第十章 单倍体与多倍体育种

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第十章 单倍体与多倍体育种,1,单倍体育种,一、单倍体育种的意义：,1,、概念：,单倍体：,是指具有配子染色体数（,n,）的个体。,从细胞遗传学角度来看，由二倍体牧草或作物形成的单倍体为一倍体，体细胞中只含一个染色体组。如：玉米为二倍体（,2n=20,），其单倍体就是一倍体（,n=x=10,）。多倍体的情况就不同，,如：,紫花苜蓿为四倍体（,2n=4x=32,），其单倍体就为二倍体（,2n=2x=16,）；小黑麦为六倍体（,2n=6x=42,），其单倍体为三倍体（,2n=3x=21,）。,总之，只要具有正常体细胞（,2n,）一半染色体数的生物体（,n,）就称为单倍体。,花药培养（花粉培养）：,在人工培养条件下，诱导花药使之生出单倍体植株的过程。,单倍体育种：,花药植株再经染色体加倍形成正常的二倍体，进而选出优良个体，培育成为新品种的方法。,2,、单倍体的起源,单倍单性生殖：,孤雌生殖：,指卵细胞未经受精而发育成有机体（孢子体）的生殖类型。由于卵细胞是经过正常的减数分裂后产生具有配子染色体数的单倍体，所以这种生殖方式就称为雌单性生殖。,孤雄生殖（雄单性生殖）：,指精子入卵后尚未和卵核融合，而卵核退化，崩解，雄核取代了卵核地位，在卵细胞质内发育成仅具有父本染色体的胚（孢子体），因参加胚发生的只有精核，是典型的单倍体。,单倍无配子生殖（减数的无配子生殖）：,是指在减数分裂正常进行后，未经受精，由胚囊中卵细胞以外的其它细胞（如助细胞、反足细胞）单位核形成胚的生殖方式，形成的胚也是单倍的。,3,、单倍体植株的特点：,器官和植株弱小：,生活力一般较弱：,高度的不孕性：,基因型是纯合的：,上述特点表明：,单倍体植物一经加倍就成为遗传上纯合的植物体，不能分离，可大大缩短育种年限。,由于其高度不孕生活力弱，在生产上就不能直接利用，必须经过人为控制，克服其缺点，发挥其优势，为生产服务。,4,、单倍体育种的意义：,1,、能极早地稳定杂种后代性质，缩短育种年限。,2,、加速培育异花授粉作物的自交系。,3,、提高选择的正确性和效率。,4,、克服远缘杂交不育性与分离的困难。,5,、节省田间试验的土地和劳力。,6,、与诱交相结合,提高效率。,二、花粉单性发育成植株的生物学原理：,1,、世代交替（,alternation of,generotion,）：,2,、植物具有再生性：,3,、植物细胞的全能性：,全能性：,植物体的每个细胞都潜在着发育成完整植株的能力，而且具有该物种的全部遗传物质。,三、单倍体育种程序及操作技术,（花粉培养）,1,、原材料的准备：,一般采用优育亲本配成的杂交组合所产生的杂种一代植株的花粉，或从杂种,F2,中选择优良植株的花药进行培养。,2,、培养基的配制：,不同植物要求不同的培养基，为选择出合适的培养基，先要进行试验。按性质和含量分，培养基的成分：,大量元素无机盐,+,微量元素无机盐,+,铁盐,+,维生素类,+,植物激素,+,蔗糖,+,琼脂,+,蒸溜水,3,、花药接种：,选择发育时期适宜的花粉进行接种是决定试验成败的重要因素。在形成发育上，一般的禾本科是孕穗期，豆科是孕蕾期。,4,、花粉人工离体培养：,花药产生单倍体植株的途径：,花粉胚状体小植株,花粉愈伤组织植株,诱导花粉产生愈伤组织：,在诱导花药株过程中，常采用两种或三种培养基，第一是诱导愈伤组织的培养基，第二是诱导愈伤组织分化成苗的培养基，第三是壮苗培养基。三种中第一种最关键。,愈伤组织分化成幼苗：,这一步的工作是将长出的愈伤组织（约,1,3mm,大小）移在诱导分化的培养基上继续培养，使它分化出根和芽。,使分化的小苗正常生长和健壮：,5,、对花粉植株的移栽、染色体加倍选择及鉴定：,初移出来时，要特别精心培植，注意保持适当的温度、湿度，并避免强烈的阳光晒干、灼伤，使其适应外界条件。