园艺植物生物技术第五章

Plantchromosomalengineering植物染色体工程Plantchromosomalengineering按照一定的设计有计划的消减、添加和代换同种或异种染色体，引发产生各种整倍性变异和非整倍性变异，从而改良植物的遗传基础、培育符合人们需要的新种质或新品种的方法和技术Part1ProductionofHaploids1.Haploid单倍体是指孢子体中只含有配子体染色体数目(单套)的植株。Thetermhaploidreferstothoseplantswhichpossessagametophyticnumberofchromo-somes(singleset)intheirsporophytes.①monohaploids单元单倍体即具有来自二倍体中染色体数目一半的单倍体，如玉米，大麦等；②polyhaploids多倍单倍体即具有来自多倍体中染色体数目一半的单倍体，如马铃薯，小麦等。2.Typesofhaploids3.ProductionmethodsAndrogenesis雄核发育(单雄生殖)：通过花药培养生产单倍体Gynogenesis孤雌生殖：指通过于房或胚珠培养发育成单倍体，雌配子体或者雌配子体被诱导进行孢子体发育。3．1ANDROGENICMETHODS雄核发育方法用雄核发育方法生产单倍体是指使被子植物的雄配子体发育成单倍体，如小孢子(未成熟花粉)。可以通过培养离体花药或离体花粉(小孢子)得到单倍体。外植体选择单倍体植株鉴定再生植株培养接种表面灭菌预处理染色体加倍获得纯合二倍体3.1.1Antherculture花药培养3.1.2MicrosporeCulture小孢子培养单倍体植株可以通过雄配子细胞(即小孢子或未成熟花粉)的离体培养而获得。花药培养、花粉培养的异同点：培养目的相同，均获得小孢子植株花药培养属于器官培养；而花粉培养属于细胞培养花粉培养没有药壁组织干扰；可计数小孢子产胚率；可观察雄核发育的全过程；单倍体产量高，但技术更复杂3.1.3Thevariousfactorsgoverningthesuccessofandrogenesis影响雄核发育的因素(1)Genotype基因型(2)Physiologicalstatusofthedonorplants植株的生理状态(3)Stageofpollen花粉的发育时期(4)Pretreatmentofanthers花药预处理:Coldpretreatment,Hottreatment,Chemicaltreatment(5)Culturemedia培养基的成分(6)Cultureconditions培养条件(7)Inoculationdensityanddirection接种密度和方向3.1.4Processofandrogenesis雄核发育过程①直接雄核发育：不经过愈伤组织，胚直接由花药的小孢子发育形成。(i)directandrogenesis:embryosoriginatingdirectlyfromthemicrosporesofantherswithoutcallusing②间接雄核发育，即器官发生途径：小孢子增生形成愈伤组织，愈伤组织被诱导分化形成植株。(ii)indirectandrogenesisi.e.organogenicpathway:microsporesundergoproliferationtoformcalluswhichcanbeinducedtodifferentiateintoplants.胚状体发育途径部分花药通过胚状体途径形成小植株烟草花药培养芸苔属小孢子培养a)球形胚d)鱼雷形胚愈伤组织发育途径部分花药产生愈伤组织接种在平板上的水稻花药水稻花药培养愈伤组织转接种到再生培养基愈伤组织分化形成再生植株水稻花药培养3．2GYNOGENICHAPLOIDS雌核发育单倍体被子植物的胚囊或雌雌配子体能在体外触发孢子体发育。与小孢子体发育而来的雄核发育植物相比，这些植物被称为雌核发育植物。授粉和未授粉子房都能被培养。为了生产单倍体，在开花前24-48h切除花芽以得到未授粉的子房。除去花萼、花冠和雄蕊，再对子房进行表面消毒。培养前，把花柄和花瓣的尖端部分切去，以切口端向下的方式把子房植入培养基。Factorsaffectinggynogenesis影响单雌生殖的因素(1)Genotype基因型(2)Growthconditionofthedonorplant.供体植物的生长条件(3)Stageofharvestofovule收集的胚珠发育时期(4)Embryo-sacstage胚囊发育时期(5)Cultureconditions培养条件(6)Seasonaleffects季节效应(7)Physicalfactors物理因素4.Theploidylevelandchromosomedoubling倍性水平和染色体加倍(1)Countingofplastidsinthestomata计数气孔的质体数(2)Chromosomenumber染色体数(3)Numberofnucleoli:核仁数(4)Flowcytometricanalysis细胞质流分析5.Diploidization二倍化(1)Colchicinetreatment秋水仙素处理(2)Endomitosis核内有丝分裂6.Significanceandusesofhaploids单倍体的意义和应用(1)Developmentofpurehomozygouslines纯合系的培育(2)Hybriddevelopment杂合体的培育(3)Inductionofmutations:诱导突变(4)Inductionofgeneticvariability遗传变异性的诱导(5)Generationofexclusivelymaleplants产生完全雄性植株(6)Cytogeneticresearch细胞发生研究(7)Significanceintheearlyreleaseofvarieties新品种早期公布中的意义(8)Hybridsortinginhaploidbreeding在单倍体育种中选择杂种(9)Diseaseresistance抗病性(10)Insectresistance抗虫性(11)Salttolerance抗盐性(12)Doubledhaploidsingenomemapping:基因图谱中的加倍单倍体7.Problems①进行单倍体的组织培养生产需要高水平的操作和专门的技术。