植物雜交育種實驗設(shè)計練習(xí)題一、引言植物雜交育種是作物品種改良的經(jīng)典且有效的方法，其核心在于通過人工控制的授粉過程，將不同親本的優(yōu)良基因進(jìn)行重組，進(jìn)而在后代中篩選出符合育種目標(biāo)的優(yōu)良單株，最終培育成新品種。一個科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炘O(shè)計是雜交育種成功的基石，它能夠確保實驗結(jié)果的可靠性、有效性，并提高育種效率。本練習(xí)題旨在幫助讀者鞏固植物雜交育種實驗設(shè)計的基本原理、關(guān)鍵步驟及注意事項，提升實際操作與方案設(shè)計能力。二、練習(xí)題（一）基礎(chǔ)設(shè)計題題目1：現(xiàn)有某地區(qū)主栽水稻品種“金粳818”，該品種產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)，但易感稻瘟病。育種目標(biāo)是改良其稻瘟病抗性，同時盡可能保留其原有優(yōu)良性狀。請以此為背景，設(shè)計一個初步的雜交育種實驗方案，重點包括：育種目標(biāo)的細(xì)化、親本選擇的依據(jù)與候選親本特征、擬采用的雜交方式（如單交、復(fù)交等）及簡要理由。題目2：在進(jìn)行番茄雜交育種時，若以“提高果實維生素C含量”為主要目標(biāo)之一?，F(xiàn)有以下幾份番茄材料：A.高維生素C含量，但果實小，晚熟B.中等維生素C含量，果實大，早熟，抗病性強(qiáng)C.低維生素C含量，果實中等大小，中熟，抗多種病蟲害D.高維生素C含量，果實中等大小，晚熟，感病請分析上述材料作為親本的可能性，并闡述你將如何選配親本組合（至少列出2個組合），說明理由，并指出各組合可能采用的雜交方式。（二）技術(shù)應(yīng)用題題目3：詳細(xì)描述在進(jìn)行小麥品種間雜交時，從“選株與整穗”到“授粉與套袋”這一關(guān)鍵操作環(huán)節(jié)的具體步驟、注意事項及理由。并說明在雜交過程中，如何有效防止非目標(biāo)花粉的污染？題目4：某研究者欲將大豆品種甲的抗倒伏特性導(dǎo)入到高產(chǎn)但易倒伏的品種乙中。已知抗倒伏對易倒伏為顯性性狀，且該性狀受一對主效基因控制。請設(shè)計一個利用回交育種方法改良品種乙抗倒伏特性的實驗方案，包括：各世代（BC1F1,BC2F1...）的親本選擇、雜交操作、后代選擇標(biāo)準(zhǔn)與方法，并預(yù)估大致需要多少世代可以基本穩(wěn)定。（三）綜合分析題題目5：某育種單位計劃開展辣椒雜交育種，目標(biāo)是培育具有“抗疫病、果肉厚、辣味適中”特性的新品種。（1）請闡述在制定該雜交育種計劃時，除了上述目標(biāo)性狀外，還需要考慮哪些重要的綜合性狀或因素？（2）假設(shè)通過初步雜交獲得了一批F1代種子，接下來的F2代及以后世代，你將采用何種選擇方法（如系譜法、混合法、單子傳代法等）進(jìn)行后代處理？請詳細(xì)說明你選擇該方法的理由，并簡述該方法在辣椒育種中的具體應(yīng)用流程。（3）在F2代群體中，你如何識別和選擇可能具有目標(biāo)性狀組合的單株？需要注意哪些問題？三、參考答案與解題思路提示（一）基礎(chǔ)設(shè)計題題目1思路提示：*育種目標(biāo)細(xì)化：明確是抗哪種類型的稻瘟?。ㄈ缑缥痢⑷~瘟、穗頸瘟）？抗性水平要求（如高抗、中抗）？在保持“金粳818”產(chǎn)量、適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，抗性是首要改良目標(biāo)，其他農(nóng)藝性狀不應(yīng)有顯著退化。*親本選擇依據(jù)：父本應(yīng)選擇稻瘟病抗性強(qiáng)（最好是抗譜廣）、遺傳穩(wěn)定的品種或品系。同時，盡可能與“金粳818”在其他農(nóng)藝性狀上有互補(bǔ)性，或至少不攜帶明顯的劣性基因。若能找到與“金粳818”親緣關(guān)系較近且抗性好的材料更佳，可減少后代分離。