玉米育种技术和国外动态

玉米育种技术和国外动态2013级植物学徐万伟12013000864作物育种的必要性•随着世界人口的不断增加、人类活动对全球环境的影响加深以及地球气候变化的长期趋势，气候变暖和极端气候越来越频繁在耕地面积和水资源保持不变或下降的压力，农业生产必须不断提高产量、改善品质，以满足人类不断增加的需求，作物育种扮演着一个不可替的角色。玉米育种技术•常规育种•生物技术育种第一章：常规育种我国玉米常规育种方法的发展与成就：1.1926年王绶等人开始进行自交系选育和组配杂交种用于教学。2.解以后我国玉米育种工作发展迅速,首先开展了群众性的良种评选运动。3.1949年12月吴绍暌教授提出利用杂种优势增进玉米产量的倡议。4.1950年,中央农业部颁发了全国玉米改良计划,其中以推广方法简便,见效较快的玉米去雄选种法为主,此后进一步提出选育品种间杂交种。5.1952年以后,优良的品种间杂交种相继育成和推广,如山东省的坊杂号、齐玉号,河南省的百杂号及其它地区的一些优良组合,都发挥了不同程度的增产作用。随着生产的发展,对玉米杂交种的选育提出了更高的要求。•1958年,各地相继育成我国自选的第一批优良双交种和综合杂交种,如春杂号、农大号、双跃号、新双号等,双交种和混选1号综合杂交种陆续推广,逐步取代品种间杂交种,开创了我国玉米杂交育种的新纪元。•1971年2月,全国“两杂育种”座谈会提出杂交玉米的选育和应用以单交种为主,充分发挥玉米的杂种优势增产作用。第二章：生物技术育种1.单倍体育种2.基因工程育种3.分子标记辅助育4.诱变育种1.单倍体育种•概念：单倍体育种即利用植物组织培养技术诱导产生单倍体植株，再通过某种手段使染色体组加倍，从而使植物恢复正常染色体数。•优点：与传统育种方法相比较，双单倍体技术是选育玉米自交系的一种最快、最简便、经济和直接的方法。单倍体经染色体加倍获得纯合二倍体，从中选育自交系，缩短了育种年限，加速了育种进程。1.1玉米单倍体产生途径•花药培养：花药培养的原理是依据植物每一特化的营养细胞都具有发育成完整植株的“潜在全能性”原理•化学药剂诱导：利用植物调节剂直接刺激卵细胞，使之分裂诱发孤雌生殖。聚乙二醇、秋水仙素和二甲基亚砜等化学药剂都有诱导孤雌生殖的作用。1.2玉米单倍体的加倍•单倍体的自然加倍：自然状态下，单倍体各部分组织的体细胞发生自然加倍的现象是普遍存在的。单倍体的自然加倍频率在5％一10％，有些材料不发生自然加倍。细胞的加倍可能是核内加倍、核内有丝分裂、细胞融合等。•单倍体的化学加倍：人工加倍最有效的方法是利用化学药剂破坏细胞有丝分裂的纺锤丝，使两个子细胞染色体在有丝分裂后期不移向两极，人为改变分裂细胞染色体倍性，实现染色体化学加倍。秋水仙素是目前最常用的化学加倍剂，加倍方法主要有浸种法、浸根法、注射法和培养基掺入法等。2.转基因育种•概念：转基因育种的基本原理是将外源基因导入受体系统,使其整合到受体基因组DNA上,并得以表达。•优点：植物基因工程育种与其它育种途径相比具有能够定向培育新品种、创造新类型等优点,它可以打破物种界限、克服有性杂交障碍,快速有效地创造遗传变异,大大缩短新品种育成年限等优点。玉米的转基因育种技术•玉米的转基因育种技术玉米的基因导入方法主要有两大类:根癌农杆菌介导转化和无需载体的DNA直接导入的转化。DNA直接导入转化主要包括基因枪法、花粉管通道法、子房注射法、PEG法、电击法、阳离子转化法等。