,倍性鉴定长成为花粉株后，要检查其染色体数，确定其倍性。,方法：根尖固定染色压片 镜检,加倍花粉植株未经自然加倍时，一般为单倍体，不能正常结实，因而需人工加倍（秋水仙素）。,双子叶植物可采用,1.5,份,0.10.4%,的秋水仙素十,1,份羊毛脂，调成糊状乳液，涂株单倍体植株的腋芽或生长点，使生长点加倍成二倍体。,单子叶植物如小麦、水稻等可将幼苗或新生的分蘖株基部浸在,0.040.1%,秋水仙溶液中，在,2025,下,14,天，取出用清水洗净，栽入土中，可获得染色体加倍植株。,加倍时要注意秋水仙素浓度，植物种类不同，其浓度不同。,选择花粉株加倍成活后，要像一般植物管理一样，种子成熟后，应单株、单穗分别苗种，备作进一步的试验。,F1,后各代的选育工作同一般选育工作一样进行试验、鉴定、从中选出优良株系，扩大繁殖试种，最后用于生产。,2,多倍体育种,一、多倍体,(,ployploid,),的概念和种类：,1,、概念：,多倍体：,体细胞中具三个或三个以上整倍染色体组的植物体。包括三倍体,triploid,、,tereapilid,、,etaploid,等。,例如：,新疆窄颖赖草，含,84,个染色体。,x=7,，即含有,12Genome,，为十二倍体。,偃麦草（,E.smithii,），含,56,个染色体，,x=7,，即含有,8Genone,为八倍体。,多倍体普遍存于植物界，据估计被子植物中多倍体植物占,3035%,，它是变异发生的重要途径之一，对于物种进化及育种意义极大。,2,、种类（按来源划分）,同源多倍体（,autopblyploid,）：,由同一物种或同一个染色体组加倍得到，加倍后的染色体与原来的染色体相同，如四倍体黑麦（,RRRR,）,异源多倍体：,是不同物种杂交后染色体加倍的结果，如多倍体小黑麦（,AABBDDRR,），异源四倍体可以当作是两个二倍体远缘种的复合体，又称“双二倍体”。如老芒麦（,SSHH,）。,中间的衍生类型：,同源异多倍体：,只存在于六倍体或更高水平的多倍体类型，它结合同源和异源多倍体两者的特征。如：猫尾草（,2n=6x=42,）的组型为,AAAABB,，其,A,组染色体像节节猫尾草，,B,组染色体像高山猫尾草。,区段异源多倍体（,segmentol,allo,）：,具有相当数目的同源染色体区段甚至整个染色体，但相互之间又有大量不同的基因或染色体共段（如,BBB1B1,）,二、多倍体在自然界的出现及意义：,1,、多倍体普遍存在于自然界。,低、高等植物中都有。我们熟知的许多作物，如小麦、燕麦、棉花、花生、烟草、马铃薯、甘蔗及苜蓿等都是自然形成的多倍体。在被子植物中的出现率为,3035%,，一般来说单子叶植物中的多倍体，要比双子叶植物为多。,2,、自然界中牧草多倍体发生的原因,多年生牧草的杂合性所致。它们异花授粉时，发生远源杂交，细胞染色体经自然加倍而形成异源多倍体，如猫尾草（,6x,）,=,（,2x,猫尾草,4x,高山猫尾草）。,多年生牧草生活年限长，许多能进行无性繁殖，它们能较好地保存并重复产生多倍体类型。,牧草不仅分布在条件好的地区，在自然界条件较差的地带，如沙漠、高山地带等也能生长，这些地区温度变化急剧，往往影响了细胞的正常分裂，致使产生多倍体。,三、多倍体的发生与形成（途径有）,1,、体细胞染色体加倍：,体细胞有丝分裂时，受到外界影响，染色体分裂而细胞不分裂，已分裂的染色体被包在一个细胞核内，形成染色体加倍的细胞可能形成多倍体组织。,人工诱发的多倍体中，大多是体细胞染色体加倍产生的。,2,、生殖细胞染色体加倍（配子形成中）,在配子形成过程中，由于外界条件激变，使减数分裂正常秩序受到扰乱，引起染色体的不 正常分配，形成二倍体的不减数配子，不减数配子受精，产生染色体组数加倍的多倍性植株。,参与受精的雌雄配子都没减数受精后，四倍体或其他偶数多倍体。,参与受精的雌雄配子只有一方减数受精后三倍体或其他奇数多倍体。,举例说明：,例,1,：,异源四倍体（双二倍体）：,它是由不同种间或属间杂交得到,F1,再经染色体加倍形成。