②双倍体和四倍体常常与单倍体有同样的再生速率。③选择性细胞分裂必须发生在单倍体的小孢子中，不能发生在其他非需要的双倍体组织中，这个选择性细胞分裂经常是不可能发生的。④愈伤组织的形成通常是有害的，不管是自发产生的，还是调节剂诱导产生的。⑤在一些类型的花药和花粉培养中，白化病现象发生的频率较高。⑥在单倍体材料获得过程中，缺乏选择的性状。1.Highlevelofmanagementandexpertiseisrequiredtooperatethetissuecultureproductionofhaploids.2,Diploidsandtetraploidsoftenregenerateatthesamerateasthehaploids.3.Selectivecelldivisionmusttakeplaceinthehaploidmicrosporesandnotinotherunwanteddiploidtissues.Thisselectivecelldivisionisoftenimpossible.4.Callusformationwhetherithasarisenspontaneouslyorhasbeeninducedbyregulatorsisusuallydetrimental.5.Therelativelyhighincidenceofalbinisminsometypesofantherandpollenculture.6.Thelackofselectionoftraitsduringthederivationofhaploidmaterial.7.Thereislittlechanceofisolatingahaploidfromamixtureofhaploidsandhigherploidylevelssincelatteronesareeasilyoutgrown.8.Thedoublingofahaploiddoesnotalwaysresultintheproductionofahomozygote.Part2Productionofpolyploid1.1polyploid：体细胞中含有3个或3个以上染色体组的生物体同源多倍体（autopolyploid）：指多倍体的几个染色体组来源于同一物种。如：AAA--同源三倍体；AAAA--同源四倍体异源多倍体（allopolyploid）：指来自不同种属的染色体组成的多倍体（染色体组来源不同）。AABB--异源四倍体（又叫双二倍体），类似于二倍体的远缘复合物。1.Theconceptandcharacteristicsofpolyploida.巨大性：一般表现在叶大；茎粗；花大，色浓；果实、种子、细胞、气孔、花粉都大如三倍体、四倍体葡萄粒大；四倍体萝卜主根粗大1.2characteristicsofpolyploidb.育性低：一般同源多倍体结实率低原因：同源多倍体由于在减数分裂时，染色体间配对不正常，易出现多价体，致使多数配子含有不正常染色体数，因而表现出育性差，结实率低。异源多倍体:与远缘杂种相反，是高度可育的。来自父母本的染色体在减数分裂时自行配对，不出现多价体，表现为自交亲和，结实率较高。园艺植物大多数同源多倍体为无性繁殖植物，育性差但不影响在生产中的应用。对于水果来说，无籽或少籽为优良性状。三倍体经常高度不育（如三倍体的无籽西瓜；三倍体香蕉也表现无籽）。原因也是减数分裂不正常，不能形成正常的配子。三倍体的风信子（2n=3x=24）例外，它高度可育。c.代谢旺盛，抗逆性强多倍体新陈代谢旺盛，适应环境能力强。表现为抗病、抗旱、耐寒，分布广。如多倍体从赤道到极地都有分布；高山上多倍体多；在炎热夏季的稻田里常发现多倍体花粉粒d.营养成分高碳水化合物、蛋白质、维生素、植物碱等表现偏高。如四倍体番茄Vc含量比二倍体高一倍。四倍体紫罗兰、桂竹香芳香性强、蜜腺多。e.多倍体遗传特性：遗传变异性大总体来看，异源多倍体比同源多倍体稳定性好，但异源多倍体也因原来的二倍体不同有差异。如：异源多倍体大丽花，染色体组来源复杂，后代遗传变异性大。而异源四倍体的邱园报春的亲本比较纯，后代稳定2.Inductionmethodphysicalmethod：机械损伤、射线处理、温度异常、高速离心等Chemicalmethod：秋水仙素、氨磺灵、氟乐灵等2.1Colchicine秋水仙素秋水仙素是从百合科植物秋水仙的器官和种子中提取出来的一种剧毒的植物碱。纯品为无色或淡黄色针状结晶，熔点155℃，有苦味，易溶于冷水、酒精、氯仿和甲醛。通常用水或酒精作溶媒。秋水仙秋水仙素与正在分裂的细胞接触后，可抑制微管的聚合过程，不能形成纺锤丝，使染色体无法分向两极，从而产生染色体加倍的核。适宜浓度的秋水仙素溶液，能阻碍纺锤丝的形成，但对染色体结构无明显影响。处理的细胞在一定时间内可恢复正常，重新进行分裂。2.2Inductionprinciple2.3methods①浸渍法：可用溶液浸渍幼苗、新梢、插条、接穗、种子及球根类蔬菜、花卉等材料。为避免蒸发，宜加盖，避光②涂抹法把秋水仙碱按一定浓度配成乳剂，涂抹在幼苗或枝条的顶端，处理部位要适当遮盖