第二章植物新品种来源.ppt

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1、1,第二章 植物新品种来源,第一节 植物的繁殖方式与品种类型 第二节 种质资源第三节 引种与驯化第四节 现代育种目标与方法,2,第一节 植物的繁殖方式与品种类型,一、有性繁殖（一）花器官构造,3,两性花（完全花、雌雄同花），如小麦、水稻、油菜,4,单性花 同株异花（monoecious)：玉米 雌雄异株（dioecious）：大麻、菠菜 有的植物既有完全花、又有单性花:天竺葵,雌花 雌雄同花,5,（二）花序 无限花序：（总状花序类）开花顺序自下而上，或自外而内。,6,总状花序,小花梗近等长，排列在花序轴的两侧。,7,伞形花序,小花梗等长，着生在花序轴的顶端。,8,伞房花序,小花梗不等长，排列在

2、近同一平面上,9,穗状花序,小花无梗，排列在花序轴的两侧,10,葇荑花序,小花为无柄的单性花，常无花被，花须常下垂,11,肉穗花序,花序轴粗短而肥厚，上着生无柄单性花,12,头状花序,花序轴扁平，称花序盘，开花顺序从外至内,13,圆锥花序,复合花序的种类：圆锥花序复穗状花序复伞形花序复伞房花序复头状花序,14,复伞形花序,15,有限花序：开花顺序自上而下或自内而外。1、单歧聚伞花序：主轴顶端先生一花，然后在主轴下方形成一侧枝，同样在顶端开花，依次下去。又可分为蝎尾状聚伞花序和卷伞花序（螺状聚伞花序）。2、二歧聚伞花序：主轴下形成两分枝。3、多歧聚伞花序：分枝在三个以上。,16,多歧聚伞花序,单

3、歧聚伞花序,17,轮伞花序,18,（三）开花传粉,1、开花：雄蕊内的花粉囊和雌蕊中的胚囊（或二者之一）成熟时，花被展开，露出雄蕊和雌蕊。2、传粉：开花后，花粉囊散出花粉，落在雌蕊柱头上的过程。3、传粉方式：自花传粉、异花传粉。4、植物对异花传粉的适应：单性花；雌雄蕊异熟；雌雄蕊异位；雌雄蕊异长；自花不孕,19,5、风媒花和虫媒花 风媒花：风媒植物的花常成穗状花序、葇荑花序；能产生大量花粉。花粉质轻、干燥、表面光滑，常为雌雄异花或异株，不具香味和色泽。虫媒花：常能产生特殊气味吸引昆虫；常产生蜜汁；花大而显著，花粉外壁粗糙。6、其它传粉方式：如水媒和鸟媒；人工辅助授粉。,20,21,22,23,（

4、四）受精1、花粉粒的萌发 花粉管落在雌蕊柱头上，经过与雌蕊柱头相互识别，亲和的开始吸收水分和营养物质，体积增加，花粉粒的内壁从萌发孔处 伸出，形成花粉管。2、花粉管的伸长 花粉管在萌发后，继续伸长，通过花柱到达子房，通过花柱时，可能有以下几种可能：1）穿过中空的花柱道；2）花柱内有引导组织；3）花粉管通过花柱薄壁细胞的间隙或细胞壁与细胞膜之间的间隙穿过。,24,1）概念：精细胞（N）+卵细胞（N）合子（2N）精细胞（N）+2个极核（N）初生胚乳核（3N）2）过程：不管花粉管如何进入胚珠，总是从珠孔端进入胚囊。并且花粉管进入总与助细胞有关。花粉管进入胚囊后，管的末端破裂，把精细胞和内容物注入进胚

5、囊。两个精细胞游离到卵细胞和中央细胞，与它们融合。,3、被子植物的双受精,25,柱头,子房,极核,卵细胞,花柱,反足细胞,助细胞,26,花粉粒的识别,27,花粉管的伸长,28,双受精的过程,29,融合后的合子和初生胚乳核,30,（五）有性繁殖（小结）1、自花授粉作物（50%）:玉米、甘薯、白菜型油菜；3、常异花授粉作物（5-50%）:棉花、甘蓝型油菜、高粱、蚕豆等；4、自交不亲和性（self-incompatibility）：十字花科、烟草、甘薯、向日葵等；5、雄性不育性（male sterility)：（核不育 genic male sterility(GMS)、胞质不育cytoplasmi

6、c male sterility(CMS)）；玉米、高粱、水稻、棉花、小麦.等,31,自交不亲和性机理 十字花科、烟草、甘薯、向日葵等,32,二、无性繁殖（一）营养体繁殖1、主要作物:甘薯（块根）、马铃薯（块茎）、甘蔗（茎）；2、果树花卉的嫁接；3、组织与细胞培养再生植株；4、由营养体繁殖的后代统称为无性系（clone）。,33,园艺植物用于繁殖的各种特化营养器官,34,（二）无融合生殖1、二倍体孢子生殖(2n)：大孢子母细胞有丝分裂形成二倍体胚囊2、无孢子生殖(2n)：胚珠体细胞发育形成二倍体胚囊3、不定胚生殖（2n)：胚珠或子房壁二倍体细胞经有丝分裂形成胚，同时正常胚囊中的极核发育成胚乳

