或越亲遗传(transgressiveinheritance)现象两个品系或品种的杂种第一代表现为中间类型，而在以后的时代中（第一，第二）出现超过原始亲本性状的个体，这种现象称为越亲遗传或超亲遗传。Ｐ：早熟品种×晚熟品种a1a1a2a2A3A3A1A1A2A2a3a3F1:A1a1A2a2A3a3↓⊙F2:A1A1A2A2A3A3a1a1a2a2a3a3更晚熟个体更早熟个体 请注意：越亲遗传与杂种优势是不同的。超亲遗传是基因重组的结果，可以通过选育工作保持下来，杂交后的杂种群体的世代分离中筛选出来，杂交育种的理论根据也再此。杂种优势主要是由基因的非加性效应造成的，随着世代基因的纯化，杂种优势也就随之消失，因此，杂种优势很难通过选育工作保持下来，除非无性繁殖。第二节数量性状的研究方法一、数量性状与质量性状在研究方法上的不同1.性状在后代中不能观察观察到分离比例，单从后裔所能提供的信息很少，所以研究的单位必须从个体扩大到群体，从群体角度获得遗传规律和动态；2.性状的变异或差异是连续的，不能明确分组。必须各个个体的性状进行测量，以获得数据，再用统计学方法分析其平均数、方差或标准差，协方差等参数，发现其遗传规律。二、数量性状的基本统计方法数量性状一般要用度量单位进行测量，然后进行统计分析。常用的统计参数有：1.平均数(mean)：它表示一组资料的集中性，常用算术平均数来表示。2.方差(Variance)和标准差(StandardDeviation)：它们表示一组资料的分散程度或者离中性。(大样本，n>30；小样本，n<30)第三节数量性状的遗传剖分一、表现型值和基因型值表现型值(PhenotypicValue):亦称表型值，是指某个性状的实际测定数值。用P表示。把由遗传因素造成的表现型值的部分称为遗传型值或基因型值(GenotypicValue)，用G来表示；把由环境原因造成的部分称为环境偏差(EnvironmentalDeviation)，用E来表示。表现型(表型)=基因型+环境；表型值=遗传型值(基因型值)+环境影响；即P=G+E。从一个群整体来看，群体里每个个体的表型值是遗传型（基因型）在特定环境下的个体值，但在可能的全部环境中所有个体的平均值就等于遗传型值。因为，在这样的群体里，平均环境偏差由于相互抵消可取作零计，所以，平均表型值=平均基因型值。二、遗传型值的剖分遗传型值(基因型值)一般包括三部分，一是由基因加性效应（VA）的造成的，这部分不但能遗传，而且能够在育种工作中保持下来，所以又称为育种值。二是显性效应（VD）造成的，这部分能遗传。三是上位或互作效应（VI）造成的，这部分不能遗传。即VG＝VA＋VD＋VI第三节遗传力的估算一、遗传力的概念遗传力或称为遗传传递力，是指亲代某一性状遗传给子代的能力。它是性状遗传能力大小的指标，以％表示，它在对性状的成因评定和选择中，有着重要价值。某一性状的遗传力高，说明在该性状的表现中由遗传所决定的比例较大，子代重现基亲代表现的可能性就大。从数学概念和估算方法的角度进行分类，遗传力主要可分为以下三种：（1）广义遗传力（H2）H2=VG/VP(2)狭义遗传力(h2)h2=VA/VP(3)现实遗传力(hr2)hr2=ΔR/S,其中为实际所获得的遗传进展或称遗传响应，即为中选亲本子代平均数与原始群体平均数之差，S为选择差，即中选亲本平均数与原始群体平均数之差。二、遗传力估算的方法（详见课本P175）思考题1．名词解释微效基因表现型值基因型值近交系数广义遗传力狭义遗传力2．质量性状与数量性状的区别在哪里？这两类性状的分析方法有何异同？3．基于对数量性状遗传本质的理解，叙述数量性状的多基因假说的主要内容。4．什么是基因的加性效应、显性效应及上位性效应？它们对数量性状的遗传改良有何作用？ 《林木育种学》部分第一章林木育种资源germplasmresources主要内容：1、林木育种资源的概念与作用；2、林木育种资源的概况及引起种质资源丧失的原因；3、林木育种资源分类，种质资源调查的任务、对象、原则及主要内容；4、林木育种资源的收集、保存、研究和利用。目的是通过本章的学习，掌握植物育种原始材料的对象、内容、分类以及如何对育种资源进行调查、研究、收集和保存。要求学生掌握植物种质资源或育种资源的概念与作用，种质资源的分类及各种种质资源的特点，并如何对育种资源进行调查、研究、收集和保存。同时要求学生了解我国林木种质资源相关的概况。并针对当前的资源状况，要求学生们对育种资源有一个全新的认识和保护的意识。重点难点掌握育种资源的概念与作用，育种资源的各种分类方法及其不同类别的特点，与育种资源相关的一些概念，如家系、无性系、类型等。熟悉种质资源工作的主要内容，即如何进行调查、研究、收集和保存。该部分以讲授为主，结合现实多展示一些相关的图片，在展示资源丰富的同时，给学生们认识到种质资源丧失的严重现实，便于学生们有一个共同的认识————种质资源是植物育种的原始材料，它直接决定了育种工作的效果，但必须对育种资源采取适当的途径作详细的调查研究，便于收集利用。具体内容如下：第一节林木育种资源的概念与作用一、种质资源的概念(germplasmresources,generesources,geneticresources)种质资源或遗传资源或基因资源(Germplasm)：是指决定生物遗传性状，将其遗传信息从亲代传递给后代的遗传物质的总体。种质一词来自德国生物学家魏斯曼提出的。植物育种实际上是选择利用各种种质资源中符合人类需求的一些遗传类型或少数特殊基因，经过若干育种环节，重新组成新的基因型，育成新品种。因此，也可将种质资源称为遗传资源(geneticresources)或基因资源(generesources)。种质资源又称为“基因库，种质库genebank,genepool”，绝灭种、濒危种(临危种)、渐危种(威胁种)、稀有种。基因资源用于育种方面的一部分，一般称之为育种材料或育种资源。林木育种资源是指在选育林木优良品种工作中可能利用的一切繁殖材料。二、育种资源的作用或重要性1、育种资源是选育和创育优良品种的物质基础，决定了育种的效果。“巧媳妇难做无米之炊”。不论是常规育种，还是非常规育种乃至遗传工程研究，都离不开基因资源，同时，基因资源不仅用于当前的育种，而且要为将来培育更高质量的新品种服务。2、是从事育种工作的前提，育种工作的突破性进展在很大程度上取决于基因资源的发掘，收集，研究和利用的深度和广度。3、种质资源起着拯救品种退化的重任，保护种质资源是保护树木遗传多样性。特别是野生资源和外地资源是抗性基因的来源。例如美国板栗不抗栗疫病，引种中国板栗资源杂交育种，使美国的板栗业从频危中得到转机。又如美国最主要的作物是玉米，1970年发生疫病，当年减产30%，在墨西哥找到了一个野生多年生玉米，经过杂交，育成了新的抗病品种。不断利用野生植物进行育种，这是农业保持高产的必要基础。如果野生植物都灭绝了，我们到哪里去找基因来交配呢？第二节林木育种资源概况一、我国丰富的林木育种资源(见课本P8)二、林木育种资源丧失的原因1、自然因素冰川运动，火山喷发，毁灭性气候(如非洲大陆的干旱)，火灾等造成的自然资源的损失。例如冰川时期，就有许多植物经受不住严酷的气候而死去，幸存下来的现在称孑遗植物、残遗物，如我国的特有种银杏、水杉和银杉等；北美的巨杉和落羽杉等，都是有“活化石”之称的著名残遗种。由于长期地、不断地进行着地质的、气候的变化，使生物中旧的物种灭绝，新物种诞生，并改变着它们的地位与盛衰。2、生物因素 达尔文在《物种起源》一书中，关于物种间的竞争作了大量的阐述。由于动物、微生物以及植物相互之间的斗争，导致大量的种质资源流失。如目前在非洲一些野猪、狒狒和豪猪猖獗的地区，只有有毒的木薯才能保留外，其余凡是能吃的地下根茎类植物，全部荡然无存。现在已知有真菌8000种，昆虫10000种，由它们引起的病虫危害，使森林树木的种质资源大量流失。3、人为因素(1)掠夺式的资源采伐和不正确的人工更新造成优良天然资源损失(2)人口膨胀对资源的过度需求和浪费。对珍稀、频危动植物非法买卖，热带雨林减少等。(3)引种造成基因资源丧失，品种改良带来基因资源贫乏。在进行引种驯化时，人们总是选择那些有最大生产力的优良树种、品种或类型，用材树种总是力求速生，经济树种总是力求高产。在树种选择上，总是首先考虑生产上迫切需要的性状，因而忽视了其它。树木的引种还可能造成对本地种的威胁。随着育种学的发展，树木的一些良种栽培面积不断扩大，而大量老种和地方种正逐渐被淘汰。(4)经济发展使基因资源丧失经济和工业发展，城市的扩大，一方面加速森林资源的削减，另一方面造成的环境污染对资源的破坏，如酸雨的危害致使大片森林死亡。三、国际社会对基因资源的重视和措施1975年联合国粮农组织和环境计划局颁布了(TheMethodologyofConservationofForestGeneticResources,ReportonaPilotStudy,FAO/UNEP,Rome)“森林基因资源保存方法学”。国际林联(IUFRO)还成立了种源育种和基因资源工作组(S2.02)以及基因资源保存工作组(S2.02-02)。保护生物多样性，保护森林资源，保护环境已成为全球行的课题和热点。目前联合国有8个组织从各自的分工角度呼吁世界各国重视生物多样性(如1)国际植物基因资源局IBPGR；2)粮农组织FAO；3)国际生物局IBP；4)世界自然和自然资源保护协会IUCN；5)国际林联IUFRO；6)联合国发展局UNDP；7)联合国环境局UNEP；8)联合国教科文组织UNESCO)。不少国家针对森林基因资源保存采取了相应的措施，如日本把森林基因资源收集与保存作为林木育种工作的一部分。从1964-1981年营造人工基因库林349块，总面积1018公顷，建立保护区139个，面积为35597公顷。对抗性资源也十分重视，全国抗雪压优树1310株，抗线虫树木1.6万株。美国利用国家和州的自然保护区保存天然基因资源，同时各个育种单位普遍设置优树收集区。在农业上建立了许多现代化的基因库，保存种子，细胞和花粉。芬兰建立优树收集区105个，总面积在240公顷。第三节育种资源的调查一、育种资源的类别与特点种质资源一般是以树种为基本单位进行收集保存的，所以必须弄清种内变异的类别。1、育种学和栽培学分类除了弄清科，属，种以及亚种和变种等植物分类学地位之外，还应弄清以下几个概念：A、种源(provenance)是指从一个树种天然分布区范围内的不同地点收集的种子或其它繁殖材料。种源和产地经常混称，但是有些情况下是有区别的，产地是繁殖材料的原始采集地点。所以一个种源有不同的产地。另外从引种地采集的繁殖材料只能称为产地，不能称为种源。不同树种天然分布范围不同，有的树种分布很广，而有的树种很窄，很小。如云南特有树种分布较小，而云南松，滇湫分布相对较广。毛白杨分布广，而河北杨(椴杨)分布很小。油松，马尾松分布广，而巴山松分布小。对于分布广的树种，由于突变，自然选择，气候(雨型，日照长度)和环境(海拔，土壤，热量等)和地理，生殖等隔离之原因，变异的积累，获得性的遗传，分化产生种内的地理生态群，地理变异一般是很大的。种内不同的地理群体，Wakeley称为地理小种(geographicrace)。种源和亚种相类似，比亚种较系分。种源是种内地理变异(地理型)和生态环境变异(生态型)的综合。是种内群体间最大的一个层次的变异。B、家系(家庭系谱)(family)由单株树木经自由授粉产生的子代群体或者由某两株树木经过控制授粉所产生的子代群体称为一个家系，前者称为一个半同胞(或自由授粉)家系(half-sibfamily)；后者称为一个全同胞家系(full-sibfamily)。C、无性系(clone)由一株树木经过无性繁殖(芽接，枝接，组培等方法)而获得的一群个体称为一个无性系，无性系个体称为无性系分株(ramet)；采穗母株称为无性系原株(ortet)。还有优树无性系，杂种无性系之分等等。优良无性系经过大面积推广种植就成为品种。D、类型(form)类型比变种更为细分，是不超过种的范围内的变异， 是在种和变种以下的分类单位，是种内在形态特征，物候期，生物学特性，生态等方面的变异划分。通常是指在形态上、生理上、生态上有一定差异而又稳定遗传的一群个体。如毛白杨有截叶毛白杨，抱头毛白杨，箭杆毛白杨等类型变异；再如板栗根据果实形状分为尖顶板栗，圆果板栗，勺把板栗等。E、品系在遗传上，品系一般是指通过自交或近交若干代后，所获得的遗传性状比较稳定一致的群体。在育种学上，品系是指遗传性状比较稳定一致而起源于共同祖先的群体。在实际应用中，往往将某个表现较好的类型后代称之为品系。F、品种(variety)品种是指经过人工选育的，优育性状经过表型测定所证实，属遗传性的控制，适应一定的自然和栽培条件，遗传性状比较稳定一致，在产量和品质上符合人类要求的栽培植物群体。品种中表现很好的一个或几个品种就称为良种。(特异性、稳定性、一致性)G、品种群(varietygroup)是由相似生态型的许多品种归类称为品种群。如葡萄分为东方品种群，地中海品种群，西欧品种群等；桃分为北方品种群，华中品种群和南方品种群等。板栗分为西北品种群，华北品种群，西南品种群等。2、依育种利用的难易程度分类一级基因库(primarygenepool)：相当于传统的生物种的概念。在该基因库内的各个类型间能相互杂交，杂种可育，染色体配对良好，基因分离接近正常，基因转移较简单。二级基因库(secondarygenepool)包括能和该植物杂交的生物种及近缘种，彼此间基因转移是可能的，但必须克服由生殖隔离所引起的杂交不实和杂种不育等困难。三级基因库(teritiarygenepool)与该作物亲缘关系较远的类型，与该作物杂交时，杂交不实和杂种不育现象十分严重。3、综合分类A、本地基因资源本地基因资源是指在当地的自然和栽培条件下，经过长期栽培和选育得到的品种和类型。其主要特点：一是对当地气候，土壤条件具有高度适应性，在经济性状方面基本符合要求，可直接用于生产；二是经过长期进化，形成了多种多样的变异，只要进行选择，整理等育种工作就能见成效，有增益；三是由于经过长期栽培已适应当地的特点，若具有某些缺点，经过改良(杂交等)就能成为更好的品种。所以，本地资源是非常可贵的，可以直接利用；又可以通过改良加以利用；还可以作为育种的重要原始材料。B、外地基因资源外地基因资源是指从国内外其它引进的树种、品种或类型。主要特点：一是通过引种驯化加以利用；二是具有当地资源没有的优良性状、品质和特性，是重要育种原始材料(杂交亲本)。C、人工创造的基因资源人工创造的基因资源是指人们应用杂交、辐射、倍性、诱变等方法获得的资源。它们直接用于生产，又可以作为育种材料。如杂种、多倍体、突变体等。但是人工创造的林木资源，需要通过培育、选择和比较鉴定试验，才能确定其利用价值。与人工创造的相对的有野生基因资源，野生基因资源是指当地自然状态下，未经过人们选择和栽培的野生类型。其主要特点：一是经济性状一般较差，具有丰富的抗性基因，是抗性和适应性育种的原始材料；二是常常用作砧木的重要来源；三是也有的野生资源有未被发现优良性状，经过选择可以直接利用，如天然优良林分改建为母树林或者采种林分。野生植物以其具有的特殊营养价值、药用保健价值、观赏价值等而具有广阔的开发利用前景。对野生种质资源的考察、鉴定、筛选和利用是今后种质资源工作的重要内容之一。二、林木育种资源的调查任务与对象1、要基本查清本地林木育种资源即主要造林树种的种类、分布、面积、生长结实情况。要在弄清种源的情况下，选择优良林分、优良单株或优良类型。2、对外地林木育种资源，特别是对引种成功的主要栽培树种的经营方式、生长情况、产量及经济价值要查清，并要求选出类型好、质优、丰产、抗性强的优良林分或单株。3、对人工创造的林木育种资源，重点放在查清种子园、采穗圃内无性系的来源、数量、生产和结实情况等，为去劣留优和进一步利用提供资料。此外，要基本摸清林木野生育种资源的种类，特别对稀有珍贵树种、优良乡土树种和临近灭绝树种，要查清分布、面积或株数，生产结实情况和经济价值等，为我们今后采种、引种、驯化、收集、保存、研究和利用做到心中有数。 三、林木育种资源调查的原则原则是在该树种分布的范围内全面进行，使之能反映树种群体分布上的整体性，变异的多样性，和基因资源的丰富性；地理分布上的代表性，选样的概括性和样本间的无重复性。四、调查的主要内容：基因资源调查可以和选优(选择优良单株，优良类型)相结合。1、调查地区的概况社会经济和自然条件两个方面；社会经济包括人口、民族、农业生产水平、产业发展、交通条件、耕地等社会因素；自然条件是指地形、地貌、土壤、气候、植被类型等特点。2、植物概况的调查包括植物的种类、分布、栽培历史、繁殖方法、经营的集约程度、品质和声誉、加工和销售情况，以及存在的问题和制约发展的因素。3、每一树种的品种(农家品种)，类型，优良单株，野生天然资源的调查：(1)一般情况：起源，栽培历史，分布，种植比重，生产反映；(2)生物学特性：生长特性，开花结实习性，物候特点，适应性，寿命等；(3)形态特征：株型，枝条，叶片，花，果，树皮的形态特征；(4)经济性状：产量，品质，有效成份分析，用途，贮运性，加工方式等；(5)生态学特性：对土壤，水分，肥力的要求，耐瘠薄，抗寒抗旱，病虫害多少等情况；4、图表资料的记载与标本的采集与制作：除了按各种表格进行记载外，对枝，叶，花要制作标本；果实作浸渍标本(瓶装)；对树型，叶，果，花照相，以及进行果品成分的分析等。5、种质资源调查的内业整理与总结：如果在整理中发现资源遗缺不全，应及时补充，总结的主要内容有：(1)植物种质资源概况调查报告：调查地区的社会经济状况，自然条件，种类，栽培历史，优良的变异，效益，病虫害，存在的问题，解决的途径，对本地区经济林发展的论证及建议；(2)优良品种，类型，野生资源的调查报告；(3)现有植物品种，类型的分布面积，图表，优良变异(品种，类型)名录等。第四节种质资源的收集、保存、研究和利用一、收集种质资源调查的目的就是为了收集和保存(主要是异地保存)。为了很好地保存和利用自然界生物的多样性，丰富和充实育种工作的物质基础，必须把广泛发掘和搜集种质资源作为种质资源的首要任务。广泛收集种质资源有其必要性和紧迫性：首先，新的育种目标必须以更丰富的种质资源为基础；其次，社会和经济发展，需要不断开发利用新的植物类型；再次，许多宝贵资源大量流失，亟待发掘保护；最后，拓宽现代品种的遗传基础，需要丰富的种质资源。收集的方法有：直接考察采集；交换，邮购收集；收集的对象：A、对育种有特殊性状(如抗性等)的品种或类型；B、对育种有特殊用途的树种(如砧木，中间砧)；C、生产上采用的品种；D、人工杂交和诱变的变异体；E、有潜在价值的野生种，古树等。收集材料的主要记载项目有：编号、种类、品种(变种)名称、收集地点、原产地和来历。收集地点的自然条件：海拔高度，纬度，全年及各月的平均温度、最高温度与最低温度，年雨量及各月的分布，无霜期，地形地势情况。还要了解收集地点的栽培特点，生物学特性和经济特性，如分类学特性、适应性、抗逆性、产量、品质、成熟期、适宜用途等。收集的材料，可以是苗木、穗条和种子。收集后应妥善保存，分别不同材料采取不同的保存、保管措施。贮藏的种子，要避免潮湿、霉烂、鼠害和虫蛀。二、保存种质保存(germplasmconservation)指利用天然或人工创造的适宜环境保存种质资源。基因资源保存的目的：一是防止基因丢失，防止物种绝灭，维持森林资源多样性和永续性，维持人类赖以生存的环境；二是保持种质的生命力和繁殖能力；三是保持种质固有的优良性状。从理论上讲，任何物种都有生有灭，最终都要走向灭亡,但是通过保存一定规模的群体或小居群,可使物种能生存到所希望的年代。基因资源保存不仅是多世代育种的物质基础,而且是生物多样性保护最重要的方面。受到了国际社会的广泛关注，并与环境和发展联系在一起，成为21世纪议程的重要内容。92年5月在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展会议上，153个国家签署了生物多样性公约，从而使其成为全球的联合行动。种质资源的多样性包括生态系统多样性、种间多样性和种内遗传多样性三个不同的水平，其中生态系统多样性是种间和种内多样性的前提。与林木育种紧密相关的是遗传多样性。广义的遗传多样性(genetic diversityinbroadsense)是指地球上所有生物所携带的遗传信息的总和；狭义的遗传多样性(geneticdiversityinnarrowsense)主要指种内个体之间或群体内不同个体的遗传变异总和。1、基因资源保存依环境的不同可分为以下几种：(1)就地保存(conservationinsitu)：是在原境下保存整个生态系统，保持其优良种源林分。如建立保护区，天然保护林分，公园，古庙等风景区，优树挂牌保护。(2)异地保存(种植保存conservationexsitu)：是通过有性或无性繁殖方法，用取样于原始群体而来的繁殖材料，在原境以外人工重建林分。如建立各种各样的品种收集林，品种园，基因库，育种圃等。(3)离体保存：是利用植物一切能够进行繁殖组织、器官的贮藏来保存基因资源。如种子贮藏保存；花粉长期保存；组织培养保存等。2、按保存的方式可分以下几种：(1)种植保存为了保持种质资源的种子或无性繁殖器官的生活力，并不断补充其数量，种质材料必须每隔一定时间播种一次，即称种植保存。种植保存一般可分为就地保存和迁地保存。在种植保存时，每种作物或品种类型的种植条件，应尽可能与原产一相似，以减少由于生态条件的改变而引起的变异和自然选择的影响。在种植过程中应尽可能避免或减少天然杂交和人为混杂，以保持原品种或类型的遗传特点和群体结构。对异花授粉作物和常异花授粉作物，应采取自交、典型株姊妹交或隔离种植等方式，控制授粉，防止生物学混杂。(2)贮藏保存主要以种子贮藏为主，是通过控制贮藏温度、湿度、气体成分等措施来保存种子的生命力。种子寿命长短取决于植物种类、种子成熟度及贮藏条件等因素。一般种子通过适当降低种子含水量，降低贮藏温度可以显著延长其贮藏时间，称正常型(orthodoxtype)种子；少数种类的种子在干燥、低温条件下反而会迅速丧失生活力，称为顽拗型(recalcitranttype)种子，如核桃、柿、栗、杨、柳、油桐、茶等，这类一般不用于种子保存资源。(3)离体保存植物细胞具有全能性，含有植株发育所必须的全部遗传信息。因此，可利用试管保存组织或细胞培养物的方法，来有效地保存种质资源材料。离体保存技术最适合于保存顽拗型植物、水生植物和无性繁殖植物的种质资源。作为保存种质资源的细胞或组织培养物有愈伤组织、悬浮细胞、幼芽生长点、花粉、花药、体细胞、原生质体、幼胚和组织块等。利用离体试管保存技术，可以保存用种子贮藏法不易保存的某些种质，如高度杂合性的，不能产生种子的多倍体材料和不适合长期保存的无性繁殖器官，如球茎等。目前常用的有两个系统：缓慢生长系统和超低温保存系统(cryoconservation)，后者较为常为，它是指在干冰(dryice)(－79℃)、超低温冰箱(－80℃)、氮的气相(－180℃)或液态氮(－196℃)中保存植物组织或细胞。(4)基因文库保存(genelibraryconservation)这一技术的要点是从植物提取大分子量DNA，用限制性内切核酶切成许多DNA片段，再通过载体把DNA片段转移到繁殖速度快的大肠杆菌中，通过大肠杆菌的无性繁殖，增殖成大量可保存在生物体中的单拷贝基因，当我们需要某个基因时，可以通过某种方法去再去钓取。这种基因文库不仅可以长期保存该种类的遗传资源，而且还可以反复的培养繁殖、筛选，来获得各种基因。(5)利用保存种质资源在发现其利用价值后，及时用于育成品种或中间育种材料进行种质资源的保存就为利用保存。3、按保存的状态可分为:静态(staticstyle)和动态(dynamicstyle)(1)静态保存：包括基因型静态保存(staticconservationofgenotype)(基因型频率不变的保存)和基因库静态保存(staticconservationofgenepools)(基因频率不变的保存)。(2)动态保存：包括进化保存和选择保存进化保存(evolutionaryconservation)：是适应性保存，形形色色多样性个体在新环境影响下，物竞天择，适者生存。在遗传、变异和自然选择作用下,林分朝着适应的一方进化，最后保存下来的是与风土气候相适应的产物──进化的群体.选择保存(selectionconservation):是指保存对象是由人来决定的,保存中和保存后仍不断进行选择。这种保存服务于人的既定目的,为了保存在经济上有价值的基因或基因型.进化保存是朝自然选择方向进化发展，其主宰作用是自然；选择保存是朝人工选择方向进化发展,其主宰作用是人。两者都是在动态下，边选择，边适应，边进化,边保存。 三、研究种质资源保存目的一方面是为了保持种内的变异多样性，基因资源的丰富性，另一方面是为了更好地研究和利用，转化为生产力，造福于人们。保存的目的在于研究，研究的目的在于利用，研究一般包括林木基因资源的基础研究和经济生物学性状的研究。基础研究主要涉及植物学性状的研究、分类学研究、生理生化研究、细胞遗传学研究和生态学及地理分布的研究等。经济生物性状的研究是育种目所涉及的性状，如丰产、优质、成熟期，以及对病虫和不同环境条件适应性有关的一些特性。1、形态特征研究，弄清其育种学和栽培学地位，澄清同名异物，同物异名。2、细胞学研究，叶，茎等形态解剖，细胞学观察和核型分析，染色体数量和结构的变异情况。3、物候期观察，发芽，开花，结果的时期及习性，4、花的构造，花粉产量与质量分析，及孕性杂交试验，5、栽培性状的观察研究，对土壤，肥力，水分以及管理上的要求。6、生理生化测定，抗寒抗旱性等鉴定，抗病虫害能力。7、繁殖技术研究，包括有性实生后代观察和无性繁殖技术研究；8、结实特性观察和果实成份分析；9、种内性状变异规律和模式的研究。四、利用树种间的变异通过引种加以利用。树种内的变异分层次进行利用，种源间变异，则进行种源试验和种源选择；同一种源内林分间的变异，进行林分选择；同一林分内不同单株间的变异，进行单株选择；个体内的变异，通过芽变选择加以利用。思考题1、名词解释林木育种资源家系无性系2、林木育种资源有什么作用?3、林木育种资源可分为哪几类？各有何特点?4、种质资源调查的原则，对象，及主要内容是什么?5、林木育种资源保存的方式有哪些?种子、花粉长期保存的环境条件是什么?6、种植保存时，种质资源研究的内容有哪些? 第二章林木引种IntroductionandDomestication主要内容：1、引种、驯化的概念，历史及意义。2、引种的理论。包括引种的基本理论或学说，引种成败因子的分析(生态因子、生态型、生态历史等)。3、引种的程序、具体措施及成功的标准。目的：引种是利用树种间的变异，按照育种学的主要任务(研究和利用种内的多层次变异)它不应该是育种学所要讲授的内容。但引种又是当今植物遗传改良的主要途径之一。通过本章的学习，目的在于让学生从理论懂得如何利用树种间的变异进行引种。引种有着积极的作用，但它也会带来一些不利，因此引种应抱着既积极又审慎的态度。要求：1、掌握引种和驯化的概念及两者的区别与联系，引种的作用。了解植物引种的历史与我国引种的成就，部分引种工作失败所带来的教训。2、掌握引种成败因子的分析，包括生态因子(如温度、光照、降水和湿度、土壤、风、地形等)、植物生态型及植物分布的生态历史。了解几个现争论较多的引种基本理论(如苏联著名务实育种学家米丘林提出的风土驯化论、德国林学家H.Mary提出的气候相似论、苏联植物学家瓦维诺夫提出的栽培植物起源中心学说及苏联植物学家库列奇亚索夫提出的生态历史分析法)及其优缺点。3、掌握引种的程序、措施，以及引种成功的标准。重点：1、引种和驯化的概念，引种与驯化的区别与联系。2、引种成败生态因子的分析及生态类型的概念。引种必须适地适树。3、引种成功的标准。难点：1、引种与驯化的区别与联系。2、引种成败生态因子的分析。该部分以讲授为主，结合当前的一些引种例子，让学生能辨证地看待引种工作。以下为具体内容：第一节引种的概念、历史及意义一、引种的概念每种植物都有一定的自然分布范围，当它在自然分布区内生长时，称乡土树种；当栽种到自然分布区外时，被称为该地区的外来树种。引种(introduction)就是把植物引到它的原有天然分布区以外的地区栽培方法。它包含两方面的内容：一是从外地或外国引入本地区所没有的植物；二是野生植物的驯化。前者称为引种plantintroduction或plantimmigration，后者称为驯化plantacclimation或plantdomestication。驯化具体定义是指采取各种措施使引进树种能驯服于(适应于)新地区的自然条件，正常生长。有时引种和驯化是两个不同的概念。引种有适应和驯化；将野生种变为集约性栽培树种的引种属于驯化。所以引种和驯化是统一的，引种是驯化的开始，驯化是引种的措施。米丘林根据引种驯化的难易程度，又分为自然驯化(自然归化，简单引种)和人工驯化(驯化引种)。简单引种是指原分布地与引种地自然环境差异较小，或者植物本身的适应范围较广泛，该植物无须特殊的驯化措施，能在新地区正常生长发育。如刺槐、桉树、银桦、相思等。驯化引种是指原分布区与引种地之间自然环境差异较大或植物适应范围窄，必须经过人为措施，使之适应新的环境。如油橄榄、中华猕猴桃(1906年被新西兰引种，经过及十年的栽培和杂交等育种过程，实现了品种化，成为世界上主产猕猴桃的国家，并垄断国际市场)。二、历史我们人类就是从野生植物中采食果实和种子开始植物的引种驯化的，逐渐过渡到人工栽培。我国共分为四个时期：1、采集引种时期：主要是变野生为栽培。桃、李、枣、杏、柿子、梨、栗等。2、从汉朝和元朝的陆路引种时期，“丝绸之路”。引进欧洲和中亚的栽培树种，如悬铃木、核桃、石榴、葡萄。3、从明朝到本世纪40年代的“海上丝绸之路”，如油橄榄、菩提树、橡胶、缅茄、银桦、黑荆树，日本的黑松、赤松、扁柏、花柏、红枫。4、解放后(1949年后)的有计划大规模引种时期。三、引种的意义和我国引种的成就(一)引种的意义 引种是植物育种的基本技术之一。实践证明：引进一个良种要比培育一个良种要快得多、省得多，是一个多、快、好、省的育种途径。引种具有下面一些重要作用和意义。1、利用异地种植，提高产量和品质，促进产业发展。据资料表明，现今世界各地广泛种植的各种植物品种和类型，最初都是由野生种经过驯化成为栽培种，并通过相互引种，不断加以改进、衍生，而逐步丰富发展起来的。也就是说，新品种都是先在个别地区即原产地栽培，然后通过引种，逐步传播、扩散到广大地区的。通过引种，不仅可以迅速引进外地优良品种推广种植，以提高产量和品质，而且还可以引入当地没有栽培过的新植物，以满足当地人民物质生活日益增长的需要。引种林木可提供更多的木材生产，如新西兰、澳大利亚、智利、阿根廷等国引进辐射松在长纤维造纸和速生性方面取得很好效果。40年为一个轮伐期，间伐2次，木材24m2/ha，在南非高达35m2/ha。