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蜜蜂近交系的建立与应用

作者:未知

  摘要:蜜蜂近交系的建立在蜜蜂新品种培育、地方品种和种质资源保存、杂交优势利用等方面都具有重要的应用价值。由于蜜蜂独特的生殖方式,其近交系的建立方法、近交速度、纯度等与畜禽动物大不相同。本文综合蜜蜂育种实践和育种理论,对蜜蜂近交系的建立方式、近交系的保存以及近交系的应用进行了综述。
  关键词:蜜蜂;育种;近交系
  中图分类号:S892 文献标识号:A 文章编号:1001-4942(2015)08-0132-05
  Abstract There is important application value to establish honeybee inbred lines for breeding new varieties, conservation of local varieties and germplasm resources, utilization of heterosis, etc. Because of the unique reproduction mode, the establishment method of inbred lines, inbred speed and purity of honeybee were quite different from livestock and poultry. Based on the breeding practices and theories, the establishment modes, conservation and application of honeybee inbred lines were summarized in this paper.
  Key words Honeybee; Breeding; Inbred line
  在蜜蜂育种实践中,新品种(品系)培育、良种保存与杂种优势利用等都涉及不同程度近交和不同近交系统的选择。可见,近交系建立在蜜蜂遗传研究与育种工作中具有重要地位。蜜蜂近交系相当于畜禽育种中的配套系,不同之处在于蜜蜂近交系的纯度要比配套系高的多,这主要与蜜蜂独特的生殖方式有关。在长期进化过程中蜜蜂形成了两种生殖方式:孤雌生殖和有性生殖。雄蜂由未受精卵发育而来,属于单倍体,只具有母亲的一套染色体;工蜂和蜂王属于雌性蜂,由受精卵发育而来,具备了双亲的染色体组型,属于正常二倍体生物。因此,雌性蜂的产生是有性生殖,而雄性蜂的产生是孤雌生殖。自然条件下,蜂王有性生殖是通过一雌多雄的方式,在空中飞翔完成。蜂群由此获得丰富的遗传物质,以适应复杂多变的自然环境。也就是说蜜蜂的生存天性就是要保持自身蜂群的高度杂合状态。然而,这一特性却给蜜蜂的保种和育种工作带来了极大困难,在生产实践中,我们往往希望蜂群的某些优良性状可以保存下来,即稳定遗传给后代,而不发生性状分离。根据孟德尔自由组合与分离定律,只有进行纯种间的同质交配,性状才可以一代代遗传下去,而不发生分离。因此,采用人工干预蜜蜂交尾的方式定向培育蜜蜂近交系是蜜蜂保种、育种工作中不可或缺的遗传手段。此外,又鉴于蜜蜂这种独特的生殖方式,其近交系的建立、发展速度、纯度必然与普通有性生殖的二倍体生物不同。因此,本文系统综述了蜜蜂近交系的建立及其在蜜蜂繁殖体系和育种工作中的应用,以期给蜜蜂育种工作者提供有价值的参考。
  1 近交系的概念
  近交系是指通过亲代与子代或者半同胞、全同胞等方式进行近亲交配,使具有不同性状的个体产生分离,获得遗传型相对纯合的个体,近交系中个体性状会逐步趋于稳定一致。由于其后代性状将不再发生分离,因此,近交系是动植物育种研究中的重要材料。育种工作中,通常采用近交系数(F,coefficient of inbreeding)来评价近交系的近交程度,近交系数最初由Wtight (1921)提出,用来描述相结合的雌雄配子之间的遗传性相关。1948年,Malcot正式提出了近交系数的概念,认为近交系数是用于描述近亲交配个体中基因纯合程度的数量指标,是指近交个体的等位基因来自于共同祖先的概率,即同质基因或纯合子所占的比例[1]。在蜜蜂育种工作中,也经常把“近交系”称之为“纯系”,用纯度来描述“纯系”的近交程度。纯度的概念与近交系数相近,是指每个合子中“纯合染色体对”的数量占合子本身染色体总对数的比例。