7、4、孤雌生殖(1n)：卵细胞不受精直接形成单倍体胚 5、孤雄生殖(1n)：进入胚囊的精核未与卵细胞融合而直接发育成单倍体胚。,35,三、果实的形成和类型（一）果实的形成 1、真果：完全由子房形成的果实。2、假果：除子房外，花的其它部分参与形成果实。（二）单性结实和无籽果实 子房不经过受精而形成果实，称为单性结实。单性结实的果实为无籽果实。,36,（三）果实的类型 1.单果 2.聚合果：由花内离生单雌蕊形成的果实。3.复果（聚花果）：由花序形成的果实。,肉质果干果,浆果：核果：梨果：,裂果类：荚果；蓇葖果；角果；蒴 果。闭果类：瘦果；颖果；翅果；坚果；双悬果；胞果。,37,肉质果,38,浆果：由

8、一至多心皮形成的最常见的一种肉质果。,39,40,浆果,41,42,瓠果：葫芦科植物的果实，由下位子房和花托共同形成。,43,柑果：柑橘类的特殊果实，具中轴胎座，多心皮。,44,柑果,45,核果：单雌蕊形成的果实，内果皮坚硬。,46,梨果：下位子房与托杯共同形成的果实。,47,48,干果,49,荚果：一心皮子房，成熟时沿背、腹两条缝线开裂。,50,51,蓇葖果：一心皮子房，成熟时沿一条缝线开裂。,52,角果：2心皮子房，果实成熟后沿腹缝线开裂。种子着生在中央假隔膜上。,53,蒴果,54,蒴果：多心皮子房，成熟时各种开裂方式。,55,瘦果：13心皮子房，果内含1枚种子。,56,颖果：2心皮果实，

9、果皮与种皮愈合。,57,翅果：果皮延伸成翅状。,58,坚果：外果皮坚硬，含一粒种子。,59,聚合果,60,61,复果,62,63,四、品种类型,（一）同质纯合型1、纯系品种：自花授粉植物育成的品种2、自交系：异花授粉植物自交选育出的培育杂交一代的新材料(inbred line)（二）同质杂合型1、杂种一代(hybrid cultivar)：个体之间基因型相同，但都高度杂合。2、营养系品种(cloned cultivar)：由无性繁殖而成的品种。比如红富士，1951年盛冈支场选出，1962年定名，推广到全世界，但任何一个个体都来自源株(orter)器官的延伸，都基本保持原株的基因型。,64,（三

10、）异型纯合型1、杂交合成群体(composite cross population)：即多种纯合基因型的混合群体，在人工选择与自然选择的作用下，逐渐形成一个较稳定的群体。2、多系品种(Multiline cultivar)：由若干个农艺性状表现基本一致而抗性基因多样化的相似品系的混合体。比如近等基因系。（四）异型杂合型品种1、自由授粉品种(free cross pollinated cultivar)：在生产与繁殖过程中，品种内、植株间自由随机传粉，以及与其它品种之间相互传粉，通过人工选择，植株间在保存本品种基本特征的基础上，有一定程度的变异。2、综合品种(synthetic cultivar

11、)：多个彼此相似的家系、自交系在隔离条件下随机交配组成复杂群体，双交种、遗传基础较广，对环境胁迫有较强的适应性。,65,（一）概念 种质资源（germpalsm resources）或称基因资源(gene resources)、遗传资源(genetic resources)。包含一定的遗传物质，表现一定的优良性状，并能将其遗传性状传递给后代的植物资源的总和。亦即对植物品种改良和栽培拥有一定利用价值的遗传物质总和。,一、种质资源概念及在育种工作中的意义,第二节 种质资源,66,（二）意义1、种质资源是不断发展新植物的主要来源。2、它是育种工作的物质基础。3、适应生产的不断发展，需要发掘更多的种质

12、资源，随着生产发展和人类需求水平的提高，对植物育种不断提出新的要求。,67,二、种质资源分布,（一）中国气候型（大陆东岸气候型）1、温暖型（低纬度地区）2、冷凉型（高纬度地区）（二）欧洲气候型（大陆西岸气候型）（三）地中海气候型,68,（四）墨西哥气候型（五）热带气候型 1、亚洲、非洲、大洋洲热带著名花卉 2、中美洲、南美洲热带著名花卉（六）沙漠气候型（七）寒带气候型,69,三、种质资源的分类,1、本地种质资源 在当地的自然和栽培条件下，经长 期的栽培与选育而得到的植物品种和类型。2、外地种质资源 由国内不同气候区域或由国外引进的植物品种和类型。,70,3、野生种质资源 指未经人们栽培的自然界

