三倍体无子西瓜培育的几个疑难问题分析
三倍体无子西瓜培育的几个疑难问题分析
一、 三倍体无子西瓜是怎样培育出来的 ,为何无种子？
普通西瓜是二倍体（2N=22）,无子西瓜是三倍体（3N=33） ,三倍体无子西瓜是利用二倍体西瓜通过多倍体育种培育出来的。
第一年:制备三倍体种子 。
用秋水仙素处理二倍体西瓜萌发的种子或幼苗 ,获得四倍体 (4N=44)西瓜植株 然后让四倍体西瓜作母本，开花时去雄 ,二倍体西瓜作父本【为什么？下面问题4有回答】，取其花粉授于四倍体雌蕊上进行杂交 ,含两个染色体组的卵细胞与含有一个染色体组的精子结合 ,形成的受精卵含3个染色体组 ,由其发育成的种子就含有3个染色体组 ,这样在四倍体植株上就能结出三倍体的种子。
第二年：获得无子西瓜 。
将第一年得到的三倍体种子种下 ,待其开花后 ,授以二倍体西瓜的花粉 ,在三倍体植株上结出了无子西瓜 。
用二倍体西瓜的成熟花粉给三倍体西瓜授粉的目的 ,是刺激子房发育成果实 ,并不是受精作用 。
三倍体西瓜无子的原因是由于三倍体植株在减数分裂时 ,同源染色体联会紊乱,因而不能形成正常的生殖细胞 ,无法完成受精作用 ,胚珠不能发育成种子 ,而果实能正常发育 ,所以这种西瓜就不含种子 。
那么为什么三倍体西瓜不能形成正常的生殖细胞呢？
二倍体西瓜的体细胞内具有2套完整的染色体组 ,在有性生殖过程中 ,进行减数分裂形成具有1套完整染色体组的配子 ,这种雌雄配子结合便形成正常的二倍体种子 。
四倍体西瓜也是如此形成正常的四倍体种子 。
三倍体西瓜的体细胞内有3套完整的染色体组 ,经减数分裂从理论上讲应该形成2套 、各具有16.5条染色体的配子 ,但事实上是不可能的 。因为在配对时 ,每条同源染色体配对 ,形成11个三价体 ,在分配给子细胞时只能是三价体中的任意1条染色体（称单价体 ,用Ⅰ表示） 到一个子细胞 ,另外2条染色体（称二价体 ,用Ⅱ表示）到另一个子细胞 ,这样子细胞中的染色体就会出现11Ⅰ 、10Ⅰ+1 Ⅱ、9Ⅰ+2Ⅱ、·······1Ⅰ+10Ⅱ和各种组合 , 11、12 、13 ·······20、21和22各种数目。根据排列组合原理 , 11个三价体的3条同源染色体随机分配到 2个子细胞中可以有2048种组合 ,其中只有具1个和2个完备染色体组的11和 22条染色体的配子是可育配子 , 占0.1% 。具不完备染色体组的配子是不育配子占99.9% 。这种不育雌配子 ,无论是用可育还是用不育雄花授粉都不能形成正常种子 ,所以说三倍体西瓜是无子西瓜 。
二、三倍体西瓜没有种子 ,真的一颗都没有吗？
三倍体植株不能进行正常的减数分裂形成生殖细胞 。因此 ,不能形成种子 。
但绝不是一颗种子都没有 ,其原因是在进行减数分裂时 ,有可能形成正常的生殖细胞 ,产生正常的受精卵 ,形成种子 ,但比例极低 。
三、用秋水仙素处理普通西瓜 ,形成的四倍体西瓜各部分染色体组均一样吗？
不一样 。
因为用一定浓度的秋水仙素处理普通西瓜（2N=22)幼苗的生长点 ,导致染色体加倍成四倍体西瓜（4N=44）,但其根尖等处的有些细胞没有接触秋水仙素处理 ,所以 ,根尖处的有些细胞仍含2个染色体组 ,因而 ,实际上是一个嵌合体 。四、为何一般用四倍体西瓜作为母体 ,二倍体西瓜作父本？
