第5章 杂交与倍性育种
提要
杂交育种是创造新的遗传型的育种方式，在林木育种中应用较普遍。国内外在林木杂交育种方面已经取得很大的成就，但是在开展人工杂交的同时，不能忽视自然杂种的选择和利用。关于杂种优势的遗传学理论很多，其中 “显性学说”和“超显性学说”较为普遍认可。杂交方式取决于于育种目标和亲本特性，杂交组合和亲本植株的选择影响杂交育种效果。为了保证杂交成功，必须了解亲本开花生物学特性，掌握花粉处理技术，采取有效方法，克服远缘杂交不可配性。获得杂交种子，仅是杂交育种的开始。杂种要经过培育、鉴定和选择，最后才能选育出优良的杂交新品种。具有优良性状的杂种，由于数量有限，还需要经过良种繁育，以及杂种推广前的区域化试验。林木多倍体育种作为一种遗传改良方法，在杨树、刺槐、桑树等树种上取得成效。通过理化处理以及生物技术等方法可以实现人工多倍体诱导。多倍体诱导有体细胞染色体加倍、不同倍性体间杂交、利用天然或人工未减数配子杂交、胚乳培养与细胞融合等途径。
5.1杂种优势
同一无性系的不同分株间授粉，或同一株树的自花授粉，称为自交（selfing）。而不同树种或同一树种不同种源、家系、无性系间的交配，称为杂交(hybridization)。根据杂交亲本双方的亲缘关系的远近，可分为种内杂交、种间杂交和属间杂交。种间杂交或属间杂交称为远缘杂交(outcrossing)。林业上杂交育种成功实例多为远缘杂交。
杂种优势(hybrid vigor)是指两个遗传性不同的亲本杂交所产生的杂种一代在生长势、生活力、繁殖力、抗逆性、产量和品质等方面比双亲优异的现象。对杂种优势现象的认识较早。早在19世纪60年代，达尔文就提出了“异花授精一般对后代有利，而自花授粉一般对后代不利”的结论。但有关杂种优势的遗传学理论于20世纪初才出现，并一直受到人们的关注。关于杂种优势的遗传学假说很多，其中，“显性学说”和“超显性学说”较为普遍认可 。
5.1.1杂种优势的遗传学解释
1.显性假说（dominance theory）
显性假说首先由A.B.Bruce（1910）以数学形式提出，后经Jones等(1917)发展为显性互补假说。该假说认为杂种优势来源于等位基因间的显性效应和非等位基因间互作效应的累加作用。显性基因（dominant gene）对生长有利或效应较大，隐性基因（recessive gene）对生长有害或效应较弱。杂交使亲本一方的某些有利的显性基因掩盖了另一方不利的隐性基因，从而使杂种获得多于双亲任何一方的显性基因，因而表现出杂种优势。
比如，母本基因型为AAbb，父本为aaBB，杂交子代（F1）为AaBb。假如A的效应等于B，值为2，a的效应等于b，值为1。则母本和父本基因型效应值均为6。由于A和B分别对a和b起掩盖作用，Aa和Bb的效应等于AA和BB，则F1代基因形效应值为8，比双亲都大。
2.超显性假说（overdominance theory）
超显性假说由G.H.Shull等于1908年提出。该假说认为等位基因之间的关系不仅是显隐性关系，而是互作关系。由于等位基因之间产生互作效应，杂合体Aa比纯合体AA或aa在生长和适应性都有优势。关于超显性产生的原因，有人认为是由于两个等位基因分别产生不同的产物，或控制不同的反应，杂合体（heterozygote）存在两种基因，能同时产生两种产物，或控制两种反应，具有超过双亲的功能。
关于显性假说和超显性假说，各国学者有各种各样的解释，然而真正对这两个假说有关的遗传参数进行严格检验，是在高密度分子标记连锁图问世后。如C.W.Stuber等（1992）
1
对一个玉米单交种杂种优势分子标记分析结果表明，绝大多数 QTL(数量性状位点)上，其杂合体表现型值均高于纯合体（homozygote），因此认为这些 QTLs及其超显性效应是产量性状杂种优势的主要遗传基础。杂种优势形成的遗传机理是很复杂的， 是一个至今尚未得到很好解决的问题。应用分子遗传学技术,探讨杂种优势基因的作用和表达,阐明杂种优势产生的遗传机理，在此基础上,提出动植物杂种优势预测的方法和利用途径,将是未来动植物杂种优势理论以及数量性状遗传育种研究的一个主要方向。 5.1.2杂种优势度量方法