我国南方各省引进湿地松、火炬松比乡土树种马尾松快，树高0.5m/y，胸径0.9cm/y。广东湛江引种的加勒比松15年生，树高0.99m/y，胸径1.24cm/y。我国原产的苹果多为小果类，如沙果和海棠果，大苹果只有绵苹果，品质较差。从国外引进的元帅、国光、青香蕉、红星、富士等许多品种，我国成为苹果四大主产国之一。2、充实种质资源，为培育新品种提供育种材料。引种的作用不仅在于所引进的品种直接用于生产，更重要的是充实育种的物质基础和丰富遗传资源，增加外来树种，丰富植物种类，同时，引进和输出种质资源，为培育新品种提供育种材料。例如美国板栗(AmericanChestnut,CastaneadentataBorkh)不抗栗疫病，中国板栗(HairyChestnut,C.mollissimaBlume)对栗疫病具有特殊的抗性。美国引入中国板栗与他们的板栗杂交，挽救了美国的板栗业。引进的湿地松比我国的马尾松抗松毛虫。3、引种是保护稀有珍贵濒危树种、开发利用种质资源以及拯救作物从其乡土生境的最大灾害中迁移出来的重要手段。由于海洋、山川以及不同气候带的隔离，使一些珍稀孓遗树种被限制在一个狭小的范围内，如我国的水杉、银杏、美国的辐射松等。通过引种，人为地克服了树木在地理上的传播障碍，扩大了树种的栽培范围，才使其由稀有濒危树种变为普遍和常见树种。又如三叶橡胶(Tevaabrasilleusis)在原产地的亚马逊河流域，人工栽培的橡胶因受南美叶疫病(Dothidellaulci)的侵袭而受到打击，引反，引种到东南亚种植的三叶橡胶并没有引进南美叶疫病，从而免遭致命的打击而被安全地保存下来，并且还成了东南亚的经济支柱。就丰富某个地区造林树种而言，引种能达到其他育种措施所达不到的目的，且所需人力、物力、时间较少，是一种有效的途径。在林业实践中已积累了引种成功的经验和失败的教训，可资借鉴。从正反两个方面考虑，对待引种，既要积极，又需审慎，才是正确态度。(二)引种的成就我国树木引种已有悠久历史。如悬铃木在公元401年已引进到西安；核桃也是早在西时代从西亚引进的；桉树于19世纪末从意大利转引到我国华南各城市；刺槐也在同期引到山东沿海地区；三叶橡胶最早在1913年引入海南岛；国外的许多其他针、阔叶树也都在19世纪末和本世纪初引入的，但解放前的引种活动规模小，盲目性大，引种树种多作为城市绿化，很少用于大面积造林。随着造林事业的发展，引进的树种增多，且不少树种得到推广。桉树在我国南方是引进树种中造林面积最广的树种。据不完全统计，全国桉树造林面积约38万ha，四旁植树6亿株以上，同时，引进的桉树种类也显著增多。木麻黄是南方大规模推广的另—个国外树种。1956年广东省首先用木麻黄在海岸沙地造林获得成功。现在南起北部湾，北到浙江省的温州湾，在这漫长的海岸和沿海大小岛屿的沙地上，用木麻黄筑起了绿色长城。这对于防风固沙，保证农业稳产、高产，保障人民生活等起了积极作用。湿地松、火炬松等是20世纪30年代引入我国的。解放时在南方9省(区)保存下来的这类松树共约1万多株。建国后各地积极发展，在1973—1974年，又从国外进口了几批种子，现造林面积已达50万ha。解放前，欧美杨(过去称加拿大杨)引入山东、河北作为城市行道树栽种。50年代起，从意大利、民主德国、罗马尼亚、苏联、荷兰、法国、日本等引入欧美杨、美洲黑杨和欧洲黑杨等无性系300多个。经过引种和区域栽培，已有10多个无性系大规模造林。在华北南部，多栽植欧美杨，如沙兰杨、1-214、健杨等；在长江中下游，多栽植1-63、1-69等美洲黑杨。现已栽植各种杨树无性系约4亿株。在提供木材和防护效益方面发挥了重要作用。其他外来用材树种，如刺槐已成为华北、东北南部、西北南部等地的重要绿化造林树种。日本落叶松、朝鲜落叶松也都成为东北大面积的造林树种。落羽杉、池杉及墨西哥落羽杉的引种，在我国南方发展也很快，已经成为河网地区的重要绿化树种，经济树种，如橡胶树、油棕、咖啡、金鸡纳等在我国南方引种已取得较大的成绩。原产地中海地区的油橄榄，在个别引种点上表现较好。此外，如薄壳山核桃在长江流域，黑荆树在长江以南地区引种，表现都较好。．在引种灌木方面，如紫穗槐，解放后发展推广很快，已成为华北、东北南部、西北东南部、长江中下游栽培最广的灌木树种之一。 国内不少优良树种如杉木、松类、竹类(特别是毛竹、刚竹、青皮竹等)②、泡桐、水杉、杨树等用材树种，核桃、油茶、油桐、乌桕、漆树等经济树种也都得到了推广。杉木是我国特有的优良用材树种，南方各省栽植很广。50年代杉木南越琼州海峡，在海南岛尖峰岭等地栽植1000ha以上，生长较正常；北越秦岭，在陕西长安县南五台安家落户，生长比当地的油松快；在山东昆嵛山造林约70ha，在背风坡地生长超过赤松。樟子松是我国大兴安岭(主要在北坡)及呼伦贝尔盟高原中固沙的乡土树种。解放前只吉林长春净月潭有小片栽植，在黑龙江省带岭少量育苗。解放后，樟子松得到迅速推广。现黑龙江、吉林省许多地方都有生长良好的樟子松人工林。辽宁省彰武县章古台用樟子松固沙造林，成绩显著。此外，内蒙古包头、毛乌素伊金霍洛地区及陕西省榆林等地也都引种樟子松成功。从目前我国引种樟子松的地理范围、立地条件和生长情况来看，在我国东北、华北、西北等地区，年降水量在400mm左右的半干旱地带，樟子松很可能成为重要的固沙造林和荒山造林树种。建国后，水杉的引种推广受到重视，现在全国已有半数以上的省、市、自治区都引种了。泡桐是华中、华北平原地区的速生用材树种，有悠久的栽培历史。但解放前，泡桐只在河南、山东一带少量零星栽植。解放后，河南、山东、甘肃一带广泛推行桐粮兼作，目前河南省间作面积已达1000万亩以上。毛竹原分布在长江以南，1966年后不少省开展“南竹北移”试验，河南等省一些引种点已取得初步成功。第二节引种的理论品种的适应性大小与自体调节能力(对外界条件的缓冲作用、适应性)有关。杂合度高、亲缘关系复杂，自体调节能力强，适应性大；分布广的树种比分布小的适应性大，引种容易成功，如：白凤桃、玉露桃分布广，南到浙江、福建；北到河北、辽宁；同一基因型在不同环境条件下形成的不同表现型，对外界环境具有不同的适应能力。如同一品种，在比较干旱的条件下培育的苗木，比在高温、水肥条件下培育的苗木较为抗旱，早期锻炼有一定作用，这种作用不遗传，获得性不遗传，是本身遗传特性所决定。引种驯化的原理是建立在植物遗传的变异性和气候土壤等自然生态因素矛盾统一的基础上的。从根本上说，引种驯化就是研究和解决植物遗传性要求与引种地区生态因子之间的矛盾问题。一、引种的基本理论早在1500年前，我国的贾思勰(533年)所著的《齐民要术》一书中指出“习以成性”的原理。元代王桢的《王桢农书》中指出“九州之内，田各有等，土各有差，山川阻隔，风气不同，凡物之种，各有所宜。”这些都强调了气候土壤对引种的限制。明朝徐光启《农政全书》提出了“三改其种”的观点，认为植物的引种要反复试验，试验成功再推广，同时证明了栽培技术在引种中的重要作用。1、风土驯化论米丘林苏联著名务实育种学家。他认为：生物有机体和环境具有不可分割的关系，环境对有机体的形成具有决定作用。在新地区会使植物遗传性发生改变，形成适应新环境的生态型。有机体在自己生命的各个阶段，对外界环境有不同的变异能力。尤其是在年轻的有机体(特别在胚胎期及胚胎后期的状况下)；相反，当到达成年时，就变得保守了，不易变异，驯化的能力等于几乎没有了。利用幼年苗具有较大的可塑性，比大树引种容易成功。他主张在自然条件差异较大的地区间引种，必须从种子实生苗开始才易于成功，尤其杂种实生苗更易驯化。这是因为杂交使基因获得重组，子代的遗传基础得到扩大，导致杂种实生苗比营养繁殖苗表现出较大的适应能力。风土驯化论过分强调外界条件的作用，但米丘林提出的杂种种子实生驯化、逐步驯化法，对于引种实践都有一定的指导意义。2、气候相似论1906年德国林学家、慕尼黑大学教授H.Mayr首先提出来的。基本要点是：“地区之间，在影响作物生产的主要气候因素上，应相似到足以保证作物品种互相引用成功时，引种才有成功的可能性”。也就是就，引种时首先应该研究引入树种原产地的自然条件，引种成功的最大可能性时原产地与新地区气候条件相似，尤其是温度条件的相似。树木的本性和要求在引种栽培中不会改变的，驯化是困难而无效的。该论点过分强调树木的遗传保守性,忽视了树木的遗传可塑性(自体调节能力—缓冲能力)，该理论是片面的、保守的。但明确了气候条件的限制作用。3、栽培植物起源中心学说苏联植物学家瓦维诺夫，1926年发表了《栽培植物起源的研究》和1935年《育种植物地理学基础》。提出了植物起源中心学说。把全世界植物划分为8大起源中心。A中国起源中心；B印度和印度-马来西亚；C中亚西亚(亚洲中部)；D近东(东亚西亚)；E地中海；F非洲东部和埃塞俄比亚；G墨西哥和中美起源中心；H南美洲起源中心。 他认为：地球上的植物分布是不均衡的，某种植物的不同类型集中在某些古老的农业国家或高山、海洋隔开的地区，这些类型集中的地区称为“栽培植物起源中心”。栽培植物物种是在起源中心地区产生的，在那里存在着多种多样的基因资源，是该植物基因最集中、最丰富的地带。从起源中心地区引种，基因种质资源丰富，具有遗传多样性，引种材料将具有最大的适应能力，引种容易成功。如玉米(corn,maize)在墨西哥、猕猴桃在中国、葡萄在欧洲、板栗在中国。名词概念：分布区；分布区中心与起源中心；广布种和窄域种；残余分布与残余种；初生作物与次生作物；特有现象与特有种。4、生态历史分析法苏联植物学家库列奇亚索夫于1953年提出的。植物历史生态条件愈复杂，则适应的潜能和范围可能愈大。根据古生物学的研究，植物适应性大小不仅与现代分布区的生态条件有关，而且与古代历史生态条件有关。在引种时应研究植物的历史分布。库列奇亚索夫天山植物区系时发现：天山苜蓿的原始分布中心不在天山，理由是天山苜蓿引种到其它地方反比天山生长得好。我国“活化石”树种水杉、银杏，引种到北美后在生长、材质等方面表现并不亚于原产地。苏联学者曾把非洲干旱地区的云杉引种到温湿的克里木盆地，生态条件各趋一端。但是生长量超过原产地。再如，华中品系的桃，引入华北和西北表现良好，相反，华北品系的桃却在华中地区表现不好。说明华中和华北的桃经历了不同的系统历史发育，华中桃原产北方。二、选择外来树种时考虑的因素引进什么树种，从哪里引进，是引种中非常重要的问题。(一)重视拟引进树种在原产地的经济性状表现大量引种实践表明，外来树种在新地区的经济性状表现，往往是和在原产地时的表现相似的。这是选择外来树种的重要依据。如我国从北美东北部引进的湿地松、火炬松，在原产地都是生长快、干形通直的大乔木，在中国仍保持这些特性。银杏在美国中北部生长速度中等，木材纹理细致、通直。同样，一些桉树木材纹理扭曲，材质较差，也都是原产地就已存在的缺点。(二)比较树种原产地和引种地区的生态条件树木不同于一年生作物，作物生长季短，虽然各地自然条件不同，但通过人为调整生长期，改进栽培措施，完全可能将热带、亚热带的作物引种到温带，甚至寒带栽培。而树木是多年生的，它不仅必须经受栽培区全年各种生态条件的考验，而且还要经受不同年份生态条件变化的考验。加之，树木的生长条件又不易人为控制和调整。因此，在引种不同气候带树种时，应特别注意原产地和引种地区生态条件的差异。1906年德国林学家H．Mayr提出了“气候相似论”。他认为只有引种地和原产地气候条件相似，引种才能成功。他的观点，从要重视气候条件差异这点考虑，是正确的，但他过分强调了气候因子，特别是气温的作用，忽视了林木潜在对气候的适应性。因此，他的观点至少说是不全面的。对火炬松和刺槐两个树种原产地和引种地区气候条件的分析表明，外来树种对引种地区的生态条件要求相似，但又不求其严格一致。这个论点，对多数外来树种是适用的。当外来树种引栽到比原分布区更适宜的条件时，有时比原产地生长还好。如三叶橡胶原产南美洲，引种到印度、缅甸、马来西亚、越南等地，生长比原产地好，成了这些地区的特产。美国的辐射松引种到新西兰、南非等地，成了主要造林树种。还需指出，自然分布区相似的不同树种引种后的表现也不一定相似。如我国樟子松和兴安落叶松在大兴安岭都有分布，引种后表现差别大。前者适应性强，能在许多地区栽种，而后者只适宜在少数地区引栽。(三)研究树种的历史生态条件仅仅分析引进树种的目前分布范围，并比较原产地和引入地区生态条件的差异，还不能全面确定该植物的潜在能力和可能的适应范围。因为植物种适应力的大小不仅与现代分布区的生态条件有关，而且与历史生态条件有关。植物的现代自然分布区只是在一定地质时期，特别是最近一次冰川时期形成的。在这种地壳变迁中，一些地区由于生态条件发生了重大变化，其中一些植物种被毁灭了，只有那些幸存的植物种，才能生存到今天。所以，在这些地区今天保存下来的植物，在其系统发育过程中都经历过多种多样的生活条件，有着丰富、复杂的生态历史。另有一些地区的植物，可能没有经历过多大变化，所以生态历史基础比较窄。植物历史生态条件愈复杂，则其适应的潜力和范围可能愈大。据古生物学的研究，在过去地质年代中，水杉曾在中国、美国、日本、欧洲西部等地广泛分布，但由于最近一次地质时期的变化，水杉几乎全部毁灭了，人们只能从化石中找到它的标本。1945年我国科学工作者在四川和湖北的交界处，发现幸存的水杉后，分送给28个国家一百几十个研究单位种植。现在，该树种已分布到亚洲、美洲、欧洲的不少国家，生长良好，有的甚至已经结实，成为所谓“活化石植物”。这可能与这一树种曾经经历过的历史生态条件有关。许多植物的分布受地质和古气候变迁的影响。(四)要充分注意种内变异性 引种中通常把一个树种作为整体来对待，实际上，一个树种特别是分布区广的树种，在分布区内存在着种种变异，形成了许多地理小种。不同地理小种对生态条件的适应性及表现出来的经济性状是各不相同的。有时，这种差异是非常大的。过去引种中忽视种源的选择。所以，往往达不到引种的最佳效果。近年来，国内引种杉木、松、泡桐等时，也都证明必须重视种内变异性，选择适宜的地理小种。国外在引种中十分强调种源的选择。不同种源在生长和适应性方面有差异，“没有种源的选择，便不可能有效地引种”，这忆已成为引种工作中的一条经验。三、引种成败因素的分析不同树种、不同基因型对生态环境的适应能力是不相同的，由于自然界环境条件极其复杂多样，实际上不可能用实验的方法测定已知基因型的全部反应范围，各树种和各种基因型，由于在适应性上反应范围的差异，在引种中就会有不同的表现。一般地说，通过长期自然选择的结果，乡土树种是最适应当地环境的，它们可望比随机引进的任何外来树种生长得好。但是，实践证明，有些引进树种在某些条件下，也可能超过当地树种。所以，必须全面分析和比较原产地和引种地的生态条件，了解植物本身的生物学特性和系统发育历史，初步估计引种成功的可能性。并找出可能影响引种成败的主要因子，制定切实措施，以保证引种成功。(一)主要生态因子各个树种都有适生的生态条件，其中影响较大的生态条件有：温度、降水和湿度、日照、土壤、风、土壤微生物等。1、温度(temperature)(气温)温度是引种的限制因子之一，其中包括年平均温度，最高、最低温度及其持续时间，季节交替特点，无霜期、积温高低等。在植物引种工作中，首先应考虑原产地与引种地的年平均温度，若年平均温度相差大，引种就很难成功。树木没有主动的温度调节机制，完全依靠自身对温度的忍耐来适应。植物能忍受的最高、最低温度的极限称为临界温度CriticalTemperature。引种是超低临界温度会造成对树木的严重伤害和死亡，尤其是低温和绝对低温，是一个植物引种的限制因子。1977年的严寒，使广西南宁市胸径超过30cm的非洲桃花心木全部冻死，凤凰木也大部分冻死；广西桂林的柠檬桉大树也几乎全部冻死。又如，江苏引种柑橘，辽宁以北地区引种苹果都因受到最低温度的影响而未成功。低温的持续时间也很重要。例如：蓝桉具有一定的抗寒能力，可忍受-7.3℃的短暂低温，但不能忍受持续的低温。以种植蓝桉较多的云南省陆良县为例，1975年12月持续低温5天，日平均温度0.6—4℃，蓝桉遭受了严重的冻害，10－15年生大树263株，主干1／3－1／2以上枯死的有183株，整体枯死的有23株。高温对树木损害不如低温显著，但高温加干旱往往会加重对植物的危害。强福州引种塔柏，早期生长极为良好，不久就因高温影响生长衰退，病虫害发生，不开花结果，其高度不及乡土树种的1／3。华北平原不适于冷杉、云杉、桦木生长，与高温和干燥有关。原产澳大利亚南端塔斯马尼亚州的蓝桉，在我国昆明、成生长较好，但在华南地区表现不佳，这与华南暑热漫长有关。高温还容易引起皮烧。持续低温或高温的程度(时间)也是限制因子(如落叶松喜阴凉、不耐高温，酷热伏天，它就落叶)，有时树木可以忍耐-20℃短期低温，但是-15℃的长期低温却忍受不了，同理，高温也是一样。有些树种要求一定的持续低温时间，即只有通过春化作用过程才能由生长转化为发育。另外，全球气候异常，对一些树种危害很大。去年昆明遇到十几年不遇的大雪和寒流，造成许多树种受冻。桉树、荔枝、香蕉、甘蔗、咖啡等树种受害。世博园里许多树种冻死。根据测定：由南向北，每移动1KM，温度下降6℃。可作为温度变化参考；一般引种温度幅度不超过10℃。季节交替的速度也是引种的限制因子。中纬度地区的树种，通常具有较长的冬季休眠，这是对该地区的初春气温反复变化的一种特殊适应性，它不会因为初春气温的暂时转暧而提前萌动。而高纬度地区的树种，由于原产地初春没有“回春”天气，所以这些地区的树种，虽有对更低温度的适应性，但如果把它引入到中纬度地区，初春气候不稳定转暧，经常会引起冬眠的中断而开始萌动，一旦寒流袭来就会造成冻害。如香杨等高纬度地区的树种引种到北京，主要由于这个原因而生长不良。北美太平洋沿岸的花旗松、云杉南移失败也是此原因。2、光照(日照sunlight)光照是一切绿色植物光合作用的能源。日照时数(日照长度)、日照强度、海拔高度、光色成分(光谱)和质量、昼夜交替、光周期等对树木的发芽、生长、开花、结实均有直接影响。光周期就是光照的昼夜交替，它关系到营养物质的积累和转化，并影响树木进入休眠期的迟早和越冬的准备。赤道附近的树种多数是短日照树种，在北纬60° 以北的地区生长的树种多数是长日照树种。南树北移，由于生长季节内的日照时间加长，造成生长期延长，无休眠准备，影响枝条封顶和促进秋梢生长，消耗体内营养，抗逆性下降，无抗寒能力，常受早霜危害。如江西的香樟引种到山东泰安，南方的苦楝、乌桕引种到北方。北树南移，会出现两种情况，一是由于生长季节的日照缩短，促使枝条提前封顶、落叶，缩短了生长期，影响光合产物积累，抑制了正常的生命活动；二是有时因南方气温还处于炎热、高温状态，会造成二次生长，受冻而死。树种不同对光照强度的敏感性也不同。阳性树种和阴性树种在苗期、开花结实期对光照强度的要求不同，例如，羯布罗香(望天树苗期特别耐荫)。云南高原气候、紫外线强，光线成分(光质)和低海拔完全不同。不同的海拔高度之间引种存在着光质及光强问题，高山植物能适应丰富的紫外线，所以低山植物往高山引种难以忍受。森林的弱光性植物往空旷地引种亦适应不了强光照射。3、降水与湿度(rainfallandhumidity)随着降水量的减少，植被类型由森林到森林草原(稀树草原)、草原、干草原、半荒漠、荒漠。所以说：水分条件是决定树种分布、植被类型的一个重要限制因子。空气湿度对外来树种影响很大。南方树种一般不能忍受和抵抗北方冬季的干旱，据北京植物园的观察，许多南方树种在北京不是在最冷的时候冻死，而是在初春干风袭击下因生理脱水而干死。黄河流域引种毛竹(南方竹种)，凡是湿度大、能灌水的地区都获得了成功，而湿度小、无灌水条件地方都落叶枯死。雨型也是一个限制因子(所谓雨型即不同季节的降水量分布与大小)。一般分为夏雨型(我国北方大陆冬季干燥、夏季多雨湿润)、冬雨型(地中海地区冬季湿润、夏季干燥)。将拿云南来说：高原气候、紫外线强，冬季温暖干燥(11月—6月旱季)和雨季(7月—10月低温多雨)分明，这和我国其它地区明显不同。雨型与引种成败有一定关系。我国大部属于夏雨型，引种地中海地区和美国西海岸冬雨型树种，如油橄榄、海岸松、美国黄松和辐射松等往往不易成功，而引进夏雨型的加勒比松、湿地松生长良好。空气湿度对外来树种能否适宜生长关系很大。在华北地区许多南方树种不能越冬，固然与这一地区冬季寒冷有关，但与冬季干旱也是分不开的。常绿的圣诞树(欧洲赤松变种)能耐—5一—10℃，在北京不易越冬，但适于在5℃以上生长的合欢却可以在北京越冬。椴树、青杨在干旱季节漫长的华北平原，生长不好。在华中、华东，鹅掌楸、红杉生长不良与空气温度较低或不稳定有关。4、土壤(soil)指土壤类型、土壤结构、土壤理化性质及土壤微生物等。一般土壤pH值(酸碱度)和盐分含量对引进树种影响最大(一般华北黄土，碱性至中性；东北黑土，中性偏酸；南方红土酸性至中性)，土壤酸碱度决定了植物的分布范围，从而不同土壤种类，发育不同的植被类型。植物对土壤酸碱度的不适应，往往生长不良，甚至死亡。例如庐山植物园的土壤pH值一般在4.8-5.0，在建园初期，对土壤酸碱度未加注意，引种了大批中性和偏碱性土壤树种，如白皮松、日本黑松、经过十多年实验，逐步死亡淘汰。茶树是喜酸性的，前苏联在中亚地区搞了80多年的茶树引种都失败了，因为中亚地区大多是灰壤，碳酸钙含量很高，极不利于茶树生长。后来把茶树引种到在有庇荫的微酸性坡地，冬季用积雪覆盖防寒，才获得成功。所以，北树南移和南树北移土壤酸碱度是必须考虑的因子之一。我国西北大部为黄土高原和沙荒地区，降水量少、蒸发量大，地下水位深，土壤极为缺水，而低洼处盐渍化。沿海地区多为冲积沙土或壤土，地下水位高，加之海潮渗透，亦存在大片盐碱土。一般引种不易成活，主要耐盐树种有胡杨、柽柳、沙枣(耐0.5%盐分)；刺槐、紫穗槐、桑、苦楝、乌桕(耐0.3%盐分)；白蜡、椿树、青杨、柳树、山杨(耐0.25%盐分)。树木吸收土壤中的营养元素于土壤酸碱度关系很大，铁在碱性土壤中不能为树木所吸收。调整土壤酸碱度的主要办法是：酸性土壤加施石灰；碱性土壤施用硫酸铵或有机肥等酸性肥料。土壤中缺乏某种元素也会影响树木正常生长，油橄榄在南方某些土壤上因缺硼而也变黑；因缺锌和磷，辐射松生长不良。加施这些元素症状有所改善。土壤的通气、排水性能和土壤结构有关。松树、泡桐等许多树种不适于在排水不良的立地上生长；雪松、毛白杨等要求土层深厚、排水良好；落羽松、池杉、水杉、柳树等适宜于水湿地区，特别是池杉极耐水淹。5、风(wind)风加大蒸腾作用，降低空气相对湿度，大风影响传粉和结实。巴西橡胶原产赤道附近的高温、高湿的无风环境，两广沿海一带温度和湿度条件相宜，但因台风侵袭，引种不易成功，而在广西西部和云南南部大陆深处，生长良好。内陆沙荒地区由于风力作用，引起流沙，造成沙埋、曝根等现象，是该地区引种造林的一个重要障碍。6、土壤微生物和树木菌根区系有些树木的根部组织与菌类共生，成为树木正常生长的必要生物条件。澳大利亚、新西兰从北半球引进松树，因没有菌根菌与松苗共生形成菌根，生长不良。后来从原产地引进带菌根菌的土壤，生长状况显著改善。在引进松、赤杨属和豆科等树种时应注意共生菌的引进。菌根菌、根瘤菌的选择，能显著促进林木生长。这已构成林业研究中的重要课题。7、地形(landform,terrain)因子 地形对植物生长是一个间接的，但又是具有综合影响的因子。地形影响气候因素，如日照强度和空气的流动性；影响土壤的侵蚀、沉积和堆积；也影响水分的再分配和土温，因此，不同的地形形成不同的小气候。地形影响降水、温度、湿度。上述的各种生态因子总是综合地作用于植物，也要看到各生态因子并不是对植物起同等重要的作用，在一定的时间、地点条件下，或在植物生长发育的某一阶段，在综合生态因子中，总是有某一生态因子起主导的决定作用。因此，植物的引种更要注意原产地和引种地综合生态因子和主导生态因子的比较和分析。(二)引种植物的生态型同一种植物处于不同的生态条件下，而分化成为不同的种群类型就是生态型。所谓生态型就是同一种范围内，在生物特征、形成特征与解剖结构上，与当地主要生态条件相适应的植物类型。生态型一般可分为气候生态型、土壤生态型和共栖生态型。一般情况下，地理分布广泛的植物，所产生的生态型较多，即种内和变异较丰富。每个生态型都能适应一定的生态环境。在植物引种时，如将一种植物的许多生态型同时引入一个地点，进行栽培和选择，从中选出适宜的生态型，那么这一植物在引种地区引种成功的可能性就会增大。因为不同的生态型同进引入一地栽培，在引种地就有更多的机会互相杂交，形成更多的生态型，以适应新的环境。一般来讲，地理上的距离较近，其生态条件的总体差异也就较小。所以在引种时常用“近区采种”的方法，即从离引种地区最近的分布边缘区采种。如苦楝是南方普遍栽植的树种，分布的最北界是河南省及河北省的邯郸。分布于河北省邯郸和河南省的苦楝种子在北京种植生长最好，抗寒性较强，分布于四川、广东等地的苦楝抗寒性最差。(三)引种植物的生态历史仅仅分析引进树种的目前分布范围，并比较原产地和引入地区生态条件的差异，还不能全面确定该植物的潜在能力和可能和适应范围。因为植物种适应力的大小不仅与现代分布区的生态条件有关，而且与历史生态条件有关。生态历史越复杂，植物的适应性就越广泛。如我国特产水杉，在冰川期以前广泛分布在北美和欧洲。由于冰川的袭击，那里的水杉因受寒害而灾绝了。到20世纪40年代在我国四川和湖北交界的60平方公里的地区人们发现了幸存的水杉，它的分布范围很小。当我国发现这一活化石植物后，先后被引种到欧洲、亚洲、非洲、美洲50多个国家和地区，大都获得成功。这可能是因为水杉中历史上曾有过广泛的生态适应性。与此相反，华北地区广泛分布的油松，因历史上分布范围狭窄，当引种到欧洲各国时却屡遭失败。第三节引种的程序和方法一、引种的程序1．引进树种的筛选树木种类繁多，经济性状各异，生态习性也不相同，要想有效地挑选出适合当地生长，经济效益又大的树种，必须分析引进植物的经济性状和比较原产地与引进地的生态条件，同时，应了解当地或附近地区已引进外来树种的表现和引种的历史等，这类调查有助于对树种的筛选，预估效果，且可减小盲目性。首先分析引进植物种类的经济性状。引种实践表明，引种植物在新地区的经济性状往往是和它中原产地时的表现相似的，这是选择引种植物的重要依据。如观赏价值、经济价值、抗性及改造自然能力方面均应表现优良，或至少在某一方面胜过当地的乡土植物种或品种。其次要比较原产地与引进地的生态条件。先要了解引种植物的分布和种内变异，调配清楚自然分布、栽培分布及其分布范围内的自然变异类型和栽培类型；然后调查原产地也引进地之间的生态环境变化，以便从中找出影响植物引种的主要限制因子。2．种苗检疫对引进的繁殖材料，特别是病虫害严重的树种，必须进行严格的检疫制度。外来种苗如果带有病虫害，特别是本地区所没有的病虫害，有可能造成不可挽回的损失。如榆树荷兰病不仅分布于西欧，现已传播到中欧和美国。云杉卷叶蛾由引种云杉而传入美国，近年危害林分面积达5100万h；舞毒蛾是美国最严重的森林害虫之一，该虫是19世纪由欧洲引入美国的，1981年危害林分面积达360万ha。美国白蛾已在我国辽东、山东等地酿成灾害。因此，不让病源或虫源进入引种地区，是引种工作中极端重要的问题。3．登记编号对引进的树种，一旦收到材料，就应详细登记。内容主要包括名称(俗名、学名)、来源、材料种类(插条、苗木、种子等)和数量、寄送单位和人员、收到日期及收到后采取的处理措施等。如系杂种，辽布将其亲本名称也登记清楚。为便于日后查对，避免混乱，对收到的每种材料，只要地方不同，或收到的时间不同，都要分别编号。编号中要反映出引入年份，如2003年可以简化为03，放在其他号码的前面或后面，中间用“：”或“一”号隔开。 4．引种栽培试验一个新树种在生产中推广，是长期引种试验工作的结果。如果不经过试验，或经短期试验，就在生产中大量推广，势必要冒风险，有时会遭到很大损失。一个外来树种，不经过几个世代的长期考验，也难能说引种完全成功了。这么漫长的时间，生产上往往是等不及的。所以，由引种试验到推广所需的时间，只能根据外来树种在试验时的表现，并兼顾生产的需要来决定。引种试验一般分为2—3个阶段。第一个阶段主要是了解外来树种的适应性，如对气候、土壤的适应情况，病虫害感染的情况，存活情况等等，并摸索栽培技术。因此，要选择有代表性的多种地段，对外来树种作小规模的栽培试验。对第一阶段试验中表现良好的种和产地，作第二阶段的试验。这时主要了解高、直径的生长进程、干形、保存率等等。由于试验区面积小，一般不能得到木材产量的数据。在上两个阶段工作的基础上，选留少数最有希望的外来树种作大面积的栽培试验，了解木材产量，用当地广泛栽培的树种作对照，采用相同的农业技术措施，以便作出判断，决定是否推广。引种试验中观测的主要项目包括：生长速度、适应性、抗病虫害能力、材质、树形、分枝习性。此外，还应观测萌动、展叶、新梢停止生长、二次抽梢、落叶、开花、果熟等时期。二、引种的具体措施1．引种要结合种源和优树的选择同一个树种从分布区的不同地点采种长成的林分，在经济性状或适应性方面往往会有很大差异。这点已为大量引种和种源试验所证实。如D．J．Zobel指出，一些国家没有引栽火炬松的适宜种源，材积生产可损失30％-50％。为了找到最合适的种源，要尽可能多收集—些种源做试验，要了解引进树种的地理变异规律。J．W．Whgh认为，过去的引种多是不了解种源的。如果外来树种是由单株或某个林分繁殖出来的，那么只要它的经济性状指标达到了乡土树种的75％，就值得多引几个种源作试验。在同一个地区，个体之间也存在着差异，应尽可能从生长、干形或抗性等较好的树木上采种。要避免只集中在几株树上采种，因为用这样的种子繁殖，栽植在一起，会造成近亲交配，影响将来的结实和后代品质。2．要选多种立地条件类型作试验在同一个地区中，要选择不同立地条件作试验。不同的坡向和地形等会造成温度、土壤湿度等方面的显著差别，对保证引种成功有重要作用。杉木引种成功的最北界是山东半岛的昆嵛县，该县位于渤海沿岸，地处北纬37.5。，年均气温12.2℃，比原产地低4-5℃，生长期较短。选择温暖、湿润的山凹、山坡中下部和荫蔽的林间空地造林，杉木生长虽比原产地慢，但能超过引种地区的赤松。但在多风的北坡、西北坡或干燥瘠薄的山脊，杉木生长慢，甚至遭冻死。3．引种要结合有性杂交当引种地区的生态条件不适于外来树种生长时，常通过杂交改变种性，增强对新地区的适应。如银白杨是我国西北一带的高大乔木，但在南京、杭州、武汉等地，由于气候、土壤不相适应，成为灌木状小乔木。在南京、把它嫁接到响叶杨上，初期生长稍有好转，但随后又变缓慢，且屡遭病虫危害。1959年南京林学院以银白杨为母本，分别用南京毛白杨、民权毛白杨等的花粉授粉，取得了杂种，杂种适应力提高了，且扩大了栽种面积。南朝鲜大面积推广的刚松X火炬松杂种也是成功的例子。4．适当的繁殖方式由种子繁殖的苗木，一般认为阶段发育年轻，容易适应新地区的环境条件。所以，引种中一般都采用种子繁殖。不过播种育苗方法并不一定适用于所有情况。北京林业大学于50年代在盐碱地引种杨树，扦插苗比播种苗的耐盐力强。又如在两广，包括海南岛及云南等地的雨林或热带雨林中，由于采种困难．而幼苗易得，因此，常用移栽方法。5．