*雜交方式：通常首先考慮單交（“金粳818”×抗病親本）。若單一抗病親本農(nóng)藝性狀較差，也可考慮先將幾個抗病親本雜交，選育綜合抗病性好的中間親本，再與“金粳818”雜交（復(fù)交）。題目2思路提示：*親本選擇分析：A和D具有高維生素C含量這一目標(biāo)性狀，是良好的目標(biāo)基因供體。但A果實小、晚熟；D晚熟、感病。B和C具有其他優(yōu)良性狀（大果、早熟、抗?。勺鳛閮?yōu)良農(nóng)藝性狀和適應(yīng)性的供體。*親本組合及理由：*組合一：A×B。理由：A提供高維生素C基因，B提供大果、早熟、抗病基因。期望在后代中篩選出兼具高維生素C、較大果實、較早熟和一定抗病性的單株。雜交方式：單交。*組合二：(A×D)×B。理由：先將A和D雜交，聚合不同來源的高維生素C基因（若其遺傳基礎(chǔ)不同），F(xiàn)1或后續(xù)世代選擇高維生素C且綜合性狀相對較好的單株作為母本，再與B雜交，引入大果、早熟、抗病基因。雜交方式：復(fù)交（三交）。此組合可能更易獲得高維生素C且農(nóng)藝性狀優(yōu)良的后代，但育種周期較長。*（其他合理組合如D×B，或A×C等，只要理由充分即可）（二）技術(shù)應(yīng)用題題目3步驟與注意事項：1.選株與整穗：*選擇生長健壯、典型性好、無病蟲害的父本和母本植株。*母本整穗：選取即將開花（一般是穗中部小花已露穎但未開放）的麥穗。首先摘除穗基部和頂部發(fā)育不良的小穗，保留中部發(fā)育一致的小穗。每小穗保留2-3朵發(fā)育較好的小花，其余小花全部摘除。目的是保證養(yǎng)分集中供應(yīng)，提高雜交成功率和結(jié)實率。2.去雄：*在小花雄蕊未成熟（花藥未變黃、未開裂）且柱頭已具接受能力時進(jìn)行。通常在下午或次日開花前進(jìn)行。*方法：用鑷子輕輕撥開內(nèi)外稃，夾取三個花藥。操作時要小心，避免損傷柱頭和子房，也不能弄破花藥造成自花授粉。若不慎弄破花藥，該小花應(yīng)廢棄。*去雄后立即套上透明紙袋，袋口下端用回形針固定，防止外來花粉污染。3.授粉：*待母本柱頭成熟（一般去雄后1-2天，柱頭呈羽毛狀、有光澤）時進(jìn)行。*采集父本花粉：選取當(dāng)天開放的父本麥穗，輕拍或用鑷子取下成熟花藥（花藥呈鮮黃色、飽滿），置于干凈的培養(yǎng)皿或紙上，待其自然開裂散粉。*授粉：取下母本紙袋，用毛筆或授粉匙蘸取新鮮花粉，輕輕涂抹在母本柱頭之上，確保柱頭均勻粘滿花粉。4.套袋與掛牌：*授粉完畢后，立即重新套上紙袋，袋口扎緊。*在紙袋上掛牌，注明母本品種、父本品種、雜交日期、操作者姓名等信息。5.防止非目標(biāo)花粉污染措施：*嚴(yán)格的去雄操作，徹底去除母本花藥。*及時套袋和正確套袋（去雄后和授粉后）。*父本花粉要純凈，采集時避免混入其他品種花粉。*雜交操作應(yīng)在無風(fēng)或微風(fēng)天氣進(jìn)行，若風(fēng)力較大，應(yīng)在室內(nèi)或避風(fēng)處進(jìn)行。*不同雜交組合的操作工具（鑷子、毛筆等）要分開使用或嚴(yán)格消毒。題目4回交育種方案：*輪回親本（受體親本）：品種乙（高產(chǎn)，易倒伏）。*非輪回親本（供體親本）：品種甲（抗倒伏）。*目標(biāo)性狀：抗倒伏（顯性單基因控制）。*方案步驟：1.F1代：品種乙（♀）×品種甲（♂）。獲得F1種子。F1理論上全部表現(xiàn)抗倒伏（雜合）。2.BC1F1代：F1（♀）×品種乙（♂）。從BC1F1群體中選擇表現(xiàn)抗倒伏的單株（由于顯性，表型即可識別）作為母本，繼續(xù)與品種乙回交。3.BC2F1代：BC1F1抗倒伏單株（♀）×品種乙（♂）。同樣選擇抗倒伏單株回交。4.BC3F1代：重復(fù)上述回交過程。5.自交純合：一般回交3-4代后，雜種遺傳背景已大部分與輪回親本一致。此時選擇抗倒伏單株進(jìn)行自交（BC3F1自交得BC3F2），在自交后代中選擇抗倒伏且農(nóng)藝性狀與品種乙高度相似的純合單株（由于顯性，F(xiàn)2中抗倒伏株有純合和雜合，需進(jìn)一步自交鑒定或通過分子標(biāo)記輔助選擇純合株）。