染色体是生物遗传物质的主要载体，其数目、形态和结构的变化，严重地影响着细胞的分裂和增殖以及生物的繁殖和遗传。所以，加倍染色体的数目，进行染色体更换，改变染色体的结构，亦是培育作物新品种的有效途径。
一、整倍体染色体加倍
（一）染色体数目和加倍
各种植物细胞中的染色体的数目都是一定的、有规律的，并且，在同科、同属和同种的植物中，它们的染色体数目常有一个基数，以“x”表示，以此基数构成一个染色体组，再成倍增添，形成染色体组系列。所以，按染色体倍性，植物可分为以下类型。
含一套染色体组的细胞或个体称为一倍体（monoploid），x=1（即单元单倍体）。这类作物植株弱小，生长迟缓，高度不育。在动物中，蜜蜂和蚂蚁的雄性个体都是一倍体。在植物中，也会出现一些一倍体，但都不能繁殖。由于一倍体仅有一套染色体，可以自然或人工加倍得到纯合二倍体，所以，在育种工作中有一定的价值。
含两套染色体组的细胞和个体称二倍体（diploid），x=2。世界上的植物多数为二倍体，这是能正常发育的，可以有性繁殖的庞大群体。例如重要的粮食作物水稻、玉米、谷子和高粱等以及经济作物糖用甜菜和大麻等都是二倍体。与一倍体相比，它具有较大的生产力。所以，二倍体的培育在育种工作中占有一定的地位。
含3个或3个以上的染色体组的细胞或个体称为多倍体（polyploid），x=3，4，5，6……有三倍体（triploid），四倍体（tetraploid），五倍体（pentaploid）和六倍体（hexaploid）等。多倍体是由二倍体或较少倍数的多倍体加倍而成。例如黑麦二倍体（2x=14）加倍而为黑麦四倍体品种——Petkus（4x=28），曾在德国大量推广。按其来源多倍体可分为同源多倍体和异源多倍体。前者的成对染色体的来源是相同的。这是由于种或品种进行有丝分裂失常，染色体加倍而发生的结果，如多倍体甜菜等。后者的成对染色体的来源是不同的。由不同种的亲本杂交而得。
多倍体的染色体增加，引起植物形态、生理和生态上的巨大变化。一般表现生活力提高、适应性加强、营养生长旺盛晚熟、光合产物增多、器官增大、成分改善，然而可稔性降低。多倍体育种已成为作物培育新品种的重要手段之一。例如三倍体甜菜与二倍体甜菜相比，表现抗病，块根增产，产糖量提高15%左右。需要指出，以上“巨大性”的表现，不同作物并非一致，甚至还有相反的表现，这就说明染色体的变异影响植物性状是多方面的。
植物合子的染色体数在一个基数（x）上，按染色体的倍性而变化的个体为整倍体（euploid），如二倍体黑麦（2x=14），四倍体野生二粒小麦（4x=28）和六倍体普通小麦（6x=42）都是在一个基数（x=7）的基础上成整倍增加的。
植物合子染色体数比其整倍体多或少一个或者若干个染色体的个体为非整倍体（aneuploid）。一般以二倍体的染色体数目为准，缺少一个染色体为单体（monosomic）。缺少2个，两套染色体各缺少一个，则称为缺体（nullisomic）。多出一个染色体为三体（Trisomic），多出2个称四体（tetrasomic），正常个体为双体（disomic）。
人工加倍整倍体的染色体数目，可以从一倍体加倍二倍体，也可以由二倍体加倍到三倍体和四倍体等多倍体，并克服其不良影响，能够培育新的作物品种。
（二）多倍体诱变方法
诱变多倍体的方法可分为物理诱变、化学诱变和杂交诱变。
1.物理诱变
物理诱变的因素有温度激变、机械创伤、电离射线和离心力等。温度，特别是高温43～45℃，可以从作物授粉到结合子第一次分裂期产生多倍体植株。伦道夫（L.F，Randolph）用此方法曾获得玉米四倍体植株。植物受到机械创伤后，在愈合时，发生不定芽，有些不定芽的染色体加倍而发生多倍体。温克来（H.Winkler）在茄科植物中，利用反复摘心的方法，获得到多倍体。