13、野生的花卉植物。4、人工创造的种质资源 指人工应用杂交、诱变等方法所创造的育种原始材料。,71,四、种质资源的收集,（一)种质资源收集原则1、必须根据收集的目的和要求，单位的具体条件和任务，确定收集的对象，包括类别和数量。2、收集范围应该由近及远，根据需要先后进行，首先应考虑珍稀濒危种的收集，其次收集有关的种、变种、类型和遗传变异的个体，尽可能保存生物的多样性。3、种苗收集应遵照种苗调拔制度的规定，注意检疫，并做好登记、核对，尽量避免材料的重复和遗漏。,72,研究所基因库,研究所,计算机化数据室,外单位赠送,登记,田间收集,性状描述,全面评价,增殖,交流,(送长期保存中心),基因库登记资源评价

14、及操作程序,备份,73,(二)种质资源收集范围全球植物资源地区植物资源群落内植物资源物种资源（居群）品种群单株、器官、组织、单个细胞、一个基因片断。,74,五、种质资源的保存,种质资源的保存方式有以下几种：1、自然保存法2、种植保存法3、组织培养保存法4、种子保存法5、超低温种质保存法,75,六、种质资源的研究利用（观赏园艺植物为例）,1、分类学性状的研究2、生物学特性的研究3、经济性状的研究4、观赏特性的研究5、抗性特点的研究6、适合能力的研究7、分子生物学研究,76,了解中国气候概况,77,中国植被分布最为集中的地区西南山区：四川、云南、广西中南山区：湖北山区东北地区：大小兴安岭及长白山区

15、,78,中国八大植被区域：大兴安岭北部寒温带落叶针叶林区域东北、华北温带落叶阔叶林区域华中、西南常绿阔叶林区域华南、西南热带雨林、季雨林区域内蒙、东北温带草原区域西北温带荒漠区域青藏高原高寒草甸、草原区域高寒荒漠区域,我国观赏植物原产地,79,中国特有植物,银杏、水杉银杉、珙桐,中国特有种子植物图谱数据库共收录我国种子植物特有72科，243属，529种。图谱529幅。,80,品种特色突出品种群丰富应用形式丰富,81,金花茶,毛华菊,82,花团锦簇的山茶花,83,学名：Camellia japonica Linn.英文名：Japan Camellia科名：山茶科 Theaceae,山茶花,84,

16、花卉育种的宝贵材料,大花黄牡丹,紫斑牡丹,85,86,一、概念1、引种：引进外地或外国的种质资源，用途：引种栽培、引种驯化、引种改良。2、引种栽培：经过试验证明适合本地区栽培后，直接在生产上推广种植。3、引种驯化：外地种质引入种植，由于生态条件改变而表现出新的性状，经过选择育成适合本地区推广种植的新品种。4、引种改良：外来品种的某个（些）优良性状用于改良本地品种。,第三节 引种与驯化,我国的600多种栽培植物中，有一半是国外引进的；其中果树和蔬菜作物大多是国外引进的。,87,二、引种原理（一）气候相似性原理 原产地与引种地之间，影响作物生产的主要因素应尽可能相似，以保证作物品种互相引用成功的可

17、能性。强调气候中温度条件；忽略光、湿、气、土条件；忽略作物对环境适应（驯化）。,88,（二）生态相似性原理 生态环境：作物品种形成和生长发育所处的环境（生态条件）1）气候生态因子：温度、日照、雨量、湿度2）土壤生态因子：土质、水分、pH、盐份、其他离子3）生物生态因子：病虫及其它们的小种和生物型、杂草,89,三、影响引种的因素（一）外因1、温度：对作物生长和发育的影响2、光照：对作物生长和发育的影响3、纬度：同纬度光照、温度相似4、海拔：影响温度、光强5、栽培和土壤（二）内因 作物发育特性，根据作物生长对温度和光照的要求将作物分成：低温长日照作物、高温短日照作物、中间性作物。,90,四、作物的

18、引种规律（一）低温长日照作物（冬作物）：高纬度地区品种，引种到低纬度地区种植，由于该地冬季温度高和春季的日照短，不能满足低温和长日照，表现生育期延迟、营养器官加大、不能开花结实。低纬度地区品种，引种到高纬度地区种植，由于该地区冬季温度低和光照长，表现生育期缩短、植株矮小、产量低、春季可能冻害。,91,（二）高温短日照作物（夏作物）1、原产低纬度的品种：春播品种（感温）：引到高纬度地区春播种植，由于温度低，表现生育期延长、营养器官增大。但只要积温满足，可以获得高产。而长光照对发育影响小。夏播品种（感光）：引到高纬度地区种植，由于光照长，不能满足对短光照的要求，表现植株高大、迟熟、后期可能冻害。2

19、、原产于高纬度地区的品种（感温）：引种到低纬度地区种植，由于高温高，容易满足温度要求，表现生育期缩短、营养器官变小、产量低。3、原产于高海拔地区的品种（感温）：引到同纬度平原，早熟低产。,92,五、引种的工作环节 在实际工作中，引种原理或理论指导下，为了避免损失，保证成功，仍需按照一定的工作环节进行：1、明确引种的目标和要求，收集材料，品种来源、生态类型2、先试验后引种，观察试验、不同播期的多点试种，区域试验或直接认定3、引种试验和高产栽培试验结合4、植物检疫：病、虫、草等、隔离种植,93,六、植物驯化的原理“风土驯化学说”：生物体与其赖于生存的环境之间存在着对立统一的关系，生物体的遗传可塑性

