細胞工程-第17章-mdf

1、第17章 植物染色體工程(Plant Chromosome Engineering)內容 學習目的：了解植物染色體工程的原理與技術；了解植物染色體工程的意義與應用。 重點：染色體倍性改造 難點：染色體非整倍體變化主要內容17.1 植物染色體倍性改造 17.2 植物染色體非整倍體改造定 義 染色體工程: 是人們按照設計目的,有計劃地消減、添加或代換同源或異源染色體，以便創(chuàng)造新品種或物種的工程技術。廣義上講它還包括染色體內部的部分遺傳操作技術。 包括植物染色體倍性改造和植物染色體非整倍體改造兩部分技術。染色體數(shù)目變異整倍變化：多倍體：細胞中含有三個或更多染色體組的個體單倍體：細胞中含有一半染色體組

2、的個體非整倍體變化：染色體減少：單體（減1條）、缺體（減1對）染色體增加：三體（加1條）、四體（加1對）染色體代換：同種(源)代換、異種(源)代換一、 植物染色體倍性改造1.染色體加倍技術2.植物的多倍體育種3.植物的單倍體育種4. 人工誘導植物多倍體的意義17.1.1. 17.1.1. 染色體加倍技術染色體加倍技術染色體加倍技術是染色體倍性改造工程的染色體加倍技術是染色體倍性改造工程的關鍵技術之一關鍵技術之一人工加倍的方法主要有：人工加倍的方法主要有：A A、化學誘導方法、化學誘導方法B B、生物學方法、生物學方法A A、化學方法、化學方法1. 細胞松馳素B(cytochalasin)能抑制

3、肌動蛋白聚合成微絲，從而抑制細胞質分裂，使用最早、最廣泛，其誘導效果也最突出。2. 秋水仙素(colchicine)阻止細胞分裂過程中的紡綞體的形成。特點：化學藥物價格昂貴，有毒性細胞松弛素染色體加倍原理細胞松弛素染色體加倍原理 細胞松弛素細胞松弛素（cytochalasins）是一組真菌的代謝產物，可以切斷微絲,并結合在微絲正極末端，阻抑肌動蛋白肌動蛋白聚合, 是微絲特異性抑制劑。微絲參與構成的(胞質分裂環(huán))收縮環(huán)的收縮，可使兩個子細胞的胞質分離。但在細胞松弛素存在的情況下，不能形成胞質分裂環(huán)，因此形成雙核細胞,染色體數(shù)目增加了一倍 。 秋水仙素染色體加倍原理秋水仙素染色體加倍原理 當秋水仙

4、素秋水仙素與正在進行有絲分裂的細胞接觸時 ,秋水仙 素就與微管蛋白異二聚體結合 ,從而阻斷微管蛋白組裝成微 管 ,并引起原有微管解聚 ，使細胞中與微管相關的功能受 到阻礙和喪失 , 不能形成紡綞絲 。沒有紡綞絲牽引 , 染色體不能排在赤道板上 , 也不能使已經復制的染色體分向兩極 , 阻礙了中期以后的細胞分裂進程。當秋水仙素秋水仙素被洗掉后,細胞恢復正常分裂功能,但是此細胞的染色體數(shù)目已增加了一倍 用秋水仙素誘導植物多倍體注意事項處理部位：正在旺盛分裂的器官或組織處理方式：用水溶液，也可混入羊毛脂、瓊脂或凡士林中。藥劑濃度：一般在0.01%0.4%處理時間：一般不少于24h處理溫度：一般182

5、5B、生物學方法、生物學方法 通過不同種屬之間的雜交實現(xiàn)染色體倍性通過不同種屬之間的雜交實現(xiàn)染色體倍性改造，也叫改造，也叫染色體合并技術染色體合并技術。包括。包括 1遠緣雜交遠緣雜交 2體細胞雜交體細胞雜交 （原生質體融合）（原生質體融合）1、 遠緣雜交遠緣雜交 不同種間屬間甚至親緣關系更遠的物種之間的雜交。 可以把不同種、屬的特征、特性結合起來，突破種屬界限，擴大遺傳變異，從而創(chuàng)造新的變異類型或新物種。 遠緣雜交在育種上的意義主要是：創(chuàng)造新物種、改良舊物種 遠緣雜交技術問題 一是生殖隔離造成雜交困難；二是受染色體組平衡作用影響，難以通過減數(shù)分裂使合并的異源染色體組在雜交后代中實現(xiàn)固定。 因而