培育无子西瓜 ,一般用四倍体西瓜作为母本 ,二倍体西瓜作父本 ,进行杂交 ,所得西瓜种子的果皮 、胚和早期胚乳细胞中 ,所含有的染色体组数分别为4 、 3、5 。【果皮是母本的一部分，所以果皮染色体组数同母本，胚由受精卵发育而来，精子1组+卵细胞2组=3组，胚乳为1个精子+2个极核（极核染色体同卵细胞）=5组】
如果用二倍体西瓜作母本 ,四倍体西瓜作父本 , 即进行反交 ,所得西瓜种子的果皮 、胚和早期胚乳细胞所含有的染色体组数分别为2 、3 、4 ,会使珠被发育 形成的种皮厚且硬 ,从而影响无子西瓜的品质 。【原因：多倍体部分生长发育迟缓】
五、三倍体西瓜种子种下去后 ,为什么要授以二倍体西瓜的花粉？
三倍体西瓜的植株在减数分裂过程中 ,染色体联会紊乱 ,因而不能形成正常的生殖细胞 。
授以二倍体西瓜成熟的花粉 ,并不是完成受精作用 ,而是刺激子房壁产生生长素 ,促进子房发育成果实 。
六、二倍体西瓜的花粉为什么能刺激三倍体西瓜子房壁产生生长素？
首先 ,在三倍体植株上授以二倍体西瓜花粉后 , 花粉在柱头上萌发的过程中 ,将 自身的色氨酸转变成吲哚乙酸（生长素） 的酶体系并分泌到三倍体西瓜子房中去 ,引起子房合成大量的生长素；
其次 ,二倍体西瓜花粉本身含有生长素 ,在授粉后也可扩散到子房中去 ,这两种来源的生长素均能使子房发育成果实 （三倍体无子西瓜）。
七、由于无子西瓜没有种子 ,每年都要制种 ,很麻烦 , 生产上怎样扩大栽培？
方法一 进行无性繁殖 ,将三倍体西瓜植株进行组织培养 ,获取大量的试管苗 ,再进行移栽 。
方法二 用生长素或生长素类似物处理二倍体未授粉的雌蕊 ,以促进子房发育成无种子的果实 。在此过程中要进行套袋处理 ,以避免受粉 。
八、无子西瓜与无子番茄是一回事吗？
无子西瓜与无子番茄都没有种子 ,但它们的来源以及无种子的原因是不同的 。
(1)培育无子西瓜和无子番茄的原理不同。
无子番茄是用一定浓度的生长素类似物溶液处理未授粉的番茄雌蕊的柱头 ,由于没有授粉 ,所以子房发育成无子果实; 而无子西瓜是通过多倍体育种的方法培育出来的 ,它是在三倍体植株上结出的无子果实 ,由于三倍体植株在减数分裂时同源染色体联会紊乱 ,因而不能形成正常的生殖细胞 ,从而无法完成受精作用 ,当然就不含有种子 。
(2)无子西瓜和无子番茄引起的变异不同 。
无子番茄的变异属于不遗传的变异 ,因为生长素类似物不引起遗传物发生变化 ,它只是促进子房发育成果实 ,所以无子番茄的无种子这一变异性状是不能遗传 给后代的;
无子西瓜的变异属于可遗传 的变异 ,因为无子西瓜的获得是由于染色体的变异 ,所以无子西瓜的无种子这一变异性状是能遗传给后代的(通过无性生殖 )。
“三倍体无子西瓜”有子现象及其原因探讨
摘要结合高中生物教材内容，对三倍体无子西瓜有子现象进行了探究，对现象背后的原因，分着色有胚种子、着色秕子和白色种子三方面进行了分析。