20、使其能经过驯化而适应新环境。选用遗传不稳定、易动摇的材料1、根据系统发育特性，植物可塑性差异 栽培种 野生种 次生生态型 原生生态型 新品种 老品种 异地品种 本地品种 杂交种 群体品种 纯系,94,2、根据植物个体发育特性 早期 晚期 实生苗 无性繁殖材料3、根据植物遗传适应性范围 逐步迁移 如果树、橡胶树4、植物驯化过程中应结合适当的培育方法 杂交、定向选择、嫁接,95,一、现代育种的重要目标性状及策略,第四节 现代育种目标与方法,（一）高产及育种策略 在育种策略上，为达到高产这一目的，似乎可将作物育种分为三个阶段，即矮秆育种、理想株型育种和高光效育种。1、矮秆育种 矮秆品种的增产作用是通

21、过：1）降低个体的植株高度、增加密度；2）降低茎秆所占比重、提高收获指数；3）减少倒伏、提高稳产性。高产必须以生物学产量为基础。,96,2、理想株型育种 集中形态特征和生理特性的优良性状，使其获得最高的光能利用率，并能将光合产物最大限度地输送到籽粒中去，通过提高收获指数而提高籽粒产量。在禾谷类作物上，如株型紧凑、叶片窄而短、挺直上冲，叶与茎的夹角小，叶色深，叶绿素含量高，比叶重（单位面积的叶片重量）大等。理想株型应不同生态条件而有差异。水稻上提出了三种理想株型：重穗型、丛生型和中间型。,97,超级稻株型设计示意1.产量1213t/hm2 2.产量15t/hm2 3.产量15t/hm2 以上,9

22、8,3、高光效育种 通过提高作物本身光合能力和降低呼吸消耗的生理指标而提高作物产量的育种方法。作物经济产量的高低与光合作用产物的生产、消耗、分配和积累有关。高产品种应该具有较高的光合能力（强度），较低的呼吸消耗，光合机能保持时间长，叶面积指数（LAI）大，收获指数高等特点。转C4植物高光效基因：C4植物：玉米、高粱、甘蔗，光合强度高，光呼吸低，选择光合能力强的基因型；C3植物：小麦、水稻、大豆、棉花等，光合强度较低，光呼吸高30%，筛选CO2补偿点低的高光效品种,99,（二）稳产与育种策略 稳产性是指优良品种在推广的不同地区和不同年份间产量变化幅度较小，在环境多变的条件下能够保持均衡的增产作用

23、。1、抗病虫性育种 单一寄主易引起流行病虫害的发生，抗病育种越来越显示出它的重要地位。高产栽培肥水条件改善和矮秆品种带来的高密度种植，都加重了病虫害的发生。抗病育种已从抗单一病害逐渐向抗多种病害发展，抗单一小种向抗多种小种发展。,100,2、抗旱耐瘠育种 我国无灌溉条件的耕地半数以上，其中有些地区常年缺雨干旱，即使在雨量较多的地区大多雨量集中，季节性干旱也时有发生造成作物严重减产。我国约有1/3以上耕地分布在丘陵山区，土层薄、肥力低，产量低而不稳。3、抗倒伏性育种 主要育种性状，如株高、茎秆强度、根系等。4、适应性育种 指作物品种对生态环境的适应范围及程度。适应性强的品种不仅种植地区广泛、推广

24、面积大，更重要的是可在不同年份和地区间保持产量稳定。,101,（三）优质及育种策略 作物品种的品质已经成为突出的育种目标。国家在“九五”、“十五”已实施了优质米育种计划，优质麦育种、优质蛋白玉米育种等。品质包括：营养品质（蛋白、必须氨基酸含量）、加工品质、商业品质、卫生品质（农药残留、重金属含量、有害微生物及其有毒产物）。,102,（四）适应机械化及其策略 株形紧凑、成熟一致，管理方便、不倒伏、不落粒。1）大豆结荚部位与地面有一定距离；2）玉米穗位整齐适中；3）马铃薯和甘薯的块茎和块根集中；4）直播稻，可以减少作业强度，植株分蘖少，茎杆粗壮，抗倒伏。,103,20 世纪80 年代以来,围绕高产

25、、多抗、优质综合育种目标,以及相应采用诱变育种、花培育种、航天育种等手段,常规稻和杂交稻选育取得了显著进展。,我国水稻育种的现状,但在1994-2003 年,全国不同程度先后进入调整粮食结构、优化品种结构阶段。90 年代以来,新的杂交水稻组合在熟期、米质、抗性等方面虽有改进,但在产量上未能获得新的突破。因此,进一步提高水稻单位面积的产量,已成为国内外所关注的重要课题。,104,1997 年,中国开始超级稻选育研究,中国超级杂交稻研究也连续两次获得国家大额资助,成为水稻育种界亮点。2001 年,中国科学家成功地完成公布了世界上第一个水稻全基因组芯片的研制及水稻全基因组表达谱绘制,分离了与水稻抗逆