为了评价杂种优势的强弱，为亲本选择提供依据，可以通过计算配合力来估计，也可以采取比较简便的方法来度量。比较常用的有超中亲值法和超优亲值法两种。
1、超中亲值法： 这是以某个性状双亲平均值为标准的计算方法。设H为杂种优势度量值，F1为杂种第一代表型值，P1和P2分别为两个亲本的表型值。计算式如下：
1F1?(P1?P2)2 H?1(P1?P2)2
2、超优亲值法： 这是以双亲中最优亲本表型值（PS）为标准计算杂种优势度量值（HS）的方法。即：
HS?F1?PS PS
对杂种优势的估计，必须谨慎。因为杂种优势只能在其发育的某个阶段表现出来，而不是任何阶段都显示出优势。如B.J.Zobel（1984）曾例举火炬松×长叶松的杂种，该杂种在苗床上往往比任何亲本都高。然而，移栽后，火炬松生长往往超过杂种， 40年后长叶松可能生长量最大。另外，杂种只是在某种环境下显示出优势，而不是在任何环境下都超过亲本。
5.2 天然杂种与人工杂种
5.2.1天然杂种（natural hybrid）
由于同一属不同的树种自然分布区重叠，或树种发生迁移，只要花期相遇，就有可能产生天然杂种。因此，林木的天然杂种是常见的。如在北美110个科的北方植物区系中，发现了465个种间杂种。
在自然界中，同一属不同的种通过相互传粉而产生天然杂种，杂种随之与其亲本回交，使一个种的基因逐步渗透到另一个种之中，这种现象称为种质渐渗（introgression）。种质渐渗可以分为3个时期：（1）开始形成杂种一代；（2）杂种一代与亲本树种之一回交，或与双亲回交；（3）通过自然选择，选出一定的有利的重组类型(图5－1)。例如，美国火炬松分布区西部的种源对锈病的抗性比其他地方的种源强，可能是由于分布区内短叶松种质渐渗的结果。在日本，赤松和黑松之间，开花花期相差—周左右，虽然两个树种之间有隔离，仍时常看到天然杂种形成，而且这种天然杂种比它的双亲赤松、黑松的表现都好。
2
树种A
依次回交
树种B
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ
世代
图5－1 树种种质渐渗示意图
天然杂交经常出现在两个种的接壤地带。油松(P. tabulaeformis)、云南松 (P. yunnanensis)马尾松、（P.massoniana）、黄山松（P.taiwanensis）、高山松（P.densata）等树种接壤处，由于相互传粉，容易发生种质渐渗，出现天然杂种。吴中伦（1956）在对我国松属研究中首次提出高山松可能是油松和云南松的种间杂种。王晓茹等(1990)利用RFLP(限制性片段分析)技术和cpDNA异源探针证明了高山松种群内有油松和云南松的叶绿体基因组，RFLP 分析证实了高山松是油松和云南松的渐渗杂种。
天然杂交也经常出现在生境遭到干扰的地带，如耕种、放牧和火灾的地带。长叶松×火炬松在美国路易斯安纳州和北卡罗来纳州形成了杂种集群。生境遭到干扰的地区会产生另一种小生境，在这种生境中，原来亲本种不能很好适应，而杂种却生长得很好。这种生境称为“杂种生境”，通常这是建立大规模杂种或衍生种的先决条件。
松属（Pinus）、落叶松（Larix）、杨（Populus）、柳（Salix）、栎（Quercus）、桉（Eucalyptus）、泡桐（Paulownia）等属中多见天然杂种。由于天然杂种广泛存在于自然界中，变异十分丰富，又经历了自然选择，是遗传变异的主要来源，应重视对它们的选择和利用。例如，约在18世纪，美洲黑杨引入欧洲后，作为绿化树种，与欧洲黑杨栽在一起，由于消除了地理隔离，两者又容易杂交，由此产生了许多天然杂种。1819年记载的第一个天然杂种，由Monch于1889年定名为加杨(P.canadensis Modench)。在自然状态下，这些杂种与其亲本回交，或与杂种杂交，产生了一系列新杂种。著名的I－214杨是1929年从美洲黑杨(P.deltoides Bartr.)的栽培种与欧洲黑杨的天然杂交实生苗中选育出来的。我国杨树在天然林分和栽培群体中，蕴藏着很多优良天然杂种，并具有显著的杂交优势。如银灰杨(P.canescens(Ait.)Smith)是银白杨(P.alba)与欧洲山杨(P.tremula L.)的天然杂种，在我国新疆有大面积的天然分布；白城杨是小叶杨(P.simonii Carr.)与钻天杨(P.nigra var. italica(Moench)Koehne)的天然杂种，在白城铁路林场，21年生树高19m，胸径37.1cm，