*世代預(yù)估：回交3-4代，再自交1-2代穩(wěn)定，總共大致需要5-7個世代（若每年一代）。（三）綜合分析題題目5思路提示：（1）需考慮的其他綜合性狀或因素：*產(chǎn)量：新品種即使抗性和品質(zhì)再好，產(chǎn)量也不能低于現(xiàn)有主栽品種太多，否則難以推廣。*早熟性或生育期：適應(yīng)本地氣候條件和種植制度。*果實商品性：除果肉厚外，還包括果形、果色、光澤、硬度（耐運輸）、單果重等。*其他抗性：除抗疫病外，是否還抗當(dāng)?shù)刂饕钠渌∠x害（如病毒病、炭疽病、蚜蟲等）。*適應(yīng)性：對當(dāng)?shù)赝寥馈夂颍囟?、光照、降水）等環(huán)境條件的適應(yīng)能力。*農(nóng)藝性狀：株型、分枝性、坐果率等。*市場需求和消費習(xí)慣：辣味適中是相對的，需符合目標(biāo)市場的偏好。*親本的可獲得性與雜交親和性。*育種周期和成本。（2）后代選擇方法及理由（以系譜法為例）：*選擇方法：系譜法。*理由：系譜法從雜種早期世代（F2或F3）開始進(jìn)行單株選擇，并對所選單株后代進(jìn)行系統(tǒng)的編號和記載，直至選育出性狀穩(wěn)定一致的品系。對于辣椒這種以果實為收獲對象、目標(biāo)性狀（抗疫病、果肉厚、辣味）大多為質(zhì)量性狀或遺傳力較高的數(shù)量性狀的作物，系譜法能較早地集中精力于優(yōu)良株系，便于觀察性狀的遺傳行為，及時淘汰不良組合和系統(tǒng)，育種目標(biāo)明確，效果較好。雖然工作量較大，但對于重要目標(biāo)性狀的選擇效率較高。*應(yīng)用流程：*F1：按組合種植，觀察雜種優(yōu)勢，淘汰假雜種和不良組合，不進(jìn)行單株選擇。*F2：群體要大，因為目標(biāo)性狀開始大量分離。根據(jù)育種目標(biāo)，在優(yōu)良組合內(nèi)選擇具有抗疫病、果肉厚、辣味適中等目標(biāo)性狀的優(yōu)良單株，分別編號、采種。*F3：將F2當(dāng)選單株點播成株行（系統(tǒng)）。觀察各系統(tǒng)的一致性和優(yōu)劣，在優(yōu)良系統(tǒng)內(nèi)繼續(xù)選擇優(yōu)良單株。*F4及以后世代：繼續(xù)按系統(tǒng)種植，逐步淘汰不良系統(tǒng)，在優(yōu)良系統(tǒng)內(nèi)選擇優(yōu)良單株，直至系統(tǒng)內(nèi)性狀基本穩(wěn)定一致（F5-F7），此時可進(jìn)入品系比較試驗。（3）F2代目標(biāo)性狀單株的識別與選擇：*抗疫病：若在人工接種條件下，可根據(jù)病斑類型、發(fā)病程度進(jìn)行鑒定；若在自然發(fā)病田，選擇無病或發(fā)病輕的單株。需注意抗性可能受環(huán)境影響，應(yīng)結(jié)合多年多點觀察。*果肉厚：待果實成熟時，采收后剖切果實，用卡尺測量果肉厚度，選擇符合目標(biāo)的單株。*辣味適中：可通過品嘗（少量）初步判斷，或結(jié)合辣味相關(guān)的生理生化指標(biāo)測定（若有條件）。*注意問題：*F2代性狀分離廣泛，應(yīng)擴(kuò)大選擇群體，保證有足夠的變異類型供選擇。*目標(biāo)性狀間可能存在相關(guān)性或負(fù)相關(guān)性（如抗病與產(chǎn)量），需綜合權(quán)衡，選擇綜合性狀優(yōu)良的單株，而非僅僅單一性狀突出。*一些性狀的表現(xiàn)受環(huán)境影響大，選擇時應(yīng)盡量在均勻一致的環(huán)境條件下進(jìn)行，并注意排除環(huán)境誤差。*對于一些難以目測的性狀（如某些內(nèi)在品質(zhì)），若有簡易鑒定方法應(yīng)盡量采用。*做好詳細(xì)記錄，包括株號、各性狀表現(xiàn)等，以便后續(xù)追蹤。*選擇標(biāo)準(zhǔn)不宜過于嚴(yán)格，尤其是在早期世代，以免丟失優(yōu)良基因組合。四、總結(jié)雜交育