26、、抗病、高产密切相关的40 个重要功能基因及400 多个 候选功能基因，随后2003 年水稻育 种科技人员提出“基因设计育种将成 为第三次水稻育种突破口”这一新观 点。,我国水稻育种的现状,105,2009年最新审定优质高产水稻品种,龙粳21,垦稻17,龙粳24,龙粳25（龙花01-806）、龙粳26（龙育03-1804）龙粳27（龙交04-2182）、龙粳28（龙育04-1465）、垦稻19（垦04-1093）垦稻20（垦04-549）、垦稻21（垦04-951）,106,协优107 选育单位：南京农业大学水稻研究所品种来源：协青早AW107,特征特性：属籼型三系杂交水稻。熟期适中，产量较高

27、，稳产性一般，中感白叶枯病，高感稻瘟病，米质一般。适宜在福建、江西、湖南、湖北、安徽、浙江、江苏的长江流域稻区（武陵山区除外）以及河南南部稻区的稻瘟病轻发区作一季中稻种植。,107,两优培九选育单位：江苏省农业科学院品种来源：培矮64S9311,特征特性：“两优培九”是我国第一个将两系法与亚种间杂交合为一体的杂交稻，属感温型杂交中籼。标志着我国杂交水稻育种研究进入了一个超高产时代。千粒重2627克，分蘖力强，茎秆粗壮，中后期株型紧凑，抗倒性强。剑叶上举高出穗层，群体受光姿态良好。穗型大，谷粒细长、无芒，米质较好，适应性广，易感稻曲病。,108,丰优香占选育单位：江苏省里下河地区农业科学研究所品

28、种来源：粤丰A R6547,特征特性：为迟熟中籼类型。苗期叶挺、色深，繁茂性好，分蘖性中等。株型挺拔，集散适中。茎秆粗壮，叶片挺拔上举，穗大粒重，生长清秀，熟相颇佳。高抗白叶枯病,且抗稻瘟病和生育后期的叶部病害，抗倒性较强。米饭松散柔软，香味浓郁，冷后不硬，适口性极佳。丰优香占的米质能与 泰国名牌大米相媲美，而产量超过泰国米一倍。,109,国内优质小麦品种,偃育898 豫审平安3号 偃展4110 豫麦18 豫麦18-99系 焦麦668 郑麦9023,110,1、细胞工程在植物育种中应用2、基因工程育种3、分子标记辅助选择育种4、分子设计育种,二、现代作物育种新方法概述,111,细胞工程在植物育

29、种中应用,112,一、组织培养基本程序:材料准备、培养基准备、接种、愈伤组织的诱导、愈伤组织的分化、小苗移栽、植株,植物组织培养流程图A:外植体来源,B：外植体培养,C：愈伤组织,D：再生小植株,E：再生植株,113,外植体,愈伤组织,新植株,114,（一）培养基及其组成,1、常用的培养基:1）MS培养基：无机盐和离子浓度较高，养分平衡，最普通。2）B5培养基：含有较低的铵离子。3）White培养基：无机盐含量较低，适于生根培养。4）KM-8p培养基：用于原生质体培养，有机成分较复杂。5）N6培养基：用于花药培养，成分较简单，KNO3和硫铵高。,115,2、培养基的成分 1）无机盐类：为外植体

30、的细胞分裂、生长和分化提供必须的大量元素和微量元素。大量：N、P、K、S、Ca、Mg；微量：I、B、Mn、Zn、Mo、Cu、Co、Fe2）碳源和能源：所有培养基都需要糖作为碳源和能源，维持渗透压。常用2%-5%的蔗糖，也有用葡萄糖和果糖。3）维生素：维生素类物质直接参与酶的合成以及蛋白质、脂肪代谢等生命活动。如Vb1,Vb6,Vb3,叶酸，抗坏血酸(VC)等4）氨基酸和有机附加物：氨基酸是蛋白质组成成分也是有机氮源；另外还常添加一些有机物，如揶子汁、酵母提取液等，对某些组织或器官的培养具有促进作用。,116,5）植物激素：是培养基中不可缺少的成分，对愈伤组织的诱导和器官分化有直接影响。生长素：

31、促进细胞伸长和细胞分裂、诱导产生愈伤组织、促进根的分化。常用的有2,4-D(2，4-二氯苯氧乙酸），吲哚乙酸IAA,吲哚丁酸IBA等。其中2，4-D对有诱导愈伤组织和细胞悬浮培养的效果最好，但对根和芽的分化有抑制作用；细胞分裂素：促进细胞的分裂和器官分化、诱导胚状体和不定芽的形成、延缓组织的衰老并增强蛋白质的合成。常用的细胞分裂素有激动素KT，玉米素ZT，6-BA(6-苄基腺嘌呤）等。赤霉素GA3：GA3具有促进细胞生长和启动细胞分裂作用，还可以促进器官和胚状体的生长。ABA：ABA对个别培养物芽的形成有作用。,117,（二）无菌操作方法1、在接种前,确保培养材料完全无菌。2、培养基配制、接种