其他也可用X射线和γ射线诱变。
2.化学诱变
化学诱变可用秋水仙素、萘嵌戊烷和富民隆等药剂处理，进行诱变。
（1）秋水仙素诱变
秋水仙素是从秋水仙（Colchicumautumnale）的根、茎和种子中提取出来的一种生物碱（C22H25NO6·112H2O）。它有阻碍细胞纺锤体形成的作用，使染色体停留在赤道板上，虽然可以正常复制，但不向两极移动，细胞不分裂，染色体加倍而成多倍体。秋水仙素诱变方法如下。
1）浸渍法
秋水仙素溶液诱变有效浓度在0.0006%～3%，以采用0.01%～0.4%为较多。选取萌发的种子、膨大的嫩芽、分枝生长点、幼苗和花蕾等这些细胞分裂最活跃和生长最旺盛的部分，浸渍12～24h，多则数天，一般掌握分裂快的组织和浓度大的溶液，浸渍时间可缩短，反之则适当延长。浸渍结束后，务必把溶液冲洗干净，以免秋水仙素继续影响细胞生理活动。
2）涂抹法
以硬脂酸1.5g、羊毛脂8g和1，4-氧氮杂环己烷（C4H9ON）0.53ml，加水20ml，配成乳酪状液。用时加水稀释到能喷雾状态，再加入适当浓度（0.1%～1%）的秋水仙素溶液，即可用以涂抹幼苗或分枝顶端。或者用甘油7.5ml，水2.5ml，santomerse湿润剂6～8滴，加入所需浓度的秋水仙素溶液，进行涂抹诱变。
3）滴液法
用秋水仙素0.1%～0.4%水溶液，对较大植株的顶芽、分枝顶端和腋芽滴渗诱变，一日数次，处理数日。或用脱脂棉轻包处理部位，以配好溶液浸透脱脂棉，最好再用塑料薄膜套上包扎好，以防挥发。
4）套罩法
处理植株顶芽或分枝顶芽用此法。把顶芽以下的叶片剪去，将顶芽套上一个防水胶囊，囊内盛1%秋水仙素的0.65%的琼脂，处理时间约24h。
（2）萘嵌戊烷诱变
萘嵌戊烷（C12H10）是一种无色结晶体，不溶于水，而溶于乙醇、乙醚、氯仿、甲苯、醋酸或橄榄油中，有升华的性质。所以，可以将处理材料，放进充满萘嵌戊烷的饱和蒸气的容器中。方法简单，药品反复使用，处理材料多，容易获得多倍体。
（3）富民隆诱变
富民隆是对甲苯磺酰苯胺基苯汞（C19H17HgNSO2），本为有机汞杀菌剂，白色粉末状，基本不溶于水，与秋水仙素一样，可破坏纺锤体，使染色体收缩变短，不分向两极而形成多倍体。使用时，将纯的富民隆倒入其本身20倍的丙酮中，加热溶解，再倒入蒸馏水中，配成浓度为0.1%的乳白色原液，使用时稀释到0.01%～0.03%。处理时间2～3d。效果也好，且价格低廉，手续简便。
3.杂交诱变
人工有性杂交可以诱变多倍体，例如二倍体甜菜与四倍体甜菜杂交产生生产上广泛应用的三倍体甜菜。此外，尚有三倍体与四倍体杂交产生五倍体等方式。一般用化学药物诱变多倍体都是把原来染色体数目增加一倍，构成同源偶数多倍体，而有性杂交诱变可以得到异源奇数多倍体。所以它在作物育种中有着特殊的意义。
杂交诱变的技术与一般杂交育种相同，也是要注意杂交组合选择。如何利用优良的多倍体亲本及如何能使它们杂交成功，得到较高频率的多倍体后代，是值得认真研究的问题。
（三）多倍体的鉴定、选择和利用
植物的倍性鉴定是一项重要工作。无论是育种的原始材料或是育成材料都需要进行倍性鉴定，以确定它们的染色体数目。多倍体诱变是否诱变成功，能否在生产上应用，更需要鉴定。鉴定方法包括直接鉴定和间接鉴定。
直接鉴定是直接对染色体计数，不仅能区别染色体是否加倍而且还可以鉴定出整倍性和非整倍性，也就是染色体是否是基数（x）的多次整数加倍。方法是直接取用所要鉴定植株的，正在分裂过程中的根尖和茎尖细胞或花粉母细胞，制片染色，在显微镜下，直接检查染色体的数目，确定是否真正加倍。
