3. 花粉培养　良种生产

在植物育种中，有时会遇到一个十分棘手的问题：通过有性杂交获得的种子种下去后，长出的杂种植株遗传性不稳定，有些优良性状会丢失。这是怎么回事呢？我们知道，植物的形状受基因控制，在植物的体细胞中，基因一般是成对存在的。假如控制玉米植株高矮的一对等位基因是A和a，其中A是显性基因，就是说当A存在时，长出来的玉米是高植株；a是隐形基因，可导致玉米长成矮植株。按照基因的自由组合规律，在后代中玉米的基因型会有AA、Aa、aa三种，而表现型至少有两种，其中AA、Aa都表现高植株，aa表现矮植株。Aa属于杂合基因型，在后代中高矮性状还会出现分离，必须经过若干代选择纯化，才能形成稳定品种。这给育种工作带来了诸多不利，尤其是像果树这样以无性繁殖为主、基因型高度杂合、生长期很长的植物，依靠常规的育种途径，往往要经过许多年才能育成一个稳定的新品种。通过花粉育种就可以避免这一缺憾。

什么是花粉呢？花粉是种子植物的雄性生殖细胞，里面的染色体数仅为正常体细胞的二分之一，因而花粉是单倍体，正常体细胞是二倍体。花粉的正常发育途径是产生同样是单倍体的精子，然后通过授粉过程与雌性生殖器官产生的单倍体的卵细胞结合，形成二倍体的种子。花粉也具有全能性，通过培养可长成完整植株，不过单倍体植株与正常二倍体植株相比具有许多劣势：它叶子小、植株矮、长势差、生活力弱，一般不能开花结果。自然界里存在单倍体植物，而且比单倍体动物多见。1921年，伯哥纳首次在高等植物曼陀罗中发现了单倍体植物。

尽管单倍体植物在生产上没有多少利用价值，但可以作为育种过程的一个中间材料。由于单倍体植物基因纯，没有显性基因对隐性基因的屏蔽作用，便于人们从中挑选出具有可用性状的隐性突变体，因而经济效应十分显著。1924年，布雷克斯利提出了在育种中利用单倍体植株，然后加倍获得正常二倍体植物的设想。

科学家们找到了一种能使细胞里染色体数目加倍的化学药剂，它就是在育种中常用的秋水仙素。如果对花粉进行人工处理，也就是把它浸泡在0.2～0.4%的秋水仙素溶液里，经过24～48小时处理后，再按常规途径培养，可使染色体数目加倍，变成能够开花、结果的正常的二倍体植株。这种二倍体植株的基因型是纯合的，在以后的繁殖过程中，良种的性状不会丢失，这样可以简化育种过程，缩短育种周期。而且，通过单倍体加倍后的纯合二倍体可表现纯合后的隐性性状，扩大了性状的选择范围，有利于对作物品种改良的设计和诱变育种的进行。

1974年，尼特斯彻等人首创用挤压法分离花粉进行培养的方法。他们取下成熟的烟草花蕾，在5℃放置48小时后，进行表面消毒，取出花药。让花药在28℃的液体培养基上漂浮光照4天，作为预处理。然后，用器械挤破花药，制成花粉悬液。经过滤、离心、培养，只得到了大约5%的花粉植株。成功率低的原因可能是，花粉中缺乏细胞分裂启动所需的有关物质，譬如至今仍然成分不明的水溶性“花药因子”，致使生长、发育欠佳。

为了克服上述缺点，1977年，单兰德等科学家改进了培养策略，用自然散开法收集花粉。他们将花蕾或幼穗在70℃冷处理2周后，让其在适当的液体培养基表面生长，待花药自然开裂散落出花粉后，离心收集花粉，置于含肌醇和谷酰胺的培养基中生长，使花粉发育成植株的效率有所提高。

由于单纯的花粉培养不易成功，有的科学家仍喜欢选用花药作为培养材料。花药培养有时获得的不是单倍体植株。这是因为花药是由花药壁和花粉囊组成的，花药壁细胞是二倍体的，也可以形成愈伤组织发育成植株。

花药培养技术是20世纪60年代获得成功的，迄今仍在农作物育种中广泛应用。1964年，两位印度科学家采用毛叶曼陀罗的花药首次培育出了单倍体植株，后证明这些小植株来源于花粉。1982年，利希特尔采用甘蓝型油菜游离小孢子（花粉）培养，诱导胚胎发生和植株再生。2013年，辣椒通过花粉培养育种成功。2014年，大白菜、花椰菜、亚麻花粉育种成功。通过这项技术，已获得了几百种植物的单倍体植株。

花粉及花药培养发育成单倍体植株和二倍体植株

部分植物花粉培养

中国自行研制的N6培养基、马铃薯培养基在水稻和小麦等作物上收到了很好的单倍体诱导效应，不仅国内广泛采用，在国外也受到了好评。在木本植物上，中国已获得了苹果主栽品种的花粉植株，在国际上处于领先地位，还培养出了三叶香蕉、黑杨等20多种木本植物的单倍体花粉植株。