人教版高中生物《必修2·遗传与进化》中第89页提到，四倍體西瓜（4n=44）作母本，二倍体（2n=22）普通西瓜作父本，进行杂交，能在四倍体植株上结出三倍体西瓜种子（3n=33）。将三倍体西瓜种子种植，植株成熟后，生殖器官中的孢子母细胞进行减数分裂，同源染色体联会紊乱，通常不能形成配子。用二倍体西瓜花粉授粉，三倍体西瓜的子房能够发育成果实，子房内因没有形成受精卯，没有对应的种子，理论上能结出无子西瓜。
现实生活中，三倍体西瓜果实常常出现种子，这是为什么？
1着色有胚种子及其原因分析
三倍体无子西瓜果实中，出现少数几粒真正的种子，种子饱满，种皮着色，内部有胚，若种植，可育。产生这种现象的原因是什么呢？
三倍体西瓜植株的性母细胞在减数分裂过程中，有22条染色体可正常联会并形成11个四分体，每个四分体的两条同源染色体平分到两个子细胞中，另11条没有配对的染色体随机移向两个子细胞。随机分配的方式多种：11条染色体全部进入一个子细胞，另一个子细胞中无;10条染色体进入一个子细胞，另一个子细胞中有1条染色体;9条染色体进入一个子细胞，另一个子细胞中有2条染色体……在上述各种情况中，除11条染色体全部进入一个子细胞外，其他情况都会使子细胞没有整倍数的染色体，最终形成的配子生活力低下，不能受精，不能形成受精卵，不产生胚。而11条染色体进入一个子细胞，形成的配子染色体数11或22，染色体是整倍数，形成这种配子的概率很低。一旦形成，这样的配子有正常生活能力，可形成受精卵，受精卯发育成胚的过程中，自身能产生生长素，促进胚珠的发育，形成完整种子，这就是无子西瓜中有少量着色真正种子的原因。
2着色秕子及其原因分析
三倍体西瓜所出现的种子是“着色秕子”，即种子有种皮，种皮有颜色，内部没有胚，或胚不完整，不育。人们把这样的种子称为“假种子”或“空种子”。这种现象是什么原因造成的？
着色秕子的形成的可能原因有以下两种：
（1）用二倍体花粉给三倍体西瓜授粉，花粉在三倍体西瓜的雌蕊柱头上萌发过程中，把自身所含的少量生长素带入子房，同时，花粉含有色氨酸转变为吲哚乙酸的酶系，这些酶系到三倍体西瓜的子房中，引起子房合成生长素并作用于种皮，使之发育、变硬、着色。
（2）三倍体西瓜在减数分裂后形成不正常的配子参与受精。受精后，虽然受精卵内染色体数目不正常，但受精卵初期还能进行一些生理活动，产生生长素，促进珠被发育成种皮。但是，受精卵后期细胞分裂等生理活动受到干扰，最终受精卵发生败育死亡，结果只剩下前期发育成的外层种皮，形成着色秕子。在生产上，这种“败育种子”出现的多少、有无、着色深浅等现象，与所用的二倍体不同品种的花粉有关，具体说来，与不同二倍体花粉对三倍体西瓜亲和力强弱有关。
另外，秕子颜色的深浅受低温、磷肥的施用量等外界环境因素影响。种子在生长发育过程中，当气温适宜、光照充足时，有利于种皮的着色，形成着色秕子的时间长，秕子大，颜色深;反之，气温偏低，雨水较多，光照不足，不利于种皮着色，形成着色秕子的时间短，秕子小，颜色浅。着色秕子的形成也与营养物质有关，如矿质元素磷能促进生长发育，当磷肥施用过多，产生的秕子多，秕子的颜色深。
3白色种子及其原因分析
三倍体西瓜中出现白子。那又是什么原因呢？
一年中种瓜时间早，或者在大棚内种瓜，由于受季节、环境等因素的影响，传粉昆虫很少或者没有，雌花不能授粉，或者授粉不充分。这种情况下，三倍体西瓜缺乏必要的花粉刺激，胚珠只能早期短暂发育，没有达到着色时间就停止了发育，无法完成完整的发育过程，结果，胚珠偏小，变成“白子”。