6、，遠緣雜交一般不易結實，即使結實，雜種也通常不育或夭亡，雜種后代分離幅度大，分離世代長且不易穩(wěn)定。生殖隔離 從廣義來說，生殖隔離是指自然界中生物不能自由交配或交配后不能產生可育后代的現(xiàn)象；從狹義來說，生殖隔離是指雖然可以發(fā)生交配，但無生殖能力，或者后代無生存能力或無生殖能力。 生殖隔離的機制 有如下幾種： 1、配子或配子體隔離，是指一個物種的精子或花粉管不能夠被吸引到卵或胚珠內，或者它在另一個物種的輸卵管中不易生活的隔離。 2、雜交不親和，是指能夠發(fā)生交配，但是不能夠完成受精過程。 3、雜種不活，是指能夠完成受精過程，但是受精后合子不能夠正常發(fā)育，或不能發(fā)育到性成熟階段就死亡。 4、雜種不育，

7、指雜種不能產生具有正常功能的配子。 5、雜種衰退，是指雜種后代（子二代 簡稱為F2）的生存力或育性減退。例如，樹棉與草棉之間的 F1 雜種是健壯而可育的，但是， F2 個體則很衰弱，以至不能夠生存。 生殖隔離的植物表現(xiàn) 1）花期不遇 策略：調整播種期或栽培時期 2）生殖器官的發(fā)育生態(tài)條件差異 策略：人工模擬相似的發(fā)育生態(tài)條件 3）生殖生理反應不同 策略：【見下頁】生殖生理反應不同的對應策略 1)多倍體法：親本加倍為同源多倍體 2)正反雜交：交換父母本授粉 3)選擇適當?shù)挠H本： 4)花粉混合授粉；父母本花粉混合 5)重復授粉；多次授粉 6)預先無近性和相互異花授粉:親本營養(yǎng)體嫁接，改善生理活性

8、7)化學處理; 激素等處理柱頭或花粉2體細胞雜交體細胞雜交 體細胞雜交是實現(xiàn)異源染色體合并的最有效途徑，能克服有性雜交的配子不親合性，獲得含有另一親本整倍體或非整倍體的雜種或胞質雜種。它們的遺傳變異范圍極廣，大大豐富了育種的原始材料，從而創(chuàng)造出自然界中沒有的新物種。 17.1.2 植物的多倍體育種植物的多倍體育種 多倍體育種（polyploid breeding） 利用人工誘變或自然變異等，通過細胞染色體組加倍獲得多倍體育種材料，用以選育符合人們需要的優(yōu)良品種。 異源多倍體：由不同物種的染色體組雜交形成的多倍體或遠緣雜交加倍形成的多倍體。 同源多倍體：由同一物種的染色體組加倍所組成的多倍體。

9、1、同源三倍體甜菜的選育 A、選育過程B、甜菜三倍體選育的問題 1)提純和穩(wěn)定四倍體需要培育三代的時間； 2)純和四倍體與二倍體需配制大量雜交組合； 3)四倍體與二倍體混種，收集四倍體植株的種子即可獲得三倍體種子； 4)四倍體與二倍體的植株種植比例3:1，可保證獲得的三倍體種子占總種子的50%以上。2、無籽西瓜的育成：三倍體無籽西瓜的生產三倍體無籽西瓜的生產3、異源八倍體小黑麥的培育植物的多倍體育種植物的多倍體育種多倍體育種的重要應用多倍體育種的重要應用新型農業(yè)食品資源無籽西瓜：沒有籽、品質好、食用方便、高產抗病異源多倍體小黑麥：產量高、品質好高品質樹木培育多倍體桑樹：體細胞較大、葉肉厚、葉質

10、較好、抗寒性強三倍體毛白楊17.1.3 植物單倍體育種植物單倍體育種（1）單倍體育種的概念單倍體育種單倍體育種植物單倍體育種植物單倍體育種: : 由于單倍體只有一套染色體，染色由于單倍體只有一套染色體，染色體上的每個基因都能顯示相應的性狀，所以極易發(fā)現(xiàn)體上的每個基因都能顯示相應的性狀，所以極易發(fā)現(xiàn)所產生的突變，尤其是隱性突變，在表型上可以直接所產生的突變，尤其是隱性突變，在表型上可以直接表現(xiàn)出來，所以單倍體是研究基因或基因效應、進行表現(xiàn)出來，所以單倍體是研究基因或基因效應、進行染色體遺傳分析的理想實驗材料染色體遺傳分析的理想實驗材料1 1）克服雜種分離，縮短雜交育種年限）克服雜種分離，縮短雜交