32、等整个操作过程必须始终保持无菌状态。3、无菌培养，接种后移入培养室培养，要求培养室卫生，恒温，有理想的光照控制系统，一般材料要求25左右。,118,二、体细胞克隆变异及其育种利用,（一）概述 体细胞克隆变异（Somaclonal variation）是指植物组织和细胞培养物在培养过程中产生的变异。,119,（二）突变类型1、抗性突变体，抗病、耐盐、抗重金属等，实验室内筛选2、形态性状突变体，如矮化性、叶型等。3、不育性突变体，大多为核基因的突变，可以用来培育不育系。4、产量和品质的突变，田间筛选确定。,120,1、处理材料：外植体、愈伤组织、悬浮系、花粉2、为了增加突变频率，需要进行诱变处理。

33、3、筛选对象:原生质体、愈伤块、悬浮培养物和花粉/小孢子培养物。,（三）突变体的筛选,121,（四）在作物改良上的应用,图15-4.利用体细胞克隆变异育种的技术路线,诱变剂筛选剂,122,三、单倍体细胞培养及育种利用,(一)单倍体细胞培养在育种中的应用价值,花粉培养和花药培养:将花药(或花粉粒)进行人工培养发育生成植株。,123,优点：1、后代的快速纯合 通过人工加倍(秋水仙素)用单倍体产生加倍单倍体（DH群体），缩短育种周期。2、提高选择效率 如果某一性状受一对基因控制，F2纯合AA个体只有1/4。如F1采用花药或花粉培养，产生的后代中AA个体占1/2。,124,3、排除杂种优势干扰 采用D

34、H群体进行选择育种，由于各基因位点在理论上均处于纯合状态，选择到的变异能更大程度上代表真实变异。4、突变体的筛选 单倍体的各基因均处于纯合状态，突变体很容易表现出来，提高了抗性或其它突变体筛选效率。,125,省去了多代的自交纯合.,126,四、幼胚培养与远缘杂交育种,植物胚胎培养(embryo culture)：是指使胚及胚器官（如子房、胚珠）在离体条件下发育成幼苗的技术。植物幼胚和胚珠培养是植物远缘杂交育种的重要辅助手段。克服缘杂交杂种夭亡。,127,1、优点：空间少、可避免病虫害的侵袭，特定的条件下可以长期保存，需要时只需将材料取出来迅速繁殖。2、方法：超低温保存法可以长期保存植物材料，不

35、需要继代。液氮（-1920C），超低温冰箱（-80-1500C，干冰（-790C）。3、保存的材料：可多种类型，可以是各种组织、细胞产生愈伤组织、茎尖、幼胚等。,五、细胞与组织培养离体试管保存（种质的长期保存）,128,无性繁殖作物，由于病毒或其它病原菌的侵染，常常导致种性退化，产量低、品质下降。病原菌在植物体内的分布是不均匀的，在受侵染的植株中，顶端分生组织由于细胞分别快，一般不带毒或浓度很低的病毒。可利用茎尖连续的培养的方法使植物脱去病毒。,六、脱毒,129,人工种子(artificial seeds)是指将细胞培养所产生的体细胞胚或其类似物，经过有机化合物的包埋而形成的能在适宜条件下发芽

36、的类似于天然植物种子的颗粒体。通常由三部分组成：体细胞胚、人工胚乳、人工种皮。固定杂种优势、快速繁殖良种和不育材料、节约用种、工厂化生产种子方面都有潜在价值。,八、人工种子的生产,七、繁殖重要品种或材料,保持F1杂种优势，稀有资源繁殖。大多数果树和观赏植物是高度杂合的，它们的种子后代无法与原品种相同，需利用茎尖培养快速繁殖。,130,九、组织培养与多倍体育种,秋水仙素诱导百合鳞片得到巨大鳞芽,十、组织培养与转基因育种,131,（一）原生质体的分离方法 植物原生质体(protoplast)是一个没有细胞壁的细胞。机械法分离：早期采用的分离方法，先对材料进行质壁分离处理，然后切割，可以获得少量的不

37、受损伤的原生质体。酶法分离：常用的方法 一步法是将果胶酶(pectinase)和纤维素酶(celluluse)等混合处理材料，直接分离获得原生质体；二步法是先用果胶酶处理材料，降解细胞间层使细胞分离，再用纤维素酶水解胞壁释放原生质体。目前多用一步法。,十一、植物原生质体培养和体细胞杂交,132,1、固体培养：平板培养，将悬浮培养的细胞或原生质体按一定的密度接种到一薄层固体培养基培养。2、饲养培养：将原生质体与一些被X射线照射而失去分裂能力的原生质体混合后包埋在琼脂培养基中培养。3、液体培养：将含有一定密度的细胞或原生质体悬浮在液体培养基中，在培养皿或瓶子中静止培养的方法。4、看护培养：用一个愈