阶段驯化与多世代连续培育阶段驯化当两地生态条件相关较大时，一次引种不易成功，引种可以分地区、分阶段逐步进行。如杭州引种云南大叶茶树，先引种到浙江南部，再从那里采集种子到杭州种植，获得了成功。南树北移，可在分布区的最北地方引种；北树南移，可在分布区最南端引种。多世代培育植物的定向培育往往不同一个短期内或在一两个世代中所能完成的，而是需要多地点、多世代才能达到。通过植物的定向培育仅完成一个世代，仍然得不到足够的适应类型，需要连续多代培育。从实生苗后代中选出适应性最强的植株种子，再在当地播种、培育、选择，这样一代代的延续不断积累，以加强对当地生态环境的适应性。6．适当的栽培技术措施要根据引进树种的生物学特性，采取适宜的农业技术措施，如播种期、栽植密度、肥水管理、光照处理、防寒遮荫等。如南树北移时，施肥宜早，生长后期也不宜浇水。对1—2年生的南方树苗，可设置风障，或树干北方堆土。北树南移，夏季宜设置荫棚，对松类宜接共生菌类等。三、植物引种成功的标准1、能适应当地环境条件，不需要采取特殊保护措施，能够正常生长； 2、不降低原有的经济价值；3、能够用该树种固有的繁殖方式进行繁殖。4、没有明显或致命的病虫害。思考题：1、名词解释引种驯化自然驯化风土驯化雨型乡土树种外来树种2、引种有何意义？3、分析与引种成败有关的重要生态因子。4、“引种能在短时间内促进植物产业的发展，因此我们应该大力提倡引种”。这种说法对吗？为什么？5、南树北移或北树南移一般会产生哪些问题？应采取哪些措施？6、用哪些技术措施可以促使引种获得成功？7、引种成功的标准是什么？8、选择外来树种时应考虑哪些因素？ 第三章种源选择及优树选择主要内容：1.种内遗传变异和自然选择；2．种内地理变异的一般模式；3．种源试验，包括种源试验的目的、作用与方法等以及种子认证和种子区区划。目的要求：通过本章学习，了解种内的变异规律，掌握一个种的树木长期在一定的环境条件下生长发育会对一定的生态条件产生一定的遗传反应，种源就是这种遗传反应条件下的产物。将不同种源集中起来开展种源试验获得树种地理变异模式，可以提供最适种源和种苗调拔区。重点难点：1.遗传、变异与选择三者的关系；2.种内地理变异的一般模式；3．种源试验的方法，种源选择是通过种源试验实现的。具体内容如下：第一节种内遗传变异和自然选择种源指从同一树种分布区范围内由不同地点收集的种子或其他繁殖材料。对地理起源不同的种子或其他繁殖材料，放到一起所做的栽培对比试验，叫做种源(产地)试验。为各造林地区选择生产力高、稳定性好的种源，称为种源选择。种源选择是在承认种内存在遗传变异，存在差别的前提下进行的选择。所以，在介绍林木选择之前，对生物进化作一简要回顾。决定生物进化的主要因素是遗传、变异和选择。变异是选择的基础，没有变异就没有选择；遗传是选择的保证，没有遗传选择的成果就得不到巩固；而选择本身，确定了变异的方向。群体指一个物种在一定地理范围内，相互能交配的所有个体的总和。发生了遗传变异的群体，称为地理小种。地理小种是由性状相似的个体组成的种内分类单位，有共同的祖先，占有能够适应的特定地域。生态型地由同一种中对特定生态环境最能适应的基因型组成。第二节种内地理变异的一般模式一、影响种内地理变异的因子分布范围的大小、植物自然分布的范围内环境因素多样性、分布区的不连续性、某些未知的因素(突变、迁移、选择等)。二、种内地理变异的一般模式1、南一北调运同一树种的南方种源通常比北方种源生长期长，生长量大，枝叶茂盛封顶较晚，越冬受害较严重。树高和胸径与纬度相关的分析，都达到了极显著的负相关。幼苗期的生长量和越冬受害程度与采种点的纬度呈显著负相关，与经度呈弱度相关。南北种源不仅在地上部分有差异，根系生长也不同。马尾松主根长度由南往北逐渐伸长；苗高与主根长比值，及地上与地下部分比值随纬度增加而变小。根据主、侧根的发育特点，根型可分为三类；垂直根型、水平根型和中间型。垂直型侧根少，较细，分布均匀，主根对侧根的干重比大。北部和西部地区种源具这类根型。水平型侧根较粗，数量也较多，密集于土表，两类根干重比值较小。南部和东西部种源具这类根型。中间型出现在山西、河南一带。实质上，这是对热量和水分共同作用的反应，其中热量往往是主要的因素，而越冬状况，也还受日照长短以及低温等因素的影响。2、东一西调运油松种源试验中，西北种源生长量小。在侧柏试验中也见到西北种源苗期高和地径生长不如东南种源，但相对于纬度而言是属次要的。经度实质上反应了水分因子，如年降水量、年蒸水量和春季一干燥间的关系。3、高一低调运垂直高度相差100m，温度下降约0.55℃，伴随而发生的气候变化往往相当于水平距离相差几十公里所发生的变化。对多数树种来说，在高海拔地区生长慢、干形好，耐寒性较好。不同垂直高度的林木间的基因交换频率比水平分布的不同群体间的交换频率要高得多。基因的频繁交换，会阻止高低海拔种群间发生遗传变异。从地形陡峭地区采样试验，往往看不到高低海拔种源间的差别；在海拔高度逐渐改变的情况下，可能会产生渐变群。4、连续变异和不连续变异树种的分布如果是连续的，其遗传变异类型多数也是连续的，形成渐变群。渐变群通常指遗传变异是渐进的，或连续变异的种群。分布区中断，特别是随之发生气候的显著改变，倾向于产生不连续的遗传变异类型。认为油松具有不连续变异特点。不同类型的生态适应性差别大。5、随机变异 南一北、东一西、高一低种源调运中表现出来的倾向，一般要在产地相距几百公里以上，且气候条件差别明显的情况下才会发生，在较少的范围内，通常看不到显著的地理差别。但是，有时在不大的范围内由其中一些林分长出的林木可能会比另一些林分长出的要快10—15%。凡此种种异常表现，可作如下解释：(1)试验中通常只注意秋季温度生长季长短、夏季温度、降水量、土壤类型等等对遗传变异的影响，而真正产生变异的因素却可能没有被认识而加以研究。(2)归因于遗传漂移，即由于群体内个体数目少，不能完全随机交配而造成的性状差异。(3)人为的干预。其中第三点在许多情况下是主要的。分布区大致重叠的两个或多个树种，其地理变异模式也未必一致。第三节种源试验一、种源试验的目的和作用目的：(1)在理论上研究林木地理变异的规律性，阐明其变异模式，变异与生态环境和进化因素的关系；(2)从造林生产考虑，对各造林地区确定生产力高，稳定性好的种源，并为区划种子或种条的调拨范围提供科学依据；(3)为今后进一步开展选择、杂交育种提供数据和原始材料。作用：(1)增加产量。树高与纬度呈相关。在多数育种计划中，通过选用最佳种源能够以最小的代价，在短期内取得显著的增益。这是优先开展种源试验的原由。(2)改进品质。(3)提高抗性，增加林分稳定性，同一个树种的不同种源，对气温高低、湿度大小。(甚至病虫害的抵抗能力，都有不同的表现。各种源对低温的反应是极不相同的。二、种源试验方法及步骤(一)种源试验的方法种源试验一般可分为两类：(1)全面种源的试验(全分布区试验)；(2)局部种源试验(局部分布区试验)。全面种源试验局部种源试验概念全分布区试验在全面试验的基础上进行局部分布区试验目的确定各分布区内各种群之间的变异模式和大小为栽培地区寻找最适宜的种源供试种源多少试验期短，1/2－1/4轮伐期长，1/2轮伐期试验区小大(二)种源试验的步骤1、采种点的确定采种点选择自变量当与否，是否全面，是否有代表性，对能否达到预期试验目的关系重大。网格法。国外对一些树种也有按主要生态因子(如含水量)，或纬度和海拔等地理指标的变化梯度，再或沿山脉或水系定点采种的。我国地形变化复杂，气候因素变化剧烈，加上树种通常呈不连续变异。2、采种林分和采种树采种林分的起源要明确，应尽量用天然林，林分组成和结构要比较一致，密度不能太低，以保证异花授粉。采种林分应达结实盛期，生产力较高，周围没有低劣林分或近缘树种。采种林分面积较大，能生产大量种子，以保证今后供应种子。在确定的林分中，采种树一般应不少于20株，以多为好。采种树间距离不得小于树高5倍。应能代表采种林分关况，不少试验单位喜用优势种子，优势木种子能够增加育种效果。在同一个试验中，必须统一规定从哪类树上采种。种子年种子，授粉充分，品质有保证。最好在种子年采种。此外，要规定不能从孤立木上采种。采种应指定专人，从指定的林分和选定的植株上采集。每批种都应挂上标签，防止混淆。如一旦发现差错，应将该批种子取消。3、采种记录记录的目是采种程保持书面记载，不因人事更替而贻误工作，同时详尽的记录可为今后研究提供方便。为确切采种林分的位置，需写明行政区划，自然地理外貌的名称，如山名、地名、经纬度。为便于今后分析研究结果，要对林分状况和环境条件加以描述，要记载采种林木株数，树木的挑选方法。树高、胸径等指标也应写明。记载全年、1月和7月平均气温，最低、最高气温，年降水量等；如可能，最好提供降水量的各月分配数据。记载地形(坡向、坡度)和土壤条件(母质、质地、排水状况)。记载采果、种子数量以及调制方法。4、苗圃试验 苗圃阶段的任务主要有：(1)为造林试验提供所需苗木。(2)研究不同种源苗期性状的差异；(3)研究苗期和成年性状间的相关。种源试验可集中几个苗圃育苗，然后把苗木分别送往各试验点载种；也可以在各试验点上分别育苗。苗圃地必须具备能育成健壮苗木的条折，并且在土壤、坡向、光照、前茬作物、排水等方面完全一致。苗圃试验可采用随机完全区组设计，重复4—6次。为确定适当的播种量，播前可做发芽试验。原则上圃地不作间苗，如必需间苗，应用随机法，不得留优去劣。苗期观测项目包括场圃发芽率、高生长、地径生长、病虫害、苗木越科受寄存状况等，此外，物候、生长节律、形态和结构方面的差加紧也可注意。5、造林试验造林试验的目的是了解不同种源对不同气候土壤条适应性、稳定性和生产潜力。(1)造林试验点的选定，原则上同采种点，即在立地条件方面应有代表性。同时，选定的多数造林试验点，应当是该树种的主要造林区。这样，试验结果可以直接应用到生产中去。(2)试验地应在地形、土壤、植被、前茬作物等主面尽可能的一致，并应按田间试验设计原则进行安排。所采用的造林、管理措施应求一致，对死苗，应在造林后头两年内补植。种源试验可分为两个阶段。第一个阶段在幼林阶段完成，主要了解适应性和生长的一般表现，找出优良种源，作为种源调拨的初步依据。每个种源总植株数应在50—60株以上。对适应性和生产力高的种源，做第二阶段的试验。试验期一般应不少于1/2—1/3轮伐期，主要了解干形、高、直径和材积生长，以确定生产力的地区。为此，每个小区的面积应较大，最好能有30—50株树。观测项目大致和引种试验、子代测定相仿。但引种试验初期侧重于适应性状，子代测定则更强调产量、品质以及对病虫害的抗性。种源试验既要了解适应性，也要了解产量和品质。种源试验应该侧重在造林试验。通过种源试验，可以评选出当地最好的种源。优良种源的供应，可以通过如下三个途径：(1)利用原地的优良林分改建成母树林；(2)在原产地选择优树，建立优树无性系种子园；(3)对于有希望的种江苏原在做第二阶段试验的同时，建立种子园或母树林。(三)种源试验结果的应用通过种源试验，研究和掌握林木的地理变异规律，是制定种子区划和选择生产力高、稳定性强的优良种源的基础工作，也是划分育种区、开展遗传改良的基础。具体的应用：1、了解变异规律，丰富育种理论；2、为划分种子区，研究林木种子调拔方向提供依据；3、保存种质资源。(四)种源试验的发展趋势1、多水平的、群体与个体的试验相结合；2、观测性状的系统全面；3、种源试验与种子区划和种子认证相结合；4、种源试验与遗传资源保护相结合。三、种子区区划和种子认证通过造林实践和种源试验，林业工作者了解到用同一树种中不同一区生产的种子造林，在成活率、保存率、生长和材质等方面都可能存在着遗传差异，有时，这种差异是极其显著的，不少国家开始规定种子供应的范围，或划分种子区，提倡使用当地种子，限制使用外地种子。凡对某个树种各地所产种子的供应范围，根据生态条件、遗传性状以及行政区界等进行的区划，叫做种子区区划。将全国划分成14个区，原则上每一地区只采用本区种子。种子区按三位数字编码，第一位数字表示大区，反映山脉的位置；第二位数字表示纬度；第三位数字表示海拔高度。一般在分布区中心的调拨范围可大于分布区周缘。规定使用种子时应遵循下列原则：(1)造林尽量用本亚区的种子；(2)本亚区种子不能满足造林需要时，可使用本种子区其他亚区的种子；(3)本种子区种子不能满足造林需要时，规定区际调拨方向是，东北区种子可调拨到北部区；北部区可调拨到东部区、中西区和山东区；中西区可调到西南区和南部区；西南区可调到南部区。与种子区划分、种子供应相关的另一个问题是种子认证。所谓种子认证，就是验明种子的来源和种子的遗传品质。种子分为三类：即种源已知的；由种子园生产的；和由已经过子代测的定的种子园生产的种子等三类。我国即将开展这项工作。对划分种子区的树种，采种后要分别种批，填写采地标签，包括种批号、树种、产地、种子区、种子亚区、采种日期、签证人和签证日期和签证机关等项目。所谓种批，指在一个县(旗)范围内采集的，属于同一树种，立地条件、林分年龄和采种时间也大致相同的种子；而产地，指产种林分或母树所在的县。 优树plus-tree也称正号树，是指在相似环境条件下，如相同立地条件、相同林龄、采取相同营林措施的有性起源的天然林或人工林中，在生长、形质、经济性状、抗性和适应性方面表现特别突出，远远超过同种、同龄(如为异龄，需要调整)优良个体。优树选择亦称优株选择、单株选择或选优，是指从有性起源的天然林或人工林中，按照选种目标和选优标准和方法，进行个体表型选择，从中选的优树或优株上分别采种、采穗、采根，单独繁殖，单独鉴定的选择，即谱系清楚的选择。与它相对应的另一种选择是混合选择，即根据一定的标准，从混杂群体中按表现型淘汰一批低劣的个体，或挑选一批符合要求的优良个体，并对选出来的个体混合采种、采条，混合繁殖，称混合选择，其他如类型选择，以及苗圃中的间苗、林分抚育间伐，母树林疏伐等也都属混合选择。第四节人工选择特点和选择类型一、人工选择的特点人工选择是按人们的经济需求进行的选择。通过人工选择，经济性状的改进显著，进程快，但常导致遗传基础变窄，适应性降低等。人工选择的结果满足了人们的经济要求，但未必有利于树木对自然环境条件的适应性。按单一经济目标进行多世代的人工选择之后，必然会缩小原有种群的遗传基础。人工选择与自然选择的异同人工选择自然选择动力或主导作用人自然条件选择方向符合人为的需求的方向适者生存，不适者淘汰结果有目的性和预见性无目的性和预见性所需时间短长二、选择类型以群体为对象的选择，不论人工选择或自然选择都有三种类型，即稳定性选择，定向性选择和多向性选择。林木选择，多属定向性选择。稳定性选择是有利于中间型的选择，选择的结果，淘汰了远离平均数的表现型个体，使群体遗传组成不发生变化。只有抗寒的个体才能存留下来。这是定向自然选择的一例。多向性选择是按两个，或两个以上不同方向进行的选择，是不利于中间型的选择。多向性选择会引起变量增加，并使频率分布呈双峰曲线，最后形成分离的两个群体。三、优树的选择和利用树木遗传基础不同，局部土壤光照不同；栽培管理状况有异等等。在相同立地条件下，其目地就是要排除环境的影响。优树是优良的表现型。优树的种子或穗条，一般都是分别采收、分别处理加工、分别育苗、分别造林的。凡是由单株树木上生产的自由授粉子代，或由双亲控制授粉产生的子代，统称家系。凡由单株树木经无性繁殖产生的所有植株，称无性系。对繁殖成无性系的原始植株，叫无性系原株；由它繁殖出来的个体，叫无性系植株或分株。谱系清楚的选择，称为单株选择，优树选择一般属单株选择。由于单株选择是谱系清楚的选择，所以有可能通过家性或无发生性系的遗传测定对亲本或原株进行再选择，以提高改良效果。这对于寿命长、多次结实的树木来说，是特别有利的选择方式。第五节优树选择一、优树标准和选优林分(一)优树标准优树标准是因树种、育种目标、地区资源状况、当地需求不同而异。用材树种一般以生长量，材质(抗压，抗弯，翘裂指标)，形质指标(干形，通直度，木材纤维长度，木素含量等)和抗性(抗病虫能力，适应性大小等)为育种目标；经济树种和果树是以经济性状的产量，含量，品质和抗性(抗病虫能力，适应性大小等)为育种目标。其标准一般都包括数量化的具体指标和质量化的相对模糊指标两个部分。1、生长量 生长量标准的确定，即优树的性状数量指标不能超过同龄林分中的最大值。如把林分平均胸径、树高和材积都以100计，则最大径阶约为170；在中、幼龄林中最大径阶的平均树高为120；近熟林为115；过熟林为110；最大径阶的平均材积可达270。在实际工作中，优树的数量标准常按小标准地对比法，或优势木对比法分别规定的。一般规定优树的材积、树高和胸径应分别超过标准地平均木的150%、15%和50%；或在优势木对比法中，应超过优势木平均材积的50%、树高的5%和胸径的20%。上述标准常因选择地区资源的多少，需求优树的数量，所用对比树的数目而要作相应的调节。如在资源少，所需优树多，对比优势木少等情况下，超过优势木均值的比值都要相应降低。对材质或抗逆性特别优异的林木生长指标也可适当降低。2、质量指标主要考虑对木材品质有影响的指标，或有利于提高单位面积产量和能反映树木生长势的形态特征。一般可包括：(1)树干通直、圆满、阔叶树应注重单主干性；(2)树冠较窄，幅度不超过树高的1/3—1/4，最好是尖塔形、圆锥形、长卵形；(3)树干自然整枝良好，枝下高不小于树干总工的1/3，侧枝较细；(4)树皮较薄，裂纹通直，无扭曲；(5)木材比重，管孢长度，晚材率等；(6)树木健壮，无来重病虫害；(7)尽可能选择见到开花、结实的单株。但应了解，郁闭的林木，或阴坡上的林木，结实都少。(二)选优林分理想的选优林分是性状已经充分表现出来的同龄纯人工林。同龄，可免去异龄的查对和较正，手续简便，也可排除竞争作用，对比结果比较可靠；纯林，没有非选择树种的干扰；人工林，林龄完全一致，株行距相同，优树和周围对比的林木的比较结果可靠。当没有理想的选择林分时，即使是异龄混交天然林，或散生的四旁绿化林木，也是可以选择的，不过评选的方法有别于同龄纯人工林，评选的效果也较差。确定选择林分时应考虑下列条件：(1)优树是具有地理特点的。(2)用材树种的生长特性只有在立地条件好的地段上才能充分表现出来。所以，用材树种优树很多是在Ⅲ地位级以上林分中评选出来的，但是，在中等或较差的立地条件上，如有突出的优树，因具有较强的适应性也不能漏选。特别优良立地条件上生长的优树不适于供贫瘠地区造林。(3)选优林分的林龄，一般应在1/3伐龄以上。如林龄过小，林木的许多性状不能充分表现出来，选择的可靠性差。但林龄过大，生长差异小，也影响评选。各树种适宜的选择树龄大致如下：杉木15—25年；南方松15—40年；北方松人工林，20年以上，天然林25—30年以上，不超过70年生；红松人工林25—60年；落叶松20年以上；杨、柳、榆、槐、泡桐、桉树10年左右。(4)林分郁闭度在0.6以上，林相要整齐，要避免光照条件不同造成的差异。万一要选择林缘木、孤立木，宜特别慎重。(5)凡经过“拔大毛”择伐的林分，或遭过破坏的林分，不宜选择。(6)林分面积应满足设置对比树的规定。在小面积的天然林中最好只选一株优树，以避免多株优树间有亲缘关系。(7)选优林分一般应是实生起源的。二、优树评选在选定的林分内，按拟定的调查方法、标准、沿一定的线路调查。凡发现符合要求、而未经实测证实的优树，称候选树。对候选树可用下列方法评定生长量和品质。(一)材积评定常用方法有三种1、优势木对比法(优势树对比法，五株大树法)按照形质指标，先选生长量最大的候选树。以候选树为中心，在立地条件相对一致的10-20m半径范围内(至少包括30株以上树木)，选出仅次于候选树3-5株优势木，实测并计算其平均树高，胸径和材积。如果候选树的生长指标超过优势木的平均值，即可入选，并填写优树登记表各项内容和要求(格式见教课书附页)，照相和采集标本等工作。该方法在人工林和树龄较为一致的天然林中广泛采用。如在异龄林中选择，相差树龄必须样正后才能比较，校正可用生长过程表或按下式计算。校正值＝优树(或优势树)材积－优树(或优势树)相当于优势木或优树)树龄时的年生长率×相差树龄。优势木间的比较，有时不一定能反应出优树的真正优势。特别是在自然林分中，这种情况可能更突出。其次，在干形变化大的情况下，用测量群体材积的办法来计算单株材积，会有很大的出入。因此，候选树和优势木必须以树干通直为前提，即树干形数必须基本一样。沈熙环在云南楚雄响鲁林场面积不大的一块20龄左右的云南松林中实测，树干形数变动于0.86-0.25之间。树高都是8m，胸径都为8cm两株树，实际材积相差达45%。可见单株之间的差异有时是很明显的。2、小标准地法(小样地法)以候选树为中心，逐步向四周展开，在坡地可呈椭圆形，长轴平行于水平方向，面积为200-700m2，实测30-50株以上树木的胸径，树高，求出材积，计算平均值。把候选树与平均值比较，超过标准者入选。标准地愈大，测量的株数愈多，则标准地平均木愈接近于林分的平均木计算结果也较可靠，但工作量愈大，所以一般以观测30—50株为宜。 3、绝对值评选法在实际工作中，常遇到候选树周围都是被压木；或在异龄混交林；或在四旁绿化行道树中，可采用绝对值法。绝对值评选法可利用生长过程表。(二)形质评定我们对云南松纹理扭转用胸径处上、下1.m范围内树皮的扭转角度来表示(树皮与树干纹理扭转同步)。国外对形质指标的评定方法很多，现介绍数种如下：1、愈接近基部，原木价值愈高。第一位数字的权重为6，每向右移一位权重减1，至第6位，权重为1。2、木材密度以相对密度表示，即在不同立地条件下采取年轮宽度不同的木材试样，求其平均密度，以优树的平均密度除，所得的百分率。(三)综合评定采用的方法有三类1、连续选择法是依次先对某一性状进行选择，这种方法选择所需时间漫长，一般不宜采用，但在特定条件下，如当病虫害灾，成为限制因子时，这种方法仍需考虑。2、独立标准法对所选择的性状都规定一个最地标准，只要有一个性状不能达到标准，不论其它性状如何优越，都不能入选。这是优树评选中常用的办法。用材树种，年均树高生长量、年均胸径生长量、侧枝的粗细、分枝角度、干形、形率等指标。经济林树种中，如油茶，产量2.5斤/m2(树冠投影面积)鲜果出籽率45%；种仁含油率42%以上才能入选。3、评分法就是对选择性状的表型值(表现型值)划分成不同的级别，并根据性状的相对重要性给予全重分数，累加各性状的得分(评分)，就可以对选择性状作出总的评价。评分法是目前最常用的方法。按这一方法，对树木的各选择性状的表型值划分为不同的级别。例如：(1)欧洲赤松材积按去皮材去计算。对比树木的材积，应调整到相应的优树树林。材级评分由正号树材积与对比树材积之比得出，每超过1%得分。和分枝角的分级和评分。欧洲赤松正号树总的评分，就是材积和品质评分之和。(2)美国对南方松的评分。根据树高、材积、树冠大小、、通直度、自然整枝状况、侧枝直径、分枝角等指标评分。对侯选树高和材积按超过邻近5株大树的比植评分。凡合乎入选标准的候选树，可定为出选优树，在树高1.5m处涂上鲜明的漆环并编号，填写调查登记表。初选工作告一段落后，可以对全部初选优树排对评定，并到现场复查。但后一项工作也可不做。(3)油茶：A：每平方米产量「斤/平方米」：40分标准2斤以下2－2.52.6－3.53.6以上评分10203040B：鲜果出籽率(%)：20分标准40％以下41－45％45％以上评分81520C：种仁含油率(％)：20分标准40％以下40－45％50％以上评分81520D：病害率：20分标准3％以上2％1％0评分5101520总分在90－100分者为一级优树；80－90分者为二级优树；70－80分三级优树。三、优树选择的步骤1、查阅资料、座谈访问、拟定调查路线；查阅有关资源、分布及栽培资料，咨询有关专家，走访分布区的群众，“依靠群众走群众路线”，拟定调查路线。2、踏查预选；选优人员深入优树选择区域内，沿着选优路线，实地踏查林分状况，依据选优标准，先目测预选，如主要性状基本达到指标者，作为预选优树编号登记3、实测初选4、复选和决选第六节种源选择和优树选择的结合 上面讨论的种源选择和优树选择，实质上都是利用内遗传变异。种源选择利用的是群体间的变异，而优树选择主要是利用群体内的变异。如果在不同地区选择优树，既能利用群体内的变异，也能利用群体间的变异。国内外都有同时利用这两类变异的倾向。在一块试验地上布置了20个种源，每个种源分别由20个单株上采种育苗，各定植15株。各群体内的变幅一般都有超过了群体间的变幅。通直指数等性状的变量比重，在种源间和种源内同母树间基本相仿。不同产地苗木间的受冻状况差异极显著，然而，在同一产地内不同母树间也有显著差异。这说明即使抗寒这一性状，在受寒不是特别严重的地区内进行单株选择也是有效的。遗传变异不仅存在于不同种源间，也在于同一林分的不同个体间。育种工作者的任务就在于发现，并充分利用各类变异。对于分布区广的树种，在种源间存在的差异，比单株选育1-2个世代所能取得的改良效果要大好几倍。因此，若按部就班去作，首先应了解地理变异，然后再在优良种源地区选择优树。然而，生产上迫切需要提供良种，往往不允许这样去做。现在，已有人提出了把种源试验和种源内个体间变异的测定结合起来进行，比如把经初步选择出来的少数种源中的一些单株作子代测定，以便取得更大的改良效果。弄清群体间和群体内的变异模式和变异幅度，制育种方案的重要依据。在有条件的单位和地区，这两项是试验尽早结合起来进行。思考题：1、名词解释种源产地种源选择种源试验种子区区划种子认证优树单株选择混合选择2、遗传、变异与选择三者的关系如何？3、比较种源试验的两种方法的区别与联系。4、试述人工选择和自然选择的异同？5、简述单株选择与混合选择的优缺点。 第四章遗传力、遗传增益、选择方式主要内容：1、遗传力的概念及其估算；2、影响遗传增益的因素；3、各种选择方式的分析目的要求：通过本章学习，了解遗传力，遗传增益和选择方式在整个育种工作中的重要性以及它们之间相互关系；掌握遗传力估算的方法；以及遗传增益的估算等。重点难点：1、遗传力及遗传增益的概念；2、影响遗传增益的因素，如何进行估算；3、各种选择方式的分析。具体内容如下：第一节遗传力的概念及估算遗传力是选择育种中的一个重要参数。对于树木个体数量性状的表现型值(P)是其基因型值(G)和环境(E)共同作用的结果。P=G+E在基因与环境没有互作的前提下，一个群体的表型值变量=基因型值变量加环境变量。VP=VG+VC从遗传学中了解，基因型变量可以进一步分解为三个组成部分，即基因加性效应变量(VA)、显性变量(VD)和上位变量(VI)。基因加性效应变量是指等位基因和非等位基因间累加作用引起的变量，显性变量是指等位基因间相互作用引起的变量，而上位变量是指非等位基因间相互作用引起的变量。后两部分变量统称为非加性遗传变量(VNA)。因此，基因型变量可以用下式表示：VG=VA+VD+VI于是，表现型变量的公式可以表示为：VP=VA+VD+VI+VE=VA+VNA+VE因基因型变量的组分不同，遗传力分为广义遗传力和狭义遗传力。基因型总变量占表现型变量的比值，是广义遗传力(H2)，即H2=VG/VP=(VA+VNA)/(VA+VNA+VE)广义遗传力包括加性效应和非加性效应两类遗传变量。在林业中通常用于估算无性繁殖下的遗传表现。基因加性效应变量占表现型变量的比值，是狭义遗传力(h2)，即h2=VA/VP=VA/(VA+VNA+VE)加性遗传变量不同于显性变量和上位变量等非加性遗传变量，它可以上下代间传递。狭义遗传力大，表明该性状由亲代传递给子代的能力强，受环境的作用小，表现型选择的效果好。反之，则说明环境对该性状的影响大，也就是说该性状由亲代传递给子代的可能性小，对该性状进行选择的效果差。根据选择差和得到的实际改良效果得到的遗传力(hR2)是选择响应与选择差之比，即：hR2=R/S估算出来的遗传力只适用于在特定时间和空间下用于估算遗传力的那个群体。群体不同，估算出来的遗传力不会完全相同。但即使是同一类苗木，在不同环境下，如一批生长在温室，另一批生长在大田，在温室内环境变化小，h2会比大田的高。林龄不同，控制性状表现的基因也会改变，遗传力的估值也有不同。估算方法不同，所得遗传力估值也不同。遗传力的估算会受供试材料的性质、群体大小、取样方法、试验条件等等影响，它是一个变量，不固定的值。因此，由遗传力估算出来的改良效果，在应用时是有条件的；估算值在多数情况下只表示相对的大小，不可能确切预估改良效果。林木性状的遗传力有如下趋势：(1)不易受环境影响性壮的遗传力较易受环境影响的性状要高；(2)变异系数小的性状的遗传力较变异系数大的性状高；(3)质量性状(经树量化处理)的遗传力较数量性状的高。第二节影响遗传增益的因素由人工选择取得的改良效果，常用响应和遗传增益表示。入选亲本的子代平均表现值距被选择亲本群体平均型值间的离差，叫做响应。响应是绝对值，常以符号R表示。响应除以亲本群体的平均表现型值(x)，所得百分率，叫遗传增益，常用符号△G表示。为提高选种效果，应当了解影响遗传增益的各种因子。上节讨论的遗传力，是影响因子之一。现介绍其他因素。一、人选率、选择差和选择强度 选择个体数目占选择群体总数的比例，叫入选率，通常用符号p表示。入选率愈小，即从一个群体中选出的株数愈少，那么选出树木性状的平均值离选择群体的平均值愈大，即选择差愈大。选择差常用S表示，选择差与入选率有一定关系。但是，选择差是一个绝对值，同时它受选择性状本身变异幅度的影响，不便用来比较和计算。如，选择差虽不等，但只要选择性状的变异幅度也不等，入选率却可能是相同的入选率标准差和选择的关系标准差选择差入选率选择强度A21.6500.8B22.8201.4C11.4201.4表中，A、B的标准差相等，为C的2倍。如A、B、C的选择差分别为1.6，2.8和1.4单位时，入选率分别为50％、20％和20％。图中打黑点区为入选个体。标准差相同，入选率愈小，则选择差愈大；入选率相同，性状的标准差愈大，则选择差也愈大。从而提出了选择差的标准化问题。选择差除以该性状的标准差，所得比值为选择强度，以i表示。i=S/σp二、遗传增益的估算(见课本P67)三、影响增益的因素增益的大小与遗传力的平方根、选择强度和选择性状的变异系数的乘积有关。这三个因素的值愈大，改良效果愈好。遗传力的大小取决于试验条件，更受选择性状所决定；选择强度可通过增大选择差，或减小入选率来提高；性状的变异幅度只有通过扩大选择面，创造遗传变异等办法来达到。第三节几种选择方式的分析一、混合选择和单株选择在第四章中对这两种选择方式已作了介绍。混合选择是根据表现型的选择，选择环境一般是不可能完全一致的。好的表现型有可能是由于小区环境条件造成的，而不是遗传因素造成的。由这类树上产生的子代，不一定表现出优良的性状。混合选择，在性状遗传力高，种群混杂，遗传品质差别大的情况下，能获得较好的育种效果，在遗传力低的情况下，通过混合采种、混合繁殖后，就不能再查清子代和亲代间的谱系关系，也就不可能根据子代的表现对亲本，或对子代，按家系进行再选择。混合选择的效果往往并不理想，在这种情况下，就需要采取另一种选种方式，即单株选择。