11、育種年限2 2）排除顯、隱性基因干擾，提高選擇效率）排除顯、隱性基因干擾，提高選擇效率3 3）單倍體是誘變育種的良好材料）單倍體是誘變育種的良好材料4 4）能克服遠緣雜交的不孕性，創(chuàng)造生物新類型）能克服遠緣雜交的不孕性，創(chuàng)造生物新類型5 5）利用單倍體對栽培品種進行純化）利用單倍體對栽培品種進行純化3、單倍體育種的優(yōu)越性（2）植物單倍體育種方法種間或屬間遠緣雜交種間或屬間遠緣雜交 栽培大麥(Hordeum vudare, 2n=2x=14)與野生球莖大麥(H. bulbosus, 2n=2x=14)雜種胚發(fā)育過程中，兩物種染色體的行為不協(xié)調可導致球莖大麥的染色體逐漸丟失(稱為染色體消減現(xiàn)象)，

12、可獲得大麥的單倍體植株花藥培養(yǎng)獲得單倍體染色體消減獲得單倍體大麥（3）花粉單倍體植物的培養(yǎng)程序材料準備順利通過污染關選用適宜發(fā)育時期的花粉逆境處理對促進小孢子脫分化和再分化的效應誘導花粉脫分化形成愈傷組織或胚狀體小孢子脫分化和再分化的時間誘導小孢子形成胚狀體和愈傷組織的技術關鍵愈傷組織的植株分化或胚狀體的正常生長基本培養(yǎng)基選擇植物激素的調節(jié)糖濃度調節(jié)完整植物體的形成再生小植株的馴化和移植（4）單倍體植物的染色體加倍加倍方法：加倍技術孤雌生殖誘導單倍體 孤雌生殖是指雌配子(卵細胞)不經過受精而形成胚并發(fā)育為個體的生殖方式。 誘導方法有 離體誘導 活體誘導（藥劑誘導法，花粉誘導）17.1.4 人工

13、誘導植物多倍體的意義人工誘導植物多倍體的意義多倍體多倍體(polyploidy): 植物的性狀比原來的植物的性狀比原來的二倍體氣孔、花、果實和種子比二倍體者二倍體氣孔、花、果實和種子比二倍體者為大，葉肉較厚，莖稈也較粗壯為大，葉肉較厚，莖稈也較粗壯煙草2倍體， 4倍體和8倍體葉片表皮細胞的比較17.2 染色體非整倍體變化17.2.1 個別染色體的削減17.2.2 個別染色體的添加17.2.3 染色體代換幾個概念 個別染色體的削減或添加導致細胞最終的染色體數(shù)目不是整倍體 。 單體植物：細胞中去掉一條染色體，即染色體數(shù)為2n-1的植物叫單體植物。各種單體植物的總稱叫單體系統(tǒng)。 缺體植物：細胞中去掉

14、2條同源染色體的植物叫缺體植物。各種缺體植物的總稱叫缺體系統(tǒng)。 雙單體植物：細胞中去掉2條異源染色體的植物叫雙單體植物。17.2.1 個別染色體的削減 從細胞的染色體系統(tǒng)去掉部分染色體的技術。 1、單體系統(tǒng) 2、缺體系統(tǒng) 3、端體系統(tǒng) 端體(telomere)即端粒，是染色體的末端。分為單端體和雙端體。 端體系統(tǒng)指的是人為去掉染色體的某一側的染色體臂，使著絲粒位于染色體端部，從而實現(xiàn)染色體的非整倍性改造。17.2.2 個別染色體的添加 在細胞的染色體系統(tǒng)上增加部分染色體的技術。 1、三體植物系統(tǒng) 細胞的染色體系統(tǒng)上增加一條同源染色體，染色體數(shù)目為2n+1。此三體植物叫做三體植物。 2、四體植物系統(tǒng) 細胞的染色體系統(tǒng)上增加2條同源染色體，染色體數(shù)目為2n+2。此三體植物叫做四體植物。1、三體植物系統(tǒng)2、四