2.1根癌农杆菌介导法•Grimsly等首次以玉米为材料,用农杆菌将玉米条纹病毒(MSV)的cDNA导入玉米植株中,使植株表现了系统感染症状,这个报道有力地证明了农杆菌能侵染玉米。这是玉米转基因育种的一个重要转折点,它开创了农杆菌应用于玉米转基因育种的新纪元。2.2基因枪介导法•基因枪法是通过基因枪击发火药爆炸、高压气体释放或高压放电所产生的推力使携带了外源基因的金属微弹穿透植物的组织、细胞壁和膜结构,将外源基因送入细胞核,进而整合到植物基因组中,实现遗传转化。•1989年,Klein第一次使用基因枪法转化玉米,并获得成功。•Philippe等用山梨糖醇和甘露醇处理玉米的胚性悬浮细胞,用基因枪把GUS基因导入玉米中,而且,经山梨糖醇和甘露醇处理过的细胞,其转化频率提高了2.7~6.8倍。2.3种质系统转化法•种质系统转化,或称生物媒体转化系统,即利用花粉粒、花粉管通道或利用子房、幼穗及种胚注射外源DNA等方法,实现外源基因的导入。•子房注射法是指利用显微注射仪或微注射针把外源DNA溶液注入子房中,靠子房产生的压力及卵细胞的吸收使外源DNA进入受精的卵细胞中。2.4其它转化方法•迄今报道在玉米上应用的其它基因直接导入方法还有PEG介导法、电激穿孔法、碳化硅纤维介导法、阳离子转化法等等,这些方法往往以原生质体为受体材料。2.5转基因技术在玉米育种中的应用•玉米转基因技术应用领域十分广泛,主要应用在抗虫转基因玉米、抗除草剂玉米、特种玉米等方面。2.6抗虫转基因玉米•抗虫转基因玉米主要应用的是Bt毒蛋白因,Bt(苏云金芽孢杆菌)在芽孢形成的过程中产生杀虫晶体蛋白(ICP),Bt毒蛋白在体孢晶体内以原毒素的形式存在,被昆虫摄取后在昆虫幼虫的肠道内的微碱性条件下经蛋白酶水解转变为毒性多肽分子。可与昆虫肠道上敏感的表面特异受体相互作用,扰乱细胞的渗透平衡,从而导致幼虫停止进食,最终死亡。2.7抗除草剂转基因玉米•将抗除草剂耐性基因引入玉米是增加其对除草剂选择的安全性一种新的途径,也是一种高效、低成本、无公害的控制杂草的手段。•在抗除草剂基因中以Bar基因应用最广而且最为成功。来源于吸水链霉素(Streptomyceshygro-scopicus)的Bar基因被广泛用作玉米基因转化中的选择标记基因,除草剂抗性基因的利用不仅可作选择标记,同时还具有农业生产用途,带有除草剂抗性的转基因玉米不受除草剂伤害而显著提高产量。2.8抗病转基因玉米•抗病转基因玉米的主要目标是抗病毒和抗真菌病害。•研究发现玉米矮花叶病毒(MDMV)B株外壳蛋白在转基因植株中表现出对MDMV的抗性。2.9改良品质•赖氨酸是玉米蛋白质中的限制性氨基酸,含量高低直接关系到玉米的营养价值。•孙学辉等通过基因工程提高了玉米的赖氨酸含量。国外已经报道了通过转基因玉米生产鸡蛋抗生素蛋白,并已进入商业化生产。3.分子标记育种•1985年在人体遗传研究中发展起来一种先进的遗传标记法-DNA分子标记,他是DNA水平上遗传多态性的直接反应。•分子标记技术的出现,使控制数量性状的微效基因在染色体上精确定位成为可能。•目前DNA分子标记类型已有几十种,其中应用比较广泛的是SSR(SimpleSequenceRe-peats,缩写SSR)、AFLP和RFLP标记技术。它们可用于种质亲缘鉴定、资源种群划分、杂交和纯度检测以及识别和分离目的基因等。3.1RFLP标记•RFLP(RestrictionFragmentLengthPolymor-phism)即限制性片段长度多态性。