在种子园实践中，对用于建园的优树的子代作遗传测定，并根据子代的性状表现，再度评选优树，用于建立由精选优树建立的新的种子园，或淘汰劣株，改建初级种子园，这都是单标选择方式的具体应用。二、家系选择、家系内选择和配合选择家系选择就是对入选优树的自由授粉或控制授粉子代分别作子代测定，并根据各优树子代性状的平均值，挑选优良家系，淘汰低劣家系的过程，对选出家系不再作个体的选择。在家系内挑选优良植株，称家系内选择。在优良家系中再挑选优良单株，称配合选择(图5—6)。在林业上，实生苗种子园的去劣疏伐，子代测定林改建成实生苗种子园等，都是这类选择方式的具体应用。家系选择适用于遗传力低的性状，因为家系平均表现型值是由大量个体的平均值，环境变量得以正负抵消，能比较接近地估量基因型值。由于家系选择同时进行家系内个体选择可以取得较大的增益，所以，实践中很少单独采用家系选择。此外，家系选择要淘汰—部分家系，使群体遗传基础变窄，在多世代育种中会加速近交率的增加。这些都是家系选择不利之点。家系内选择，只淘汰部分单株，能延缓近交率的增加。配合选择是多世代改良计划中经常采用的选择方式。三、直接选择和间接选择直接选择，就是直接根据需要的性状进行选择。如为速生选种，可以挑选高大、粗壮的树木；为抗病虫害选种，可挑选不受病虫感染的树木等等。间接选择，就是根据与所需性状相关的指标挑选树木，如根据树叶中萜类、酚类化合物的组成和含量挑选抗病虫害树木；按萌发晚、结束生长早挑选耐寒类型；按松树每轮中侧枝数目挑选速生等等。一般而言，直接选择往往优于间接选择。因为只有当选择性状与所需性状间相关系数r趋近于1时，两者的效果才相等，而事实上r常小于0.5。但是，当所需性状难于直接鉴定的情况下，或选择指标易于分析时，仍常采用间接选择方法。这时所属性状的选择响应将是四、多性状选择林业上需要的优良品种一般都需具有多种优良性状。多性状选择方法已在第四章中作了介绍。选择性状的多少，影响到选种的效果。一般来说，改良一个性状取得的效果要比多个性状大，也比多个性状快，随着选择性状数目的增多，就对单个性状的改良效果来说是极为不利的，但据现有不少研究表明，许多性状是独立遗传的，因此，由增加选择性状造成的不利影响并不一定如理论推算的那样严重。思考题： 1、名词解释选择差选择响应遗传增益遗传力广义遗传力狭义遗传力2、试述影响遗传增益的因素？3．假设一片25年生的油松林，平均树高7.5米，从中选出优树20株，平均树高10米。选择优树营建种子园，生产种子再造林，25年后这些优树子代平均树高9米。问：(1)选择差？(2)选择响应？(3)现实遗传力和现实遗传增益？4．在一片20年生的思茅松林分中，林木平均高为X亲＝18米，选择50株优树，优树平均高为X优＝19.6米。从后代测定中知道树高遗传力h2=0.42。问：(1)S(选择差)为多少？(2)△G(预期遗传增益)为多少？(3)选择优树营建种子园，生产种子再造林，20年后这些后代平均高生长为X子＝18.6米，那么R(选择响应)是多少？实际遗传力是多少？ 第五章杂交育种(CrossBreeding，HybridizationBreeding)主要内容：1、杂交育种的概念及作用，杂交育种的历史与成就。2、杂交育种的程序。包括制定杂交育种目标和杂交育种计划，育种原始材料的搜集与研究，杂交方式确定，杂交组合的选择，杂交亲本的选择，花粉技术，杂交技术及杂种后代的培育、测定、选择及推广。3、远缘杂交的概念、特点，远缘杂交的障碍及克服办法。4、杂种优势的利用。包括杂种优势的概念及度量，杂种优势的表现特点，杂种优势的遗传理论及杂种优势的利用。目的：杂交育种是常规的通过人工创造变异来进行植物的改良的途径。本章的学习目的在于让学生懂得如何通过人工的方法来创造变异，通过什么样的途径可获得最优的杂交方式，最佳的杂交组合及最好的杂交亲本，最终实现预定的杂交育种计划。此外学会如何利用杂种优势。要求：1、掌握杂交育种的概念和意义，分类。2、掌握杂交亲本选配的原则、杂交方式的确定。熟悉花粉技术(包括花器的构造与开花授粉习性，花粉的收集和贮藏，花粉生命力的测定)、杂交技术(包括去雄、套袋隔离、授粉及去袋各环节的操作技能和注意事项)及杂种后代的选育。3、掌握远缘杂交的概念、特点，引起远缘杂交不孕性和不实性的原因及克服措施。了解远缘杂交的意义。4、掌握杂种优势的概念、分类及度量方法。熟悉不同繁殖方式植物在杂种优势利用上的特点。了解杂种优势的遗传理论及各种理论的实质和局限性。重点：1、杂交育种的概念、意义及分类。2、杂交组合选配的原则，杂交方式的确定。3、杂种优势的概念及利用。4、远缘杂交的概念、特点，远缘杂交育种的障碍及其克服方法。难点：1、杂交组合选配的遗传学理论。2、不同繁殖方式植物在杂种优势利用上的特点。3、远缘杂交的障碍及其克服方法。该部分以讲授为主，结合花器构造观察及杂交技术的实验，让学生对杂交育种的重要环节——杂交的基本技术熟悉并掌握。以下为具体内容：日前，改良和丰富造林树种的主要途径包括：引种、选种和杂交育种。其中引种和选种都只是通过改变群体的遗传结构(基因型频率)，而不能改变群体的遗传基础(基因型)，也就是说，这两者只是利用现有的变异，而不是通过创造新的变异来进行树木的遗传改良。杂交育种的首要步骤是通过杂交获得杂种，而杂交的遗传学基础是基因的交换、重组、互作和累加，因此，杂交育种与引种和选种的区别在于杂交育种是利用有性生殖实现基因的重组获得新的变异进行树种遗传改良的一种途径。通过杂交可以产生各种各样的新类型和杂种优势，这正是人们进行杂交育种的初衷。第一节基本概述一、基本概念1、杂交(cross，mating)：从严格意义上讲是指两个基因型不同的个体间的交配。通常指不同树种或同一树种不同小种、品种或类型间的交配。根据杂交双方亲缘关系的远近，可分为近缘杂交和远缘杂交。近缘杂交(closedcrossing)：是指亲缘关系相近以及地理分布较近的种内品种间或类型间的杂交，也称为种内杂交(intraspecificcrossing)。最极端的形式为自交(self-fertilization)。远缘杂交(widecrossing，distantcrossing)：是指亲缘关系较远的种间，属间甚至科间的杂交以及地理分布很远的种内品种间或类型间的杂交，也称种间杂交(interspecificcrossing)。2、杂种(hybrid)：通过杂交所产生的后代称为杂种。自然杂种(也称天然杂种，naturalhybrid)：是指在自然条件下，由于分布区的重叠和花期相遇，通过自由授粉所产生的种间杂交种，成为自然杂种。人工杂种(artificialhybrid)：是指在人为控制下，将基因型不同的个体进行交配所产生的杂种，称人工杂种。3、杂交育种(crossbreeding，hybridizationbreeding)： 杂交育种是通过杂交，取得杂种，对杂种鉴定和选择，以获得优良品种的过程。4、杂种优势(heterosis,hybridvigor)：通过杂交取得的杂种，可能具有双亲特有的优良性状，或在生长势、生产力或抗逆性方面比亲本强。杂种出现的这种优势，叫杂种优势。二、杂交育种的遗传学原理依据有性生殖的基因分离与重新组合，可以产生两方面的效应。第一、可产生出双亲本各种遗传性状的新的组合，即新的基因型，把双亲的优良性状综合到杂种个体中去，从而选育出更优良的新品种。第二，杂交可产生杂种优势。三、杂交育种的意义和作用根据遗传学所学知识可知，基因与性状间存在一因多效或一效多因，无论怎样性状是受基因所控制，要改变某一性状，则必须改变基因，也就是采取改变遗传基础的途径。选种只能改变其群体的遗传结构(基因型频率)，而不能改变其遗传基础(基因型)。因此通过杂交，利用基因重组，可产生新的变异。1、理论上，通过有性杂交可研究生物进化和系统发育的规律，亲缘关系的远近；可研究树木性状的遗传变异规律。2、生产上，有性杂交是引起生物遗传性状的变异，可定向培育林木新品种、新类型和新群体；杂交利用基因的加性效应和非加性效应产生杂种优势。四、人工杂交和自然杂种(一)人工杂交1、人工杂交的目的人工杂交能成为选育新品种的有效方法，基本原因是杂交后代的基因重组，产生各种各样的变异类型和杂种优势，丰富物种材料，利于树种的遗传改良。其目的可归纳为以下几个方面：(1)提高树种的抗性和适应性；(2)提高产量和改进产品品质；(3)创造特殊的远缘杂种新类型；(4)利用杂种优势。2、人工杂交的条件人工杂交要获得成功，需具备以下条件：(1)亲本间可交配。在供体与受体间能有效地进行授粉和杂交。(2)授粉以后能正常授精。这就要求花粉发芽，花粉管生长，雌雄配子的结合能正常进行。(3)获得生命力正常的杂种。合子必须能正常发育成种子，并由这些种子发育成可育植株，这一过程可能全自然进行，也可借助胚培养来帮助实现。(4)染色体能正常配对。染色体配对，基因之间的交换，以及随后对目标性状的选择，是通过人工杂交改良品种的关键所在。(5)被转移的基因能稳定遗传。由于一个基因的表达有赖于相邻基因的性质及其遗传背景，故被转移的基因在功能、表达和通过雌雄配子的传递频率等方面必须稳定。3、人工杂交的成就最著名的科学家有前苏联的米丘林，美国的Burbank，中国的叶培忠，徐纬英等。前苏联著名育种学家米丘林做过远缘杂交培育了苹果、梨等抗寒品种。美国著名园艺学家L.Burbank创造出更复杂的杂交方式和有价值的种间品种。林木杂交工作至少也有100年以上的历史，但大量工作是从本世纪开始的，到30年代规模较大，提供了不少有价值的类型。大体经历的阶段是：(1)杂交可配性与杂种优势阶段；(2)杂种区域试种及其生长和适应性测验阶段；(3)杂交育种工作的全面发展阶段。主要取得的成绩是：在理论上，研究了杂种优势形成的机理；在实践上，进行了有性杂交与无性繁殖技术的试验研究，筛选出一批优良杂交组合，研究出了简便可靠的制种方法和无性繁殖技术，为大量扩繁奠定了良好的基础；选育出了杂交良种，建立推广示范点，走出了一条科研与开发、科研与生产相结合的路子，为杂种进一步推广条打下了扎实的基础。在林木中杂交工作做得多的有杨树、松树和落叶松。美国从1925年起进行了大量的松属杂交，取得了一定成果。如瘤果松×辐射松的杂种提高了对不良立地条件的适应性。刚松×火矩松的杂种第一代表现速生、干形好，且可在立地条件较差的地区生长。日本曾作了日本落叶松与兴安落叶松的杂交，杂种的抗寒性优于亲本。在我国，东北、南京林业大学等单位先后也进行了落叶松、松树的各种杂交试验，杂种在生长、抗寒性等方面均有一定优势。此外，我国在泡洞、榆、柳、刺槐、鹅掌楸、竹类以及杉木、柳杉等树种作了不少杂交工作。广东林科所曾作了竹类杂交，其中撑篙竹×(麻竹+青皮竹)1号具有适应性强、较耐寒、无性繁殖容易的特点。南京林业大学进行的马褂木和北美鹅掌楸杂交，杂种优势明显、抗性强。(二)自然杂种 多数林木属异花授粉，自然分布区重叠或接壤容易出现自然杂种；地理隔离被消除后也可能出现自然杂种。据不完全统计，在111个木本植物的科中，至少不25个科发现有自然杂种，它们大多发生地物种众多的属内，如落叶松属，杨属，桉属，金合欢属，悬铃木属，马褂木属等。例如，在英国1887年就发现了日本落叶松×欧洲落叶松的自然杂种，该杂种具有两个亲本的优点；在杨树属中有很多天然杂种，如欧洲黑杨与美洲黑杨的天然杂种──欧美杨系列，最著名的无性系I-214等，如小叶杨与钻天杨的自然杂种大关杨等；法桐(二球悬铃木)就是一个自然杂种，它是由美桐(一球悬铃木)与英桐(多球悬铃木)自然杂交而成的；在南京地区常见到“黄松”，它是黑松和马尾送的自然杂交种；在榆树中发现有光叶榆×荷兰榆的自然杂种；泡桐中的兰考桐和楸叶桐就是人工选择出的天然杂种无性系品种。种质渐渗：在自然界中，当同属不同种的分布区重叠，可能通进相互传粉而产生自然杂种，杂种随之与其亲本回交，使一个种的基因逐步扩散到另一个种中，这称为种质渐渗。杂种群：凡由两个不同的种，其杂种以及衍生的杂种组成的、变异性极大的群体，称之为杂种群。要能够无性繁殖的树种中，选择自然杂种很有前途，因此，在开展杂交工作的同时，应充分利用自然杂种。第二节杂交方式和亲本选择最优杂交方式最佳杂交组合最好杂交亲本一、杂交方式(thepatternsandstylesofcrossing)在一个杂交育种方案中，参与杂交的亲本数目以及各亲本的先后次序，称为杂交方式。杂交方式是由育种目标和亲本特点确定的，是影响杂交育种成败的重要因素之一。在介绍各种杂交方式之前，我们首先来了解一下有关杂交所用的属语及表示方法。有性杂交中，供应花粉的植株，叫做父本，以符号“♂”表示；接受花粉，而发育成果实和种子的植株，叫做母本，以符号“♀”表示；英文字母“P”表示双方；乘号“×”表示有性杂交。母本写在前面，交本写在后面。由杂交所得的种子长成的植株，叫做杂种第一代，用F1表示；由F1所结种子长成的植株，叫做杂种第二代，用F2表示；以后各代依此类推。例如：PA(♀)×B(♂)P:亲本,♀:母本A,♂:父本B,×:杂交↓F1CF1:杂种第一代C↓F2DF2:杂种第二代D杂交方式有很多，不同的方式杂交效果也不一样。常见有以下几种：(一)单交，成对杂交：(singlecross)：父本(♂)；母本(♀)只有一个父本和一个母本的杂交，称谓单交(简单杂交)，也称成对杂交。所获得的杂种称谓单交种。单交操作简便，所需时间短，见效快，并便于遗传分析。单交有正反交之分，如A×B(正交)，则B×A(反交)。由于母本往往具有较强的遗传优势，正交和反交的结果在植物上不一样。例如：P:钻天杨(♀)×青杨(♂)小叶杨(♀)×钻天杨(♂)小叶杨(♀)×欧洲黑杨(♂)↓↓↓F1北京杨合作杨北京杨(二)复交(复式杂交(complexcross，complicatedcross，multiplecross)：是指两个以上亲本经过两次或两次以下的杂交。一般先将一些杂交亲本配成单交组合，再将单交组合与其他种杂交，或单交组合间杂交。进行第二次杂交时可针对单交组合的缺点选择另一个种或组合。常见的复交有以下几种。1、三交(three-waycross，triplecross)：(AXB)×C。Ａ、Ｂ的遗传成分在杂种中个占1/4，Ｃ为1/2。例如：(河北杨×毛白杨)×响叶杨↓南林杨2、双杂交(doublecross，doublecrosshybrid)：是指两个单交的F1再杂交。参加双交的亲本可以是三个，也可以是四个。(A×B)×(C×D)；(A×B)×(A×C)。例如(毛白杨×新疆杨)×(银白杨×灰杨)3、四交(four-waycross)：是指四个亲本的连续杂交法，[(AXB)XC]XD。五交(five-waycross)：五个亲本的连续杂交法。依此类推有六交、七交等。如：美国植物育种学家Burbank创造了非常复杂的杂交方式：[加拿大李×(宜昌李×杏李)]×{美洲李×[法国李×(克尔西李×樱桃)]}→无核李4、聚合杂交(convergent cross)：是复交的一种特殊形式，是指通过一系列杂交将若干个亲本的优良基因型聚合在一起，例如8个亲本的聚合杂交的步骤如下：第一次杂交：A／BC/DE/FG/H第二次杂交：A/B//C/DE/F//G/H第三次杂交：A/B//C/D3E/F//G/H(三)回交(backcross，BC)单交种再与其一个亲本的杂交。用作回交的亲本称轮回亲本。回交可把轮回亲本的优良特性在杂种后代中加强。具有优良特性的品种，一般在第一次杂交时用作母本，而在以后各次回交时用作父本。例如，刚松×火炬松的Ｆ1代生长优于母本，但是抗寒性不及母本强，通过Ｆ1与母本回交，Ｆ2的抗寒性得到了提高。若连续多代回交，就变成了自交。例如：A×B↓F1×AA在F1中所占的遗传组成为1/2在上例中，假设A的特性较B优良，则在第一次杂交时A用作母本，而在以后各次回交时作用父本。经过一代或若干代的回交，可把亲本一方的优良特性在杂种后代中加强。其后代的基因型将逐代趋于纯合，回交后代的基因型的纯合将严格受轮回亲本的控制。经5-6代回交，杂种的基因型已绝大部分为轮回亲本的遗传组成所置换。(四)多父本混合授粉杂交(poly-male-parentcross；multipleparentalcross)：A×(B+C+D+E+F)是指选用一个以上的父本品种花粉混合与一个母本品种杂交，其杂交方式有两种：一是多父本混合授粉，即将一个以上的父本品种花粉人工混合授给一个母本品种；二是多父本自由授粉，即将母本种植在若干父本品种之间，去雄后任其天然自由授粉。其目的是在一次杂交中就取得遗传基础更为丰富的原始材料，或为克服远缘杂交不可配取得杂种如中国林科院徐纬英先生采用小叶杨×(钻天杨＋旱柳)，成功地选育出在我国著名的群众杨，群众杨速生抗寒耐旱，抗病虫，适应性强。类似还有箭河小杨，就是箭杆杨×(河北杨+小叶杨)杂交组合选育出来的。甘肃农业大学刘榕箭胡毛杨就是箭杆杨×(胡杨+毛白杨)。山东农学院榆树杂交。广东林科所采用的撑稿竹×(麻竹+青皮竹)，获得的杂交种适应性强，耐寒，无性繁殖容易。又如，赤峰杨×(欧美杨+钻天杨＋青杨)，所获得的杂交种抗寒，抗旱，速生。二、杂交亲本的选择(selectionofcrossingparents)与杂交亲和性(compatibility)(一)杂交亲本的选择根据育种目标，选择合适的亲本，是获得优良重组基因型的先决条件，也是杂种后代性状形成的基础。杂交亲本的选择包括杂交组合的选择和杂交植株的选择。正确地选择杂交亲本是杂交育种成败的关键，在选配杂交组合时应考虑以下几点原则：1、依据改良目的或育种目标选择亲本。应根据育种目标以重要经济性状为主选择亲本。育种目标是速生，应该选择速生树种为亲本；如目标是抗病，则应选择抗病树种。用材树种的育种目标一般是:速生，材积生长快，材质好，抗病虫，适应性强，抗寒抗旱，耐瘠薄等；经济林木一般是早熟，丰产，优质和高抗(抗病虫，适应性强，抗寒抗旱，耐瘠薄等)。但是，对于某个地区，对于特定的树种来说，育种目标将更为具体。比如我国的核桃育种，在北方以优质，高产，抗寒为主；在南方应以优质，高产，薄壳，抗病为主。针对某一地区有特定的主攻目标，在云南苹果的目标应以品质风味，色泽，丰产，抗病为主；猕猴桃应以VC含量，果大小(单果重)，丰产为主。2、亲本双方的优缺点能够互补，双亲必须具有育种目标所要求的性状。选择亲本时要选优点多缺点少的。一方的优点应在很大程度上克服对方的缺点，达到取长补短的目的。如果双方的缺点多，又不能互补，就不容易育成所期望的杂种后代。亲本双方可以有共同的优点，绝不可以有共同的缺点。例如，选育目标为抗病，早实，丰产的品种，双亲中必须一方具有抗病，丰产和早实的性状，若双亲都不具有抗病特性，在杂种后代中就很难选择出抗病的品种。例如，吉林省果树研究所，在苹果抗寒育种中，采用金冠×红太平杂交组合，金冠的抗寒性差，但是丰产优质；红太平的抗寒性强，但果小，味道酸，从杂种群体中选育出的金红系列品种具有抗寒性强，丰产，品质好，果实大的特点，成为高纬度寒冷地区优良发展品种。如小叶杨与钻天杨杂交，小叶杨材质好，钻天杨速生，这样在杂种后代中，可以选育出兼顾材质和速生的两亲本优点的杂种无性系。3、考虑正反杂交组合的差异，利用母本遗传优势大(细胞质遗传)的特点，选择具有优点多的树种作母本。母本卵细胞内除细胞核外，还有大量的细胞质及其所含的各种细胞器，一切受细胞质基因所决定的性状，其遗传信息只能通过卵细胞传给子代。因此，合子的细胞质主要来自母本，杂种中母本性状占优势。4、选择具有明显地理生态差异的品种或类型作杂交亲本。 这样可以使杂种后代的遗传基础更加丰富，增强杂种优势，获得更多的分离类型，甚至出现超亲变异。例如，北京植物园用欧洲葡萄中的玫瑰香品种(含糖量18%)和我国东北的山葡萄(含糖量15%)杂交，杂种平均含糖量为20%，最高达24.9%。前苏联人研究葡萄杂交育种的杂种选优率得出：品种内自交后代选优率为0.16%，相同生态地理群内杂交后代选优率为0.77%，而不同生态地理的品种间杂种选优率为2.52%。所以双亲的生态型不同，非加性效应越大，后代的适应性较广，容易从后代中选出适应性强的优良杂种。河南省泡桐所利用南方的白花泡桐、台湾泡桐和北方的兰考泡桐，毛泡桐杂交，杂种有较明显的生长优势和广泛的适应能力。5、考虑亲本性状的遗传规律。分析各树种重要性状的遗传规律，将会有助于有目的的选配亲本组合。首先要考虑目标性状属于数量性状或是质量性状。当数量性状和质量性状都要考虑时，应首先根据数量性状的优劣选择亲本，然后再考虑质量性状。这是因为数量性状受多基因控制，它的改良比质量性状难得多。其次要考虑具体性状是单基因控制还是多基因控制。在单基因控制的情况下，亲本的基因型是纯合还是杂合，性状间的显隐性关系，外界条件的影响程度等。此外，不同植物不同性状的遗传力差异很大，在选择亲本时也要注意研究。例如，小叶杨的抗旱性和抗寒性，箭干杨、钻天杨的窄冠性状的遗传力较强，在培育抗寒、耐旱、窄冠品种时，可考虑采用它们作为亲本。一般来说，质量性状，如冠型，叶型，花型，干型，抗性，果型等有较高的遗传力；数量性状，如产量，单果重，生长量，叶片大小等遗传力较低。野生种比栽培种，老的栽培品种比新的栽培品种；当地品种比外来品种；纯种比杂种；成年植株比幼年实生苗；自根植株比嫁接在其他种砧木上的植株，遗传能力要强。6、考虑双亲杂交亲合力(可配性，配合力)的大小优良的品种并不是优良的亲本，这种因双亲交配组合不同而表现出子代的差异，表明不同亲本间有不同的组合能力，称为配合力。杂交亲本间应具有较好的配合力。配合力分为一般配合力(generalcombiningability,GCA)和特殊配合力(specificcombiningability,SCA)。一般配合力是指某一亲本品种与其他若干品种杂交后，杂种后代在某个性状上的平均表现，也可以说是某一亲本在其杂交后代中性状的平均值与子代总平均值的离差。一般配合力高的性状反映了亲本品种控制该性状的基因加性效应大，不仅其杂种第一代的表型数值与两亲平均值有密切关系，而且随着世代的增加、基因型的纯合、增效基因的逐代累加，有可能选出稳定的超亲重组型个体。所以在杂交育种中选配的亲本应具有较高的一般配合力。特殊配合力指两个特定亲本所组配的杂种的某一性状表现，也可以说是某一特定杂交组合子代平均值与子代总平均值及双亲一般配合力的离差。特殊配合力是由基因的非加性效应决定的。亲合力大，杂交容易进行，可获得杂种的大群体，选择强度大，可选择的范围大则杂种选优的机率大。一般亲缘关系近，亲合力高；亲缘关系远，亲合力低。(亲合力是指杂交结实能力，是指授粉后受精结籽能力)。(二)杂交植株选择杂交组合确定以后，亲本植株选择的好坏，对育种效果的影响很大；相同的杂交组合，往往因选用的亲本植株不同，后代表现显著不一样。1、尽量选择优树或生长健壮植株作杂交亲本；2、选择本地乡土树种或品种、杂种、幼龄结果树、目标性状多作母本；3、选择壮龄树作父本；4、从杂交技术上选择晚花类型或高海拔，气温低的品种作母本。(三)杂交亲和性(compatibility)，也称可配性，亲合力。杂交亲和性(compatibility)是指亲本间授粉后受精结实能力高低的特性(杂交可配性是指杂交取得有生命力的杂种种子的机率)。亲和性好，说明授粉受精能力好，杂交容易成功；亲和性低(差)，说明受精结实能力差。亲和性一般取决于两个方面：1、亲缘关系的远近种内杂交一般有较高的亲和性，杂交容易成功，但是杂种的变异局限于种的范围；种间杂交，一般亲缘关系较远，亲和性差，获得杂种种子的量少，但是杂种的变异大。2、地理分布的远近分布于同一地区，同一生态环境的物种，其种间通常不能杂交，因为它们之间产生了某种生殖隔离；而分布较远的物种间一般杂交容易。第三节杂交育种的程序一、制定育种目标和杂交育种计划为什么要进行杂交工作？想解决什么理论或生产问题？有什么理论依据可循？想要达到目标或目的？这些问题必须明确，才能有的放矢。所以在杂交工作之前， 必须结合当地的生产实际来制定育种目标、之后要制定育种计划和方案。二、育种原始材料的搜集与研究(一)育种原始材料的收集为了使杂交育种工作落到实处，在杂交之前必须对杂交育种原始材料进行收集，否则就等于巧媳妇难做无米之炊。最初准备用来进行杂交育种的所有材料统称为育种原始材料(也称为育种种质资源或育种基因资源essentialparentmaterial，germplasmresources，generesources)。育种原始材料包括野生种和栽培的树种、类型、品种和无性系以及人工途径创造出来各种基因型材料。具体有三个方面：1、树种的收集(种间变异的收集)种间或属间的杂交是创造人工变异的主要途径，有计划地收集相关属种是十分必要的。例如，要进行板栗杂交育种，就必须有以下树种，美国板栗，中国板栗，欧洲板栗，日本板栗，茅栗，锥栗，榛栗等的雌雄花枝或花粉。2、品种类型的收集(种内变异的搜集)：包括人工栽培的优良品种或类型以及人工诱变出来的变异体。3、野生种或野生变异的收集：野生变异常具有很好的抗性基因，抗性育种非常重要。通常杂交育种科学研究项目以建立育种原始材料圃形式进行收集。既保存了树种的基因资源，又是进行杂交育种的基因库。(二)育种原始材料的研究收集育种原始材料的目的在于应用和利用它。要利用，首先应对被利用的对象有全面深入地了解和研究，了解得越全面越详细，则利用得愈充分愈合理。植物的遗传性状是很多的，包括形态特征，生长发育特性，生理生化特性，抗性(抗寒抗旱，耐瘠薄耐水淹，耐盐碱，抗病抗虫等方面)。应重点了解和研究以下几个方面：1、形态特征：枝，叶，芽，花，果等形态及构造上的区别，以及分枝角度，粗细及数量，冠形等特征；2、生长发育习性：苗期及成年大树的生长表现，物候，花期，结果期，结实特性等；3、抗逆性表现：抗寒抗旱，耐瘠薄，耐水淹，耐盐碱，抗病抗虫等方面；4、主要经济性状：生长量，速生特性，树形，干形，材质；经济林木的产量，单果重，品质风味，出籽率，含油率，含糖量等，结果母枝数，果枝率，果枝长度和粗度等；5、授粉特性：主要了解花的构造，何种授粉方式，可孕性情况，可配性等。三、熟悉植物的开花结实生物学特性和准备杂交用具1、需要了解树木的始花年龄。个体之间因遗传差异是有差别的；另外土壤养分，水分条件，光照状况，温度等影响始花年龄，孤立木的开花比林分早；瘠薄干旱立地条件比肥沃湿润的立地早；分布区南的较北部的早；嫁接树比实生树早；阳坡比阴坡早。2、了解植物花的构造。两性花(同一朵花中有雌蕊和雄蕊)，如泡桐，刺槐，榆树等；雌雄同株异花(雌花和雄花(单性花)分别着生在同一植株的不同部位)，如松，柏，落叶松，柳杉等；雌雄异株(雌花和雄花分别着生在不同的植株上)，如，雪松，银杏，杨柳，水曲柳等。花型不同，构造不同，杂交操作的难易不一。两性花杂交前必须去雄，既费事又损伤组织，影响杂交成功。3、了解树木的授粉方式。传粉方式主要有风媒(windpollination，花粉有气囊)和虫媒(insectpollination，花粉有粘性物质)，授粉方式自花授粉和异花授粉(self-pollinationandcross-pollination)。自花授粉是指同一朵花，同一植株不同朵花间，以及同一无性系分株间的雄蕊花粉授在雌蕊柱头上(自花可育，闭花授粉是自花授粉的一种，在花未开放前就授粉)；否则就是异花授粉(自花不育，异花可育)。树木基本上都属于异花授粉，自花授粉时常表现不孕或子代不正常，树木常具有实现异花授粉和避免自花授粉的各种适应性。如虫媒树木的花色艳丽，香气宜人，具有蜜腺；风媒的具有花粉数量多，生命力强，适于风力传播的特性。雌雄同花时，雌雄异熟，雄蕊异长等现象来避免自花授粉。4、了解从开花到种子成熟的过程。阔叶树种子成熟时间短2-10个月，而针叶树(松)由传粉，花粉管萌发到受精需一年时间，所以第一年春天杂交到第二年秋末才能取得种子。杂交用具有：镊子，剪刀，贮粉瓶，干燥器，毛笔，标签，隔离袋，金属网筛等。四、花粉技术1、花期调整进行有性杂交时常常遇到花期不一致的情况，给杂交工作带来麻烦，这就需要进行花期调整。树木的开花时间是本身内在的遗传因素和所处的外界环境条件所决定。环境因素主要是温度和日照(包括光周期)。由于温度和光照对花芽的开放有促进或延迟作用，在高温和光照充足条件下通过花枝的水培或盆栽可提早开花；相反，在低温和阴暗下可推迟开花。(杨逢春，李桃杂交新品种培育情况。云南林业科技。1985，(1):6-8，桃先花，李后花，对李进行高空压条，矮化盆栽，开水温根，热气提温，电石粉产乙炔气催花，实现桃李迎春，桃李杂种成功)。另外增施磷钾肥有利于花芽形成和开花用生长调节剂( 生长素，赤霉素GA3)可调节花期。但是，有的树种花期相隔太长，如榔榆在秋天开花，白榆春天开花用上述措施无能为力。必须进行花粉的收集，贮藏。2、花粉的收集，贮藏和运输以及花粉生活力测定花粉的收集:花粉的有无，数量的多少，质量的好坏决定着杂交育种的成败。对于不能通过花期调整来实现杂交的树种，必须进行花粉的提前收集工作。(1)花粉的收集A、树上收集：首先要掌握撒粉规律，一般风媒花在上午9时左右开始撒粉，11-14时是雄花盛开的时间，套袋收集，防止混杂。B、摘下花序收集。C、培养花枝收集。水培收集D、矮化盆栽收集和建立花枝标本园(2)花粉的贮藏与寄运：花粉的贮藏条件是干燥，低温和黑暗。一般要求温度在0-5℃；相对湿度不高于30%(20-50%)；使花粉处于微弱的呼吸和新陈代谢之中。花粉的贮藏也是基因保存的一种方式。见经济林P101。花粉的贮藏和寄运必须透气不能密封，这一点很重要，因为花粉是有生命的。(3)花粉生活力测定：对于外地寄运的或长期贮存的花粉，在杂交前必须进行生活力测定，以防花粉失去活力，使杂交失败。也便于杂交是否正常的真实原因。A、形态鉴定法：将花粉粒置于显微镜下观察，一般变色，畸形，皱缩，干瘪的花粉失去活力。在显微镜下观察变形，畸形，皱缩，干瘪的比率，来确定生活力的大小。B、直接测定法：一种是把花粉直接授在同种植株的雌蕊柱头上，并做好隔离观察结实情况，如果发育正常，收到种子，即证明花粉有生命力，由于柱头上有促进花粉发芽物质，所以常常在人工培养基上不能发芽的花粉，在柱头上却能结果。此法适用于阔叶树种。C、活体检验法：把花粉直接授到同种植物的雌蕊柱头上，并做好隔离工作。经1-3天采集已授过粉的柱头，用FAA固定液或在60℃温水中固定15分钟以上，将固定的花柱取出，再用1%的苯胺蓝水溶液或0.5%的苯胺蓝乳酸酚染色数小时后，把花柱撕开，放在载玻璃片上，盖上盖玻片，用大拇指轻压，放在显微镜下观察，若花粉具有生命力，即可看到染成蓝色的花粉管伸入柱头组织，若花粉不具生命力，则看不到这种情况。此法适用于多数树种，特别是对阔叶树，效果良好，此法也为直接鉴定法。D、培养基法：又称花粉发芽试验法，将100ml蒸馏水装入三角瓶中，加入0.5-1g琼脂，把三角瓶隔水加热，使至溶解，然后加入5－15克的蔗糖或葡萄糖因各种树木花粉发芽的最适浓度不同，可多配几种浓度的培养基进行试验。高压消毒后，在未凝固前，将不同浓度的培养基分别滴入凹槽内放置片刻，冷却凝固后，将供检验的花粉均匀地撒在培养基上，花粉不可过多，，以免影响观察，把制备的片子放入预先消过毒的垫有滤纸的培养器中，放在20－25℃的恒温箱内，24小时后镜检花粉发芽情况。