多倍体与单倍体植物2012

第八章多倍体与单倍体植物1染色体工程•按照一定的设计，有计划地消减、添加或替换同种或异种整条或部分染色体，从而达到定向改变遗传性和选育新品种的一种技术。•在真核生物的体内，染色体是遗传物质DNA的载体。当染色体的数目发生改变时（缺少，增多）或者染色体的结构发生改变时，遗传信息就随之改变，带来的就是生物体的后代性状的改变，这就是染色体变异。它是可遗传变异的一种。根据产生变异的原因，它可以分为结构变异和数量变异两大类。•染色体发生整倍性增加，就产生多倍体细胞或生物体。2多倍体植物2.1多倍体的概念和种类2.1.1概念染色体组：一个属内，各个种特有的、维持生物体生存最低限度数目的一组染色体。染色体基数：一组染色体组内的染色体数目以X表示高粱X=10小麦X=7棉属X=13玉米X=10甘薯X=15豌豆X=7稻属X=12现在的栽培小麦(Triticumvulgaris)是异源多倍体，具体地讲是六倍体。大约10000年前，一种有14个染色体(二倍体)的野生小麦，称为一粒小麦(Triticummonococcum)，与一种杂草山羊草(Aegilopssp．)杂交。这种杂草的正常二倍体也是14个染色体，但是它们与一粒小麦的14个染色体不同(不同源)，因此不能配对，所以杂交后代是不育的。但是，由于低温，这个杂交后代忽然染色体加倍，形成了一个异源多倍体，即二粒小麦(Triticumdicoccoides)。二粒小麦具有28个染色体，或14对染色体。约3000年前，二粒小麦与节节草(Ageilopssquarrosa)杂交，二粒小麦有28个染色体，节节草只有14个染色体，杂交的后代又是不育的。由于低温，这个杂交种的染色体又忽然加倍，形成了具有42个(28+14)染色体的异源多倍体，即现在栽培的普通小麦。多倍体：体细胞具有3个或3个以上染色体组的生物体。二粒小麦2n=4X=28普通小麦2n=6X=42陆地棉2n=4X=52二倍体:体细胞具有两组染色体组的生物体一粒小麦2n=2X=14水稻2n=2X=24玉米2n=2X=202.1.2多倍体种类异源多倍体：染色体组来源不同的多倍体陆地棉异源四倍体A1A1D1D1；普通小麦异源六倍体AABBDD小黑麦异源六倍体AABBRR；异源八倍体AABBDDRR同源多倍体：染色体组来源相同的多倍体甘薯同源六倍体马铃薯同源四倍体香蕉同源三倍体2.1.3多倍体的来源多倍体的发生可通过二倍体的染色体数目加倍形成，也可经过不同种属之间杂交，而后经过染色体数目加倍形成。二倍体种（2X=14）野生一粒小麦×拟斯卑尔脱山羊草(AA)↓(BB)(AB)↓染色体加倍四倍体种（2X=28）野生二粒小麦×粗山羊草(AABB)↓(DD)(ABD)↓染色体加倍六倍体种（2X=42）普通小麦（AABBDD）图小麦可能的进化途径2.2多倍体植物的特点2.2.1同源多倍体植物的特点1)器官的巨型性•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。2)育性差，结实率低。•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。•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。•而异源多倍体，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。•3)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。•4)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。•2.3多倍体植物培育••生物体内染色体数目的变化是以染色体组为单位进行增减，当生物细胞内染色体数达到3组或3组以上者称为多倍体。它是许多生物群体染色体进化的重要特征。