瓜农为了西瓜早日上市，在果实没有成熟时，施用促进果实成熟的植物激素，结果，促进果实成熟的激素偏多，促进生长发育的激素偏少，导致生长发育的时间短，果实成熟加快，胚珠不能完成完整的发育过程，造成了人们所看到的“白子西瓜”。
无籽西瓜的相关疑难解析
一、无籽西瓜的培育过程
母本的选择：获得三倍体西瓜种子时，用二倍体为四倍体提供花粉，如果反交，能否获得三倍体西瓜种子？
用四倍体植株作母本，用二倍体植株作父本，进行杂交，就能在四倍体上结出三倍体的种子。如果反交，能否获得三倍体的西瓜种子呢？四倍体与二倍体西瓜，无论正交或反交，都能产生三倍体的种子。但是反交获得的三倍体西瓜的胚珠硬化，种子发育比较困难，形成的三倍体种子难于萌发；且果实品质差，而正交，不但能获得三倍体的种子，且四倍体的西瓜吃着味道甜美。故获得三倍体西瓜种子时通常以二倍体为四倍体提供花粉。
问题：在培育过程中为何四倍体做母本，可否用二倍体做母本？
四倍体与二倍体西瓜，无论正交或反交，都能产生三倍体的种子。但是反交获得的三倍体西瓜的胚珠硬化，种子发育比较困难，形成的三倍体种子难于萌发；且果实品质差，而正交，不但能获得三倍体的种子，且四倍体的西瓜吃着味道甜美。故获得三倍体西瓜种子时通常以二倍体为四倍体提供花粉。
二、籽西瓜发育过程中的生长素来源
三倍体无籽西瓜没有种子，那么他生长需要的生长素是哪里得来的呢？
新教材上册讲到生长素促进果实发育时说：“发育着的种子能够产生大量生长素，在生长素的作用下，子房发育成果实。”而下册教材讲三倍体时又言：“三倍体开花时，授以二倍体成熟花粉，能刺激子房发育成为果实（西瓜），因为胚珠并不发育成种子，所以这种西瓜叫无子西瓜”。那么问题就出来了：没有胚珠，不形成种子，也就不产生大量生长素，那三倍体子房如何发育？
其实，问题的关键在于所受的二倍体的花粉起了作用。我们知道，三倍体植株在减数分裂时由于同源染色体联会紊乱，几乎不可能产生种子。但是当其柱头接受了二倍体的花粉后，花粉在萌发的过程中，将自身使得色氨酸转化为吲哚乙酸的酶体系分泌到了三倍体西瓜植株的子房中去，促发了其子房合成了大量生长素；还有，二倍体花粉本身也携带少量的生长素，受粉以后也可以扩散到子房中去，正是这两种途径的共同作用，才促使了三倍体西瓜的子房发育，最终形成了无籽西瓜！
问题：三倍体无籽西瓜培育过程中两次用到二倍体西瓜的花粉，其生理作用相同吗？
两次授粉，其生理作用是不同的。第一次授粉是将普通二倍体西瓜的花粉授在四倍体西瓜的雌蕊柱头上，其目的是让二者进行杂交得到三倍体种子。第二次授粉是将二倍体的花粉授在三倍体的雌蕊柱头上，其目的是为了刺激三倍体西瓜的子房发育成果实。那么二倍体西瓜的花粉为什么能刺激三倍体西瓜的子房发育成果实呢？原因有二：一是二倍体西瓜的花粉能产生少量生长素，二是二倍体西瓜的花粉中有一种色氨酸酶，能催化三倍体西瓜细胞内的色氨酸转化为生长素，这样就满足了三倍体西瓜子房发育成果实所需要的生长素。
三、必须搞清楚的几个问题：
①关于两次传粉：第一次传粉是杂交得到三倍体种子，第二次传粉是为了刺激子房发育成果实。
②为何不以二倍体西瓜为母体？