培养基中也可不用琼脂，而成为液体培养基，但糖的浓度要适当增高，有的试验高达50％，糖是花粉管伸长的能源，各树种最适浓度不同，一般在10－15％之间。对于一些花粉发芽慢的树种，如松树，最好避免用食糖，因发芽时间长，易被真菌污染，可用抑菌剂来克服。许多试验表明，在培养基中加入适量的微量元素，如棚、锰、钙等，对花粉发芽有促进作用，用硼酸作硼源加入培养基中，以刺激发芽和花粉管理生长，培养基中硼浓度以100－400ppm为宜。浓度过高则可以起抑制作用甚至成为毒害。检查花粉发芽率时，为保证测定结果的代表性，可随机在低倍显微镜下，取4个视野计算花粉总数及其平均发芽数。以松树种子为例，花粉管的长度超过或等于短轴时，即算发芽花粉。E、染色法：比较简单和常用。是借助于测定花粉内酶活性的强弱来测定花粉生活力，凡有生活力的花粉均具有过氧化氢酶的存在，它可使过氧化物(如双氧水H2O2)放氧分解，被解放出来很容易使还原剂氧化。还原剂(如联苯胺等)被氧化后表现出红色或玫瑰色。在给花粉染色时，如果花粉是活的，则花粉很快被染上色，如果花粉是死的，则染不上色。也可先把花粉置于载玻片上，滴入0.025%的甲基兰溶液一滴，盖上玻片，数分钟后在显微镜下检查，凡无生活力者染成深蓝色，有生活力者褪为不同程度的浅蓝色或灰色，退色能力的强弱与生活力的强弱呈正相关，次甲基兰的浓度可任意调节，以期获得最明晰的结果。五、杂交技术(crosstechnique)杂交技术具体就是人工控制授粉(artificialcontrolledpollination)，在人为控制下进行授粉的有性杂交。主要步骤有去雄(castration，emasculation)，套袋隔离(baggingisolation，baggingsegregation)，授粉(pollination)，去袋(de-bagging)等。依据杂交地点又分为树上杂交(树上控制授粉)，室内切枝杂交，嫁接杂交，矮化盆栽杂交等。1、去雄(castration，emasculation)：对两性花在花粉成熟之前去掉雄蕊，目的是防止自交和花粉污染。2、套袋隔离(baggingisolation，baggingsegregation) ：对去了雄的两性花或单性花在雌蕊成熟之前必须套袋隔离，套袋隔离与去雄同时进行。一般用透明纸作隔离袋，国外用大的试管两端用棉球堵塞。3、人工授粉(artificialpollination)：将隔离袋顶端打开一小口，待雌花开放，柱头分泌粘液时，表示雌蕊成熟，即可授粉。用喷粉器或毛笔将花粉涂撒在雌蕊柱头上。授粉后立即套袋隔离，挂牌标记。4、整个杂交过程的观察记载，建立档案资料。做好记录记载工作、填写记载表，非常重要。杂交过程记载表母本名称及株号袋号套袋日期袋内花朵数授粉日期授粉方式父本名称采种日期种子数量备注5、人工控制授粉必须注意的几个事项:(1)去雄要彻底、干净、细心、及时。(2)套袋要及时，单性花也要套袋。(3)隔离袋和授粉工具原则上只能使用一次。以防花粉污染，系谱混乱。(4)授粉后要勤观察，雌蕊柱头仍然和授粉前一样，无萎缩，则需要重复授粉，多次授粉。(5)树上授粉应在无风的早晨进行。(6)结实后要注意保护果实，不受破坏。(7)杂交组合要有对照。第三节远缘杂交一、远缘杂交的意义1、远缘杂交是创造植物新种，新类型，新品种的重要途径。栽培品种与亲缘关系较远的野生种杂交，可使栽培品种获得一些野生种中有价值的性状，形成新的植物类型。米丘林用普通花楸(Sourbusaucuparia)和山楂杂交得到了属间杂种"石榴红花楸"。美国园艺学家布尔班克(L.Burbank)以杏(Prunusarmeniaca)和中国李进行种间杂交，创造了十几个有价值的种间杂种，其中有的结出了硕大而风味独特的果实；有的则开花推迟，能避免春霜(晚霜)危害。北京植物园用山葡萄和欧洲葡萄杂交，培育出了抗寒，含糖量高，适于酿造红葡萄酒的北醇和北红品系。前苏联人曾以乌苏里野生梨(北方)与苏联南方梨杂交，得到抗寒杂种梨品种。除人工杂交得到了远缘杂种以外，在自然界也有很多天然远缘杂种。如山东和甘肃的苹果梨，口味独特，即有梨的味道，又有苹果的味道，且丰产性和抗寒性较强。被认为是秋子梨与砂梨的天然种间杂种。又如福建的柰(nai)，果形似桃，但果面不被茸毛，果肉似李，品质优良，被认为是桃与李的种间自然杂交种。广东，福建的蕉桔，被认为是宽皮桔与甜橙的种间天然杂种，其性状介于橙与桔之间，具有丰产，优质，耐贮运的特点。我国科学家创造新种的情况：甘蓝(Brassicaoleracea，2n=18)和萝卜(Raphanussativus2n=18)杂交所产生的多倍体——萝卜甘蓝(四倍体，2n=36)。这个杂种和亲本有明显的区别：它的根类似甘蓝，叶类似萝卜的叶，没有经济价值。但是在生物学上却有突出的意义：它达到了物种的等级，性状稳定，跟双亲一般不能杂交，自己却充分能育。另外一个例子是：用普通小麦(六倍体，n=21，2n=42)与黑麦(二倍体，n=7，2n=14)杂交，并进行染色体加倍。获得的小黑麦(八倍体，2n=56)杂种，这个杂种就是八倍体小黑麦。它不同于母本，又不同于父本，是一个新类型，达到了新种的等级。另外，科学家还进行了一些验证：普通小麦是一个异源六倍体，经过染色体研究后推断：普通小麦(2n=42)是由一粒小麦(2n=14)、拟斯卑尔脱山羊草(2n=14)和节节麦(2n=14)组成，用这3个种杂交获得同现在栽培的小麦非常相似、2n=42的杂种小麦来，这个杂种可以与普通小麦杂交并产生正常的后代；再如，陆地棉是一个异源四倍体，它可能是亚洲棉(2n=26)与墨西哥野生棉(2n=26)杂交而来，通过亚洲棉与墨西哥棉杂交、染色体加倍，得到的异源四倍体(2n=52)的确和现存的陆地棉十分相似。以上例证说明，通过远缘杂交、多倍体化可以产生和形成新种的等级。2、远缘杂交是研究物种系统发育的重要手段通过远缘杂交的研究，可以看到不同种属间的杂交亲合性(力)，从而阐明一些种、属之间的亲缘关系的远近和物种形成的途径。苏联人曾以黑刺梨(Prunusspinosa)与樱桃李(P.cerasifera)杂交，然后把杂种进行染色体加倍，得到了与欧洲李(P.domestica)相类似的杂种。因此，可以认为欧洲李起源于上述种间杂交的结果。樱桃李(P.cerasifera)×黑刺梨(Prunusspinosa)(2x=16)↓(4x=32)F1(3x=24)↓(染色体加倍)欧洲李(P.domestica)(异源六倍体) 二、远缘杂交的特点远缘杂交和近缘杂交(种内杂交)相比较，具有四个方面的特点：1、远缘杂交的不亲合性(不孕性)远缘杂交由于亲缘关系较远，在长期的进化过程中，形成了许多隔离机制，受精过程很难进行，导致杂交不能正常结实和获得种子。柱头不识别，不接受花粉。2、远缘杂交的不育性(不实性)远缘杂交所获得的种子，常表现出不育的特点。所谓不育(不实)是指杂种种子不能成活，或者能成活但不能开花结实，不能延续后代。(驴与马交配得骡子不生育)。3、远缘杂交后代分离的广泛性由于两个亲本亲缘关系较远，在遗传上存在较大的差异，因此杂种后代的性状分离比种内杂交更为广泛。在多父本混合授粉的情况下，远缘杂种后代的变异更大。例如：黑刺梨(2n=32)×桃(2n=16)↓F1(有不同倍数的染色体个体。有2n=32，2n=24，2n=16)4、远缘杂交的杂种优势远缘杂种的杂种优势出现多极分化，有些杂体生活力极为衰退，有些生活力极为旺盛。例如：广东林科所，撑高竹×麻竹的F1一年生纤维的比重达50.8%；比母本和父本分别高出47.1%和35.6%。而且，表现出适应性强，较耐寒，容易无性繁殖的特点。柑桔类果树的属间杂种“枳橙”，生长旺盛，抗逆性强。四川汉源的黄果柑就是橘橙的天然杂种；浙江兰溪的曹苟栗就是板栗和锥栗的天然杂种，四川西昌的蓝大桉是蓝桉和大叶桉的自然杂种。多数天然杂种均表现出生长快、产量高、适应性强的特点三、远缘杂交不亲和(不孕性sterility)的原因及其克服的技术方法(一)远缘杂交不亲和(un-affinity，不孕性sterility)的几种原因1、由于异种植物的柱头环境和柱头分泌物差异太大，致使花粉在异种植物的柱头上不能萌发。2、花粉管生长缓慢，或者花粉管太短，而不能进入子房到达胚囊。3、花粉管虽能进入子房并到达胚囊，但不能受精。4、可以受精，但幼胚不发育、或发育异常、发育中途停止。5、幼胚可以发育，但幼胚、胚乳和子房组织之间不协调，缺乏协调性，特别是胚乳不正常而影响胚的正常发育。这些不亲和的生理上和发育上的因素，都是物种间遗传基础差异的反映。(二)远缘杂交不亲和性(不孕性)克服的技术方法1、选择适当亲本，并注意正反交。在选定做亲本的种属内，选择亲和性较好的种类(品种、类型)做亲本。例如：山荆子×西洋梨→亲和性高、杂交容易成功；秋子梨×西洋梨→很难杂交，不易成功。R.L.Knight(1969)报道：桃与山桃、甘肃桃、光核桃，杂交容易结实。而与砂樱桃、李、樱桃等杂交困难。根据沈阳农学院的研究报道：蔷薇科内不同属间杂交结实率不同。苹果×梨，结实率10.5%，结籽率3.87%；苹果×核果类，结实率只有2.9%；结籽率0.57%；苹果×草莓，则不同杂交结实。远缘杂交常常正反交结果不同，差异很大。例如：西洋梨×苹果→能成功，相反，苹果×西洋梨→不成功。圆叶葡萄(Vitisrotundifolia)×欧洲葡萄→没有成功，而反交组合杂交就得到成功。在选定的种属内，采用染色体数较多或染色体倍数性高的(多倍体)作母本。选择氧化酶活性强的作父本，杂交容易成功。选择第一次开花的幼龄的、杂种起源的作母本，容易成功。这是米丘林的经验，幼龄杂种树的可塑性大、柱头对花粉的选择性不严格。2、混合授粉和多次重复授粉所谓混合授粉：在父本的花粉中，掺入少量其它品种甚至包括母本花粉，然后授于母本柱头上，这样可以解除母本柱头上分泌的某些阻碍异种花粉的特殊物质，使杂交获得成功。A、这是米丘林首先创造的一种方法。苹果×(梨+少量苹果花粉)→杂交成功。B、沈阳农学院：国光苹果×(鸭梨+苹果梨+二十世纪梨)→杂交成功C、福建农学院：南丰桔×(柚子+少量甜橙、福桔)→杂交成功。D、西北农业大学：苹果×(西洋梨＋死的苹果花粉)→结实率比对照提到１倍。E、南京林业大学：在松类杂交时，采用多父本混合授粉，也获得了很好的效果，黑松×(湿地松＋火炬松＋南方松)，结实率达22%，比对照高出40％。混合花粉能使提高杂交的成功率，后代分离更广泛。多次重复授粉：也就是强制接受花粉的方法，重复授粉能提高结实率室因为母本柱头的成熟程度和生理状况在不同时期有所差别，接受异种花粉(对花粉的选择性)也不相同。 西北植物所：蚂蚱麦×长穗偃麦草，授粉一次结实率0.2%；授粉两次(隔日重复一次)的结实率7.4%；授粉三次(第三天再授粉一次)的结实率为9.6%。3、预先无性系接近法：这是米丘林园艺实践工作的经验总结。在杂交之前，先将亲本互相嫁接在一起，使它们彼此的生理得到协调，或改变原来的生理状态，而后进行有性杂交。米丘林曾用梨和花楸杂交没有成功，后来他先得到普通花楸与黑色花楸的杂种，然后将杂种幼龄苗嫁接在成年梨上，经过6年时间，它们在生理上逐渐协调，当杂种开花，授于梨树花粉。这样便成功地获得了梨和花楸的远缘杂种。4、媒介法：当甲与乙两物种直接杂交不能成功时，可以用亲本之一先和第三类型杂交，将得到的杂种再与另一亲本杂交。蒙古野生扁桃×达维桃↓居间扁桃×栽培桃↓杂种桃(具有高度耐寒性)5、柱头移植法、柱头剪短法以及柱头液法柱头移植法：先将父本花粉先授于同种植物的柱头上，在花粉管尚未完全伸长之前，切下柱头，移植在异种母本花朵的柱头上，或者先进行异种柱头嫁接，待1-2天愈合后再授粉。柱头剪短法：就是把母本雌蕊柱头剪短，然后进行授粉。柱头液法：在母本柱头上置以父本柱头碎块，或者将父本柱头组织液涂抹在母本柱头上。这些三种方法都是可行的。要求操作细致，常在柚较大柱头的植物种使用这些方法。6、体细胞融合体细胞融合这是60年代后开始发展的一项新的生物技术。体细胞融合：它可以克服远缘杂交中不亲和性的阻碍，可以使亲本基因进行广泛的重组，创造自然界没有的新类型。体细胞融合的主要环节有以下几个方面：A、原生质体的制备：取健康植株的嫩叶或幼嫩根尖，消毒后，切成一定小块，置于一定浓度的酶液(4-5%的纤维素酶和果胶酶)中浸泡，以脱去细胞壁中的纤维素和细胞间的中胶层，去除细胞壁，以获得原生质体。B、诱导融合：将选定的两个种的原生质体置于同一试管中，以促进种间原生质体融合和核融合。一般自发融合的频率很低，可加入一些融合诱导剂，效果好的有聚乙二醇、高钙、高pH值等。C、杂种原生质体的甄(zhen)选:由于常常发生自体融合(A☆A和B☆B两种)，为了获得真正的种间融合(A☆B)的杂种细胞，还必须采用一些特殊技术进行甄选，选出属于非同源的原生质体融合体(种间融合杂种细胞)进行培养。D、诱导分化：将杂种原生质体置于一定培养基上培养，促进细胞分裂，产生多细胞团和愈伤组织，再进一步分化成植株。7、组织培养技术在装有培养基(culturemedium)的试管中进行人工授粉(artificialpollination)、受精(artificialfecundationorimpregnation)。在烟草(tobacco)和罂粟(opiumpoppy)杂交育种中以获得了成功。对于杂种胚的早期败育问题，利用组培技术来培养发育不良的幼胚，已经在许多植物杂交育种中广泛应用。8、化学药剂的应用应用赤酶酸、萘乙酸、硼酸等化学药剂涂抹或喷洒花朵，能促进花粉发芽和花粉管的伸长，有利于完成受精过程。试验表明：赤酶酸可以使花粉管增长数倍；萘乙酸用于克服苹果与梨的杂交困难。A.G.Brown曾经用梨作母本，去雄后授以苹果花粉，立即用400ppm的β-萘乙酸处理花柱和子房基部，24小时重复一次，杂交获得了成功。四、远缘杂种的不育性(不实性)及其克服1、原因：不成活性(debility)：是指杂种种子不发芽，或虽能发芽，但幼苗衰弱而早期夭折。其主要原因：是远缘杂交遗传基础差异太大，造成生理上的不协调(disharmony)，有严重的生理环节缺陷(physiologicalprocessdrawback)，影响成苗成株。不实性(sterility，barren)：是指杂种虽能成活，但结实性极差或不结实。其原因主要是：由于染色体的不同源性(non-homology)和基因间的不和谐(disharmony)，染色体不联会(asynapsis)、不配对(non-pairing) ，随之产生无生活力或生命力的雌雄配子；有的杂种生殖器官发育不全，不能产生雌雄配子。2、克服的技术方法：A、杂种胚的离体培养(invitrocultureofhybridembryo)：将杂交所得的不饱满种子，取出幼胚，进行组培(tissue-culture)。这种方法对于种子不发芽、幼胚早期夭折、死亡是行之有效的。B、杂种染色体加倍(doublingchromosomenumbersinsomaticcell)：对于亲缘关系较远的二倍体杂种，在种子发芽初期或苗期，用0.1-0.3%秋水仙素(秋水仙碱)处理若干次数，使体细胞染色体加倍，获得异源四倍体，可育(fertile，productive)。染色体加倍法被广泛采用，获得了显著效果。C、回交法：杂种在染色体分裂不规则、不正常的情况下，能产生少量可育的雌配子，采用回交法，回交后代可大大提高结实率。D、改善营养条件：由于生理机能不协调，可在开花期，加强栽培管理，实现结实。常用根外追肥，喷施P、K、B等微量元素和促进开花的外源激素。E、采用嫁接方法：把杂种芽条嫁接在亲本或其它成年砧木上，改善杂种的营养和生理环境实现结实。如米丘林先生：对斑叶稠李(P.manckii)×酸樱桃的杂种起初不结实，后来他把杂种嫁接在甜樱桃上第二年便结实了。F、人工辅助授粉：采用混合花粉进行人工辅助授粉，可提高结实率。延长培育世代，加强选择：远缘杂种的结实性，往往随着树龄而提高，也随着有性世代的增加而提高。例如，树莓×黑树莓远缘杂种，大多数花儿不实，只有个别能结少量果实，但经过4个世代的连续选择，终于得到了丰产、优质、大果的“奇异新品种”。第四节杂种优势(heterosis)及利用一、杂种优势的概念及度量(一)杂种优势的概念和类型杂种优势(heterosis，hybridvigour，heteroticvigor)是生物界的普遍现象。它是指两个遗传组成不同的亲本杂交产生的杂种第一代，在生长势，生活力，繁殖力，抗逆性，产量和品质上比双亲优越的现象。根据杂种优势性状表现的性质，可以把杂种优势划分为三种基本类型：一是杂种营养体发育较旺的营养型；二是杂种生殖器官发育较盛的生殖型；三是杂种对外界不良环境适应能力较强的适应型。这三种类型的划分只是相对的，实际上它们的表现总是综合的，这里不过是按其优势明显的性状作为一个划分的标志。(二)杂种优势的度量根据杂种优势杂种优势对质量性状来说，采用定性描述和量化分析；对于数量性状而言必须定量衡量，为了便于研究和利用杂种优势，通常采用下列方法度量杂种优势的强弱：1、中亲优势(mid-parentheterosis)指杂交种(F1)的产量或某一数量性状的平均值与双亲(P1或P2)同一性状平均值差数的比率。计算公式为：中亲优势＝2［F1－(P1＋P2)／2］／(P1＋P2)X100％2、超亲优势(over-parentheterosis)指杂交种(F1)的产量或某一数量性状的平均值与高值亲本(HP)同一性状平均值差数的比率。计算公式为：超亲优势＝(F1－HP)／HPX100％有些性状在F1可能表现出超低值亲本(LP)的现象，如这些性状也是杂种优势育种的目标时，可称为负向的超亲优势。计算公式为：负向超亲优势＝(F1－LP)／LPX100％3、超标优势(over-standardheterosis)指杂交种(F1)的产量或某一数量性状的平均值与当地推广品种(CK)同一性状的平均值差数的比率。也有的称为对照优势。计算公式为：超标优势＝(F1－CK)／CKX100％4、杂种优势指数(indexofheterosis)是指杂交种某一数量性状的平均值与双亲同一性状的平均值的比值，也用百分率表示。计算公式如下：杂种优势指数＝2F1／(P1＋P2)X100％ 经过上述公式计算后，可将杂种优势归纳为四类：当F1值大于HP时，称为超亲优势；当F1值小于HP值而大于双亲平均值MP时，称为中亲优势或部分优势；当F1值等于双亲平均值MP时，无杂种优势；当F1值小于LP值时，称为负向超亲优势或负向完全优势。有些性状要求正向优势，如花径、抗逆性等；有些性状要求负向优势，如株高、早花等。二、杂种优势表现的特点不论那种优势都具有以下几个特点:1、杂种优势不是一、二个性状单独地表现突出，而是许多性状综合地表现突出。一般既速生又强壮，只不过一方比较突出罢了。2、优势的大小取决于双亲性状间的相对差异和相互补充。大量实践证明:双亲的亲缘关系、生态类型和生理特性差异越大，优势越强，反之，就较弱。种间杂交和地理分布遥远的品种间杂交优于同一地区内的品种间杂交。总之杂种基因型的高度杂合性是形成杂种优势的重要根源。3、杂种优势的大小与双亲基因型的高度纯合具有密切关系。F1群体高度整齐一致的异质性是优势表现的重要方面。F1越整齐，性状分离或分化小，不会混杂。4、优势的表现与环境也有密切的关系。因为生物和环境具有不可分割的关系，即表型等于基因型和环境综合作用的结果。三、杂种优势的遗传理论杂种优势是一种普遍的生物学现象，杂种优势的利用已在生产实践中发挥巨大作用，杂种优势的遗传基础问题是近百年来几代科学辛勤求索的重大的科学问题，杂种优势遗传基础的揭示必然会为合理充分地利用杂种优势提供理论和途径。关于杂种优势的遗传解释和形成原因的理论探讨，许多学者从不同的研究结果提出了各种假说，主要是显性假说和超显性假说。(一)显性假说(DominanceHypothesis)也叫“显性基因互补说”或“连锁有利显性基因说”。此假说最先于1910年由布鲁斯以数学形式提出，认为杂种优势是由F1综合了原来分别存在于2个亲本中有利的显性基因或部分显性基因，从而掩盖了不利的隐性基因的结果。现用一般基因型表达式为例。假定它们有5对基因互为显隐性的关系，分别位于2对染色体上。同时假定各隐性纯合基因对性状发育的作用为1，而各显性纯合和杂合基因的作用为2。其杂种优势可表示如下：这个假说认为，杂种优势的产生正是由于有利显性基因聚合积累，相互补充的结果。杂合个体进行自交或近交就会增加子代纯合体出现的机会，暴露出隐性基因所代表的有害性状，因而造成自交衰退。但是，这一假说也存在着缺点，它只考虑到等位基因的显性作用，但没有指出非等位基因的相互作用，即上位效应。(二)超显性假说(overdominancehypothesis，superdominancehypothesis)又称“等位基因异质结合假说”。最初于1908年由沙尔和伊斯特分别提出的，他们认为杂合性，即异质结合所引起的基因的互作，是产生杂种优势的根本原因，而且优势随着杂合性程度的增加而增加。根据这一假说，等位基因间没有显隐性的关系，杂合等位基因间的相互作用显然大于纯合等位基因间的作用。现同样用基因型表达式为例。假定2个亲本各有5对基因与生长势有关，各等位基因均无显隐性关系。同时，假定a1a1、b1b1等为同质等位基因时的生长量为1个单位，而a1a2、b1b2等为异质基因时的生长量为2个单位。这两个自交系产生的杂种优势可表示如下：超显性假说的最直接的论证是两个亲本只有一对等位基因的差异，杂交能出现明显的杂种优势。如有些植物间的杂交，粉红色×白色，F1为红色，F21:2:1分离；淡红色×蓝色，F1为紫色，F21:2:1分离。实验表明一对异质等位基因的互作，可导致来源于双亲的新陈代谢功能的互补，或生化反应能力的加强等。由此可见，由于异质基因的互作，F1的杂种优势可以显著地超过双亲，这一假说可以解释杂种远远大于最优亲本的现象，所以称为超显性假说。综上所述，这两个假说的共同点在于：都立论于杂种优势来源于双亲基因型间的相互关系；不同点在于：前者认为优势是由于双亲的显性基因间的互补；后者认为优势由于双亲等位基因间的互作。综观生物界杂种优势的种种表现，这两种假说所解释的情况都是存在的。上述假说只考虑双亲细胞核之间异质作用，完全没有考虑母本细胞质和父本细胞核之间的关系。越来越多的研究表明"父核"与"母质"的相互作用，也是一个不可忽视的因素。因此，杂种优势可能由于基某一个或几个遗传因素造成的，它们的交互作用非常复杂，即可能是由于双亲显性基因互补、异质等位基因互作和非等位基因互作的单一作用，也可能是由于这些因素的综合作用和累加作用。因而可以把这2种假说看成是总的杂种优势理论中的组成部分，可以相互补充，而不是相互排斥。除这2个假说外，以后又提出了各种补充假说，如遗传平衡假说、杂种生境假说等。但对它们的实质及其规律，还没有十分明确的结论，还有许多尚待深入探讨。总的说来，关于杂种优势的遗传机理，尚属假说的性质，迄今为止还没有比较满意的解释，需要通过生产实践和科学实验去探索和进一步完善。由于非等位基因的互作而影响到性状的表现，称为上位性(epistasis，epistasy)。 上位性在杂种优势中也是一个重要因素，只是因为大多数性状都是受多基因控制的，在性状表现上等位基因的互作和非等位基因的互作一般是很难区分开来。四、杂种优势的固定和制种在植物改良过程中，选配了优良的杂交组合并获得了有价值的杂种子代以后，为了能继续维持杂种群体异质结合水平，以保持或稳定这种优势，就必须通过一定的方法来固定这种杂种优势和经济有效的大规模制种。目前主要有以下3种方法：1．利用无性繁殖法：果树、杨树、柳树、桉树等易于无性繁殖的树种，都采用此法，通过无性系的形成使杂种优势固定，这是安全可靠且简便易行的方法。2．建立杂交种子园：类似玉米的制种办法，将选配的双亲栽种在一起，或用辅助大量授粉方法专门生产F1子代供生产使用。如日本落叶松×欧洲落叶松、日本落叶松×兴安落叶松、细叶桉×尾叶桉、河南钻天榆×新疆白榆及云杉、卵果松杂种种子的生产，都曾使用过这种方法。3．F2代及以后世代的利用：通常杂种优势只局限于F1代，通过对某些树种杂种后代的观察，F2代及以后世代也未出现实质性的分离，基本可保持稳定，并仍可用于生产。如韩国林木遗传研究所报道，火炬松×刚松的杂种，比火炬松耐寒和耐瘠薄，其生长又明显优于刚松，很适应韩国的自然条件，不仅F1代表现优良，F2代和F3代也可用于造林。我们获得的中国马褂木×美国鹅掌楸的杂种，其F2代和F1代基本相似，也可用于生产繁殖。五、杂种优势利用和常规杂交育种的比较杂种优势的利用与常规杂交育种的相同点是都需要选择选配亲本，进行有性杂交。不同点是常规杂交育种选进行亲本的杂交，然后使杂种后代纯化成为定型的(重要性状基本上一再分离的)系统或品种用于生产；杂种优势的利用则先使亲本纯化成为自交系，然后使纯化的自交系杂交获得杂种F1用于生产。简单半日，常规杂交育种是“先杂后纯”，杂种优势的利用是“选纯后杂”。再者，由于优势育种供生产上播种供生产上播种的每年都用一代杂种，不能用F1留种，因而需要专设亲本繁殖区和制种田，每年生产F1种子供生产播种用。这些制种手续在应用定型品种于生产时都可以省略，通常每年从生产田或种子田内植株上收获的种子，即可供下一年生产播种之用。生产上应用一代杂种虽增加了制种的麻烦和提高了种子生产成本，但只是增产效果显著，在经济上还是合算的。思考题1、名词解释杂交杂交育种杂种优势杂交方式单交复交回交多父本杂交2、杂交育种时如何选配杂交组合？3、杂交技术包括哪些内容？各环节应注意的主要问题是什么？4、如何克服远缘杂交不孕？5、杂交前为什么要进行花粉生命力的测定？利用染色法进行花粉生命力测定的原理是什么？6、对于杂种优势的产生有哪几种假说？如何利用杂种优势？ 第六章种子园seedorchard主要内容：1、种子园的概念、任务和意义。2、种子园的分类，各类种子园的特点。3、种子园的规划。4、种子园的营建。5、种子园的管理。目的：种子园是提供良种的重要繁殖基地，通过对种子园的概念、意义，种子园的营建和管理等一系列的内容，进一步了解和掌握良种繁育的内容。要求：1、掌握种子园的概念、任务和意义。2、掌握种子园的各种分类，了解各类种子园的特点。3、熟悉种子园的规则应考虑的因素。4、了解种子园的营建技术。5、掌握种子园的管理，尤其是花粉管理的意义及内容。重点：1、种子园的概念及任务。2、种子园的分类及其特点。3、种子园花粉管理意义及内容难点：1、种子园建园时建园亲本的数量及配置。2、种子园花粉管理的遗传学意义。该部分以讲授为主。以下为具体内容：随着经济的增长和人口的增加，预期我国21世纪社会对木材的需求将逐年大幅度增长，同时，森林改善环境的作用越来越受到重视，因此，极需要提高林业生产的经济效益和生态效益。解决这一迫切任务可通过扩大森林面积和提高单位面积的产量来实现，但最有效的途径是采用良种来提高单位面积产量，因此，林木遗传改良的研究成为林业工作的集中点。对林木遗传改良的过程主要是“选、引、育、测、繁”，在这一过程的最后阶段----繁，主要有三种途径，即种子园、采穗圃和母树林，目前较多采用种子园的繁育途径，尤其是针叶树种，采穗圃在前一章中也有所阐述。下面讲讲种子园相关方面。第一节种子园的类别及比较种子园是由优树无性系或家系营建的，以生产优质种子为目的的特种林。一、种子园的沿革和现状(一)沿革最初于1880年由荷兰人在爪哇用于金鸡纳树，以增加奎宁的含量。1919年,在马来西亚建立了橡胶的无性系种子园。世界上第一个林木种子园，是由英国人J.Sermgeour-Wedderburn于1931年建立的落叶松杂种种子园。林木种子园于20世纪40年代首先在北欧兴起，50-60年代风靡世界。国内外普遍把种子园作为生产造林种子的重要途径，其原因有，第一，种子的遗传品质好；第二，种子园结实早、多且稳定；第三，种子园面积集中，经营管理方便；第四，增加造林成本不多。随着种子园不断发展和研究的深入，人们对种子园的理解也有所不同，当时对种子园的定义是“种子园是由优树无性系或家系营建的，以生产优质种子为目的的特种林分”。从现代林木育种经营考虑，种子园不仅是育种繁殖基地，直接为生产提供大量优质种子，同时种子园本身又是不断发展的育种系统中的一个重要环节，由低级到高级发展，并随着新资源的引进，按需要可灵活地调整育种策略和满足各种育种目标的需要。因此，种子园有以前的基础上增加了另一部分内容，即为育种的持续发展准备物质和技术条件。(二)现状迄今为止营建种子园的国家和地区遍及世界5大洲，但建园规模较大的，主要是发展人工用材林的国家，如中国、美国、瑞典、芬兰、新西兰、澳大利亚等。据南京林大的王章荣教授等统计，目前世界上营建种子园的树种已达89种以上，绝大部分是针叶树种，达57种，其中松科最多，约含45种。其他树种有杉科、柏科、南洋杉科、桃金娘科、壳斗科、马列鞭草科、樟科、胡桃科、桦木科、蔷薇科、豆科、槭树科、榆树科、木兰科等。我国自20世纪60年代中期开始建设种子园，70年代全面铺开，到80年代已初具规模，种子园总面积达1.6万hm2 ，且分布比较合理，建立种子园的树种约有40种。多数种子园已产种子。迄今，主要造林树种的初级种子园已经完成，部分种子园已实施去劣疏伐，或营建1.5代种子园，个别树种(杉木)已着手准备营建第3代种子园。总结已往工作，由于多种不同的原因，初级种子园未能体现出最初确定的优越性。为达到预定目的，在种子园营建和经营管理要认真考虑诸如种子园的经营方向和规模、繁殖材料的来源、园址选择、栽植密度和配置设计，特别是建园材料的生殖生物学特性和再选择等问题。二、种子园类别及比较种子园可以按各种方式分类。按繁殖方式，可分为无性系种子园和实生种子园；按繁殖材料的改良程度，可分为初级种子园和改良种子园；按树种的亲缘关系，可分为杂交种子园和产地种子园。(一)无性系种子园和实生种子园1、无性系种子园——由无性繁殖材料建成的种子园称为无性系种子园。特点：(1)无性繁殖能保持优树的优良特性，生产出遗传品质优良的种子；(2)继承母本的阶段性发育，可提早开花结实；(3)优良的基因型可以多次繁殖，可提高遗传增益；(4)有的树种无性繁殖困难或存在年龄效应或位置效应，会影响种子园的生产和评定；(5)在一次试验中只能完成一个世代的鉴定。2、实生种子园——用优树自由授粉种子或控制授粉种子所育出来的苗木建立的种子园，称为实生种子园。特点：(1)能把子代测定和种子园建立结合起来；(2)在一次试验中能完成两个世代的选择工作；(3)近亲繁殖的危险大，特别是用自由授粉的种子建立的种子园；(4)每个苗木的遗传基础不同，不便于选择利用；(5)评定子代和生产种子所需要的最适宜的条件不同，所以往往难以满足。两类无性系各有其优点和缺点，应根据树种特性和育种目标分别加以选择。从目前总的趋势来看，营建无性系种子园多于实生苗种子园。(二)初级种子园和改良代种子园初级种子园是指只经表现型选择，而未经子代测定验证遗传品质优良的繁殖材料建立起来的种子园。据子代测定的资料，对初级种子园内的无性系和植株进行去劣疏伐以后，称为去劣种子园或称为改建种子园。