園藝植物育種學(xué)總論簡答題及答案

園藝植物育種學(xué)總論簡答題及答案1.請簡述園藝植物育種學(xué)的定義、核心任務(wù)與學(xué)科發(fā)展的核心定位園藝植物育種學(xué)是專門研究選育、繁育園藝植物優(yōu)良品種的理論體系與實(shí)操技術(shù)的應(yīng)用型學(xué)科，是園藝學(xué)科的核心分支，直接決定園藝生產(chǎn)的種性基礎(chǔ)。其核心任務(wù)可分為三個遞進(jìn)層面：一是對現(xiàn)有推廣品種的缺點(diǎn)進(jìn)行定向改良，快速彌補(bǔ)生產(chǎn)端的短板需求；二是整合各類種質(zhì)資源的優(yōu)異性狀，選育出滿足不同場景需求的全新優(yōu)良品種；三是建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的高效繁育體系，保證優(yōu)良品種的種性不退化，為生產(chǎn)端提供純度、活力達(dá)標(biāo)的優(yōu)質(zhì)種苗。和以環(huán)境調(diào)控、栽培管理為核心的園藝植物栽培學(xué)不同，園藝植物育種學(xué)聚焦作物本身的遺傳種性改良，是解決園藝產(chǎn)業(yè)“卡脖子”問題的核心領(lǐng)域，根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2023年發(fā)布的《全國園藝作物種業(yè)振興行動方案》要求，到2030年我國主要果菜茶自主選育品種的市場占有率要提升至70%以上，園藝植物育種學(xué)正是支撐這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的核心理論與技術(shù)載體。2.什么是園藝植物品種？品種的DUS三性具體內(nèi)涵是什么，和植物學(xué)上的種有什么本質(zhì)區(qū)別園藝植物品種是人類在特定的生態(tài)和生產(chǎn)條件下，根據(jù)生產(chǎn)需求創(chuàng)造出的重要人工生產(chǎn)資料，是具有穩(wěn)定遺傳特性、一致外觀表現(xiàn)、符合生產(chǎn)需求的特定作物群體，并非自然界天然存在的生物分類單位。品種的DUS三性是我國開展品種權(quán)保護(hù)、品種審定登記的核心判定標(biāo)準(zhǔn)，具體內(nèi)涵為：第一是特異性（Distinctness），指申請認(rèn)定的品種必須至少有1個形態(tài)、生理或分子性狀，明顯區(qū)別于當(dāng)前所有已知的公開品種，性狀差異要達(dá)到可被專業(yè)檢測明確識別的水平，誤差允許范圍不超過5%；第二是一致性（Uniformity），指該品種的特定繁殖群體內(nèi)，個體間的目標(biāo)性狀變異程度控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，常規(guī)種的品種純度要求不低于98%，雜交種純度要求不低于96%；第三是穩(wěn)定性（Stability），指該品種經(jīng)過多代繁殖之后，核心性狀仍然能夠保持和最初選育時的狀態(tài)一致，不會出現(xiàn)不可預(yù)期的性狀分離或退化。園藝植物品種和植物學(xué)分類上的“種”有本質(zhì)差異：植物學(xué)的種是長期自然演化形成的自然生物單位，可在自然狀態(tài)下穩(wěn)定繁衍，沒有人工定向干預(yù)的屬性，而園藝品種是人工選育的產(chǎn)物，具有明確的區(qū)域性和時效性，通常蔬菜品種的生產(chǎn)應(yīng)用壽命為3-5年，果樹品種的應(yīng)用壽命為7-10年，隨著生產(chǎn)需求變化會逐步被更優(yōu)質(zhì)的新品種替代。3.