如果以二倍体西瓜作为母体，四倍体西瓜作父本，也能得到三倍体种子，但这种三倍体种子结的西瓜，因珠被发育成厚硬的种皮，达不到“无籽”的目的。
③用秋水仙素处理二倍体西瓜幼苗使之成为四倍体，秋水仙素应处理幼苗或萌发的种子。因为萌发的种子、幼苗具有分生能力，细胞进行有丝分裂，秋水仙素处理后可达到使产生的新细胞染色体数目加倍的目的。
④秋水仙素处理后，分生组织分裂产生的茎、叶、花染色体数目加倍，而未处理的如根部细胞染色体数仍为二倍体。
⑤四倍体植株上结四倍体西瓜，四倍体西瓜内结的种子为三倍体，其种皮为四倍体。
四、无籽西瓜的染色体组成
三倍体西瓜的果皮种皮是四个染色体组，来源于母本，胚芽由受精卵发育来，有3个染色体组（2 1），胚乳由受精极核发育来有五个染色体组
用二倍体西瓜为亲本，培育“三倍体无籽西瓜”过程中，下列说法正确的是（ ）
A．第一年的植株中，染色体组数可存在2、3、4、5个染色体组
B．第二年的植株中没有同源染色体
C．第一年结的西瓜其种皮、胚、胚乳的染色体组数不同，均是当年杂交的结果
D．第二年的植株中用三倍体做母本，与二倍体的父本产生的精子受精后，得不育的三倍体西瓜
答案选A。
问题： 用秋水仙素处理二倍体西瓜幼苗时，是否所有的细胞染色体组都是四个？
用秋水仙素处理二倍体西瓜幼苗使之成为四倍体，秋水仙素应处理幼苗或萌发的种子。因为萌发的种子、幼苗具有较强的分生能力，细胞进行有丝分裂，秋水仙素处理后可达到使产生的新细胞染色体数目加倍的目的。但秋水仙素处理后，只能使分生组织分裂产生的茎、叶、花染色体数目加倍，而未处理的如根部细胞染色体组数仍为两个染色体组。
五、无籽西瓜的育性与遗传
育性是指能否产生正常配子，能的就是可育的，不能的就是不可育的。能否产生可育配子的根据是体细胞中染色体是否是偶数，同源染色体是否配成对。无籽西瓜是三倍体，配对的染色体有三条，染色体联会紊乱，不能产生正常配子，故不可育。
能否遗传是指遗传物质是否发生变化，遗传物质发生变化的变异（即可遗传的变异）都可遗传。
问题1. 三倍体无籽西瓜如何遗传？
三倍体无籽西瓜由于没有种子，所以不能通过有性生殖产生后代，因此要想大量繁殖，只能通过无性繁殖产生后代。
问题2. 三倍体无籽西瓜的无籽性状可以遗传吗？
三倍体无籽西瓜获得依据遗传学原理是染色体变异，因为染色体上含有遗传物质DNA，因此，无籽西瓜的无籽性状是因为遗传物质的改变引起的，因此，这种无籽性状出现的变异是可以遗传给后代的。它同无子番茄不同，无子番茄是通过利用生长素的促进果实发育的生理作用而获得的，整个过程中根本没有发生遗传物质的变化，因此无子番茄的性状是不能遗传给后代的。也就是说，如果我们把无子番茄通过植物组织培养的方法，大面积种植的话，在花蕾期不采取人工去雄，在雌蕊柱头涂抹一定浓度的生长素，我们所获得的番茄仍然是有籽的。
问题3.三倍体无籽西瓜真的无籽吗？若有子，可为几倍体？
三倍体无籽西瓜在减数分裂过程中，由于细胞中存在三条相同的同源染色体，因此在减数第一次分裂的联会时期，常常发生联会紊乱，导致不能产生正常的生殖细胞，因此我们说三倍体无籽西瓜是无子的。但也会出现减数分裂过程中，两组染色体移向一极，；另一组移到另一极，这样就可以产生含两个染色体组和含一个染色体组的生殖细胞，那么它在接受二倍体植物产生的花粉以后，就可以完成受精作用，形成含三个染色体组和含两个染色体组的受精卵，将来就可以形成三倍体和二倍体的种子。