用经过遗传鉴定的优良无性系重新建立的新的种子园，国内称为重建(第一代)种子园，在国外称为1.5代种子园，后两类种子园在改良程度上要比初级种子园有所提高，但仍属于同一个世代。改良代种子园是指经过改良的繁殖材料营建的种子园，如由初级种子园子代中选择优良家系中的优良单株建立的第2代种子园及更高世代的种子园。我国种子园起步较国外晚，多数树种都还处于初级种子园阶段，只有杉木、油松等少数树种建立了改良代种子园。(三)杂种种子园和产地种子园杂种种子园是以生产杂种种子为目的、由不同树种繁殖材料建立起来的种子园。在建立这类种子园前往往事先已经证明该杂交组合具有明显的杂种优势，并应选择一般配合力或特殊配合力高的无性系建成园。产地种子园其建园材料属同一树种的不同地理类型，以生产不同种源间杂种，或属同一产地的繁殖材料。除上述各类种子园外，在气候条件差，或为提早、促进开花结实，控制花粉组成，提高种子遗传品质等，近10多年来发展了一种室内种子园----朔料大棚种子园，通过增温、提高CO2含量、延长光照和改善营养等办法，可使种子提早开花结实,有的又称为加速育种种子园，这一技术已在我国北方桦木树种上应用，可合桦木在野外17-20年才能开花结实在塑料大棚的条件下缩短为2-3年。第二节种子园总体规划种子园总体规划方案的主要内容有：建园目的和任务、规模、园址的自然条件和社会基本情况、园址选择的理由、全面区划、小区配置、施工和管理技术要点、工作进程、附属设施等等。现对规划中的几个主要问题说明如下：一、园址选择种子园要有明显的地域特点，应设置在适于该树种生长的生态条件范围内，生态条件应有利于大量结实的地区。具体应注意以下几个方面：地形：宜选择地势平绶、开阔、阳光充足的地段，避免25°以上的陡坡。且尽可能不受或少受同种花粉污染的地段。气候：除积温、降雨量达到该建园树种的要求外，冰雹和霜冻易发地段、风口也不宜建园。当气候条件并不构成开花结实的限制因素时，一般可以用选择材料就地建园。如气温低，影响开花结实，则可以在供应繁殖材料地区的南方，或海拔较低的地段建园。立地条件对树木种子产量影响很大。杉木园址的年积温应达7000℃，年日照量应达1000h以上。土壤：土层深厚，在南方一般应在60cm以上，北方应在40cm 以上；以肥力中等、透气性和排水性较好的壤质土壤为宜；土壤酸碱度要符合树种特性；特别在北方地区，具有一定的灌溉条件，但地下水位高的地段也不宜选作园址。种子园应设置在适于该树生长的生态条件范围内，生态条件应有利于大量结实的地区。另外园址选择中还需考虑花粉隔离问题。松类种子园开花季节的上风方位在1Km范围内不能有同种或者是近缘种的树种大量分布，在0.5Km范围内不能有同种或者是近缘种的树种分布，杉类、落叶松、柏类的隔离距离为松类的1/3以上，平地或缓坡地隔离花粉带应植草或栽灌木，不宜栽乔木。为便于经营管理，并有利于提高所产种子的遗传品质，种子园应集中成片，土地使用权明确，避免与农田或其它用地插花。生产性种子园面积一般应不小于10ha种子园最好有一定的规则形状，另外园址应选择在交通方便，劳力充足的地方。二、种子园的规模和供种范围种子园规模主要取决于：(1)种子园供种地区的造林任务及种子需要量；(2)不同树种的单位面积的种子产量。对计划应留有适当调节的余地，为经营管理的方便和效率，以及比较可靠地防止外来花粉的污染，种子园面积一般不小于10hm2。由于各个树种、种源和家系的适生范围都是有限制的，种子园生产的种子应当只供给优树原产地或与优树原产地生态条件相似的地区造林，除非经过试验验证越区调用种子是合理的。因此，在同一种子园内，至少在同一个大区内只应栽种来自自然条件相似的优树繁殖材料。在了解建园树种地理变异模式并验证产地间杂交的合理性之前，不应生产同一个树种不同产地间的杂种。三、种子园的区划种子园不仅是提供种子，同时又是育种系统中一个重要的环节，因此，种子园除有种子生产区外，还有子代测定区、优树收集区、试验展示区等及其他辅助设施。种子园通常和优树收集圃、采穗圃、试验林、苗圃、温室、种子加工设施等安排在一起。为此，可以根据各经营项目的性质和要求，地形土壤条件以及施工进程等等，参照下列各点区划。(1)种子园、收集圃、采穗圃、试验林等如建立在同一地段，必须注意园、圃、林间的传粉和隔离问题，种子园应设置在花粉飞散期的上风地段。(2)为便于施工和经营管理，种子园可以划分成若干大区，大区下再设置小区。区划要因地制宜。在地势平缓地区，可划分为正方形或长方形。大区面积在3一lOha，小区面积为0.3一lha。在山区，可按山脊、山沟和道路区划，不必强求形状规整或面积一致，但应连接成片。区划面积的大小，不仅受地形影响，也受经营集约程度所左右。经营愈精细，小区面积应愈小。(3)区划时要考虑道路的布置，以便于运输和管理。同时，要设置防火道，以及采取防止人畜破坏的措施。(4)房屋建筑、种子加工等生产辅助场所应尽可能设在种子园中心地带以利管理并缩短运输路程。(5)区划中应留有发展余地，如供今后营建第一代重建种子园用。这有利于集中管理，并可减少支出。备用地可以是其他树种的幼、中龄林。区划时应注意传粉和隔离问题。四、种子园组成亲本的数目和隔离为防止近亲繁殖，扩大遗传基础，种子园组成亲本数目不宜太少，究竟采用多少为好，这取决于树种传粉远近、配距、无性系或家系花期同步程度、以及去劣疏代的强度等等。种子园的隔离是种子园规划中的一项重要内容，不同树种花粉传播的距离不同，因此建成立隔离带的远近和宽窄也不同，而且还与园址的地形特点有关，一般平地花粉传播较远，而山地的迎风坡与背风坡也不所不同，一般在花粉的有效传播距离内不宜有同种或近缘树种大量分布，上风方向要求更远。因此，在花粉隔离时，应充分考虑树种特性和园址的地形特点。目前，国外初级无性系种子园中一般规定要有30一50个无性系。我国对初级无性系种子园按面积大小，规定应拥有的无性系数目如下：lO--30ha，50—100个无性系；31—60ha，100—200个无性系；60ha以上，150个以上无性系。实生苗种子园的建园材料，如易于取得，所用家系数目应多于无性系种子园所用无性系数。无性系或家系多，最大麻烦是会增加子代测定的工作量。重建(第一代无性系)种子园所用无性系数量，可为初级无性系种子园的1/2—1/3。杂种种子园可选择配合力高的少数亲本组成。种子园经过配合力选择，理论上也可只由花期一致的两个无性系组成的种子园，但至今还罕见生产中采用这种种子园。第三节种子园的营建种子园的建成立技术包括园址的清理和整地、栽植密度的确定、配置设计的选择、繁殖材料的准备等面目。一、园址整地 种子园定植前应清除植被和采伐剩余物。按照种子园规划要求进行整地，为带状、块状或台阶式。一般山地是沿等高线存带状整地。而平地较为简单。地势平坦的地段可全面整地；山地可采用块状整地，规格为80(100)×80(100)×60(80)cm，穴内回填表土。坡度较大，但坡面平整的山地可带状整地、修筑水平阶或反坡梯田。整地宜在定植前一年进行，以便土壤充分风化并蓄水。整地和建园初期，要注意防止水土流失。无性系种子园都是单株定植。单株定植的配置可同一般人工林。如今后不准备疏伐，为使每一植株占有较大空间，也可按图8—7配置。实生种子园在苗木有富裕的情况下可考虑采用群状栽植。群状栽植时，家系小区内的间距较小，小区之间的距离可较宽，以便日后去劣淘汰。图8—8中分别以3、4、5株树为一小区。小区内的植株距离可在1m以下，区间距离为5m左右。定植时容易发生错号，必须注意做好施工组织。二、栽植密度在确定种子园植株的栽植密度时，主要考虑的因表素有：(1)有利于植株正常生长发育，增加种子产量；(2)保证植株有足够的不同无性系或家系的充足花粉授粉，以提高种子的遗传品质和播种品质，减小种子园自交的可能性；(3)为今后去劣疏伐，淘汰劣株创造条件。栽植太稀，花粉量不足，不仅影响产量，也会增加自交机率，降低种子品质，如遇植株死亡，更会在种子园中形成大片空地，而且太稀种子园日后无法根据子代测定结果去劣疏伐，或只能进行强度不大的疏伐。栽植太密，不仅建园投资大，所需要繁殖材料多，而且今后抚育管理费用也多。因此，确定适当的栽植密度是十分重要的。栽植密度影响种子产量。如不间伐，且经营年限较长，宜采用较大配踞为好。种子园开花结实初期，开花量少，花粉量不足是普遍现象。配距为5×5m，定植10年的油松种子园，花粉产量为2.8—3.7kg／ha。如栽植过稀，花粉量不足，不仅影响产量，也会增加自交机率，降低种子品质。如遇植株死亡，更会在种子园中形成大片空地。此外，稀疏的种子园日后无法根据子代测定结果去劣疏伐，或只能进行强度不大的疏伐。当然，如栽植过密，不仅建园投资大，所需繁殖材料多，而且，今后抚育管理费用也多。因此，确定适当的栽植密度是十分重要的。我国各地种子园的株行距，大多为4—6m。在北方较贫瘠的一些山地，初级针叶树种采用这一配置距离，在15年生以前树冠间空隙仍较大。如想进行去劣，配置距离显得略大。为兼顾初期生长结实和后期去劣的需要，可以采用宽行距、窄株距的配置方式。种子园初植密度因树种生长特性、立地条件、种子园类型等而异，归纳起来有如下几点：(1)速生树种的间距应大于生长缓慢的树种；(2)土壤肥沃地区的株距应大于立地条件差的；(3)无性系种子园的初植密度应小于实生苗种子，初级种子密度应大于重建成种子园；(4)当建园无性系或家系数量多时，栽植距离可适当小。三、无性系或家系的配置方式种子园中无性系植株的配置应考虑下列各点：(1)同一无性系的个体应保持最大间隔距离，尽量避免自交和近交；(2)避免无性系间的固定搭配，使种子园各无性系间充分随机授粉，扩大所产种子的遗传多样性；(3)采用的设计方式应便于施工及今后的经营管理；(4)对无性系的生长和产种量便于作统计分析。上述四点，有的是相互矛盾的，设计时只能根据主要要求和具体条件适当选择。下面对生产中常用的几种配置方式，或今后可能应用的配置方式作一介绍：1、随机排列随机排列是不按一定顺序或主观愿望，使各无性系在种子园小区中占据任何位置的机会均等，防止系统性误差。采用这种配置时，通常还附加一些条件，如同一无性系的两个植株不可相邻，要有其他无性系植株隔开等。这种排列方式基本上能满足上述配置要求，其主要缺点是定植、嫁接、以及经营管理上不便，特别是在种子园面积大和无性系多的情况下，更是如此。2、分组随机排列首先把种子园的小区划分成面积相等的组(重复)，使每一个组内容纳等数的无性系，一般为20或25个。组内无性系的排列同随机排列。如有不同无性系组成4个组，组间轮换排列，则基本上能满足上述配置要求。缺点是要求无性系数量多，今后管理不太方便。3、顺序错位排列将各无性系按号码在一行中顺序排列，但在排另一行时要错开几位，以另一号码开头。这种设计的优点是：排列方式简单易行；嫁接、定植、管理、采收种子时便于查号，经营方便；可使同一无性系植株在同一行内相隔距离最大；通过系统疏伐后，有可能使各无性系保留的植株数相等，且分布均匀等等。我国大部分种子园也采用这种形式。这种设计的缺点是：因顺序排号，邻居固定，会产生固定亲本的子代，缩小了种子园所产种子遗传基础的多样性，同时也不便于作统计分析处理。4、固定式轮换排列区组当各个重复地块的排列相同时，称为固定排列区组。为避免在依次相续的地方内重复同样的排列，在重复的地块内，采用系统轮换，称为轮换排列区组。这种排列方式虽能改变固定邻居，但增加了施工和管理工作的困难。5、棋盘式排列 适用于杂种种子园，或两个无性系组成的种子园。棋盘式排列简单，即将两个选择无性系在每一纵行和横行中交替定植。迄今，国内外绝大多数种子园都是在对无性系生物学特性缺乏了解的基础上营建的。—般都假定它们的生长习性和冠形是相仿的，花期相遇，开花量相近，自花不孕程度一致等等，但事实上，这些习性在不同无性系间可能相差很大。因此，如果不掌握无性系的这些基本资料，不管采用何种设计，也难能取得令人十分满意的结果。为建立改良代种子园，应充分重视积累这方面资料。四、建园苗木准备无性系种子园苗木可以用插条苗也可以用嫁接苗。两者都能较完好地保持繁殖树木的优良遗传特性。由于多数针叶树种，特别是老龄树木很难用插条繁殖，所以，迄今无性系种子园多数是用嫁接苗。在种子园实践中，通常是把优树的枝或芽(接穗)嫁接到健壮的1—2年生苗木(砧木)上。嫁接可在事先定植好的砧木上进行；也可以先在苗圃或温室嫁接，然后再栽植嫁接苗。对嫁接成活率低的树种和地区，以先嫁接后定植为好。这样可避免嫁接不成功时因补接而影响干形。砧木与接穗应属同一个树种，即用同砧(本砧)嫁接。但在南北各地种子园中都有用不同树种嫁接的事例。如红松接在樟子松上，湿地松接在马尾松上。在异砧嫁接中，见到提前开花结实，增加结实量，影响嫁接植株的干形等等现象。迄今尚未见到异砧对种子遗传品质影响的报道，但从营养繁殖角度考虑，以用同砧为好。实生苗种子园苗木可用优树自由授粉种子或控制授粉种子。种子园在嫁接或定植后第二年应对不成活植株按配置要求进行补接或补植。第四节种子园经营管理种子园经营管理的目的，在于增加种子产量和提高种子的遗传品质。管理工作包括土壤管理、花粉管理、树体管理、去劣疏伐、病虫害防治等等。其中花粉管理是最重要的，而进行花粉管理的前提条件是进行种子园组成亲本开花结实特性及种子园生殖系统的研究。包括树种的开花生殖生物学、种子园组成亲本的物候、雌雄配子贡献、辅助授粉等。亲本雌雄球花产量相等、开花物候同步、亲本间才能实现随机交配，随机交配是确保种子园种子遗传传多样性的前提条件。由于种子园亲本间开花不同步、雌雄球花产量相差悬殊、自交、交配不亲和，降低了种子遗传多样性，使遗传多样性变窄，外源花粉污染使遗传增益降低，造成了不少初级种子园无法实现预定目标。因此，为实现种子园优质高产目标，在进行种子园各方面管理的同时，着重要研究育种材料生殖生物学及开花结实特性。一、花粉管理1、生殖生物学研究树种的生殖生物学，了解花芽的发育过程，才能及时进行授粉，适时进行土壤灌溉和施肥，同时也是探讨种子败育机理和制定相应措施的基础。生殖生物学研究一般包括雌雄球花结构、花芽分化、雌雄配子体的发育过程、传粉和受精、胚胎发育、胚乳形成等内容。2、雌雄配子贡献和开花物候(1)雌雄球花量只有组建种子园的无性系的雌雄球花产量相仿，花期同步，无性系间自由交配的机率才能大致相等。不同无性系及单株间交配机率不等，种子园中无性系间不能实现随机交配，会使异交组合锐减。如火炬松15个无性系组成的种子园中，4个无性系生产了一半以上的种子，在湿地松种子园中20%的无性系生产了近56%的种子。雌雄球花产量在不同无性系间也存在很大的差异，甚至在同一个无性系不同分株间都有较大变幅，花粉垄断现象十分突出。如1982年辽宁兴城种子园2个雄球花产量较高的无性系占种子园总花量的57%；7个无性系占总花量的92.4%；有28个无性系不起作用，这种不平衡现象随着树龄的增加有绶和趋势，但到1991年仍然存在，一个无性系独占11%，而最少的一个无性系仅占总花量的0.07%，两者相差达166倍。(2)开花物候种子园中不同无性系开花期的早晚和长短常因其来源、个体遗传基础等不同而有差异。如Erikson对欧洲云杉种子园的估计，20个无性系的190个可能的交配组合中，有66个组合(35%)因亲本间花期不遇，很少甚至从没有产生过子代。Donald用同工酶对北美黄杉等种子园早中晚三类花期互不重叠的无性系作试材分析发现，中花类型的无性系异交率比花期早的和晚的无性系都要高，早花类型异交率最小。一般而言，最适可授期处于种子园多数植株散粉期的雌球花有较高异交率。由于亲本开花不同步，种子园交配系统实际上变成了由若干个开花期比较一致的亲本组成的亚群体，每年亚群体的组成都在变化，因此，不同年份收获的种子遗传组成可能有差异。此外，因种子园内花粉有将效传播距离受限制，相邻植株间优先交配，所以种子往往是由邻近植株花粉受精产生的。对多数的研究表明：雌球花可授期一般比雄球花散粉期来得早，持续时间长，散粉期常包含在可授期内。开花始期与当年的气候有关，不同年份花期存在一定的差异，但各无性系在不同年份开花的先后次序是相对稳定的。在同一植株，位于树冠北向的雌雄球花的始花期推后约一天，花期内每天的开花频率与其他3个方位有较大差别。 为了缩小种子园亲本间开花物候的不同步性，各树种相应地采用了不同的措施：(1)用过冷水喷雾降温，以推迟花期。(2)辅助授粉，以种子园无性系间交配机率。(3)种子园组成亲本的再选择，按花期同步性，把同类型的无性系组合在一起，以减少无性系配子贡献的差异。(3)雌雄配子相互作用在很多树种研究中，都观察到胚珠中含有多个花粉粒，有时捕获的花粉粒很多，但仅只有少数能被进珠孔。这与它们的受精能力有关。具体的机理还不清楚，因此，雌雄配子相互作用是一个值得深入研究的问题。由于种子园的生殖系统受上述三种因素的影响，因此，国外有的学者建议种子园种子的育种值应该在雌雄配子贡献、开花物候同步性和配子平衡性的研究基础上再进行计算，但要确切地估算种子园中基因库组成及各无性系的贡献仍有相当困难。至于种子园亲本配子贡献平衡性，目前多采用产量累积曲线法或面积比，与Askew提出的针叶树种子园开花物候重叠指数的估算模型组合在一起，可用于比较、评价不同种子园和同一种子园不同年份无性系配子贡献及其交配组合频率的一致程度，可以定量表示种子园各亲本间开花物候关系，操作性较强，可以为疏伐、辅助授粉等经营活动提供依据。(4)花粉传播花粉的传播距离因树种花粉结构、花粉密度、地形、气象因子等不同而异。虽然对传播距离研究已有几十年的历史，但仍没有定论。据J．W．Wright报道，欧洲云杉经40—90m以上、欧洲赤松60m以上、湿地松70m的传播后，花粉密度为花粉源密度的1／10。美国南方松的花粉隔离带规定不得小于120m，很可能就是根据这些数据定下来的。但据S．T．F，iedman用同功酶对2个火炬松种子园受周围花粉影响的研究确定，污染率分别达28％和80％：日本古越隆信在高3—5m的柳杉林中研究确定，花粉的有效传播距离仅约10m。南京林业大学对杉木的观测表明，大部分花粉粒能在约40m范围内沉降，155m外已很少检测到；在315m外已完全消失。北京林业大学在辽西半山地条件下观测，花粉传播受地形和风的综合影响。花粉接收量在山坡的上、中、下部位无明显差异，花粉源对其下风方向150m外对坡的影响极显著(为粉源接受量的66％—172％)，被地形抬升的花粉顺风传送1500m后对10年生种子园的侵染估算仍在20%上下，但在开阔地带，顺风传播1000m后花粉密度已可不加考虑。在种子园内，由于各无性系所产雄球花量不等，以及受小地形和风向的影响，花粉粒数量在垂直和水平方向都是不均衡的。落叶松花粉的垂直传播情况和油松不同，是低处多于高处。分析表明，影响传粉、授粉的主要因素有：花期、散粉期内的主风方向以及植株间距离。(5)自交率的估算利用适当的同功酶系统，或其他方法可研究种子园中的自交率。研究表明，种子园中的自交是值得重视的问题。3、球果、胚珠和种子败育与辅助授粉从花芽分化、传粉、受精、胚胎发育到种子成熟，要经历2-3年的发育过程，容易受到不利的生物和非生物因素，以及遗传因素的影响，危及生殖器官的正常发育，造成球果、胚珠和种子败育。(1)球果败育球果败育是雌球花座果后在发育过程中，受到生态、遗传等因素导致的枯萎落果现象。败育的进程和原因，因树种、无性系和立地条件而异，比较复杂。据研究报道，引起球果败育的原因有花粉不足、授粉效率低、营养竞争、激素水平、低温高湿和球果微生物等。(2)胚珠和种子败育其影响因素有花粉量不足、花粉无生活力、虫实、胚乳内储存物质等。(3)自交是产生空籽粒的重要原因自交使种子发育不良或败育。(4)辅助授粉是指不去雄，不套袋人工补充授粉。作用为A、增加种子产量B、改进种子的遗传品质。在种子园的邻近地段，只要有同种树种，就不可避免地会受到影响。采用辅助授粉，增加了所需无性系的花粉浓度，相对降低了外源花粉的浓度，从而降低污染的程度。同时，辅助授粉对改变某些无性系占优势的现象，以及降低自花授粉率等都会有良好的作用。C、作为大量生产杂种种子的手段。人工辅助授粉操作简便，同时结籽数也比套袋控制授粉的高。同时，利用辅助授粉，生产杂种的办法尚需完善。辅助授粉可以用毛刷、人工喷粉器等等。授粉时要注意天气状况，清晨气流稳定，适于操作。 辅助授粉用花粉，可以从挑选的一些无性系或优树上采集，混匀使用。为节省花粉用量，在花粉中可加入填充剂，如经处理的死花粉、滑石粉等。南朝鲜在作刚松与火炬松杂交时，花粉曾用1：20比例的滑石粉稀释。Callaham等在约弗松X美国黄松杂交中用50％的死花粉稀释，并没有影响有生活力种子的产量；活花粉的比例应高于20％。适时辅助授粉是提高种子园产量和改善种子遗传品质的简便有效的方法。当种子园内花粉密度低时，能显著提高种子产量。当花粉供应充足时，辅助授粉虽不能提高种子产量，但可显著改善遗传效率。为减少种子园由自交产生的空籽种子，人工辅助授粉是有效的方法。在雌球花授粉适期，用多系特别是用经过遗传测定的优良无性系混合辅助授粉，对提高种子园的产量和品质有重要意义。4、雌雄球花时空动态变化与树体管理研究雌雄球花在树冠中的时空动态变化规律，是有效制定促花措施，如整形修剪、疏伐等树体管理的基础。5、无性系开花结实的再选择无性系的再选择是实现种子园的中心任务，不断提高种子园遗传品质和产量的最关键措施。对用材树种而言，无性系再选择的依据主要是无性系本身的开花结实习性和无性系所产生子代的生长表现。(1)结实量的选择从开花结实上考虑，对无性系进行再选择，是提高种子产量最有效的措施。各无性系雌雄球花产量及花期的差异，在初级种子园进入正常结实年龄前一般是无法了解的。这表明初级种子园中无性系的开花结实习性也要象通过子代测定评估遗传品质那样，经多年观测后给予评定，并以此作为种子园去劣疏伐或重建种子园的依据。通过开花结实习性对无性系的再选择，在投入相同的人力物力条件下，可以大幅度提高种子产量。从雌球花产量和花期考虑，一般约需要淘汰1/3的无性系。(2)球果结构的选择松树球果的种鳞按能否着生种子可分为可育和不可育种鳞两类。在油松的研究中发现，不同无性系中球果种鳞组成和每个球果可能生产的种子数有显著的差异，且这种变异在连续几年中的观察都是稳定的。因此，可以把球果种鳞特征作为再选择的指标。(3)产生饱满种子百分率的变异种内无性系间交配，产生饱满种子百分率是有变异的。因此，对无性系间自由授粉可配性和控制授粉可配性进行选择都是有效的，对种实秕粒多的树种，饱满种子百分率也可作为再选择的一个指标考虑。二、土壤管理土壤管理措施，包括施肥、灌溉、中耕和植草。改善种子园水肥状况，有利于树木生长发育，提高种子产量，减少结实大小年等间隔现象。这已在不少试验中观察证实。实际上，合理施肥量不仅因树种、植株的发育阶段而异，更因种子园土壤的营养状况不同而异。因此，不作土壤分析，不作营养诊断，不作比较试验，是难以提出合理施肥方案的。美国北卡罗来纳州协作组对火炬松提出的施肥标准如下：元素达到水平(kg／ha)P44K90Ca448Mg168Mn11pH5.5(5.2—6.2)叶子营养分析是灵敏的诊断手段。据对火炬松叶子营养的分析，N、P、K、Ca、Mg等元素在各无性系中存在差异，其中无性系和采样日期间互作明显。如5月份采样中N素含量达到峰值，而采样接近雌球花芽分化期时，含量急剧下降。提高叶片中N素水平有利于结实。在火炬松等树种中发现，相同的施肥状况对不同无性系，以及粗度不同植株产生的肥效是不同的，而这各差别常达显著水平。在我国南方，种子园土壤有机质含量低，速效P、K缺乏。灌溉有利于营养生长，使树冠体积增加，将有利于潜在的结实能力的提高。但全生长季灌溉，抑制雌球花形成。研究认为，在雌球花分化期停止灌溉有利于种子增产。北京林大在辽宁对9年生油松种子园连续2年在生长季作了灌溉试验，灌溉使年高生长量增长25.7％一34.8％，能使当年针叶长度和重量增加，但对雌雄球花的形成作用不明显。林地套种绿肥是提高土壤肥力，改良土壤结构的有效办法。在种子园中可供选择的绿肥植物有紫穗槐、草木樨、紫花苜蓿、毛叶苕子、沙打旺、铺地木芝、苕子、日本草及豆科矮秆作物等。绿肥植物宜在花期压青。 深耕能疏松土壤结构，改善土壤中水分和通气状况。由于深耕能切断根系，调整树冠对根系的比例，在短期内有促进开花结实的作用。美国在火炬松种子园中作了不同深度、不同时间、不同重复的深耕试验，都发现深耕有促进结实的作用，但以仲夏耕深约40cm的效果最好。三、树体管理有些国家，如美国东南部地区火炬松和湿地松种子园建立在平坦地段上，且能使用振荡采种机或油压升降机，所以放任树木生长，不作修剪。整形修剪法，不仅方便采种，也有利于提高单位面积的球果产量，降低生产成本。最近，D．Lindgren总结瑞典对欧洲赤松修剪的经验，对种子园修剪作了如下介绍：(1)不宜仅修剪顶梢。截去顶梢会促进侧枝生长，妨碍在种子园中操作。(2)一次截除顶梢多年生长量会导致种子园多年显著减产，虽可恢复，但以每年适度修剪为好。(3)当嫁接植株占有预定空间的75％时可开始早期修剪。这时只修剪枝桠、已损坏的顶梢，或过长的侧枝。保持单干、树冠匀称。(4)当植株达预定高度的75％时可截顶梢。对上部轮生枝侧枝、特别是长枝应修剪。种子园中树木整形修剪，特别是在我国条件下是一个重要课题，但迄今还很少成功的经验借鉴。需要认真研究，摸索出一套行之有效的办法来。四、去劣疏伐去劣疏伐，是增加初级种子园种子产量，提高种子遗传品质的重要措施之一，但这点尚没有引起国内同行的足够重视。疏伐能使树冠得到充分的光照，保证树冠的正常发育，有利于结种，也有利于改善土壤营养条件。据美国对火炬松种子园的试验，疏伐第4年球果增产达4倍。根据子代测定数据以及开花结实习性的了解，可以淘汰遗传品质低劣的无性系或家系，对于花期不遇的，或种子产量极低的，也可以酌情伐除。据美国北卡罗来纳树种改良协作组的经验，第一代种子园平均去劣疏伐4次，每次约伐除30％一40％的植株，最终每公顷保留50—75株，由8—10个无性系组成。最终保留的株数约为最初定植株数的20％一30％；最终保留的无性系约为最初的25％一35％。五、病虫害防治要使种子园稳产、高产，必须保证种子园植株的正常生长，防止花、果实、种子遭病虫危害。林木中花、果实、种子病虫害的研究还不多，应加强调查研究。据美国南方松种子园经营经验，如不采取防病除虫措施，90％以上的种子产量会遭到损失。据于1986年对辽宁兴城油松种子园的调查，仅2年生球果受害率就高达29％。因此，这是非常值得重视的问题。要防治病虫害，必须从研究病虫害的发生发展规律着手，生物防治是今后发展的方向，但在当今生产实践中，化学防治仍是主要的。在防治南方松球果和种子害虫，如鳞蝽象、球果螟、球果钻心虫以及球果小蠹等时，通常采用低毒、长效的内吸杀虫剂呋喃丹。在建园和随后经营管理中，对各项工作都应有详尽的记录，要建立完备的技术档案。技术档案是工作总结的依据，是历史的记录。各项材料应分门别类归档，由专人负责。思考题：1、什么是种子园？种子园的任务是什么？2、简述无性系种子园和实生种子园的概念及特点。3、种子园经营管理管理的目的是什么？包括哪些内容？4、从遗传学的角度谈谈种子园管理中花粉管理的重要性。 第七章遗传测定genetictest主要内容：1、遗传测定的意义与任务。2、无性系测定。包括无性系测定的概念、目的及意义，无性系测定的方法，无性系测定中应注意的问题，无性系测定的田间试验设计，无性系育种应注意的问题及无性系造林存在的问题。3、子代测定。包括子代测定的概念及意义，配合力的概念及实质，交配设计。4、遗传测定的内容、要求和观测技术。目的：遗传测定中植物育种中的一部分重要的内容，因为常规育种都是通过表现型进行的，其表型的好坏不一定是由基因型所引起的。因此，在选择育出优良品种进行推广前，必须对其进行遗传测定，按繁殖方式不同可分为无性系测定和子代测定。本章的学习目的让学生进一步掌握可遗传变异与不可遗传变异的实质。要求：1掌握遗传测定的概念、目的、任务及意义。2、掌握无性系测定中应注意的问题及克服的方法，熟悉无性系测定的田间试验设计，了解无性系测定的方法，无性系造林存在的问题等。3、掌握子代测定的概念，配合力的概念及意义。熟悉各种交配设计的方法及特点。4、了解遗传测定的内容、方法及观测技术。重点：1、遗传测定的目的、任务及意义。2、无性系测定中应注意的问题及C效应的克服方法。3、配合力的概念及意义。难点：1、无性系测定中C效应的克服。2、子代测定中各种交配设计的分析。该部分主要沿着育种的主线进行讲解的一大部分，以讲授为主，从中运用实例进一步阐明进行遗传测定的民必要性。以下为具体内容：遗传测定，也称为表现型测定，是指对选育出来的表现型材料(如无性系、半同胞或全同胞家系、引种材料、杂交后代、诱变材料等)通过无性繁殖得到的植株，和通过各种交配设计获得的子代所进行的田间对比试验，并根据它们的性状表现作出的评价，是林木育种中的一个重要环节。其中，前者称无性系测定，后者称子代测定。因此，表现型测定可以包括选择育种中对种源、优树和无性系的测定，也可以包括杂交育种中对杂种的测定。可以认为，遗传测定是育种的核心工作。第一节遗传测定的意义与任务一、遗传测定的意义1、通过遗传测定可以优良性状是受环境作用的，还是遗传基础作用的。做到去伪存真的效果。因为P=G+E。例如，福建洋口林场按照“五株大树法”中选的杉木优树，编号分别为27、38、20、9和23号，它们的材积较周围的大树的材积分别是76％、200％、146％、116％和115％。27号优树虽然没有其他优树突出，但是它的子代，不论在苗期或在造林成林后，都比其他优树子代突出。同时该林场从30株优树上采集自由授粉种子，作半同胞子代试验林，8年生的子代测定林调查结果表明：生长优于对照的，有14个家系，占总数的47％。这说明，表现型优异的母树，不完全都产生优异的子代。全国毛白杨协作组，在“六五”、“七五”期间，在全国毛白杨分布区范围内，组织10个省市的科技力量，选择优树1047株，经过苗期测定评比，只有500个优树苗期优良。2、通过遗传测定，可以评选优良无性系或家系，用于生产。优异的表现型并不一定产生优异的子代或无性系，其优异程度更不一定与亲本表现型相关。中国林科院亚林所①近年来对杉木优树作过多次子代测定。直接采自优树的种子，育苗造林后5—9年，不同家系间生长差异明显：最优家系比最次家系的树高高出24％一40％，直径大34％一55％，单株材积超过1倍左右。与家系平均值相比，最优家系各指标相应高出“16％一21％，16％一26％和43％一53％。来自种子园的自由授粉子代间在4—6年生时也存在明显差异；最优家系较最次家系树高高15％一36％，直径大24％一46％，差异幅度较直接来自优树的子代为小，这是由于种子园中花粉的组成比较一致的缘故。种子园子代的增产效果，较直接来自优树的子代为大。在油松中也发现优树自由授粉子代间具有显著差别。在抗病育种工作中，表现型测定工作是十分重要的。R．T．Binghan于1968— 1969年对西部白松作了抗枯萎病的选择并作了子代测定。试验结果表明，由不同杂交组合中所得抗病植株的百分率差别很大：如由一般树木采集的自由授粉种子子代中，抗病植株占5％；优树自由授粉子代中，抗病植株占9％；优树间杂交的家系中，抗病植物平均为18％；5个最好的半同胞家系中，抗病植株27%；5个最好的全同胞家系中，抗病植株占41%。