  2 不同近交系统与相应的近交系数
  在蜜蜂育种实践中,要根据具体的近交目的、所要求的近交速度和近交纯度等,灵活选择近交方式。为使不同近交方式的结果得到量化,必须对不同近交系统的近交系数进行计算。蜜蜂育种工作者已借助通径分析原理,研究出蜜蜂近交系数的计算方法,并采用计算机模拟蜜蜂不同的近交系统,计算出不同近交方式下,达到某一特定纯度所需世代数或经过指定世代的近交后的近交系数。现将蜜蜂育种工作中常用的几种近交方式(图1)和近交系数(表1)汇总如下。
  2.1 母子交配近交系统
  母子交配是指用处女王产生的未受精卵发育成的雄蜂,再与这只处女王交配,其通径图如图1-1所示。由于雄蜂是由未受精卵发育而来,因此,雄蜂仅包含了产生它的蜂王的一半遗产物质,即该蜂王一个配子的遗传物质,所以蜜蜂的母子交配就相当于自交。所谓自交是指结合的雌雄配子来自于同一亲本。自交能快速提高近交系纯度,在普通有性生殖的二倍体畜禽动物中是不可能发生的,而蜜蜂恰巧可以利用其独特的孤雌生雄的生殖方式,通过自交(即母子交配)来快速达到纯系。依据通径分析原理计算得出,通过母子交配的近交方式,后代近交系数为0.96时,约需要5代;经过19代的近交则会达到近交终点,近交系数约为0.9999980927。
  2.2 父女交配近交系统
  父女交配是亲子交配的另一种方式,是指雄蜂与它的雌性后代交配。亲代处女王必须采用单只亲代雄蜂的精液进行单雄人工授精,待亲代蜂王的受精卵发育成子代处女王后,将亲代蜂王杀死,取其受精囊内的精液,给子代处女王进行人工授精,反复重复上述过程,直至达到理想近交系数。采用此种近交方式进行近交系建立与母子交配的预期结果相似,近交系数达0.96时,同样需要5代左右,完全纯合时需要17代。值得注意的是,该近交方式在操作技术上具有一定难度,必须熟练掌握单雄人工授精技术和微量人工授精技术。父女交配的通径图如图1-2。   2.3 同胞交配近交系统
  即由一只蜂王产生的处女王和雄蜂交配,图1-3为连续同胞交配通径图。同胞交配较亲子交配的近交系进展较慢,近交系数达0.96需15代,是亲子交配3倍的时间;要达到近交终点需要52代,近交系数为0.9999845031。
  2.4 母子交配与同胞交配相结合的近交系统
  其方法的第一步用亲本处女王(Pm)的未受精卵发育的雄蜂再与Pm交配,产生F1代处女王;第二步F1代处女王交配产生F2代处女王和雄蜂;第三步F2代处女王与F2代雄蜂交配。反复上述步骤完成母子-同胞近交系统。但该近交系统进展缓慢,而且在近交进行到第6代之后,近交系数基本保持稳定,不再产生进展(表1),因此,在实际蜜蜂育种中,通常不会使用该近交系统。通径图如图1-4。
  2.5 父女交配与同胞交配相结合的近交系统
  父女-同胞近交系统的基本循环步骤依然分为三步:第一步是用单雄蜂精液授精的蜂王(P)受精囊中的精液先给其女儿蜂王(F1)授精;第二步让女儿蜂王(F1)产生的女儿蜂王(F2)和雄蜂间进行同胞交配;第三步是再提取出蜂王(F2)受精囊中的精液给其女儿蜂王(F3) 授精。父女-同胞近交系统的近交系数达到0.96约需要9代,到达近交终点需要33代。通径图如图1-5。
  2.6 父女交配与母子交配相结合的近交系统
  该近交系统可先采用父女交配,接着再进行母子交配。在方法上,先用一只雄蜂(P)的精液给其女儿处女王(F1)进行人工授精(父女交配),产生新的处女王(F2),F2再用由其自身产生的未受精卵发育而来的雄蜂的一半精液进行人工授精(母子交配),产生F3代处女王,另一半精液给F3进行人工授精(父女交配)。该近交系统的通径图如图1-6所示,其近交系数与单独的父女交配、母子交配相同,其近交结果也和父女配、母子配相同。
  3 纯度积累育种法