3
材积0.84124m，分别是小青杨(P.pseudo-simonii Kitag)的147.4%、167.1%和394.1%；二白杨(P.gansuensis C.Wang et H.L.Yang)是箭杆杨(P.nigra var.thevestina(Dode)Bean)与小叶杨的天然杂种，该树种在水分条件好的地方，可以“3年成椽，5年成檩，10年成梁”，
3
在较差的立地条件下，也比其它杨树生长的快, 成为甘肃省河西走廊的优良树种；赤峰杨(P.×xiaozhuanica cv.‘Chifengesis’)是赤峰地区选出的小叶杨与钻天杨天然杂交种，在水分条件好的平地，生长量超过小叶杨的40％，在干旱瘠薄的沙地，赤峰杨比小叶杨快1～3倍。
5.2.2人工杂种
杂交产生基因重组（gene recombination），并可能由此产生两种效应：一是集中父母双方的有利基因，达到优势互补的目的，这是利用基因重组产生的加性效应；二是等位基因间和非等位基因间的互作，产生显性效应和超显性效应，这是利用基因重组产生的非加性效应。人工杂交的目的是通过综合双亲的优良性状，并利用杂种优势，提高树种的生长量，改进产品质量，增强林木抗逆性。
国内外在树木人工杂交方面，工作开展较多，成效较显著的树种有杨属、桉属、松属、落叶松属等树种。现简述如下：
1.杨属
1912 年英国学者A. Henry在世界上首次进行了杨树种间杂交，证明可以通过杂交获得父母本的综合性状，并显示出杂种优势。从此，种间杂交一直是各国杨树育种采取的主要手段。我国的林木杂交育种是以杨树为起点的。1946年叶培忠教授在甘肃天水开展了白杨派杂交工作，1954年徐纬英教授等采用多亲本、多组合进行大规模、有计划的杨树杂交育种，到了70年代，全国已培育出一批速生、优质、抗病的杨树新杂种及其优良无性系，如以钻天杨为亲本之一的北京杨、群众杨和合作杨等杨树杂交品种。1982年通过国家科技攻关项目，开展了以黑杨派杨树为中心的杂交育种工作。经过多年研究，选育出中林46号杨、中林“三北”1号杨、南林－80121号杨等无性系。优良杂种及其无性系在全国各地推广应用，取得明显的经济效益和生态效益。
2.桉属
桉属包括700余种和变种，遗传基础极为广泛，种间杂交产生杂种优势的潜力巨大。国外20世纪70年代就有目的地开展了桉树杂交育种，并作为桉树遗传改良不可缺少的重要组成部分，一直受到广泛的重视，并且取得了显著的成效。如巴西Aracruz公司培育的巨桉×尾叶桉杂种(Ｅ.grandis×Ｅ.urophylla) ，不仅生长快，无性系人工林年材积达到32
55m/hm，而且萌芽力和树干溃疡病抗性比轮回选择的巨桉纯种表现好。南非培育的巨桉×赤桉杂种(Ｅ.grandis×Ｅ.camaldulensis)的速生性、抗旱性和造纸性能显著优于种内改良繁殖材料。
我国桉树杂交育种始于60年代， 但早期引种工作因种源不清，基因资源有限，杂交育种工作进展较慢。中国林业科学研究院热带林业研究所于1985年开始与澳大利亚农业研究中心合作，开展桉属树种、种源和家系试验，引进了63个树种的258个种源和572个半同胞家系。在此基础上，开展杂交育种。据吴坤明（2001）报道，广东新会市的桉树杂种试验林中，4年生尾叶桉×细叶桉优良杂种组合的平均单株材积比母本自由授粉子代高251.56%，比对照高429.78%，8年生时最优单株高近30ｍ，胸径36.8cm。
3.松属
上世纪20～50年代松属杂交研究较热。美国加利福尼亚州的林木遗传研究所从1924年起，陆续用近80个种做了4500多个杂交组合。东北林业试验站则以五针松为重点，做了东西两半球17个种120多个组合的杂交。前苏联于30年代也开始了杂交研究，1980～1982年乌克兰林业研究所也做了近200个组合的松属种间杂交。从50年代开始，德国、比利时、希腊和南斯拉夫等国也以当地乡土松树为主，以外来松树为父本进行了大量种间杂交。日本从1955年开始，在20年间也开展了东西两半球双维管束亚属多种温带松树间的杂交。澳大利亚为提高外来松树的生产力，进行了热带和亚热带松类种间杂交。迄今至少已得到过147