选择的优树，采用不同的授粉方式和选择强度，其子代表现或改良的效果有明显的不同。3、通过遗传测定，可以了解性状的遗传稳定性、遗传力、基因型和环境互作的大小等遗传参数。4、通过遗传测定可以了解幼年与晚年性状的相关性，探索早期预测和早期选择的方法。二、遗传测定的目的和任务遗传测定是植物遗传改良的一个重要方面，其目的和任务归纳起来有以下有个方面：1、估算待测树木的育种值，并据此对测定树木确定取舍。按照可以估算它们亲本育种值的方式安排子代测定，这样可能把哪些因生长优良环境面表现型优良的亲本，同哪些具有优良基因型面表现优良的亲本区分开来，以便对种子园进行留优去劣。2、估算各种变量组分(方差分量)和遗传力，并据此可采用最有效的育种方法。植物改良方案中确定哪个性状作为改良重点，很大程度上取决于它们可遗传程度。遗传测定可以估计性状总变异量中，遗传和环境的相对贡献量，为选择提供有用的遗传参数。3、为多世代育种提供没有亲缘关系的繁殖材料，创造一个供后续世代选择和育种的基本群体。从长远的眼光看，遗传测定最重要的功用或许是为后续世代的育种提供原始材料。后续世代改良的成效，取决于早期世代中所采用交配和测定方案及其采用的育种材料。没有适当的、周密设计的遗传测定，不可能开展好一个长远的多世代植物改良计划。4、估计性状相关，评定遗传增益，估计配合力。在遗传测定中，了解亲－子，幼龄－成龄及各性状间的相关性，，为开展间接选择，加快育种周期，提供必要信息。通过遗传测定，估计各性状的遗传增益，为评价植物改良效益，制定下一步改良计划提供可靠依据。通过交配设计，了解各种组合的亲本的一般配合力(GCA)和特殊配合力(SCA)，以便进一步选择亲本，建立更高世代的种子园。通过一个试验很难同时完成上述各项任务，因此，需要确定主要目标，尽可能兼顾其他任务。这就要求育种工作者要掌握全部有关信息，妥善安排试验。一旦试验方案的目的确定后，还得作出另外两个主要的考虑，即挑选产生子代群体交配设计和在野外实施时的田间试验设计。一般来说，交配设计将决定试验所取得信息的“类型”；而田间试验设计将决定信息的“质量”。第二节无性系测定一、无性系测定的概念、目的及意义无性系(clone，音译克隆)是指某一原始母株(ortet)通过无性繁殖(vegetativepropagation，asexualmultiplication，asexualpropagation)所形成的无数分株(ramets)的总称。在讨论无性系测定前先对无性系选择作一说明。无性系选择是指从天然林、人工林或杂种群体中挑选的优良单株，繁殖成无性系，然后对无性系进行的选择。无性系选择往往是在家系和家系内选择的基础上进行的选择，从选择的程序上看，属高层次的选择。由于它充分利用了多层次变异，所以是增益最大的选择方式。无性系测定是指把优树或优良杂种苗木繁殖成的无性系，在相同的立地条件下，按田间试验设计要求进行的栽培对比试验，以了解待测材料在营养繁殖条件下的遗传品质。实际上，无性系测定为无性系选择提供依据，而无性系选择又通常是无性系测定的结果，两者难以分割。无性系测定的目的有两方面：A、优良性状的重演性和稳定性。确定优树、杂种、引种材料、突变体、变异体等的优良性状能否在无性系植株中重现，鉴别各个无性系在生长、品质及栽培中的适应表现等方面的差别，从而去劣留优。B、弄清差别，筛选出优良无性系，用于生产。为早期选择和早期预测提供依据。根据苗期无性系测定的结果，及早淘汰不良亲本，减少测定的规模，并为推广优良无性系提供制定栽培管理措施的依据。无性系测定的意义：无性系测定是无性系育种的主体，是无性系育种的一个重要环节，可以缩短育种周期，测定结果可以用于生产。二、无性系测定的方法1、获取供试无性系材料，采用硬枝和嫩枝扦插、枝芽嫁接、组培等方法，进行每个系号的无性系化。无性系测定的材料一般是天然的优株，种源和家系的优株，天然及人工杂种，各种人工诱变体，突变体等。2、选择一个可行的田间试验方案，布置苗期和造林的试验。选点的准备，样本的重复次数等。苗期测定(圃期复选)，初选，初步评定第一次筛选，必须注意多地点测定为佳；造林测定(林期测定)，同样要多点测定；若系号多，先主要立地条件测定，筛选出有希望的系号，然后广泛测定即各种生态立地条件测定，最后选出广泛适应性的最佳系号和特殊(特定)立地条件下的最佳系号。 3、定期测定、观察，收集数据，对田间试验结果定期统计分析，估算各种参数。性状的广义遗传力，无性系之间的差异比较，基因型与环境的互作分析。三、无性系测定中应注意的问题及C效应的利用(一)无性系测定中应注意的问题1、无性系测定只能了解树木在无性繁殖情况下的性状遗传稳定性，不能用它去推断其在有性繁殖下的遗传表现。对易于扦插造林的用材树种，以及能够用嫁接方法大量繁殖的经济树种，无性系测定结果，可直接作为无性系选择的依据，并提供优良无性系的生产率、适应性、冠形、抗性等方面的数据，以及适应推广地区和栽培管理措施，如配置、修剪、疏伐、施肥、灌溉制度等等。无性和有性繁殖下的遗传机制早已确立。植株的优势如果是由显性、上位作用产生的，那么有性繁殖时由于双亲产生分离和重组，其子代不一定能表现出亲本那样的优势。一般而言，无性系测定不能确切提供该材料在有性繁殖下的遗传表现；对杂种起源的繁殖材料、更难推断在有性繁殖下的性状表现。例如，Sc比bach在欧洲中部曾发现了生长和干形都非常好的一个山杨雌性无性系，随后用很多父本和它杂交，都没有得到满意的子代。又如苏联曾用欧洲云杉同一植株的自由授粉种子和枝条作两种方式的繁殖，共测定9个共同亲本，各按生长优势排序，约有1／3很接近，但另有约1／3却优劣颠倒。2、无性系之间的可比性要一致。如位置效应、成熟效应、年龄效应、穗条的粗细、长短的影响、砧木的一致性。一致性和可比性是无性系测定的关键。即选用相同的接穗、相同砧木、相同的苗龄(尤其生理年龄的相同)、相同的根系和粗度，无性系之间才有可比性。插穗或接穗在树木上所处的部位，会在繁殖后的几年内对无性系植株产生非遗传的影响。位置效应在不少树种中存在，但严重程度不一。如杉木用不带顶芽的第二、三段接穗嫁接，嫁接苗的偏冠率要比带顶芽的高；用二级侧枝比一级的高。桧柏的针叶和鳞叶混生，鳞叶数量随树龄增加。插穗如取自长针叶的枝条，扦插株针叶占优势。皂荚树冠外围生长旺盛的枝没有刺，内部弱枝有刺。用无刺的枝作接穗，8年后仍不长刺，而有刺的接穗，则长刺。在针叶用材树种中，云杉、冷杉、花旗松等被认为是位置效应较强的树种。此外，种条的长短、粗细也会影响植株几年内的生长状况。因此，在无性系测定中应注意采集枝条的部位和粗细，尽量减少种条的上述影响。如无性系植株已产生形态差异，可试用平茬或平冠措施。位置效应是和年龄效应相伴随，很多人把这两种效应联系起来考虑，称年龄一位置综合效应。树木的上部枝条，生理年龄已经很老了；成熟作用明显，生殖生长旺盛。下部枝条阶段发育低，生理年龄低，营养生长旺盛。例如，毛白杨的苗期无性系测定，对照采用当地的易县毛白杨的大树枝条，表现斜向生长，好象一种“惯性”；毛白杨的根萌条苗木比花枝苗木开花晚得多；另外许多树种都表现出“二形叶”。如桉树、杨树幼龄叶和成龄叶完全在形态上不同。就拿针叶树来说，幼树上的枝条扦插可以生根，大树(十几年生)上的枝条几乎没有生根能力。果树采用成熟枝条嫁接繁殖(枝接、芽接)，就能早开花、早结果。采集穗条植株的年龄对无性繁殖以及无性系测定都有深远影响。树龄增加，无性繁殖能力逐步下降，生根率低，长根的期限延长，根系数量减少，地上部分的生长也随之受到抑制，选择出来的成年优树，无性繁殖系数一般都较低，同时，原株的树龄对无性系的性状有影响，不利于对比。克服穗条的位置效应，消除不同原株的年龄效应，保证无性系测定材料的可比性是无性系测定中的重要技术问题。在泡桐根插对比试验中，为消除上述因素的作用，对选出的优树根系，先育成苗，然后再用1年生苗的根系作无性系测定；在毛白杨中先挖取优树根系，在温室内人工促萌，再用根出条作嫩枝扦插，繁殖成无性系，都取得了比较好的效果。采用本砧嫁接，要求砧木大小要尽可能一致。采用异砧嫁接要特别注意，同样要求砧木条件的一致性。南京林业大学，将落羽杉作砧木嫁接水杉(异砧嫁接)，16年后仍未开花，而采用水杉本砧嫁接，几年就开花了。又如，红松接在樟子松上，湿地松接在马尾松上，对接穗的生长、形状以及开花的时间、结实数量都会产生显著的影响。砧木同属一个种，但属不同家系或无性系，也可能影响嫁接苗生长。因此，在需要采用嫁接方法作无性系测定时，砧木应属同种同一家系或无性系，苗龄一致，生长状况相仿，且应采用一致的嫁接技。所以，无性系测定不能这几个无性系采用本砧嫁接，那几个无性系采用异砧嫁接。如果进行成熟性状(生殖生长、果实)的育种，每个无性系都采用相同的砧木、相同成熟发育阶段(生理年龄)的接穗，这样无性系之间的测定，才是科学的、可比的。如果进行营养生长(生长量、材积、叶产量、枝条产量)为目标的育种，每个无性系都采用相同幼龄(相同生理年龄)的插穗、苗木或者采用相同的砧木，这样无性系之间的测定，才能正确评价、评定无性系的优劣。所以说，优树的无性系化很重要，把大树－优树的幼化繁殖技术很重要。(二)C效应的机理及利用无性系测定中应注意成熟效应，位置效应，供繁材料的粗细，砧木种类间的差异，嫁接技术等因素能引起各种非遗传性的偏差，称之为C效应(Ceffects)，它们是一般环境效应(方差Veg，Varianceofgeneralenvironment)(即永久性的环境效应)的主要来源。 位置效应(topophysis，periphysis)：成熟效应(maturation，cyclophysis)：砧木效应(stockeffect)：砧木对接穗的影响和接穗对砧木的影响；接穗和插穗的粗细和长短的影响：(theeffectofdiameter(thickness)andlengthofscionsonremats'growing)1、C效应的机理(1)个体发育阶段理论(theoryofontogeneticphaseorstage)树木的一生，从种子开始随着时间的推移，年龄的增加最后到衰老死亡，共有3个发育阶段：幼年期(juvenilestage)，成年期(maturestage)和衰老期(senescentstage)。这3个时期有质上的不同，它不仅是受遗传性控制的，而且是从分生组织中产生的。表现在一些外部形态特征的变化，如叶片的形状，大小，被毛多少，叶序，刺，茎生长活力，形成不定根和不定芽的能力，扦插生根的难易程度，花和果实的出现等。幼年期(juvenilestage)是指种子萌发到开始形成花芽之前的一段时期。主要标志是营养生长迅速发展，生长形式很不稳定，性状的重复性较差，体细胞通过有丝分裂迅速扩增。再生能力较强，扦插，嫁接和组培容易，是无性繁殖的最佳时期。成年期(maturestage)从开始形成花芽到个体生物量开始减少之前的一段时期。主要标志是生殖生长旺盛，营养生长相对减慢，各种性状相对稳定，即性状重复性和稳定性最大的时期，也是选优，采种，材性测定，优良林分选择，经济性状鉴定的最佳时期。成年性状通过无性繁殖很难逆转到幼年性状。衰老期(senescentstage)是从生物量开始减少到死亡的一段时期，主要特点是营养生长和生殖生长同时衰弱，各种组织和器官功能衰减，生物量逐渐减少，表现在发叶烯少，枝条干枯回梢，树干空心腐烂。(2)生理老化(physiologicalageing)树木的一生是在本身的遗传性调控下，体内有节奏地发生一系列生理生化反应和变化，表现在外部特征上为个体发育阶段。一般认为进入成年期，也就是生理老化的开始。在不同的时期，不同的年龄，树木体内的这种计时系统`生物钟'(基因的调控)无时无刻作用于新陈代谢活动，产生一系列的特殊生长物质(如激素，酶等)和抑制物质，它们指令和引导生长，分化，开花，结实，衰老等过程。从理论上讲，植物细胞具有全能性，每个体细胞的遗传信息一样，它们都应有各种分化和脱分化功能。但是不同时期，不同部位的细胞激素梯度不同，激素种类不同，某些基因受它们的调控“关闭”或“打开”，从而导致不同细胞的实际功能不同。即生理年龄梯度出现位置效应，成熟效应等。(3)与动物不同，一株树木个体可以同时共存幼年期和成年期。树木的老化不是整株老化，而是由基部向顶部，由内部向外部逐渐老化的。除种子为幼年期外，一棵大树的树干基部和根部为幼年区，其幼年性可保持到树木的一生。米丘林认为：树木的根就其发育阶段而言可与种子相比。(4)位置效应和成熟效应是相伴随的，相联系的；生理老化，发育老化和年龄老化是相伴随的，相联系的。2、C效应消除－幼化(复壮，回春，返老还童returnyoung)的途径幼化的程度不同分部分幼化(rejuvenilization)和完全幼化(rejuvenation)。一类是利用成年植株的幼年区；另一类则对成熟植株枝条进行幼化处理。A、利用根出条(sucker)，树干基部萌条，根段萌条，作为繁殖材料使大树幼化；B、强度修剪树冠获得萌生枝；C、大树枝条连续扦插法；D、把成熟枝条嫁接在幼龄砧木上可幼化；E、用植物生长调节剂处理(赤霉素A等)；F、利用针叶束萌芽，获得幼化材料。3、C效应的利用无性系育种中成熟效应和位置效应等C效应常是作为不利因素提出来，但它也有利的一面，可以应用。A、利用成年优株的侧枝建立标本园(树木园)。可作为基因资源保存的形式之一和进行育种学研究的场所。B、提早或促进开花结实。可缩短多世代育种的周期，提早开花可使优良个体作为杂交亲本。C、促进成熟可使成熟期性状早期表达出来，便于鉴定。D、对于以收获果实的经济林木来说，无性系育种还要积极保持C效应，早开花早结果。四、无性系测定的田间试验设计1、田间试验设计的要求和原则：苗期和造林测定必须具有科学性和说服力，这就要求必须有科学的田间试验设计。A、要有重复，一个试验处理(品种或系号，措施)在一个试验中出现一次以上时叫重复。重复可以提供试验误差估计量；增加试验的精确度。还要有地点上的重复(即不同土类)，苗圃或造林试验采用4次或4次以上的重复；B、处理的布置必须随机化，减少人为主观因素，避免系统误差 ；C、局部控制，是指在同一地点重复内或区组(block)内的一切条件尽量一致；例如，在田间试验时先将试验地划分为若干个区组，而在区组内的各个小区分别施以不同的处理，区组内的土壤，水分，肥力等环境条件尽可能一致；D、要有对照，选用农家品种，生产推广品种或实生家系等进行对比，这样才有说服力，使人们心服口服。2、试验设计的方法：首先介绍设计中常用的术语：A、试验因子；B、单因子试验与复因子试验；C、平准(水平)；D、试验处理；E、小区；F、区组(1)随机区组设计(2)拉丁方设计：(3)正交试验设计：3、树木田间试验应注意的问题：A、树木是多年生的木本植物，通过一次试验，得到一个结论往往需要好多年的时间，所以必须进行多点同时试验来缩短试验的时间和育种周期。B、试验材料的一致性和可比性非常重要，才能保证结果的可靠性。C、要有对照，要有保护行，需要设置授粉树时，在试验区内就必须设置授粉树。D、要有布置图和定期观察记载。E、试验数据的差异显著分析和统计分析。五、无性系育种中应注意问题；1、从天然林或人工林中选择优良单株或个体时，注意有无遗传型重复性的问题。2、无性系测定初繁材料之间的生理，发育阶段，砧木，粗细和长短的一致性是无性系改良的必要基础。(幼年性或幼龄性，徒长枝，长枝，萌生枝；成年性或成熟性，老枝，短枝)3、注意不断复壮，使初繁材料永处于最佳状态(幼态，成态)之中。4、在试种中测定，在测定中选择，是无性系改良的合理程序。虽然在育种程序上讲，在优树(优良杂株，实生苗，变异体，诱变体，突变体等优良基因型个体)初繁材料获得以后，就去进行无性系测定，经测定后，再去造林。这种按部就班的程序，要占去大量的时间。最简单的办法是经短期测定以后，将中选较多的无性系就投入试种造林，实行边繁殖，边试种，边测定，边选择的办法。德国在挪威云杉改良中，不断选择补充，不断连续测定，不断更新造林的育种程序，是一个很好的范例。5、采用多系造林，是宽化人工林遗传基础的好办法。育种家为了追求丰产目标，不断从大量树木中挑选产量最高的个别植株，把它变成群体，这样一来，原不丰富的遗传基础变窄了，这当然对低御病虫害的侵袭和气候的恶劣变化不利。当然，无性系数目的多少取决于很多因素，如栽培面积的大小、不同无性系间配合性、异花授粉的程度以及寄生和病虫害间的关系等。如寄生基因型和病虫害基因型有专一性，交叉感染严重，则采用多系造林为好。美国Libby教授认为7-30个无性系作为短周期栽培是安全的。6、进行杂交育种，选育杂种无性系造林，是无性系育种的努力方向。“有性制种，无性繁殖”。从最佳组合，最优家系中选择最佳单株，进行无性繁殖。选育杂种F1进行无性系造林，是将无性系改良的增益发挥到最高水平的最好形式。首先，选育杂种无性系造林时，先进行配合力测定，选出一般配合力高的组合再投入无性繁殖和无性系造林，这样既利用了无性繁殖的特长，又使杂种优势得到长期利用；其次，从无性繁殖中可获得优树无性系表型平均数，这时的平均数可以作为无性系的一般配合力来衡量，那末平均数提供了重要的遗传信息，说明有着很高一般配合力的单株、种源、甚至可交配的树种无性系间，如进行杂交时，一般可预期获得很好的杂种优势，这样无性系改良的路子越走越宽。把无性繁殖和有性杂交结合起来，发挥两个积极性，这正是我们要利用的努力方向。六、无性系造林的退化及其克服能够无性繁殖的树种，走无性系改良的途径，决不搞种子园，这已成为当前国内外发展趋势。无性系或无性系混系造林的优点是很明显的，可以肯定，无性繁殖的主流方面、本质方面的东西不易产生退化，这主要是由细胞有丝分裂来保证的。例如无籽的香蕉、菠萝是三倍体，是没有种籽的，无核温州蜜橘、无核葡萄等等，也是没有种子的，自从人类发现了它们以后就一直只能是用无性繁殖。这些植物或微生物的优良特性也只有通过无性繁殖才能保持下去，并没有表现出明显的退化，如果无性繁殖是那样容易引起退化，那么这些植物或微生物早就该被自然选择和人工选择所淘汰了。当然，无性系造林也有缺点，无性系也有退化。不过，无性繁殖下的退化是非本质、非主流的东西，退化的原因及其克服的办法如下：(一)环境不宜 生物对环境的适应有一定的范围。品种是有地区性的，与实生群体比较起来，无性系品种由于遗传基础单纯，适应范围狭小，地区性尤其明显。例如湖南从北方引种苹果、梨、桃、葡萄等品种，这些品种都是无性系品种，因不适应湖南的气候，病虫害多、产量低、品质差，但这些果树品种在北方仍然生长得很好，有很高的经济价值，在北方也都应用无性系殖，这就清楚地证明了这些品种在湖南的退化不是由于无性繁殖，而是由于不适宜的气候引起的，这就告诉我们，在引种无性系品种时尤要注意遵守适地适树的原则。防止这种退化的办法，是选用适宜的品种、选育新品种、采用多个无性系组成的多系组成以及采取合理的经营管理措施。(二)病虫害蔓延无性繁殖的一个显著特点是保持原状。可是病虫害的侵染能力却在不断发展、进化，随时都可能产生新的生理小种。由于无性系的遗传基础单纯，某种病菌或害虫如果一旦因本身的进化而获得了某株树上寄生的能力，那么这种病虫也就能立即蔓延到该无性系的所有个体上，于是无性系就表现出退化。此外，病源也容易通过接穗或插穗转移到下一代去，所以某个无性系品种的大面积发展，往往会同时带来较严重的病虫害。对环境适应性的降低和病虫害蔓延是无性系造林在今后的发展中可能遇到的两个主要障碍，这都是由于无性系遗传基础单纯这一点引起的。因此，为了预防这一点，也为了将来进一步改良，在一个地区内我们应当保留较多的无性系，而不可过分追求遗传增益的提高，此外，在选择的基础上，把有性繁殖与无性繁殖结合起来，选育新的品种，代替旧的品种，是克服退化的有效方法。(三)芽变引起退化在无性系内发生可遗传的劣变是正常的现象，不过芽变的频率一般很低，我们只需采取简单的选择方法，不让劣变的个体参下一代的繁殖就可以克服。(四)生理上的衰老如前所述，生理上的衰老主要由成熟效用引起的，是指繁殖材料的生理衰老，这种现象对扦插生根和组培生化都非常不利，对生长的质量和数量都有影响。这种退化是由于生理的原因所引起的，因而它往往只是暂时的现象。其克服办法主要有：采用平茬法来阻滞采穗母株衰老；用连续扦插法复壮；幼砧连续嫁接复壮；用根萌条或树干基部萌条做无性繁殖材料或用组培诱导等。无性系造林无性系的数量及形状也是当前讨论较多的问题。选育了优良无性系，也解决了大量繁殖的技术，下一步就是要林业生产中如何利用优良无性系的问题。和农业比较，造林地条件较复杂，一般较差，人为不易控制；防御自然灾害和病虫害的能力差；林木从定植到采伐经历时间又长，因此，林业工作者十分关心造林材料的生态达应能力。这就涉及到：(1)无性系的遗传基础和适应性；(2)生产林分应当有多少无性系，每个无性系可繁殖多少植株；(3)无性系在林分中如何配置为好。这些问题的确切回答，需要时间和资料的积累，目前尚无定论。虽然，无性系林分比起由家系组成的林分一般适应能力较小，但是，笼统地说无性系遗传基础窄，只能适应单一的立地条件，这并不全面。因为，有的无性系适应环境的能力甚至高于家系的平均水平；在不同立地条件下的交互作用也并不显著。一个地区使用多少无性系为宜，这决定于立地条件、经营方式，以及无性系本身的特性等。从林分稳定性考虑，无性系愈多愈好，但随着无性系增多，生产增益便会下降。因而，无性系的多少实际上是稳定性的增益平衡的结果。由于无性系在不同地区的表现不完全相同，所以总数50个无性系已足够。无性系在林地中的搭配有两种方式：即各无性系随机全面插花和各无性系小块林地混全载种。前者除在造林地小区土壤变异大，或防止根部病害传播方面存在优点外，好处不大。块状混栽具有如下优点：(1)可防止无性系间的竞争作用，特别是当各无性系生长曲线和发育类型有差异时，可减小林分分化；(2)栽植和育苗过程简单；(3)林分整齐，可提高产品质量；(4)万一某个无性系出现问题，可及时采伐重新造林，仍可保持林地的最大利用率；(5)可充分利用不同林地条件，至于块地的大小，也因树种变异性、立地条件、轮伐期的长短、作业的机械化程度等因素而定，多数学者倾向于4ha左右，面积过小，不便于操作，过大，则失去了多混栽的作用。第三节子代测定(progenytest)对于用种子繁殖的植物改良中，重要任务是对亲本的育种值进行评价，而要评价亲本的育种值，必须采用适当的交配设计，并将其子代建立遗传测定林后，才能确定其遗传价值。子代测定(progenytest)又称子代试验，是指用各种育种途径或交配设计所得到的有性后代，按照一定的试验设计要求，建立遗传测定群体，根据子代的表现，对其亲本遗传进行评价的过程。由于多数用材树种是通过种子繁殖的，所以子代测定是林木遗传测定的主要内容。一、配合力有性繁殖时，存在亲本的选配问题，即这一株优树或这一群优树应与哪一株或哪一些优树配置在一起，相互授粉，才能产生遗传品质优良的子代，获得最大的改良效果。对已建立的种子园，应该淘汰哪些无性系或家系，保留哪些，才能够进一步提高种子园的改良效果?这些问题都是非常实际的问题，但要作出确切的回答，只有通过子代测定对各亲本的配合力作出评定。为此，首先对配合力的概念作一介绍。 配合力可分为两种，即一般配合力和特殊配合力。一般配合力(简称GCA)是指在一个交配群体中某个亲本的若干交配(杂交)组合子代平均值与子代总平均值的离差；而特殊配合力(简称SCA)是指在一个交配群体中某个特定交配组合子代平均值与子代总平均值及双亲一般配合力的离差。为阐明这一定义，列举下例。6株油松间授粉，各交配组合子代在25年生时的树高平均值如表9—3所示。其次对配合力的意义和应用作一说明。—般配合力是由基因的加性效应引起的。所谓基因的加性效应，就是说没有显性和上位作用，基因的作用可以累加起来，能够固定遗传。而特殊配合力是基因非加性效应，即显性和上位作用的结果。非加性效应没有累加作用。只有当特定的基因组合在一起时才能表现出优势来。育种值是林木育种工作中的重要参数，它等于一般配合力值的两倍。加倍的原因是由于每个亲本只能为其子代提供半数基因。这点在第五章遗传力估算中已作了讨论。一般配合力高的亲本，产生的子代—般表现较好，这反映了一般配合力的特点。由于特殊配合力仅反映特定交配组合中父本与母本的互作效应，所以，特殊配合力大小本身不能说明亲本的好坏。如上例中1X6的特殊配合力为4，2X5和3X4组合的特殊配合力都是2。其中除3x4组合子代表现好以外，其余两个组合都表现一般。所以，在按特殊配合力高低选择亲本时，还需考虑一般配合力的大小。在林木良种繁育中，通常选用一般配合力高的无性系建立由许多无性系组成的种子园；用特殊配合力高的无性系(本例为3号和4号无性系，而不是1号和6号无性系)，营建由两个无性系组成的种子园。了解各种配合力在总变量中所占比重、正交和反交的效应等，对制定育种计划极为重要。据近年国内外的报道，—般配合力效应在不少试验中是主要的。需要指出，一般配合力、育种值、特殊配合力都是指亲本或组合的特定性状而言的。某个亲本可能具有一般配合力高的材积生长性状，却可能具有一般配合力低的材质性状。所以，对各种性状的配合力应分别估算。二、交配设计(matingdesign)为了解待测树木的遗传品质，根据试验的具体要求和工作条件，对亲本交配组合或制种所作的安排，称为交配设计。交配设计很多，各有其优缺点和特定的用途。现将常用的交配设计介绍如下：(一)自由授粉(openpollination--OP)直接从选择的优树上，或从种子园的嫁接植株上采收自由授粉种子，按单株或无性系脱籽、育苗、造林，对各种性状进行鉴定。这是只知母本，不知父本的子代，是属于谱系不完全清楚的交配设计。通常把自由授粉种子测定叫做半同胞测定或单亲测定，这是不确切的。因为，半同胞应指具有共同—个亲本(通常是母本)的子代，而在自由授粉子代中，不仅含半同胞的子代，还含有自交子代和全同胞子代，即具有共同双亲的子代。特点：(1)这种设计简单，不需人工控制授粉，工作量小，组合少，交配组合数p=n(n=待测亲本数)；(2)产生的后代在一定程度上具有亲缘关系；自由授粉产生的子代，是不能判断其父本的，难以测定花粉的组成。从同一林分或种子园中取得的自由授粉种子，是具有亲缘关系，不宜作进一步选育。(3)能了解到被亲本性状的一般配合力和遗传力，但不知其特殊配合力；(4)如从优树上直接采种，可于选择当年或翌年采种试验，可尽早得到—般配合力的估量，但因花粉遗传品质的差异使得出的一般配合力估量会产生偏畸。林木一般具有始花期晚，鉴定周期长的特点，所以，迄今仍鼓励采用自由授粉测定子代。但是，自由授粉子代的父本是未知的，特别是当从优树上直接采种时，由于各林分的花粉遗传品质可能有较大的差别，从这类子代评定中得出的一般配合力估量会产生偏畸。同时，自由授粉花粉组成，会因树冠的方位不同而异，也会因年份不同而有差别，由此，因采种部位或采种年份不同，子代间也常出现差异。为了可靠地评定自由授粉子代，需要在时间、空间上作多次重复。这就需要花费较多的人力、物力和时间。(二)多系授粉设计(polypollination-PP)多系授粉，又称混合授粉，就是对待测的每个无性系用本系以外的许多无性系的混合花粉授粉。由随机排列的无性系种子园生产的种子，相当于这种方式产生的种子。特点：(1)组合少，组合数p=n，工作较方便。同时，测定的结果较自由授粉法更符合于筛选无性系的实际需要，遗传增益也较高；(2)产生的后代具有一定的亲缘关系，且所估计的育种值可能有偏差；混合授粉的组成，实际上是难以测定的。不论按重量，或按体积比例混合花粉，都不能表示其生物学特性。同样不能判断其父本，因交本的配合力不同。混合花粉中，不同父本花粉是非随机交配的，所估计的育种值可能有偏差。此外，多系交配后代具有公共的父本，同样存在亲缘关系，也应加限制地应用于后续世代。(3)进行控制授粉，对树体较大的操作较难，且需要等待无性系植株开花，对花期不一致的无性系，有催花和花粉贮藏等问题。 Burdon等人(1971)提出多系交配设计的若干改进形式，如完全群状多系义配、重迭群状多系交配、不完全群状多系交配、测交式多系交配等，统称为群体多系交配设计。其中心思想是，当待测亲本较多时，可以把待测亲本分成若干个组，分别测定。组的大小对测定的结果有影响；如果组相当大，则组间抽样误差小，即可以比较有把握地认为各组的基因型接近于总体的平均值；如果组非常小，则很容易产生显著的遗传抽样误差。在后一种情况下，如在组内根据各无性系的—般配合力进行筛选，就可能产生错误，评选不客观。一般认为每个组内应包括20—30个无性系。每个组可以作为一个独立的育种单位，这在操作上可以比大群体灵活、方便，同时也可增加没有亲缘关系的数目。各组的父本组成最好不同，这样各群后代之间为无亲缘关系的子代，有利于进一步选择利用。(三)单交单交就是在一个育种种群中，一个亲本只和另一个亲本交配，而不再和第二个亲本交配。由这一交配方式得到的子代，双亲都是知道的。两个亲本只作一次交配，无需如多系交配那样要从许多株树上采集花粉进行授粉。从这个意义上说，操作比较方便。由于每两个亲本只作一次交配，杂交组合数量(p=n/2)虽少了，但没有亲缘关系的子代的数量却多了。这是单交的最大优点，对改良代育种十分重要。单交的最大缺点是只能提供特殊配合力的估量，不能提供一般配合力的估量。因此，由于偶然组合的机会，可能会丧失优良的无性系。由于单交存在这一缺点，不适宜单独作为测定子代的方法。比较理想的做法是，先作亲本一般配合力的测定，并对一般配合力高的植株再作特殊配合力的测定。这样做，评定时间增加了一个世代，但工作量小了。育种工作者可以根据具体情况作出选择。(四)双列杂交(diauelcrossing)双列杂交，又称互交。首先由Schmidt(1919)提出，Cockman(1963)称之为AA设计，根据Griffing的归纳，双列并配设计有4种方法。1、全双列交配：包括自交、正交和反交。杂交组合数p=n2。这是最为全面的交配设计，能提供所有亲本的一般配合力、所有组合的特殊配合力及方差分量的信息。它还能为后续育种的选择，创造最大数量的可利用的无亲缘关系的家系，因而可看作是理想的交配设计。2、半双列杂交之一：包括自交和正交(或反交)，杂交组合数p=n(n+1)/2。3、半双列杂交之二：包括正交和反交，但不含自交，杂交组合数为p=n(n-1)。4、半双列杂交之三：仅包括正交(或反交)，不包括自交，杂交组合数为p=n(n-1)/2。上列四种设计的共同点是，能提供一般配合力和特殊配合力数据；能够提供较多没有亲缘的子代；工作量大。即使以其中工作量最小的第四种设计，又称半双列杂交为例，30个亲本的交配组合数有435个，要完成这么大量的控制授粉、育苗和造林试验工作，也难办到。因此，生产中很少应用。不过，通过双列杂交第一、三种设计，可以得到正交和反交效应的数据，这对于有效地利用选择亲本是极为有用的。因此，在科学研究中仍常采用，不过在每个交配系统中亲本数一般不超过10株。(五)部分双列杂交这是对半双列杂交测定法的改进方案。这一设计，可以对亲本的一般配合力作出估量，并可提供部分特殊配合力的数据及没有亲缘关系的子代。