  我国著名蜜蜂育种专家周崧先生[4, 5]提出的“蜜蜂纯度积累育种法”理论同样适用于近交系育种的各个方面,例如良种保存、新品种(品系)培育等。纯度积累育种法是指雌性蜜蜂产生的单倍体雄蜂的精子与原来雌性蜜蜂的卵子结合形成受精卵,从而发育成新个体,在此过程中不能有其他个体的遗产因素参与进来,实际上就是遗传学上的自交。由此可以看出,纯度积累育种其根本依然是近交系育种,纯度积累的过程就是近交系建立的过程。二者的共同目标都是在世代选配的进程中,使控制优良性状的目的基因的纯度得到累加。
  由一个亲本产生的雌雄配子结合,在产生新一代的同时必然会使子代纯合染色体数目增加,如此一代代重复下去,会使后代纯度迅速增加。根据统计学原理,同一亲本产生的无数配子在重新组合时会产生纯度不同的合子,每一代中不同纯度出现的概率如图2所示,呈正态分布。
  由图2可以看出,自交一代后纯度为38%~63%的概率较大,纯度低于20%的概率低于0.01,不发生任何纯度积累的概率低于0.00002,可以看做不可能事件。由图2中还可以发现,纯度达到100%的概率为0.000015,概率虽然很低,但理论上在世代纯度积累过程中也可以达到100%纯合。然而在实际蜜蜂育种实践中,不可能找到100%纯合的蜜蜂个体。因为蜜蜂自古以来就是以高杂合度的状态来适应自然界的复杂环境,从而维持其生存优势。也就是说近交所能达到的最高纯度受蜜蜂本身维持生存的极限条件限制:根据蜜蜂的性别决定机制,16对染色体中至少有1对要维持杂合状态蜜蜂才能生存,如果达到100%纯合,则会产生二倍体雄蜂,在幼虫阶段就会被工蜂吃掉,因此,蜜蜂所能保持的最高纯度为(16-1)/16×100%=94%。
  4 近交系的保存
  蜜蜂育种工作中,建立近交系的目的之一就是利用不同近交系组配多种杂交组合,生产杂交种,然后用于生产,这是因为杂种一代往往会表现出明显的杂种优势,在生产中容易获得高产。但是该杂交种并不是一个新品种,因为杂交种的优良性状并不能稳定遗传给下一代,在杂种二代中,往往就会出现性状分离。因此,为了来年能继续利用杂种优势进行高效生产,每年都需要对相关的近交系进行保存。然而,高纯度近交系由于近交衰退导致其生存能力很差,插花子脾现象严重,空房率可高达50%,很难独立生存和发展[6,7]。因此,要采用适当的方法进行近交系保存。
  4.1 普通蜂群封盖子脾补入法
  可不定期地从普通蜂群中抽出封盖子脾补入近交系蜂群,来抵消近交系的高度纯合状态,以维持近交系的生存,从而达到保存近交系的目的。
  4.2 嵌合近交法[6]
  嵌合法是用来保存近交系的一种育种方案。具体操作方法为:将主题父本精液与背景父本精液按照1∶2混合均匀,然后给近交系处女王进行人工授精,由此发展起来的蜂群在任何时候都是主题工蜂占20%,背景工蜂占80%的嵌合蜂群。所谓主题父本是指作为父本的近交系蜂群;背景父本指作为父本的与近交系无亲缘关系的其他蜂群,要求背景蜂群的体色与近交系有明显区别;主题工蜂指主题父本与近交系蜂王交配产生的工蜂;背景工蜂指背景父本与近交系蜂王交配产生的工蜂,在体色上与主题工蜂也有明显区别。嵌合蜂群一方面可以利用杂种优势抵消因高度纯合而产生的衰退现象,达到保存近交系的目的;另一方面还可以用嵌合蜂群进行生产、扩繁子代嵌合群。
  子代嵌合蜂群的培育程序如下:用嵌合蜂群培育主题父本雄蜂,用背景蜂群培育背景父本雄蜂。待雄蜂将要羽化出房时,用嵌合蜂群的卵虫脾育王,处女王羽化出房后,选择体色与近交系蜂王一致的处女王进行嵌合精液人工授精,使其独立发展成群。如此一代代繁育,不仅达到保存近交系的目的,而且还可以使近交系得到扩展、壮大。
  5 近交系的应用
  近交系建立最终是为了服务于蜜蜂育种,在蜜蜂育种工作中近交系有如下几个重要应用。
  5.1 杂交创新,培育新品种(品系)   新蜜蜂品种(品系)培育的前提是搜索育种素材。新品系产生是通过对一个蜜蜂品种(地理亚种)开展纯种选育,纯种选育的过程往往就是同质选配与近交相结合的过程。一个蜜蜂新品种的产生要涉及两个或两个以上的育种素材(地理亚种)。一般说来,育种素材的纯度不高。纯度不高的杂交亲本,其配合力不会太强,因此其杂交创新的效果不会太好。所谓配合力是指一个亲本材料在由它产生杂种一代或后代的性状表现中所起作用的相对大小,也指某一种群与其他种群杂交产生后代所获得的杂种优势的能力。