间接鉴定是通过形态学和解剖学的方法鉴定。一般多倍体茎秆变短，叶片变厚，叶片栅栏组织细胞增大，叶色变深，气孔变大变少，花、果变大，结实率降低。通过这些特点与非多倍体比较，以确定染色体是否加倍，是不是多倍体。
诱变出的多倍体不一定都能成为生产应用的优良新品种。像其他育种技术一样，也需要进一步选择和培育，如淘汰劣株、克服不育性以及其他一些缺点。
首先需要诱变和鉴定数量众多的不同类型的多倍体材料，以增加出品种出成果的机会。这样在大量的多倍体群体中比较容易选择出具有育种目标的或特殊性状的植株，淘汰不合格的劣变植株。次年，将入选材料种于选种圃，全面而系统地观察，并与当地推广品种或亲本比较。同源多倍体结实率低，种子较疵，发育不良，还要找原因找规律。对一些不稳定的嵌合类型，进行分离纯化。对有些符合应用的材料，做进一步培育，有育种价值的材料也要保留，以便今后继续进行杂交或诱变。
人工诱变多倍体的例子还不很多。国外许多国家栽培甜菜大部分都是三倍体。我国已培育出双丰303，304等三倍体甜菜，在生产上应用。北京农业科学研究院利用黑麦（S.cereale）（2n=2x=14=7Ⅱ）与普通小麦（2n=6x=42=7Ⅵ）杂交，再使杂种（2n=4x=28=7Ⅳ）染色体加倍而培育成小黑麦（Triticale）（2n=8x=56=28=7Ⅱ），已经在云贵高原大量种植。其他尚有同源四倍体黑麦（2n=4x=28=7Ⅳ）和四倍体荞麦（Fagopyrumesculentum）（2n=4x=28=8Ⅳ）诱变多倍体也在生产上应用。
二、非整倍体染色体更换
非整倍体不是比二倍体的染色体多，就是少的个体，因而在遗传上不平衡，往往对植物不利。如同源多倍体的单体活力差而不孕。因此，它在育种上没有直接应用的价值，然而，可以测定基因所在染色体，有助于遗传和育种工作的研究，特别是可以用以更换染色体，改进和培育新品种。例如利用杂交方法，将不抗病的小麦品种的6B染色体（6BⅡrr）更换为抗病品种的6B染色体（6BⅡRR）。以该品种的6B单体（20Ⅱ+6BIr）为母本，以抗病品种（2Ⅱ+6BⅡRR）作父本进行杂交。杂交第一代（F1）即成为抗病植株。淘汰双体植株，保留单体植株，并使单体植株自交得到杂交第二代（F2），再淘汰其中单体及其它非整倍体，保留其中染色体加倍的双体（20Ⅱ+6BⅡRR），或选择优良植株繁殖应用或再与其他优良品种杂交，培育新品种。
利用非整倍体还能以单体使栽培种换取远缘种的染色体。例如改进小黑麦杂种性状。由于小黑麦包含了黑麦的全部染色体，把黑麦的一些不良性状也带给小黑麦杂种。补救的办法也用有性杂交，以小黑麦（2n=8x=56=28Ⅱ）与普通小麦（2n=6x=42=21Ⅱ）杂交，得到倍半二倍体F1（2n=7x=49=21Ⅱ+71）。再使F1自交得到F2。其中出现的外加一个黑麦染色体的小麦，再与小麦单体杂交。在这个杂交组合的子代群体中，选出更换小黑麦染色体的小麦或繁殖或作杂交亲本。
非整倍体的染色体缺体同样可以用做染色体的更换。我们知道，小麦抗秆锈17号生理小种的基因（R）是在6D染色体上。某小麦品种不抗秆锈，可以用此品种的6D缺体（21Ⅱ-6DⅡ=20Ⅱ）与抗该病的品种（20Ⅱ+6DⅡRR）杂交，杂交第一代（F1）全部成为6D单体（20Ⅱ+6DIR），使此单体自交，在F2群体中即有更换后的，带有抗秆锈病基因（R）的6D染色体的双体（20Ⅱ+6DⅡRR），性状理想可按育种程序，选择繁殖，也可作为育种材料，培育更为优良的品种。
染色体属于植物的微观结构，是植物遗传和育种基础研究领域。染色体工程是一种理论性强的育种技术，需要进一步深入研究和实践，总结规律，积累经验，充实完善。