,加倍方式：,二倍体种间或属间杂交，杂种细胞染色体加倍（人工诱导较有效）,二倍体种间或属间杂交，杂种减数分裂不正常，形成重组,2n,配子，雄、雌,2n,配子结合、形成双二倍体（常在自然界中发生，机会难得）（见课本,P101,，图,10-4,）,例,2,：,同源四倍体：,它是由一个二倍体物种染色体加倍产生。,加倍方式：,受精后任何时期的体细胞加倍形成,4x,减数分裂不正常，形成,2n,配子，雄、雌,2n,配子结合,4x,减数分裂的配子有丝分裂过程中，产生了,2n,配子,4x,四、诱发多倍体的方法：,1,、用物理因素诱异多倍：,物理因素有：温度激变，机械创伤，电离射线非电离射线、离心力等。,物理因素虽可诱导多倍体，但频率较低，在多倍体诱导中成效不大。,2,、用化学因素诱导多倍体：,秋水仙素处理方法：,秋水仙素介绍,秋水仙素是从百合科秋水仙植物中提炼出来的一种剧毒药剂，其分了子式为,C22H25NO6 H2O,。一般秋水仙素是淡黄色粉末，纯品是针状结晶体，性极毒，对中枢神经有麻醉作用，进入眼睛，会使其失明，易溶于水、酒精、氯仿和甲醛中，不易溶解于已醚和苯。,作用原理,细胞分裂时，秋水仙素能抑制纺锤丝的形成，所以染色体虽能正常复制，但不能分向两极，细胞未分裂，造成,double,而成,polyploid,，处理后，用清水洗净秋水仙碱的残液，细胞分裂通常可恢复正常。,影响因素：,秋水仙素的有效浓度与处理时间是诱发多倍体的关键，浓度低，时间短，不易成功；过高，时间长会使细胞甚至整个组织和植物死亡。此外还要注意温度，一般认为,15,为宜。,不同植物、不同器官或组织在一定条件下对秋水仙素的反应不同，有的敏感，有的迟钝。因此必须根据不同情况来掌握浓度与时间。处理前最好能搞清有关组织细胞分裂周期的长短。一 般说来，分裂快的浓度宜低，时间宜短；反之，浓度宜高些，时间长些。一般的浓度范围是,0.0006%,3%,，采用,0.01%,0.4%,的较多。,处理方法：,浸渍法：多用于处理干种子，萌动种子及幼苗。,滴液法：禾本科幼苗，茎基部生长点切一小斜口，使其夹住一小片滤纸，用吸管滴药液，浓度,0.02,0.05%,。双子叶植物，用脱脂棉将顶芽，腋芽包裹住，然后滴液每日一至数次，反复数日,注射法：是用注射针头把秋液注入植株小苗分蘖节的上部。,这种方法适于禾本科谷类作物，尤其对水稻加倍，效果良好。,富民农处理方法,富民农的化学名称：对甲苯磺硫苯胺苯汞，分子式,C19H17H9NSO2,，为灰白色粉末，基本不溶于水，溶于丙酮。使用时应先将纯的药粉,1,克倒入,25ml,丙酮中，在热水中（,80,左右）加热，制成淡黄色溶液，趁热将此液徐徐倒入,1000ml,蒸溜水中，即得到含量为,0.1%,的乳白色 农原液。用普通水将原液稀释到,0.010.03%,即可使用。,还有乙酸（,IAA,）、氧化亚氨（,N2O,）等也可加倍染色体数目。,3,、多倍体植物的鉴定方法,外形鉴定：,在外部形态上，多倍体植物和未加倍成功的二倍体有明显差异。多倍体幼根尖端膨大，胚轴肥厚。幼苗生长缓慢，拔节后生长旺盛。基变粗，叶片宽大，色深绿，叶缘有皱褶。花大而紧凑，籽粒增大，千粒重增加，气孔和花粉粒增大，茎叶产量高。,如：,黑龙江饲料室（,1974,）报道，四倍体玉米龙牧,2,号的气孔长度为,67.5um,，而二倍体对照龙牧一号为,37.5um,，四倍体比二倍体增大近一倍。,染色体镜检：,经外形鉴定而选出的幼苗或子粒需要检查其细胞染色体数目，从而确切地鉴定出染色体倍数。,染色体镜检主要是观察其根尖细胞或花粉母细胞的染色体数。其过程如下：,根尖固定染色压片镜检,五、诱发多倍体在牧草中的意义及利用,1,、利用异源多倍体（双二倍体）能克服远缘杂种的不孕性，提高远缘杂交的结实率。,2,、人工诱发的一些植物的同源多倍体具有不少宝贵性状。,3,、多倍体结实率低，生活力弱。其原因在于生物体同遗传物质与其它物质之间在长期进化中形成了一定的平衡关系。