請簡述園藝植物主要的品種類型及其適配的育種技術(shù)特點(diǎn)按照作物的繁殖方式、遺傳組成差異，可將園藝植物品種劃分為五大類，各類的育種技術(shù)特點(diǎn)存在明顯差異：第一類是純系品種，主要適配自花授粉園藝作物，比如番茄、豌豆、菜豆等，品種的基因型高度純合，雜合位點(diǎn)比例低于0.1%，后代不會出現(xiàn)性狀分離，育種過程中主要采用系譜法連續(xù)多代單株選擇，最終選出性狀高度一致的穩(wěn)定群體；第二類是雜交種品種，是當(dāng)前異花授粉、常異花授粉園藝作物的主流品種類型，我國設(shè)施蔬菜領(lǐng)域90%以上的白菜、黃瓜、辣椒主栽品種都屬于雜交種品種，品種的基因型高度雜合，群體表型高度一致，雜種優(yōu)勢效應(yīng)普遍可達(dá)20%-80%，育種核心流程是選育性狀優(yōu)良的純合自交系，通過配合力測定篩選強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合；第三類是群體品種，以傳統(tǒng)的地方農(nóng)家品種為代表，群體遺傳背景高度異質(zhì)，個體間基因型差異大，對不穩(wěn)定的大田生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)，適合有機(jī)生產(chǎn)、特色栽培等場景，育種過程中主要采用混合選擇法逐步提升群體的優(yōu)良性狀比例，不需要強(qiáng)制純化基因型；第四類是無性系品種，適配靠營養(yǎng)器官繁殖的園藝作物，比如蘋果、草莓、馬鈴薯、菊花等，品種基因型高度雜合，但通過扦插、嫁接、組培等無性繁殖方式，后代不會出現(xiàn)性狀分離，群體表型完全一致，育種過程中重點(diǎn)利用自然發(fā)生的芽變、體細(xì)胞變異篩選優(yōu)株，不需要多代自交純化；第五類是倍性品種，包括單倍體、多倍體品種，比如三倍體無籽西瓜、四倍體刺梨等，通常通過人工染色體誘變技術(shù)選育，核心優(yōu)勢是器官巨型化、不育性帶來的無籽性狀、抗性顯著提升。4.試述園藝植物種質(zhì)資源的定義、分類層級及核心保存技術(shù)要點(diǎn)園藝植物種質(zhì)資源是指攜帶不同遺傳物質(zhì)的所有園藝植物材料，包括野生近緣種、地方品種、選育品種、突變體、甚至單個的植物器官、細(xì)胞、DNA片段，是開展所有育種工作的核心物質(zhì)基礎(chǔ)。按照親緣關(guān)系遠(yuǎn)近可劃分為三個層級：第一級是初級基因庫（GP1），指和目標(biāo)園藝作物屬于同一個物種的所有材料，不同材料之間相互雜交可正常獲得可育后代，比如所有普通栽培番茄、普通番茄野生種都屬于番茄的初級基因庫，基因交流不存在生殖障礙；第二級是次級基因庫（GP2），指和目標(biāo)作物屬于近緣物種的材料，相互雜交可以產(chǎn)生后代，但后代通常存在部分不育或胚發(fā)育受阻的問題，比如番茄的近緣野生種多毛番茄就屬于番茄的次級基因庫，雜交后需要通過胚拯救技術(shù)才能獲得成活后代；第三級是三級基因庫（GP3），指和目標(biāo)作物屬于遠(yuǎn)緣屬的材料，比如番茄和馬鈴薯、柑橘和枳，常規(guī)遠(yuǎn)緣雜交完全無法獲得后代，需要通過細(xì)胞融合、轉(zhuǎn)基因等技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)基因交流。