在自然界中普遍存在着多倍体物种，蕨类植物中多倍体可能高达50%被子植物中大约有3035种的多倍体，其中70%的禾本科属于多倍体。多倍体是植物最重要的进化方式之一。因此近几十年来人们对多倍体进行了深入研究不仅为进化提供大量证据而且在生产实践上有着广泛的应用价值。•2.3.1物理诱导方法•主要有温度激变、射线照射、机械损伤、电离辐射和摘心等均可诱导多倍体的产生。•实例：•中粒种咖啡花粉母细胞减数分裂时用骤变低温8℃-10℃直接处理花器官可获得大量二倍性花粉粒；•用紫外光照射甜菜花芽20min分钟也能导致自交后代中有2株产生大花粉；•Co射线照射处理萌动的杜仲种子、r射线照射珍珠粟、x射线照射水稻也可以产生多倍体。•机械损伤诱导多倍体的产生：•植物的组织被切伤或嫁接后往往在切口处产生愈伤组织某些愈伤组织细胞内的染色体能自然加倍，将来发育成多倍体枝条如在茄科植物中通过反复摘心打顶而诱导四倍体的产生，其频率可达10%。其实最早的物理诱导方式就是在番茄上通过打顶而实现的。•2.3.2化学诱导法•是目前应用最广泛的方法。化学诱变剂其中尤以秋水仙素处理效果最好。值得注意的是秋水仙素有剧毒为淡黄色粉末针状结晶易溶于凉水但不溶于热水它是从秋水仙的鳞茎和种子中提取出来的。秋水仙素的作用机理在于它能抑制细胞分裂时纺锤体的形成染色单体分裂但胞质不分离导致染色体数目加倍。处理时注意浓度和处理时间秋水仙素的有效浓度为0.01-1.0%，而以0.2-0.4%应用范围最广。•处理时间一般不少于24h，可因使用浓度大小而异。•处理温度一般18-25℃.•1）活体条件下的诱导•秋水仙素是对正在分裂的细胞产生作用因而生产上常选用萌动或萌发的种子、幼苗、正在生长的嫩梢及芽为处理材料，用一定浓度的秋水仙素或乳剂对材料进行浸渍、涂抹、滴液、注射等方法处理诱导。•多种果树采用此方法均获成功如猕猴桃。•2）离体条件下的处理诱导•组织培养技术的发展使以单个细胞或少数细胞为诱导材料再由诱导加倍的细胞分化成植株成为可能，它不仅能减少或避免常规处理易产生嵌合体的干扰，获得同质的多倍体提高诱变效果，而且能在人为控制实验条件下反复多次试验提高诱变率。此外诱变群体多也能保证多倍体筛选、选择的成功并且一旦筛选出的多倍体能在短时间内迅速繁殖出大量纯度高、质量好、无病虫害的试管苗便于进行田间鉴定、示范、推广。•2.3.3生物学方法•1）体细胞杂交法•体细胞杂交又称原生质体融合该技术的发展是建立在组织培养和原生质体培养的基础上的。随着原生质体再生体系的建立融合研究的技术和条件的成熟体细胞杂交法培育多倍体已切实可行。首先用纤维素酶和果胶酶处理植物细胞得到大量无壁的原生质体再通过化学或物理方法诱导异核体进一步融合后成为共核体经培养后诱导分化出同源或异源多倍体植株，如柑桔。•2）胚乳培养法•胚乳是由3个单倍体核融合而成的,其中1个单倍体核来自雄配子体,2个来自雌配子体,因此胚乳是天然的三倍体组织,具有双亲的遗传成分,对育种后代性状有一定的预见性。而且胚乳同样具有一般细胞的全能性,因此胚乳细胞的培养可得三倍体植株。如红江橙、柚、猕猴桃等。•2.4多倍体植物鉴定方法•从原理上是依据其外在和内在的特征特性衍生而来的。一般而言可以以形态外形观察为基础，组织化学、叶绿体计数为辅助、细胞学观察染色体数来确定。切忌以个别特征为依据妄言断之。•2.4.1形态鉴定法•通常在对育成多倍体材料进行鉴定时，整个生长期均可以外部形态特征来判断，它是初步鉴定是否为多倍体的方法也是最简单、最直观粗放的方法。它可以为育种工作者减少大量工作量。如巨大性是多倍体最为显著的外部形态特征，多倍体一般茎粗壮且短生长缓慢，发育迟缓，叶变厚，叶色变深，叶形指数变小，花果都较二倍体大。这些主要分四个阶段来识别：:幼苗期、营养生长期、花期、果期。•2.4.2细胞学鉴定法•多倍体较二倍体气孔变大，花粉粒萌发孔沟数目增多，花粉粒大小不整齐，败育花粉粒较多，小孢母细胞增大，且在减数分裂中有异常行为。