38、伤组织来看护单细胞原生质体，为其提供营养，促进细胞生长与增殖。,（二）原生质体的培养,133,134,1、概述 原生质体融合（体细胞杂交）是指不同遗传背景的原生质体之间经过融合而产生杂种细胞的细胞工程技术。原生质体融合(protoplast fusion)技术可以打破生殖隔离，是实现基因重组的一条途径。目前利用细胞融合已从很多作物种、属间，甚至科间获得体细胞杂种，创造了一些自然界不存在的植物类型，有效地拓宽了植物育种的资源。,（三）细胞融合（体细胞杂交）,135,136,1）NaNO3处理诱发融合2）高pH高浓度钙离子处理3）PEG（聚乙二醇）处理4）电融合,2、常用的融合方法,137,植物体

39、细胞杂交,去掉细胞壁,原生质体A,原生质体B,愈伤组织,杂种植株,细胞分裂,杂种细胞,融合,细胞壁再生,138,1）形态互补 利用两种原生质体形态色泽上的差异，在融合后，在显微镜下可以找出异源融合体。2）遗传互补 单个隐性突变性状（如：白化）可以与某一形态性状结合起来用于筛选。,3、杂种细胞的筛选,139,3）代谢互补 利用两种营养缺陷型或两种抗性突变体的原生质体进行融合，在同时缺陷两种物质或同时含有两种有害物质的培养基上筛选杂种细胞，能生长的细胞团可以初步认为由杂种细胞形成。4）生长互补 双亲原生质体的生长需要外源生长激素，而由双亲原生质体融合后形成对生长激素自主的杂种细胞，能在无外源生长激

40、素的培养基上生长。,140,1）形态学鉴定：最简单的方法，叶形通常介于双亲之间，叶面积居中，花器官（花冠长度、颜色、形态等）带有双亲性状。2）细胞学鉴定:染色体计数、带型为混合体，但不一定是双亲之和3）同工酶分析：融合后形成的杂种应该表现出双亲的同工酶带型4）分子标记鉴定：细胞核基因组和线粒体、叶绿体DNA分子杂交进行核-核杂种、核-质杂种或质质杂种进行更精细的鉴定。,4、杂种的鉴定,141,植物基因工程育种,142,Traditional crossbreeding,Recombinant DNA techniques,一、转基因技术育种概述,143,（一）与常规育种技术相比，转基因育种的优

41、势：1、转基因育种技术体系的建立使可利用的基因资源大拓宽；2、转基因育种技术为培育高产、优质、高抗，适应各种不良环境条件的优良品种提供了崭新的育种途径；3、利用转基因育种技术可以对植物的目标性状进行定向变异和定向选择，可以对多个基因进行定向操作；4、利用转基因技术可以大大提高选择效率，加快育种进程。5、通过转基因的方法，还可将植物作为生物反应器生产药物等生物制品。,144,（二）全球转基因作物栽培面积,145,美国：3900万公顷 加拿大：350万公顷阿根廷：1350万公顷 中国：210万公顷,146,（三）转基因主要作物,147,二、转基因育种的程序,基因分离,体外重组,转化,筛选,安全性评

42、价,结合常规育种,转基因品种,安全性评价,市场开发,148,(一)目的基因的获得,1、根据基因表达的产物蛋白进行基因克隆 根据基因表达的产物进行基因克隆的主要步骤如下：,分离蛋白质,明确氨基酸序列,推导核苷酸序列,人工合成,149,2、从基因组DNA或mRNA序列克隆基因,(1)同源序列法(Homology Based Candidate Gene Method)根据基因家族成员所编码的蛋白质结构中具有保守氨基酸序列的特点发展的一条快捷克隆基因家族未知成员的新途径，即基于同源序列的候选基因法。,氨基酸序列比较,设计简并引物,PCR扩增,文库筛选/RACE,150,(2)表达序列标签EST 能够

43、特异性标记某个基因的部分序列，通常包含了该基因足够的结构信息区，可以与其它基因相区分。目前，表达序列标签主要是通过cDNA的途径获得。,mRNA,cDNA,反转录酶,cDNA文库,PCR,差异显示,抑制消减杂交,EST,RACE/文库筛选,dbEST,GenBank,151,(3)根据连锁图谱克隆目的基因 植物的大多数性状在植物生长发育过程中的功能还不清楚，有的基因表达产物量很低，限制了根据基因功能进行基因克隆。随着各种生物分子标记连锁图的相继建立和越来越多的基因被定位，图位克隆技术(Map-based cloning)也应运而生。,152,Marker,cM,1,0.8,a,Gene,c,b

44、p,BAC,染色体步移,亚克隆,cDNA文库筛选,互补实验,精细定位,染色体步移,候选基因,153,(4)转座子标签法 转座子是染色体上一段可复制、移动的 DNA片段，复制的拷贝可以从染色体的一个位置跳到另一个位置。当转座子插入到某个功能基因内部时，就会引起该基因的失活，并诱导产生突变型；当转座子再次转座或切离这一位点时，失活基因的功能又可得到恢复。通过遗传分析可以确定某种基因的突变是否是由于转座子的插入而引起的。可以将转座子 DNA制成探针，对突变株的基因组文库进行杂交，并钓出含有该转座子的 DNA片段，获得含有部分突变株DNA序列的克隆，进而将所获得的突变株的部分DNA序列制成探针，筛选野