目前我國針對園藝種質(zhì)資源的核心保存技術(shù)分為四類：一是原地保存，在種質(zhì)資源的原生境建立國家級保護(hù)點(diǎn)，我國現(xiàn)有127個園藝作物原生境保護(hù)點(diǎn)，主要保存野生柑橘、野生楊梅、野生特色蔬菜等稀缺資源，完全保留資源的自然演化環(huán)境；二是異地種子庫保存，針對十字花科蔬菜、茄果類蔬菜等產(chǎn)生正常型種子的作物，將種子含水量脫水至5%-7%，置于-18℃的長期庫環(huán)境下保存，種質(zhì)壽命可達(dá)50-100年，不需要頻繁繁種更新；三是試管苗離體保存，針對板栗、核桃等頑拗型種子作物，以及無性繁殖的園藝作物，將組培苗置于2-5℃的低溫弱光環(huán)境下保存，可連續(xù)繼代1-5年不需要轉(zhuǎn)瓶，避免頻繁繼代帶來的體細(xì)胞變異；四是超低溫保存，將植物莖尖、花粉、休眠芽置于-196℃的液氮環(huán)境下保存，理論上可實(shí)現(xiàn)種質(zhì)的永久保存，目前我國國家園藝種質(zhì)資源庫已累計(jì)保存3.2萬份各類園藝種質(zhì)資源，保存總量位居全球前列。5.請簡述園藝植物引種的基本原理、核心影響因子以及引種成功的判定標(biāo)準(zhǔn)園藝植物引種是指把外地或國外的優(yōu)良品種引入本地，通過適應(yīng)性鑒定后直接在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的育種技術(shù)，是投入成本最低、見效速度最快的品種改良手段。其核心理論基礎(chǔ)包括兩個部分：一是氣候相似論，即引種的原產(chǎn)地和引入地的溫度、光照、降水等核心氣候因子的相似程度越高，引種成功的概率越高；二是生態(tài)型匹配理論，不同園藝作物長期在特定生態(tài)條件下形成了穩(wěn)定的溫度、光照需求生態(tài)型，引種時必須匹配目標(biāo)作物的生態(tài)型特性。引種的核心影響因子按權(quán)重排序分別是溫度、光照、土壤條件：溫度因子層面，冬季極限最低溫是木本園藝作物引種的第一限制因子，比如冬季最低溫長期低于-20℃的華北露地區(qū)域，常規(guī)引種溫州蜜柑會出現(xiàn)嚴(yán)重凍害，存活率不足10%；光照因子層面，長日照園藝作物比如洋蔥，從高緯度的北方引到低緯度的南方，生長階段的日照長度達(dá)不到需求，會出現(xiàn)無法形成鱗莖、只進(jìn)行營養(yǎng)生長的問題；土壤條件層面，典型的喜酸性園藝作物比如藍(lán)莓，引入pH值高于7.5的堿性土壤區(qū)域，會出現(xiàn)缺鐵黃化、生長停滯的問題。園藝植物引種成功需要同時滿足三個判定標(biāo)準(zhǔn)：第一是引入的品種不需要額外配置特殊的保護(hù)栽培設(shè)施，就能在本地常規(guī)完成整個生育周期，正常開花結(jié)果；第二是引入品種的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等核心指標(biāo)不低于本地現(xiàn)有主栽品種的生產(chǎn)水平，具備推廣應(yīng)用的價值；第三是品種的繁殖能力正常，不需要每年從原產(chǎn)地引進(jìn)種苗，能在本地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的制種或營養(yǎng)繁殖。6.試述芽變選種的遺傳學(xué)基礎(chǔ)、園藝植物芽變的主要特點(diǎn)以及高效芽變選種的操作流程芽變選種是無性繁殖園藝作物最常用的育種技術(shù)之一，其遺傳學(xué)基礎(chǔ)是植物芽的分生組織體細(xì)胞發(fā)生的自發(fā)突變，突變發(fā)生在芽的頂端分生組織的不同細(xì)胞層，絕大多數(shù)顯花園藝植物的芽頂端分生組織分為L1、L2、L3三個獨(dú)立的細(xì)胞層，不同層發(fā)生突變對應(yīng)的性狀表現(xiàn)完全不同：L1層是表皮衍生細(xì)胞層，該層突變通常只影響植株的表皮相關(guān)性狀，如果實(shí)表皮顏色、葉片絨毛分布；L2層是孢原組織衍生細(xì)胞層，該層發(fā)生的突變可以通過花粉、卵細(xì)胞等有性生殖細(xì)胞向后代傳遞；L3層是內(nèi)部中柱衍生細(xì)胞層，該層突變會影響果實(shí)果肉、維管組織等內(nèi)部性狀表現(xiàn)。