六、无籽西瓜与无子番茄的比较
无籽西瓜和无籽番茄两者都为单性结实，因而果实中都无种子。但有三方面不同：
(1)无受精过程发生的原因不同（无子的原因）。前者是人为阻隔了授粉过程，使卵细胞不能接受到精子而不能产生受精卵。后者是由于三倍体植株在减数分裂中染色体联会发生紊乱，不能形成正常生殖细胞而无受精卵形成。
(2)子房发育成果实的刺激不同。前者一般是在柱头上涂上一定浓度的生长素溶液，是化学刺激。后者是授粉刺激，即给三倍体植株雌蕊授以普通西瓜的成熟花粉。
(3)果肉细胞的染色体组数不同。由于前者是生长素直接刺激二倍体的子房形成的，故果肉细胞含二个染色体组。无子番茄是二倍体。而后者是利用二倍体普通西瓜经人工诱导多倍体方法育成三倍体植株后，用普通西瓜花粉刺激三倍体的子房形成的，故无籽西瓜果肉细胞含3个染色体组。
（4）无子番茄和无籽西瓜的培育原理不同。无子番茄是用生长素刺激花，促进其结果，所以果实仍然是二倍体。无籽西瓜产生的原理是染色体变异。
经典试题
1.在三倍体无籽西瓜的培育过程中，将二倍体普通西瓜幼苗用秋水仙素处理，待植物成熟接受普通二倍体西瓜的正常花粉后，发育形成果实的果皮、种皮、胚芽、胚乳细胞的染色体组数依次是（ ）
A．4、2、2、4 B．4、4、3、5 C．3、3、3、4 D．4、4、3、6
2.已知西瓜为雌雄同株且雌雄异花的植物。果皮浅绿色的基因型为aaaa四倍体西瓜与果皮带深绿色条纹的基因型为AA的二倍体西瓜间行种植，随机受粉。然后用四倍体植株所结的种子再种植，待上述种子长成植株后去雄再授以二倍体西瓜的花粉，则所得的西瓜（ ）
A果皮均为浅绿色，无子
B果皮均为带深绿色条纹的，有子
C果皮有的为浅绿色的，有子；果皮有的为带深绿色条纹的，无子
D果皮有的为浅绿色的，无子；果皮有的为带深绿色条纹的，有子
3、用四倍体西瓜与二倍体西瓜杂交所得的子一代植株开化后，经适当处理，则（ ）
A．能产生正常配子，结出种子形成果实 B．结出的果实为五倍体
C．不能产生正常配子，但可形成无籽西瓜 D．结出的果实为三倍体
【答案】1.B
2.C
【解析】
已知间行种植随机受粉， 那么有自交和杂交两种情况。1 自交时四倍体西瓜所结种子 为aaaa，种植后所结西瓜果皮与母本（种子 为aaaa）是一样的 ，浅绿色 ，种子则为三倍体 Aaa
2杂交时（就是教材上介绍的3倍体无子西瓜的培育过程）四倍体西瓜与二倍体西瓜杂交所结种子为三倍体种子Aaa，该种子种植后长成的三倍体植株所结西瓜果皮与母本（种子Aaa）一样 ，深色条纹，三倍体植株无法正常减数分裂（同源染色体联会紊乱）产生正常配子，不能受精，所以结出的西瓜无子。
3.CD
【解析】四倍体西瓜与二倍体西瓜杂交产生的子一代西瓜植株是三倍体，由于其染色体组数为奇数，在减数分裂时同源染色体配对紊乱，因而不能产生正常生殖细胞，故不能结种子。若经适当处理，如用二倍体花粉刺激其子房，可结出无籽西瓜。该果实仅由果皮构成，由于果皮细胞属于三倍体西瓜植株的体细胞，故该果实为三倍体。答案：CD