为克服低纯度育种素材配合力低的缺点,必须对育种素材进行纯化,最好的方法是近交,建成几个高纯度的蜜蜂近交系。用高纯度蜜蜂近交系尽量多配制一些杂交组合,以供筛选。待选出所需要的创新类型后,就需要对新类型的优良性状进行固定,性状的固定过程类似于纯种选育过程,每一代都要进行表型选择(根据经济性状和产量)和基因型选择(根据血缘和后代品质),然后进行同质选配,必要时需要进行近亲交配,促使理想性状得以稳定遗传[8]。吉林蜜蜂研究所培育的“蜂胶一号”是典型的利用近交系杂交培育出的蜜蜂新品系。薛云波等[9]利用人工授精技术进行累代近交培育出6个性状优良的蜜蜂近交系,组配成8个杂交组合,从中选出了1个单交种(即蜂胶一号),该单交种与澳意蜜蜂相比,群均产蜜量增加43.8%,蜂胶产量增加83.0%;与高加索蜜蜂相比,产蜜量增加11.6%,蜂胶产量增加13.8%,然后经过定向选育、自变固定、闭锁繁育等过程使目标性状得以固定,最终培育出了蜂胶高产蜜蜂品系――蜂胶一号。
  5.2 产生杂种优势,用于生产
  蜜蜂生产中为了获得蜂产品的丰收,往往用蜜蜂杂交种进行生产,所谓杂交种是指将两个或两个以上的育种素材进行杂交(单交、三交、双交)产生的杂交一代蜜蜂。这其实是利用了杂交一代的杂种优势,要求进行杂交的素材具有较高的配合力,即杂交素材要具有较高的纯度,因此,要尽可能多的建立不同杂交素材的近交系,从而为杂交组合的配置提供多种可能性,从中选取最优杂交组合用于生产。“华蜂213”和“华蜂414”两个高产杂交种的育成就充分利用了高纯度近交系杂交产生的杂种优势,与本地意大利蜜蜂相比,“华蜂213”和“华蜂414”蜂蜜单产量分别提高70%和10%,王浆平均单产分别提高10%和60%[10]。
  5.3 地方良种的保存
  为了保证蜜蜂种质遗传资源的多样性,必须对一些稀有地方品种进行保种。目前闭锁繁育是保种的最佳方法。闭锁种群繁育以纯系繁育为基础,大致内容[11]如下。
  (1)种群组的组建。组成种群组的成员,应当同属一个品种(品系)、亲缘关系较远的优秀蜂群,种群基数不得少于25群,以保证种群组内异质性等位基因的丰富性。
  (2)拥有系祖蜂王种群组组成。即将种群组的每个蜂群培育出的优秀女儿蜂王分别诱入群势较强的蜂群组成。种群组的每个成员即可以当母群培育女儿蜂王,又可以当父群培育雄蜂。采用有效隔离的自然交配或者人工授精实施种群组内的闭锁繁育。
  闭锁繁育的核心有二,第一系祖蜂王为纯种,纯种的培育一般是通过近交系实现的;第二严格控制交配,杜绝闭锁群之外的遗传物质流入。因此,闭锁繁育在某种程度上也是一种近交繁育,只是因为闭锁群内异质性等位基因数量较多,缓解了近交衰退进程,但是闭锁繁育进展到一定程度必将导致近交衰退。
  目前,中华蜜蜂的保种工作广泛采用了闭锁繁育的方式。在宁夏六盘山区建立了中华蜜蜂保护区,组建基础保种蜂群5 000~8 000群,禁止包括中华蜜蜂在内的其他一切蜂种进入保护区,采用自然交配的集团闭锁繁育技术,即保持了遗传多样性,又避免了异质遗传资源的入侵,达到了保种目的[12]。
  5.4 近交系的其他应用
  近交系在蜜蜂物种基因库的保存上也具有重要应用价值。目前,纯种繁育是保存蜜蜂物种基因库唯一正确的方法。在复杂的自然条件下,蜜蜂基因组会发生一些不定向突变,有些突变的基因型是有益的,会产生优质、高产的蜂群,要想将控制优良性状的有益突变基因保存下来,就必须通过建立近交系的方法得到该突变体的纯种,然后将发现的高产、优质纯种蜂群作为系祖群,进行非亲缘同质选配繁育后代,中间交替采用适度的近亲繁育来生产后代,从而将该纯种壮大,这就是所谓的纯系繁育。纯种培育与纯系繁育其实也是稀有地方蜂种提纯、复壮的必要步骤。
  6 结语
  综上,蜜蜂近交系是培育蜜蜂新品种、保存良种、利用杂交优势的重要遗传手段。常用蜜蜂近交系的建立系统包括:母子交配系统、父女交配系统、同胞交配系统、母子-同胞交配系统、父女-同胞交配系统、父女-母子交配系统。蜜蜂育种实践中可通过不定期提取普通蜂群封盖子脾补入近交蜂群的方法来保存近交系,有条件时,最好采用嵌合育种法保存高纯度近交系。
  参 考 文 献:
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