園藝植物的芽變有三個核心特點(diǎn)：第一是普遍存在嵌合性，90%以上的新生芽變都是突變細(xì)胞和正常細(xì)胞共存的嵌合體，只有通過特定的分離純化手段才能獲得穩(wěn)定的純合突變體；第二是變異頻率遠(yuǎn)高于其他自發(fā)突變，木本園藝作物的自然芽變頻率在10^-6到10^-3區(qū)間，遠(yuǎn)高于普通作物的基因突變平均頻率，比如蘋果的元帥系列品種從1880年至今，全球已累計(jì)選育出120多個優(yōu)良芽變品種；第三是變異性狀大多屬于質(zhì)量性狀變異，通常是果實(shí)著色期、成熟期、果皮顏色等商品性狀的突變，直接符合生產(chǎn)需求。芽變選種的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程分為三個階段：第一是踏查初選階段，在果實(shí)成熟、著色等目標(biāo)性狀充分表現(xiàn)的關(guān)鍵時期開展全區(qū)域田間調(diào)查，篩選出疑似變異單株，記錄變異性狀和對照品種的差異；第二是分離純化階段，通過多次短截修剪、多點(diǎn)嫁接移栽，逐步剔除嵌合體中的正常細(xì)胞層，獲得遺傳穩(wěn)定的同質(zhì)突變體，避免后續(xù)發(fā)生性狀分離；第三是鑒定推廣階段，設(shè)置當(dāng)?shù)刂髟云贩N為對照，開展至少2年的品種比較試驗(yàn)，測定產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等核心指標(biāo)，完成3個以上不同生態(tài)區(qū)域的區(qū)域試驗(yàn)，確認(rèn)品種適應(yīng)性達(dá)標(biāo)后，即可通過品種審定進(jìn)入推廣環(huán)節(jié)，我國選育的煙富8號蘋果芽變品種就是通過該流程選育的，果實(shí)全紅果率達(dá)到92%以上，比原品種著色期早15天，目前占國內(nèi)紅富士蘋果總栽培面積的35%以上。7.請簡述園藝植物有性雜交育種的親本選配原則以及雜交后代的主要選擇方法親本選配是有性雜交育種成敗的核心環(huán)節(jié)，直接決定后續(xù)雜交后代優(yōu)良個體的出現(xiàn)概率，核心選配原則共5項(xiàng)：一是雙親的整體性狀要優(yōu)劣互補(bǔ)，綜合性狀優(yōu)良的同時各自的缺點(diǎn)盡可能少，選育抗TY病毒番茄品種時，選擇品質(zhì)優(yōu)異但不抗病毒的主栽品種為母本，選擇高抗TY病毒但果實(shí)商品性一般的多毛番茄野生種為父本，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)和抗性的性狀互補(bǔ)；二是至少有一個親本能夠高度適應(yīng)引入?yún)^(qū)域的生態(tài)條件，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，利用本地主栽品種作為親本之一配制的雜交組合，后代適應(yīng)性優(yōu)良個體的比例比完全用外來種質(zhì)配制的組合高42%以上；三是雙親的遺傳差異保持在合理區(qū)間，遺傳差異過小會導(dǎo)致后代變異范圍窄，難以選出突破型個體，遺傳差異過大容易出現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交不親和、后代不育的問題，中等遺傳差異的雜交組合，后代優(yōu)良單株比例比遺傳差異小于5%的組合高27%；四是優(yōu)先選擇一般配合力高的種質(zhì)作為親本，一般配合力指某一親本和多個其他親本雜交后，后代表現(xiàn)的平均優(yōu)良水平，一般配合力高的親本，后代出現(xiàn)優(yōu)良單株的概率是普通親本的3倍以上；五是目標(biāo)性狀的親本要具備突出的表現(xiàn)，選育耐貯性強(qiáng)的西瓜品種時，要求親本的果肉硬度基線值不低于10kg/cm2，才能保證后代分離出符合耐貯需求的單株。