4
个种间杂种，其中不少表现出杂种优势和所需优良特征。但由于生产杂种困难，所以生产中应用尚有限。韩国于50年代中期大量通过人工控制授粉生产刚松(P。 rigida Mill)和火炬松(P。 taeda L.)杂种。生长量接近火炬松，为刚松的2倍多。现该杂种造林已占全国造林总面积的20%。松属杂交育种成功的实例还有火炬松×短叶松（P。 banksiana Lamb.）、欧洲赤松（P。sylvestris L.）×欧洲黑松（P。 nigra Arn.）、 日本黑松（P。 thunbergii Parl.）×马尾松等等。
我国于上世纪60年代开展松属杂交育种工作。自1961年起，南京林业大学在油松和南方松各派间做了约30个杂交组合。在刚松×火炬松、黑松×长叶松、黑松×云南松等杂种中都见到杂种优势。在70年代中期至80年代，广东省的湿地松×古巴加勒比松研究初步证实，杂交育种可取得较高的经济效益。如据冯水(2002)对广东省阳江市林科所湿地松和加勒比松６个杂交品种和３个纯种20多年生试验林的调查， 湿地松×加勒比松杂交后代与湿地松相比，其平均树高、胸径、材积分别大15.8%、16.3%、56.8%。
4.落叶松
从1900年欧洲落叶松与日本落叶松杂种在苏格兰发现以后，落叶松杂交育种便在很多国家和地区开展。1926年丹麦发现日本落叶松×欧洲落叶松杂种10年生时比日本落叶松生长高出18%。日本落叶松和兴安落叶松的杂种在日本最北的岛屿北海道表现良好，杂种一代的生长速度与日本落叶松相近，但耐寒性及抗鼠害能力较强。据H.Gother报道, 联邦德国Schlitz地区1954年栽培的欧洲落叶松×日本落叶松杂种，到1987年生长量仍然超过双亲平均值，树高为12%～14%，胸径为9.0%。
我国于70年代初开展了落叶松杂交工作。东北林业大学、中国科学院林业土壤研究所、和黑龙江林业科学研究院先后得到了日本落叶松和兴安落叶松正反交、日本落叶松×长白落叶松等杂种，并对杂种生长、材性、抗逆等性状进行了研究。如黑龙江省林科所自1979年建立第一批落叶松杂种试验林以来，以日本落叶松、兴安落叶松、长白落叶松为对象，开展落叶松杂种优势的研究，生产了大量落叶松种间杂种，建立起一大批杂种试验林。
此外，我国在泡桐、榆、柳、刺槐、鹅掌楸、银杏等树种中作了不少的杂交育种工作。其中，杂种马褂木是叶培忠教授于1963年首次以鹅掌楸属(Liriodendron)的中国马褂木(L.chinense(Hemsl.)Sarg.)和北美鹅掌楸(L.tulipifera L.)为亲本育成的种间杂种。30多年的栽培试验表明，该杂种不仅在生长和适应性等性状上表现出强大的杂种优势，而且具有树型美观、枝叶浓密、生长期长、花色鲜艳等特点，已成为中国南方地区重要的庭院绿化优良树种。杂种马褂木的利用价值也逐渐为人们所认识，推广范围不断扩大。 5.3 杂交方式与亲本选择 5.3.1杂交方式
杂交时，供应花粉的植株称作父本，以符号“♂”表示；接受花粉，发育成果实和种子的植株称作母本，以符号“♀”表示，字母“P”表示亲本；乘号“×”表示有性杂交。母本写在前面，父本写在后面。例如，杂交组合钻天杨×青杨，即表示钻天杨为母本，青杨为父本。从杂交所得的种子及其长出的植株，为杂种第一代，用“F1”表示。
在杂交育种中，为了得到预期效果，常常采用不同的杂交方式。最常见的是选配两个亲本进行一次杂交。当一次杂交不能达到育种目标时，还可以采用回交和复式杂交。
1．单交
单交(single cross)是两个亲本进行一次简单杂交。如北京杨（P.×beijingensis W.Y.Hsu）就是由钻天杨×青杨杂交培育出来的。单交可采用正交和反交。如果A×B为正交，则B×A为反交。在细胞质不参与遗传的情况下，正交和反交杂种后代应当是一致的。但是，如果细胞质参与遗传，杂种性状倾向于母本。例如，以黑杨派为母本，毛白杨为父本，生长速度与母本相似，甚至优于母本，而反交，则杂种苗一般生长较慢。毛白杨插条不易生根，若作母本进行派内种间杂交，多数杂种插条生根仍难，若作父本，与插条生根容易的杨树进
5