它是在1974年由Grodzicker等创立,是一种以DNA-DNA杂交为基础的第一代遗传标记。其基本原理是检测DNA在限制性内切酶酶切后形成的特定DNA片段的大小,包括基因组DNA限制性酶切、电泳分离、south-ern转移、特异性探针杂交检测等步骤。•利用RFLP的共显性,可以把纯合体从分离群体中与杂合体分开,提供单个位点上的较完整的资料,有利于未知基因的定位。3.2SSR标记•SSR标记:简单序列重复又叫微卫星DNA标记,1991年由Moore等创立。通常是指基因组中存在的由2~5个核苷酸为重复单位组成的短序列串联重复多次构成的DNA片段。其重复次数的不同产生了等位基因之间的多态性。•赵久然、高文伟等、李汝玉利用SSR分析了玉米种子的纯度。•吴渝生等利用SSR标记技术,通过聚类分析将云南糯玉米分为3个类群和5个亚群,云南爆裂玉米分为3个类群和4个亚群。3.3AFLP标记•AFLP即扩增的酶切片断长度多态性,1992年荷兰科学家Zebeau等利用PCR检测DNA多态性的一项分子标记技术。其基本原理是基因组DNA用限制性内切酶消化产生大小不等的DNA片段,经添加接头和PCR选择扩增、电泳形成丰富DNA标记.•AFLP技术稳定可靠,重复性好,方便快速。因而,非常适合于品种指纹图谱的绘制,遗传图谱的构建、品种鉴定及遗传多样性的研究。•我国学者吴敏生等2000年利用该技术研究了17个玉米优良自交系的遗传多样性,将17个优良自交系聚为6群,该划分与自交系谱亲缘关系基本一致,说明AFLP技术可以用于玉米自交系的遗传多样性的研究和优势群划分。4.诱变育种•我国诱变育种始于1956年,诱变技术产生的突变率是自然突变率的100~1000倍,并且可以产生自然界尚未出现和很难出现的基因型。•目前,在玉米育种上应用最多和效果最好的方法主要是电离辐射、化学诱变和空间诱变育种。4.1电离辐射诱变育种•957年中国农业科学院建立了我国第一个原子能农业利用研究室,1961年发展成研究所,随后各省、自治区、直辖市也相继成立了原子能利用研究室(所),初步形成了全国性研究体系。•应用的射线以γ射线和β射线较多。4.2化学诱变育种•化学诱变育种是利用化学诱变剂诱发作物发生突变,再通过多世代选择和鉴定,直接或间接地培育出生产上能利用的农作物新品种。目前在玉米上使用最广和效果最好的化学诱变剂是甲基磺酸乙酯(EMS)。•1966年,Coe发现玉米花粉可以在石蜡油中悬浮几个小时仍保持授精能力。经过不断改进和完善,目前Ems-石蜡油这项技术已经成为公认的最有效的玉米化学诱变方法。•刘治先等用EMS花粉诱变技术筛选出2类高油酸玉米突变体,10个高赖氨酸、8个高蛋白、7个高油和4个高亚油酸突变体,为特用玉米育种和遗传研究提供了可贵的材料。4.3空间诱变育种•太空诱变育种又称航天育种,指利用太空所特有的强宇宙射线、真高空、重离子、微重力、交变磁场等对农作物的诱变作用,从中定向选择培育出优良新品种的技术。•它具有变异幅度大,多因素综合诱变和有益变异多,稳定快,周期短,有利于加速育种进程、改良品质等特点。•我国20世纪80年代开始太空诱变育种研究。•1991年,丘运兰研究指出太空环境对玉米种子发芽率无影响,但发现部分飞行种萌发后存在生长抑制现象。•四川农业大学玉米研究所从1996年卫星搭载川单9号玉米种子的后代中获得了单基因控制的隐性核不育突变体。