此外，工作量较小，并且还可以根据情况适当调节。缺点是对个别无性系交配次数不等，有的交配次数少。如图中第10个无性系只交配4次，而另一些无性系可多至8次。(六)不连续的半双列杂交这是改进的双列杂交方法之一。即把全部无性系分属几组，每组通常包括6个亲本，杂交只在各个组内进行。因此，总的杂交组合数可以显著减少，甚至少于测交系测定的，但却可以提供大量没有亲缘关系的子代。(七)测交系设计又称析因交配设计。所谓测交系，就是用来与待测无性系交配的少数亲本或无性系。测交系可作父本，也可作母本，但目前用作父本较多。测交系交配设计是指人为指定一个性别组亲本(测交系)按所有可能的组合与另一个性别组的待测亲本交配。其杂交组合数p=mn(m为测交系，n待测亲本)。从理论上讲，测交系应该是经过遗传分析，并确定了其性状的遗传传递是隐性方式的亲本。测交系交配设计的遗传对照，一般用4－6个测交系亲本间进行部分双列杂交的全同胞家系。就子代测定的目的来说，测交系交配设计是十分有用的，因为它能估计待测亲本所有基因型的育种值。也能合理估计方差分量和遗传力，还能估计各个亲本的一般配合力和杂交组合的特殊配合力。不足之处是测交系交配全同胞后代无亲缘关系的子代数目受测交系数目的限制，约等于测交系数目。其次是当待测亲本数目大时，杂交组合数也不少。第四节遗传测定的内容、要求和观测技术一、测定内容 测定内容应根据育种目标、树种特性而定。测定的主要性状可包括：(1)生长、树高、直径以及材积的年生长量、总生长量、生长进程及特点；(2)主干通直度、圆满度、树皮厚度；(3)分枝特性、侧枝粗细、冠幅、自然整枝状况；(4)木材比重和密度、纹理通直性、早材和晚材比率、心材和边材比率、纤维和管胞长度等；(5)产胶量、产脂量、产量稳定性和品质；(6)抗病虫害侵染、耐盐渍、耐寒及对其他不良环境条件的适应性。测定内容的多少可根据需要适当增删。二、测定要求1、测定材料要有代表性供测定用的各家系种子或无性系穗条，必须代表将来能提供生产应用的繁殖材料。如果供子代测定用的种苗不是随机取样的，应保证差异不超出种苗品质的变动范围。2、测定方式应满足可靠评定待测性状的要求。用材树种或经济树种的多数性状，要经过长期观测才能可靠地评定。栽培对比试验是遗传测验的基本形式，但对短期内能测定的性状，如对病虫害的抗性、耐寒性等，也可以在苗圃或温室中进行。3、育苗苗圃地必须适合于供试苗木的健壮生长，并应尽可能地保持一致。如受条件限制，不能将全部家系或无性系培育在同一块圃地时，应将全部家系或无性系分散播种在不同圃地，以免因苗圃条件影响到造林测定结果。试验中采取的育苗管理措施应—致，保证可比性。4、供测定用苗木供测定用苗木的挖取、包装、贮藏和运输等操作都必须相同，并尽可能在同一时间进行。如果定植苗木不是随机取样的，而是事先分级的，应分别记载各家系合格苗和淘汰苗的比率。供定植试验用苗木，入选率应保持一致。5、遗传测定中的对照子代测定应选用当地种源的一般生产种子。下列种子不能作对照：(1)不适于该地生长的种源；(2)从生长不良树木上采集的种子；(3)经过“拔大毛”林分中取得的种子；(4)孤立木上的种子，或其他可能来源于自花授粉的种子。可增加当地优良林分种子作试验。当测定去劣疏伐种子园或重建无性系种子园种子品质时，应增加由初级种子园生产的种子作对照。无性系测定中应选用当地常用的无性系作对照。6、造林试验地应能代表推广地区的自然立地条件，条件尽可能一致，能满足田间试验设计要求。测定地以多点为宜(详见第十一章)；7、试验观测期限以能正确评定所需性状为度，，如为观测生长，用材树种一般为1／3—1／2轮伐期；经济树种应在盛产期之后。在这期间，各项试验、抚育管理措施以及观测数据都要及时详细记录，以便日后分析研究。8、试验总结试验期间，每隔3—5年要作阶段总结；试验结束写总结报告，总结报告内容应包括下列各项：(1)试验材料来源，如为子代测定，指出亲本，制种方式，种子处理、贮藏等过程；对无性系测定，应指出穗条的来源，采集方式。(2)供测定用苗木的育苗过程。(3)造林地立地条件，采用的田间试验设计方案。(4)测定用苗木的取样方式、栽植和管理过程。(5)测定中对照材料的来源及其代表性。(6)测定期限和规模。(7)各家系或无性系在成活率、保存率、生长状况、生长进程以及其他育种性状上的差异，与对照作比较，做数据分析，并提出改良程度。(8)分析家系或无性系和立地条件的交互作用，提出适宜推广地区。三、观测技术1、取样通常采用全面观测。但当试验林面积大时，全面观测工作量大，因此可考虑采用随机取样，或只选取小区中最高和最矮植株观测。按这两种方法观测的平均值，接近群体平均值。在生长量调查中，也有只观测小区中最高(或最粗)的一个植株，或以最高的几个植株的平均值表示的。在抗冻害试验中，也有只观测最早展叶的植株，因为苗木展叶愈早，受冻害的可能性愈大。在采用极端值代表群体值时，必须确认这种观测是有依据的，并应保持取样标准的一致性。2、定量胜于定性，单因子胜于复因子由于定量分析结果精确，获得信息多，因此，凡能定量分析的性状，应尽量采用定量分析。如干形可用形率表示；树干弯曲度可由树顶作垂线，测定与基部的距离表示；扭曲度可用度数表示。单个因子的不同配合，可提供更多的信息。如树干材积可用树高、胸径和形数求得。3、观测组织工作 调查时至少应有2人：一人测量，一人记录。一次测量最好只测定一个指标，以提高测量精度，但在坡度大的山地等条件下，同时观测几个指标可能更较方便。4、测量精度要适当如一个试验林中树高变动于20m和l0m间，变幅为l0m，要求用5％的统计误差估计树高，这样，精度达到l0mX5％二0.5m就可以满足要求。5、简化记录采用小数，记录和分析都费时，也易出差错，可采用整数。如11.2m，10.5m，可分别记为112，105。思考题：1、什么是遗传测定？请阐述其重要性。2、什么是配合力？为什么说配合力是重要的育种参数，两种配合力在概念上有何区别，如何利用这两种配合力？3、为什么说无性系选择和无性系测定不能分割？无性系选择是最高层次的选择，选择时应注意哪些问题？4、请从理论、方法、应用等几个方面比较子代测定和无性系测定的区别和特点。5、为什么说无性系测定只能提供无性繁殖下的遗传表现？ 第八章林木基因工程主要内容：1.基因工程概述2．林木基因工程3．林木基因工程中的安生问题4、林木基因工程展望目的要求：让学生了解什么是基因工程，及其在林木育种中的应用。重点难点：基因工程的概念及步骤、林木基因工程及其应用具体内容如下：林木细胞转化和基因工程研究的目的是将外源基因导入林木细胞基因组中，使外源基因在林木细胞内有效表达和稳定遗传达到林木的定向改良，创造新种质。光合作用基因雄性不育Gene抗性Gene改善蛋白质品质的基础改善木材成分结构的基础林木基因工程的目的基因第一节基因工程是在分子遗传的理论基础上，综合采用了分子生物学和微生物学的现代方法和手段建立起来的，标志着现代遗传学已发展到定向控制生物遗传性状的新阶段。一、概念基因工程又称重组，DNA技术，基因操作，它是采用类似工程建设的方法，按预先设计的“蓝图”，借助于现代生物，化学实验技术，将某生物的基因或基因组转到另一种生物中去，使后者定向地获得新的遗传性状，成为新类型的一种操作技术。二、步骤（一）施工材料的准备（如：目的基因、载体、工具酶等）（二）把目的基因与载体在体外结合成重组DNA分子。（三）把重组DNA分子引入受体细胞，建立无性繁殖（或称克隆）（四）从细胞群体中筛选出所需的克隆，并使外源基因在受体细胞中正确表达，其过程如下图。重组DNA分子导入受体细胞建立无性繁殖系（克隆）选出所需无性繁殖系目的基因与载体DNA结合成重组DNA分子生产目的基因DNA特异片段§使外源基因在受体细胞中正确表达（一）施工材料的准备1、工具酶：内切酶，连接酶内切酶是一种水解DNA的磷酸二酯酶，能切断异源DNA分子，使其丧失信息表达的能力，但对细菌的DNA则无损害作用。可分为两大群：Ⅰ群：（EωBE∞K）①能切断双链，②切断部位没有特异性Ⅱ群：（EcoK1，HindⅢ）①能切断双链，②具识别特异核苷酸能力切割有特异性3、多数可以产生粘性末端II群在切断DNA分子时，DNA双链不在同一地方断开，因而产生的片段两端都带有数个碱基的单链尾巴，这两个单链尾巴带有互补的碱基配对顺序，可以互相自动结合成环状DNA，故称为粘性末端。连结酶①连结DNA片段，能将DNA片段5′端的Pi基因与另一DNA片段3′端糖环上—OH以酯键的方式连接起来。②将外源DNA连结在质粒DNA上，并使质粒DNA携带另一生物DNA进入寄主细胞。2、目的基因的分离，提纯和人工合成目的基因是指在遗传工程中所需要的基因，主要有两个来源途径① 散弹射击法又叫鸟枪法，它是用合适的，作用于特异核苷酸序列的核酸内切酶去处理完整的DNA分子，把它切成许多相当于一个基因或略大于一个基因的片段，然后把全部片段与载体接合起来组成重组DNA分子，再转移给一种细菌营养缺陷型进行纯系繁殖。此法获得的基因简便，结果明确可靠，但对大多数基因来说，目前还缺乏可靠识别的筛选方法。分离自然基因②人工合成基因散弹射击法化学方法人工合成散弹射击法又叫鸟枪法，它是用合适的，作用于特异核苷酸序列的核酸内切酶去处理完整的DNA分子，把它切成许多相当于一个基因或略大于一个基因的片段，然后把全部片段与载体接合起来组成重组DNA分子，再转移给一种细菌营养缺陷型进行纯系繁殖。此法获得的基因简便，结果明确可靠，但对大多数基因来说，目前还缺乏可靠识别的筛选方法。基因的化学合成人工合成是目前遗传工程中获得目的基因的主要算途径它实际上包括化学----酶合成两个步骤，在合成这个基因之前，已经充分了解了它的功能以及组成它的核酸序列。首先合成大量彼此互补的单链片段，然后用连接酶将它们连接并配合成双链。如图首先要了解这个基因的核苷酸序列，较费时，但此法可获得纯净的基因，如基因很小，只有几十对核苷酸时，可应用此法。3、运载工具——载体载体条件：①能在寄主细胞中复刺，并能保存②有多种限制酶的切点，酶切后并不损坏其复制能力，及选择标志基因，并能嵌入外源DNA片段（即目的基因）而且外源DNA嵌入后依然能保持其复制能力。③比较容易自由进入受体细胞，实现转化。④具有可作为重组DNA分子选择标记的遗传标志，如：某些抗药基因。现在基因工程中所用的载体主要是在细菌中发现的质粒，它是存在于染色体外的易于取出和移入的小型环状双链DNA分子，它分的存亡与细菌生存并无决定性影响，一个细菌内质粒的数目可能有1—2个，也可能是20—60个。基因工程最有意义的质粒有两类：①对多种药物以及对重金属和紫外线有抗性的质粒②携带有合成大肠杆菌素基因的质粒（大肠杆菌素是具有是蛋白性质的抗生素），它能使大肠杆菌敏感株致死。③常用的质粒对真核生物是Ti质粒，Pgv3850,Pbin438等，原核生物是pBR322,pUC18和pUC19等。（二）重组DNA分子即用同一种内切酶切割目的基因和载体，通过粘性末端对应碱基间氢键共价连接，再经连接酶的作用，将切口缝合起来，成为一个完整的重组DNA分子。是在实验室内进行体外重组的。（三）重组DNA分子克隆的建立将重组DNA分子导入受体细胞，若以质粒为载体，这一过程称为转化，若以噬菌体或重组病毒DNA引入受体细胞，则称为转染，当前受体系统还是大肠杆菌，枯草杆菌，酵母等，但是重组DNA分子进入受体细胞并使其发生转化，也只是其中的一小部分，所以还必须采用一定的方法把转化了的细菌识别和筛选出来，即从细胞群中筛选出含有所需要重组DNA分子的细胞。目前最常用的方法是利用对抗生素的抗性或噬菌斑形成等作为筛选的标记。然后对重组DNA进行克隆，即转化了的细菌的复制。（四）“目的基因”的表达基因工程技术除了从克隆的形式获得大量的目的基因外，更主要的是使目的基因在受体细胞中正确表达，产生人们所需要的具有功能的蛋白质及多肽产物。（关键）外源基因在受体的细胞入内能否正确表达，在很大程度上取决于两者之间的协调性，尤其是导入目的的基因，必须带有起始和终止密码以及适当的培养条件。第二节、林木基因工程林木常规育种，周期较长，利用基因工程进行林木育种，可以在一定程度上克服常规育种的局限性，在较短的时间内培育出优良新品种。在林木基因工程研究中，怎样获得高效的遗传转化系统和进行有价值的目的基因的转移最重要的有两个方面一、抗虫基因 Bt，（苏云舍茅孢杆菌）制剂长期以来即用于多种虫害的生物防治，因其产生伴胞晶体，且自对多种昆虫物幼虫有很强的毒杀作用，故称为杀虫晶体，（insecticidalcrystalprotein，ICP)，它对脊椎动物无毒性，对环境安全。不同的菌株可产生不同类型的杀虫晶体蛋白，从而表现出对不同昆虫毒性的专一性。对鳞翅目、双翅目和鞘翅目昆虫幼虫具有专性毒杀作用的苏云金杆菌菌株均已获得，新近还发现同一菌株可产生不同的晶体蛋白而表现出对鳞翅目和鞘翅目昆虫的毒杀力。对鳞翅目有毒效的ICP的分子量通常在130kD，它在昆虫幼虫的肠道中经蛋白酶降解可产生一种分子量约为60kD的抗蛋白酶酶解的多肽。试验已证明，后者才是真正具毒性的物质，位于130kD蛋白分子的氨基端。因此，130kD蛋白实际上是原毒素(protoxin)。将编码毒蛋白的基因与NPTⅡ基因构建成融合基因，随后转入农杆菌的表达载体之中，再通过同源重组即可得到带有毒蛋白基因农杆菌。用叶圆片法感染植物的外植体，在卡那霉素筛选培养基上可得到抗卡那霉素的转基因植株。中国科学院微生物研究所对Bt毒蛋白基因的5，和3，端进行改造，构建了带有双转录的增强子，并插入翻译增强子TWV的n片段的中间载体，分别将含4种不同缺失长度的Bt基因载体，即含基因3.6kb、2.8kb、2.1kb和1．8kb转入农杆菌LBA4404，并与中国林业科学研究院合作转化欧洲黑杨，共获得54株转基因植株。对杨尺蠖和舞毒蛾的抗虫性测定结果表明，杀虫率在50％以上的有27株占50％，杀虫率在80％～96％占测试株的15％，有较明显的杀虫效果。南京林业大学与中国农业科学院生物技术所合作，将1．8kb的经过人工改造的Bt基因转入杨树NL-80106，获得了转基因植株，有显著的杀虫效果。LB，T-DNA左边界：35S-P，CaMV35S启动子；Nos-T，胭脂碱合成酶基因终止子；n，增强子；NPT—Ⅱ，卡那霉素抗性基因；Nos-P，胭脂碱合成酶基因启动子；RB，T-DNA右边界。昆虫特异性蝎毒素AaI丁具有较高的选择性，对哺乳动物和其他动物无害，安全性好，对许多鳞翅目害虫具有较高的毒性，是十分理想的抗虫基因源。伍宁丰等通过农杆菌介导的方法，利用优化了密码子的AalT基因转化杨树杂种NL-80106获得转基因植株。用转基因杨树无菌苗叶片对一龄舞毒蛾进行了离体杀虫实验，所有实验的转基因植株都表现不同程度的抗虫性，虫体明显比对照小，其中A12杀虫效果最显著，6d后死亡率达55％。进一步的实验仍在进行中。AalT基因可望成为又一种有效的林木抗虫基因源。但是不同的Bt毒蛋白对害虫有一定的专一性，同时人们也担心高表达毒蛋白的工程植株所造成的强选择压力可能会导致昆虫的抗性。因此，从战略上说，导入几种不同的抗性基因可能更加合适。事实上，除了Bt毒蛋白之外，人们也在探索其他途径，至今比较成功的是利用植物的蛋白酶抑制物。70年代不少学者已注意到植物受机械损伤后，有2种特定的蛋白质大量积累，它们对胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、氨肽酶A和B等具有强烈的抑制作用，分别称为蛋白酶抑制物I和Ⅱ。这2种蛋白酶抑制物广泛存在于豆科和茄科植物中。在番茄和马铃薯中，受机械损伤诱导后其含量可增加到占可溶性蛋白的2％～5％，在马铃薯中甚至可达10％。这类蛋白质也被认为有助于植物对昆虫蚕食的防卫，因蛋白酶抑制物能抑制昆虫消化系统中的蛋白酶，从而抑制蛋白质的降解，导致昆虫消化不良而影响其生长发育，甚至死亡。Hilder等将豇豆胰蛋白酶抑制物基因转移到烟草后，明显增强了转基因烟草对Heliothisvirescens幼虫的抗性。Johnson等将编码番茄蛋白酶抑制物I和Ⅱ及马铃薯的抑制物Ⅱ的基因通过Ti质粒导入烟草，结果表明，导入的基因在烟草中均能正常表达，转化的植物的叶抽提物也明显表现出对胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶的抑制作用。在导入抑制物II基因的烟草上，烟草天蛾幼虫的生长受到显著抑制。每克鲜重组织表达量在50t~g时，幼虫的生长受中等程度的抑制；而达lOOgg时，生长受严重影响。但在导入番茄抑制物I基因的转基因植株上，幼虫的生长基本上不受影响。已知蛋白酶抑制物I是一种胰凝乳蛋白酶的抑制物，对胰蛋白酶的抑制作用很弱；而蛋白酶抑制物II具有2个反应位点，一个抑制胰蛋白酶，另一个抑制胰凝乳蛋白酶。上述结果表明，由于蛋白酶抑制物抑制了胰蛋白酶的活性，而不是抑制胰凝乳蛋白酶活性，使昆虫幼虫的生长受到抑制。进一步的设想是将Bt毒蛋白基因与蛋白酶抑制物基因重组在一起后导入植物，以扩大转基因植物的抗虫谱以及提高对害虫的毒性。田颖川等将Bt基因和豇豆胰蛋白酶抑制剂基因转化毛白杨，获得了转双价抗虫基因植株，其中一株转双价基因毛白杨对杨扇舟蛾[Clostoraanachoreta(Fabricius)]6d的杀虫率达90％以上。南京林业大学与农业科学院生物技术所合作，将Bt和CpTI基因共转化杨树NL—80106(PopulusdeltoidesX户．simonii)，获得了转双价抗虫基因植株，部分转双价基因植株的一龄舞毒蛾试验表明，转双价抗虫基因表现明显的抗虫性，10d杀虫率最高的达90％以上。林木的生长周期长，人工林的林分结构单一，如在林木抗虫基因工程中采用2个或2个以上的杀虫基因共转化林木，对选育广谱性、持久性抗虫林木新品种尤为重要。2抗除草剂基因随着农林作物集约经营程度的提高，人们已越来越多地使用除草剂，但大多数除草剂无选择性。通过植物基因工程将除草剂基因导入作物基因组使之产生对除草剂的抗性，可以大大提高除草效率，降低成本，是现代农林业集约经营的重要内容。草甘膦是一种广谱的非选择性除草剂，用于出土后作叶面处理，对众多的单、双子叶杂草均有很强的杀灭活性，对动物低毒，在土壤中可很快被微生物分解。草甘膦能专一地抑制芳香族氨基酸生物合成途径中的EPSPS酶(烯醇式丙酮酰莽酸—3—磷酸合成酶)，该酶约为48kD，可逆地催化S3P(莽草酸—3— 磷酸)与PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)缩合成EPSP和无机磷。由此可见，草甘膦是一种芳香族氨基酸生物合成的抑制物。已用多种植物证实莽草酸代谢的场所在叶绿体，由矮牵牛的EPSPS酶的cDNA的序列分析说明，可能先合成带有72个氨基酸的氨基末端的转运肽(transitpeptide)的EPSPS前体，随后转运到叶绿体中，加工成活性酶的形式。具有编码EPSPS酶的基因aroA的多拷贝质粒的Escherichiacoli表现出抗草甘膦，在这种细菌以及在组织培养中选择得到的抗草甘膦的矮牵牛细胞均表现出产生过量的EPSPS酶。在矮牵牛中过量产生约20倍的EPSPS酶，进而还证明这是由于EPSPS酶基因扩增了20倍所致。获得对草甘膦抗性的另一途径是突变，用Salmonella菌的突变试验已证明aroA基因可产生两类突变，一类为在aroA基因的启动子区突变，由此增强基因的表达而提高对草甘膦的抗性，但提高的水平较低；另一类为在aroA的结构基因上的点突变，这使酶蛋白101位上的脯氨酸为丝氨酸所取代，将此突变的aroA基因转入E.coli，后者可在加有2000μg／mL草甘膦的情况下生长，而野生型的E.coli在加有100μg／mL时生长抑制即达40％。Fillatti等(1987)将从沙门氏菌(Salmonellatyphimurium)分离的aroA基因重组到pPMG85／587质粒，用根癌农杆菌转化NC5339杨树无性系(Populusalba×P．grandidentata)，由转化组织再生转基因植株，获得了抗草甘膦的植株。但这些转基因植株对草甘膦的抗性极低，其中一个重要原因是aroA基因缺少叶绿体的转运肽，故合成的酶存在于细胞质中。Donahue等(1994)将突变的aroA基因与叶绿体的转运肽的顺序构成嵌合基因再导入杨树无性系NC5339，转基因植株对草甘膦表现出较强的抗性，使用0.56kg／hm2剂量时，转基因植株的叶片未受损伤，而喷施1．12kg／hm2时，只有转基因植株PT7成活，其余的植株均死亡。StraussST(1997)研究小组也进行了抗草甘膦转基因杨树的研究，获得了转基因植株，并大面积种植，在杨树生长的前3年，采用草甘膦除草，除草效率高，杨树早期生长速度提高。3抗病基因林木抗性基因工程中使用的抗病基因可以分为抗病毒病基因、抗真菌病基因和抗细菌病基因。已克隆的抗病毒病基因主要是RNA的外壳蛋白基因(CP)，如烟草花叶病毒TMV、黄瓜花叶病毒CMV等。英国牛津大学病毒所的研究小组曾克隆杨树花叶病毒PMV外壳蛋白基因来转化杨树，以育成抗杨树花叶病毒的杨树无性系。与抗病毒植物基因工程的研究相比，抗真菌基因的研究尚处在初始阶段。几丁质酶基因(Chi)和角质酶基因(Cut)是目前克隆的抗树木真菌病的2种基因。几丁质酶催化乙酰几丁质的生物合成，转基因植物通过释放能引起真菌发育进入休眠的乙酰几丁质来阻抑真菌和生长。而乙酰几丁质还能活化植物的某些基因，从而产生能消化真菌细胞壁成分的酶来破坏真菌的细胞成分。美国Harvey研究小组已从杨树的创伤反应基因中，分离出编码几丁质酶的转录子序列，并构建了能在杨树细胞中表达的几丁质酶基因表达系统美国加州的研究人员克隆了角质酶(Cut)基因，旨在提高树木叶片的角质层厚度和强度，加强叶组织的自我保护能力，抵御真菌的侵害。防御素(defensin)是广泛存在于动植物体中的一类广谱微生物抗性肽。其中，兔NP-1防御素的抗菌范围广，对真菌、细菌及病毒等都有较强的抑制作用。南京林业大学与中国科学院遗传所合作，将克隆的NP-1基因构建在植物表达载体上。并对毛白杨进行了遗传转化，获得了转基因毛白杨，经体外抑菌实验表明，转NP-1基因毛白杨植株组织提取物对枯草杆菌、农杆菌的抑菌效果明显，这一结果为防御素基因在林木抗病基因中的应用展现了可喜的前景。4改良木质素基因木质素是植物中的一类苯丙烷衍生物的高聚物，是植物细胞壁的重要组成部分，对维持植物茎杆的机械强度起了重要作用；同时，当植物受到病虫侵入和其他恶劣环境的胁迫时，也会导致木质素化，是植物的一个重要防御反应。木质素是木本植物的重要组分，约占其总生物量的25％。但在制浆造纸业中，用化学法去除木质素，需消耗大量能量，还造成严重的环境污染。林木基因工程为降低木质素含量，改善木质素组成提供了一条途径。对木质素生物合成途径中几个关键酶的研究取得了重要进展，其中包括：CAD(肉桂醇脱氢酶)，COMT(咖啡酸甲基转移酶)，PAL(L苯丙氨酸裂解酶)和C4H(肉桂酸脱氢酶)。CAD催化木质素单体合成的最后一步，已从紫花苜蓿、烟草、挪威云杉、火炬松、榆树及杨树杂种等7种植物中克隆出CAD的eDNA，用CAD的cDNA转化植物，转基因植株中CAD活性下降，木质素组成改变，这种改变提高了木质素的可提取性(Hihuchi等1994；Halpin等1994；Hibino等1995)。同样的方法研究COMT基因，转基因植物中COMT活性下降，导致木质素含量降低，木质素组成改变(Dwivedi等1994；Ni等1995)。从一杨树杂种中克隆出的COMT的cDNA与榆树中的相比，具有99％的同源性。用榆树的COMT的cDNA转化杨树，同样使COMT活性下降，木质素组分明显改变(Toshio等1996；VonDoorsselaere等1996)。许多研究表明PAL基因和C4H基因，也有类似作用。因此，CAD、COMT、PAL和C4H基因用于木质素基因工程，已达到降低木质素含量、改善木质素组分的目的。5不育基因进行不育基因工程研究是主要基于以下几个因素：①在转基因植株田间实验时，控制外源基因的扩散；②对于某些绿化、园林树种，减少花粉对环境的污染和对人的伤害；③花器官发育会消耗能量，雄性不育可能会促进树木的木材生产量的大幅度提高。花器官的分化和发育是一个非常复杂的生理生化过程，随着对花粉的形成机理和遗传调控的深入研究，一些影响花器官形成的基因也已被克隆出来，常常以反义cDNA的形式用于基因工程。VanderMeer等(1992)用反义的查尔酮合成酶基因转化矮牵牛花，得到雄性不育植株。用来自番茄的TAG的cDNA转化番茄，转基因植株雄性和雌性花同时表现非正常(L．Pnueli等1994)。发现和克隆有效不育基因，乃是不育基因工程研究的关键。6抗逆基因 上述的林木基因工程研究中，多数的外源基因来之于微生物，抗性机理比较单一，对比较复杂的性状也开始用基因工程进行改良，如植物对干旱和盐碱的抗性。植物在逆境条件下往往形成特定的逆境蛋白，但大多已发现的逆境蛋白的生理功能至今不清楚。不少植物生理学家认为是一些小分子的化合物，如脯氨酸、葡萄糖、甜菜碱(N，N，N-3甲基甘氨酸)，对于植物忍受环境渗透胁迫的能力具有十分重要的作用，例如在干旱条件下，植物游离脯氨酸的含量可增加几十倍甚至上百倍。国内外一些实验室已在尝试将与脯氨酸合成有关的不同的脯氨酸基因(pr。基因)导入植物，以观察其对抗逆性的影响。中国科学院遗传所陈受宜等已从黑麦中分离克隆到一DNA片段，通过丁i质粒导入烟草后，转化的植株中在一定的生长发育阶段游离脯氨酸的含量增加，耐盐性也相应提高，并初步观察到这一性状可以遗传给子代。已知植物中甜菜碱生物合成的最后一步是由甜菜醛(3—甲基甘油醛)形成甜菜碱，这一反应为甜菜醛脱氢酸(BADH)所催化。现已从山菠菜中分离到BADH酶的cDNA克隆。在自然条件下，山菠菜比菠菜更耐盐碱。从山菠菜克隆出BADH的cDNA与菠菜相比，同源性达87.5％，用其转化水稻，转基因植株大部分能在含0.5％NaCl的盐池中生长，结实率达10％，而对照严重受害，几乎全部枯萎。七、抗环境污染基因植物对污染环境的修复作用被称为植物修复(phytoremediation)。林木在治理环境污染中起了不可估量的作用。重金属如汞离子的积累是很难去除的一种环境污染。从可能降解汞离子的细菌中克隆出汞离子降解酶基因merA，构建了植物表达载体，并转化至Liriodendrontulipifre中，获得了转基因植株，转基因植株merAl8—11F，在6d内将Hg++转化为Hg的能力是对照的10倍，降解Hg++的效果明显。S02是大气的主要污染物之一，日本纸业公司克隆了降解S02基因，并转入日本山杨中，所获得转基因植株代谢S02的能力明显提高，田间试验仍在进行中。林木抗环境污染基因工程是林木基因工程的重要研究方向，将在环境保护中发挥重要作用。林木基因工程研究历史较短，在抗虫和抗除草剂基因工程方面获得了重要进展，但与农作物相比，无论是目的基因的分离、鉴定和克隆，或是载体的构建，都有待于更广泛的深入研究。三、林木基因工程中的安全性问题四、林木基因工程的目的是获得具有优良性状的新品种，与农作物作为食品不同，林木主要作为人类生活和工业生产的材料或原料，因此，对于林木转基因植株的田间释放，主要考虑大面积转基因人工林对自然环境的生态效应。1生态效应利用Bt基因转化植物获得了转基因植株，如转基因棉花、转基因玉米等，已进行了大面积的推广和种植。Bt植物对昆虫群落存在着正、负两方面的影响。英国的一个研究小组在实验室条件下，研究了转Bt基因油菜对小菜蛾寄生蜂生存的影响。小菜蛾(Plutellaxylostella)是已知在田间对Bt生物制剂产生抗性的第一种害虫。实验首先用转Bt基因油菜饲喂小菜蛾，使其对Bt毒素产生高抗性，然后让寄生蜂的成虫产卵于高抗的小菜蛾幼虫上，结果其中Bt毒素对寄生蜂幼虫和成虫的存活率均无影响；同时实验还证明寄生蜂对转基因和非转基因油菜叶片无喜好性差别。这一结果说明寄生蜂有能力继续在转Bt基因油菜的抗Bt小菜蛾幼虫上产卵，并可能抑制小菜蛾Bt抗性基因的扩散。另一些例子则表现不同。吴孔明等于1998～1999年在河北、河南抗虫棉田中对害虫的种群数量作系统调查后发现，瓢虫类、草蛉类、蜘蛛类捕食性天敌的数量在抗虫棉田中大幅度增加，有效地控制了蕾铃期棉蚜种群的发展。而天敌控制作用较弱的盲蝽象及红蜘蛛则在Bt棉田中上升为主要害虫。美国康乃尔大学的研究小组则报道了Bt玉米花粉使斑蝶致死。林木的生长周期长，转Bt基因杨树已在田间种植5年以上，研究在转基因杨树中害虫是否对Bt毒素产生抗性，对制定林木抗虫基因工程的研究策略是十分必要的。因此，防止或延缓害虫产生抗性，是转Bt植物基因工程研究的重点之一。“高剂量／庇护所”是美国环保局(EPA)针对转Bt基因作物田间释放，有可能引起昆虫对Bt毒素产生抗性所采取的措施，也就是在转基因作物种植区，必须留出一定比例的非转基因作物的种植面积，以减缓昆虫对Bt毒素产生抗性。另外，转双价抗虫基因工程也是一项重要措施。赵建周等(1999)通过棉铃虫对转双价(CryIA／CpTl)和转单价(CrylA)杀虫基因的转基因烟草的室内抗性风险评价表明，双价转基因烟草汰选棉铃虫18代后对CryIAc的抗性指数为对照种群的3．0倍，而单价转基因烟草汰选种群相应的抗性指数为对照的13.1倍。因此，转不同杀虫功能的双基因植物可显著延缓害虫的抗性发展。2除草剂基因对植物的影响主要考虑通过花粉漂移将抗除草剂基因转到可交配的杂草上，使杂草获得抗除草剂特性。美国的研究小组(1998)在进行抗除草剂基因转化杨树研究时，同时转入雄性不育基因，这样所获得的转双价基因杨树既抗除草剂，又不能产生可育的花粉，避免了花粉漂移可能带来的抗除草剂基因向其他非转基因杨树的转移。3转抗病基因植物对病毒重组和异源包装的影响自然界中存在着植物病毒的重组，包括DNA病毒和RNA病毒。病毒的异源包装或称转移包装也为人们所关注。转外壳蛋白基因(CP)的抗病毒植物，当有其他病毒侵染时，入侵病毒的核酸可能会被转基因植物表达的外壳蛋白所包装，从而改变病毒的寄主范围。这在实验室中已得到证实，但在田间实验中尚未见报道。因此，在田间条件下是否会因转基因植物而发生病毒的异源包装，还需作进一步研究。四、林木基因工程存在的问题和展望 尽管已建立许多树种的遗传转化系统，获得了转基因植株，但是与农作物相比，林木基因工程的研究仍处在起步阶段。首先，建立重要木本植物的高效遗传转化系统是开展林木基因工程的关键。许多木本植物，尤其是裸子植物的组织培养系统进展缓慢，缺乏有效的再生系统，即使少数树种已可以再生，并非就适用于众多的其他树种；与此同时需要分离与木本植物亲和力强的农杆菌菌株，并构建高效的表达载体。林木生长周期长，树体高大，外源基因在时空上能否持续和高效表达，这是一个急待研究的问题。随着实验方法和研究手段的不断改进，以及细胞生物学和分子生物学等理论与技术的发展，林木基因工程将在抗病、抗虫、改良性状等方面发挥更大的作用。思考题：基因工程1、基因工程要用到哪些酶，其步骤如何？2、简述基因工程在林木育种中的应用。3、林木基因工程中应注意哪些安全问题？