•2.4.3染色体计数法•通常通过检查分生旺盛的器官、组织的染色体数目来进行鉴定，它是最直接、也是最准确的鉴定方法。它不但能区别倍性，而且还能鉴定是整倍性或非整倍性的变异。•因染色体制片技术早已成熟故切实可行。•2.4.4分子水平的鉴定•随着分子生物学技术的发展人们开始从分子水平入手研究多倍体对其倍性、来源进行鉴定。目前就有用扫描细胞光度仪来测定单个DNA含量，再根据DNA含量比较来推断细胞倍性的报道。同时原位杂交技术的日趋成熟也为多倍体的鉴定提供了全新的途径。分子生物学方法的应用，不仅能鉴定细胞的倍性，而且还能鉴定其亲本的来源。•此外RAPD，即随机扩增多态性DNA(RandomAmplifiedPolymorphicDNA),此技术建立于PCR基础之上,使用一系列具有10个左右碱基的单链随机引物,对基因组的DNA全部进行PCR扩增,以检测多态性）•RFLP技术也已成功的应用到本领域的研究中。•限制性片段长度多态性（restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP）分析技术，是分子生物学的重要分析方法之一，用于检测DNA序列多态性。PCR-RFLP是将PCR技术、RFLP分析与电泳方法联合应用，先将待测的靶DNA片段进行复制扩增，然后应用DNA限制性内切酶对扩增产物进行酶切，最后经电泳分析靶DNA片段是否被切割而分型。2.5多倍体育种的意义与应用2.5.1多倍体育种的意义1）通过增加一个现有物种的染色体数目，产生同源多倍体，可获得植物某些器官的“巨大型”的直接效果，如番茄；2）通过远缘亲本或种间不育杂种的染色体加倍，克服远缘杂交的困难；3）培育多倍体作为不同倍数性间或种间的遗传桥梁，进行基因转移或渗透。2.5.2人工诱导多倍体在生产上的应用1）异源多倍体小黑麦2）三单倍体甜菜和三倍体西瓜3）同源四倍体黑麦，同源四倍体葡萄三倍体无籽西瓜培育过程•3单倍体与纯合二倍体植物•3.1单倍体植物单倍体:具有配子体染色体数目的孢子体单倍体育种:人工诱导单倍体,并使其成为纯合二倍体，从中选育出新品种的方法.单倍体的种类整倍单倍体：具有配子体染色体数目的孢子体一倍体（单元单倍体）一倍单倍体：由二倍体植物产生的含有一组染色体的单倍体多倍单倍体：多倍体植物产生的含有一组以上染色体组的单倍体同源多倍单倍体：同源多倍体产生的多倍单倍体异源多倍单倍体：异源多倍体产生的多倍单倍体按倍数按来源单倍体既可以自然产生，也可以人工诱导，它一般是由不正常的受精过程产生的，即由孤雌生殖、孤雄生殖、无配子生殖等方式产生的。在育种工作中，单倍体主要靠人工诱导产生。人工诱导产生单倍体的途径主要有下列几种：1）组织和细胞离体培养通过细胞和组织培养是育种工作中产生单倍体的主要途径。(1)花药（花粉）离体培养：这是目前人工获得单倍体最简单有效的方法。其原理是：作物的每一特化的细胞都具有发育成完整植株的潜力。•花药培养产生单倍体的途径有二：一是花粉经历了去分化和胚胎发生过程，通过胚状体而形成单倍体的胚，以后直接发育成单倍体植株(胚胎发生系统)；另一种是花粉多细胞团增殖，形成愈伤组织，以后再经诱导分化成再生植株(器官发生系统)。用花粉培养获得单倍体是否有育种价值，取决于用于培养的原材料是否优良和是否易于诱导成功。实践证明，不同基因型的植物材料间单倍体的诱导率不同，所以选择恰当的培养材料是花粉育种的重要一环。3.1.1产生单倍体的主要途径和方法•2)未授粉的子房（胚珠）培养:•用未授粉的子房（胚珠）离体培养是诱导大孢子发育成单倍体的另一途径。研究表明，来自大孢子的单倍体有更强的生活力，并且后代的性状也比较稳定，尤其是对于那些难以用花粉培养获得单倍体的植物或雄性不育植物提供了获得单倍体的有效途径，所以在植物的改良中有较大意义。•未授粉胚珠离体培养是人工诱导形成单倍体植株的技术之一。近年来国内外学者在此方面做了