45、生型的基因组文库，最终得到完整的基因。目前应用最为广泛的转座子系统是Ac/Ds玉米转座子系统。,插入突变体,筛选文库或PCR,鉴定性状,互补实验,154,PCR的方法,155,(5)差异显示法 通过对来源特定组织类型的总mRNA进行PCR扩增、电泳，并找出待测组织和对照之间的特异扩增条带，该条带就有可能是全长或者是部分特异表达的基因，利用这种方法进行基因克隆的方式就称为差异显示法基因克隆。,叶mRNA,根mRNA,反转录,反转录,PCR,随机引物+3 锚定poly(t)引物,PCR,PAGE,叶,根,156,(6)cDNA微阵列,cDNA 芯片 将cDNA序列通过机器点样于固定支持物,与荧光标

46、记的不同mRNA样品分别进行杂交,通过激光共聚焦扫描分析不同cDNA序列的杂交信号强度,判断该cDNA在不同mRNA样品中的表达丰度.,mRNA 1,mRNA 2,157,(7)电子克隆 in silico cloning 借助于电子计算机，利用公布的核酸序列资料，进行序列的拼接和组装最终获得完整基因序列的技术，类似于cDNA文库的筛选但更加方便和快速。,158,（二）目的基因重组质粒的构建 通过上述方法克隆得到目的基因只是为利用外源基因提供了基础，要将外源基因转移到受体植株还必须对目的基因进行体外重组。,农杆菌介导 2)基因枪,159,分离基因,克隆到某中间载体,转化大肠杆菌,提取质粒,限制

47、酶切/连接,克隆到植物表达载体,转化农杆菌,电转化,pKS,pBR332,pGEM-T,JM109,TOP10,HindIII/EcroI T4 ligase,pBI121,pCAM1001,LBA4404,EHA,160,(三）受体材料的选择,1、愈伤组织再生系统 指外植体材料经过脱分化培养诱导形成愈伤组织，再通过分化培养获得再生植株的再生系统，该系统具有外植体材料来源广泛，繁殖迅速，易于接受外源基因，并且转化效率高的优点。,2、直接分化再生系统 外植体材料细胞不经过脱分化形成愈伤组织阶段，而是直接分化出不定芽形成再生植株，该系统周期短、操作简单，遗传稳定，有些植物茎尖分生培养困难，遗传转化

48、率低。,161,3、原生质体再生系统 原生质体在适当培养条件下诱导出再生植株，可以作为受体材料，该系统能直接高效、广泛地摄取外源DNA或遗传物质，可以获得基因型一致的克隆细胞，所获转基因植株嵌合体少，并适用于多种转化系统；缺点是不易制备、再生困难和变异程度高等。,4、胚状体再生系统 胚状体作为外源基因转化的受体具有个体数目巨大、同质性好，接受外源基因的能力强，转基因植株嵌合体少，易于培养、再生等优点。不足之处是所需技术含量较高，许多植物不易获得胚状体。,162,5、生殖细胞受体系统 目前主要从两个途径利用生殖细胞进行基因转化：一是利用组织培养技术进行小孢子和卵细胞的单倍体培养、转化受体系统；二

49、是直接利用花粉和卵细胞受精过程进行基因转化，如花粉管导入法，花粉粒浸泡法，子房微针注射法等。,163,（四）转基因方法的确定和和外源基因的转化 第一类是以载体为媒介的遗传转化，也称为间接转移系统法；第二类是外源目的DNA的直接转化。,1、载体介导转移系统 载体法是目前为止最常见的一类转基因方法。其基本原理是将外源基因重组进入适合的载体系统，通过载体携带将外源基因导入植物细胞并整合在核染色体组中，并随着核染色体一起复制和表达。农杆菌Ti质粒（tumor-inducing plasmid）或 Ri质粒(root-indcingplasmid)介导法是迄今为止植物基因工程中应用最多、机理最清楚、最理

50、想的载体转移方法。,164,农杆菌共培养,MS培养基培养,生芽,生根,叶盘转化法,(1)叶盘法 双子叶植物较为常用、简单有效的方法。,165,(2)真空渗入法 将适宜转化的健壮植株倒置浸于装有携带外源目的基因的农杆菌渗入培养基的容器中，经真空处理，造伤，使农杆菌通过伤口感染植株，在农杆菌的介导下，发生遗传转化。这是一种简便、快速、可靠而且不需要经过组织培养阶段即可获得大量转化植株的基因转移方法，具有良好的研究与应用前景。,166,2、外源基因直接导入法 直接利用理化因素进行外源遗传物质转移的方法，主要包括化学刺激法、基因枪轰击法等。,(1)基因枪轰击法 基因枪轰击法也称为微弹轰击技术(micr