雜交后代的主流選擇方法分為三類：第一是系譜法，從雜交二代（F2）開始進(jìn)行單株選擇，每一代清楚記錄當(dāng)選單株的系譜關(guān)系，遺傳信息清晰，適配番茄、豌豆等自花授粉園藝作物；第二是混合選擇法，早代不進(jìn)行單株選擇，按組合混收混種3-4代，等到群體基因型純合度達(dá)到80%以上再開始選單株，可大幅降低選育的工作量，適配異花授粉作物的早代群體選擇；第三是集團(tuán)選擇法，根據(jù)不同的目標(biāo)性狀將雜交后代劃分為不同的性狀集團(tuán)，分別選擇留種，適配多性狀同步改良的育種場景。8.試述園藝植物雜種優(yōu)勢利用的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，以及雄性不育系在雜種優(yōu)勢育種中的應(yīng)用價值園藝植物雜種優(yōu)勢利用是當(dāng)前提升園藝作物產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)最有效的育種手段，核心技術(shù)環(huán)節(jié)分為三個遞進(jìn)部分：第一是優(yōu)良自交系選育，對雜合的基礎(chǔ)材料進(jìn)行連續(xù)6-8代的人工自交與單株選擇，獲得基因型完全純合、自身性狀穩(wěn)定的自交系，要求自交后代的生活力衰退率不超過10%才可以作為雜交親本使用；第二是配合力測定，采用不完全雙列雜交、頂交法等試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同步測定親本的一般配合力和組合的特殊配合力，篩選出強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合，當(dāng)前主流園藝作物的強(qiáng)優(yōu)勢組合雜種優(yōu)勢率普遍在20%-50%區(qū)間，部分十字花科蔬菜的雜種優(yōu)勢率可超過100%；第三是標(biāo)準(zhǔn)化高效制種體系構(gòu)建，建立配套的制種隔離、田間去雜、種子收獲加工流程，保證最終生產(chǎn)出的雜交種子純度不低于96%，發(fā)芽率不低于90%。雄性不育系是雜種優(yōu)勢育種中的核心技術(shù)工具，指作物的雄蕊發(fā)育異常、沒有可育花粉，依靠自身花粉無法完成受精，但是雌蕊發(fā)育正常，可以接受外來花粉正常結(jié)實(shí)的品種品系，其核心應(yīng)用價值是徹底免去了人工去雄的操作環(huán)節(jié)，大幅降低制種成本：比如番茄人工去雄制種，每畝地需要投入30個勞動力工作日，利用雄性不育系制種可減少80%以上的人工成本，同時還能避免人工去雄不徹底帶來的種子純度下降問題，目前我國已成功培育出白菜、甘藍(lán)、番茄、胡蘿卜等12種主要園藝作物的商業(yè)化雄性不育系，利用雄性不育系配制的雜交種占國內(nèi)園藝商業(yè)化雜交種總量的62%以上。9.請簡述園藝植物良種繁育過程中品種退化的原因和核心防控技術(shù)品種退化是指園藝品種經(jīng)過多代繁殖之后，核心優(yōu)良性狀逐步喪失，產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性表現(xiàn)下降，失去原有品種典型性的現(xiàn)象，是良種繁育環(huán)節(jié)最需要防控的核心問題。品種退化的核心原因有四類：一是機(jī)械混雜，在播種、收獲、脫粒、種苗運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)中，人為混入了其他品種的種子或種苗，是最常見的退化原因，占所有退化案例的