海藻的遗传育种

1、大型海藻的遗传育种及应用主讲人：张媛媛海藻的生物学特征海藻育种的概念海藻的育种路线海藻的育种方法1.1 海藻的生物学特征海藻是生长在海中的藻类，是植物界的隐花植物，主要特征为：无维管束组织，没有真正根、茎、叶的分化现象；不开花，无果实和种子；生殖器官无特化的保护组织，常直接由单一细胞产生孢子或配子；以及无胚胎的形成。由于藻类的结构简单，所以有的植物学家将它跟菌类同归于低等植物的“叶状体植物群”。凉拌石花菜凉拌鹿角菜凉拌裙带菜凉拌海带1.2 大型海藻育种的概念 大型海藻育种(Seaweeds Breeding)是植物育种的一个分支；是专门研究选育和繁殖大型海藻优良品种的理论与方法；是在研究和掌握

2、大型海藻性状遗传变异规律的基础上，根据不同育种目标，利用各种海藻种质资源和原有品种，采取适当育种途径和方法，有目的地改造群体的遗传特质和结构以获得期望性状，从而培育出适应当地生态条件并符合生产发展需要的优良品种的过程。1.2大型海藻的育种基本路线可以归纳为图 确定育种目标除要考虑生产需要，还要落实到具体的可检测的数量性指标。大型海藻品种的性状多种多样，有产量、质量、成熟度和抗逆性等。对条斑紫菜而言，除综合性状好，还需要幼苗期抗高温、单孢子放散量少，成体叶型细长、高光效并适宜机械收割等。育种学家的定向选择往往是最快捷地改变群体遗传结构的因素，实际工作中，育种者往往利用感官，通过测量、称重、色泽等

3、比较表型，淘汰海藻群体中的不良个体，保留性状优良个体，进行培育；再从其后代中继续选择特征明显的材料，重复进行存优去劣，再次检验并确认良种。在杂种或野生群体中进行选育能够取得较好的效果。1.2.1确定育种目标因为它生长在海边岩石上，充分汲取了海水中的精华，蛋白质、矿物质和维生素的含量极其丰富，被人们称为“维生素的宝库”。根据选择对象的范围，选择分为个体选择和混合选择。个体选择就是以单个藻体为单位进行选择。其步骤是：从育种材料的变异群体中选择符合育种目标要求的优良个体，单棵采孢子，进行单独培养。选的藻体分别隔离培养，挂牌标记，严防混杂。为了便于进行比较、鉴定和选择，必须对每一个个体的后代进行分别栽

4、培，在不同的生长发育阶段定向选择，淘汰不符合育种目标的个体。为了获得基因型纯合的个体，还需自交，看其是否发生性状分离，再进行第二次或第三次个体选择。就是按照育种目标的要求，从变异群体中选出具有一致特点的一些优良个体混在一起采集孢子，将种苗栽培在同一小区内。混合选择的次数，决定于一个混合选择小区内所有藻株在与总目标所要求的特点上是否一致。如果混合选择小区内所有藻株表现优良，符合育种目标要求，且性状比较一致，就可停止混合选择，这个小区所产生的群体就是一个混合品系。1.2.2 选择方法目前大型海藻种质保存技术按照保存温度可分两大类：传统的低温弱光保存（一般为812）和以低温（4）、冷冻（40）、低温

5、真空冷冻干燥和超低温（196）为主的冷冻保存。4的低温能够在一定程度上抑制生物细胞的生化活动、保持生物细胞活力，是一种常见的海藻种质保存方法。40低温能够抑制生物细胞的生化活动、可排除遗传性状的变异，可用于多数海藻种质保存，对于冷敏感的海藻细胞除外。低温真空干燥技术的基本方法是先将生物材料低温冻结，然后用真空技术将物料中的水分抽干，使之干燥。超低温保存是指在低共熔点约为（135139 ) 以下的温度保存材料，通常采用液态氮作冷媒。超低温保存能够长期保持生物遗传稳定性，是目前保存活体生物材料最为有效的方法。1.2.3 种质保存1.3海藻育种的主要方法 1.3.1引种驯化 将一个地方的品种或物种迁

6、移到另一个地方进行栽培即为引种，是育种最为便捷的方法之一。例如，海带并不是我国原有的栽培品种。海带作为野生的外来物种在1920年代由日本引入我国大连，随后在我国大连、烟台试养成功，被驯化为栽培品种。新中国成立后，我国科技工作者将其由烟台移至青岛；1950年代中期，海带南移到了浙江、福建，通过当地的自然和人工选择，成为适应华东沿海栽培的地方品种。引种多需进行驯化，使引入物种能够适应新栖息地，并保持良好的生活状态。但是，将一个新物种引入生态系统，可能带来引入地种群结构的改变，从而对该地区生物多样性造成影响 ，因而，现在人们对待外来物种的引进越来越慎重。1.3.2家系育种与自交 家系育种是指以家系为

7、单位进行的选择育种，强调以家系为选择单位，其实质就是自交。海带、裙带菜和紫菜等很多藻体上都能同时产生雌雄生殖细胞(配子)，因而自交在大型海藻自然繁殖中非常普遍。家系育种在大型海藻育种中具有应用的基础。早期栽培的海带是一个未经遗传改良的基因型高度杂合的群体，因此可通过自交基因分离的原理，对后代的分离性状进行定向选择 。“海青一号”(宽叶)、“海青二号”(长叶)、“海青三号”(厚叶)、“海青四号”(薄叶)和若干自交系都是以海带自然种群作为原始材料，通过连续几年自交和单株定向选择培育出的高产、优质、抗高温海带品种。海带高碘高产新品种“860”也是通过家系选择培育出的。 传统的育种方法需要进行多代自交

8、筛选得到纯的自交系, 或再通过杂交, 培育新品种。其缺点是: 1) 选育周期长。海带的杂种性程度很高, 需要采用自交而使其性状分离, 定向选择目的性状, 连续几代的自交和选择, 使品系趋于纯型合子化, 目的性状能较稳定地遗传。对一年生的海带而言, 一般需要56年, 才能得到遗传较稳定的自交系; 2) 品种连续退化。这是由现行的种苗生产技术本身所决定的, 海带的种苗生产包括大量收集种菜( 一个4亿幼苗生产量的育苗厂, 需要1万棵以上的种莱) , 集中放散游孢子, 苗帘附着后低温培育。因为游孢子是减数分裂的产物, 因而广泛杂交的结果必然是后代孢子体的性状变异很大。因此优良品种在推广过程中就会连续地

9、出现性状分离, 丧失优良性状,最终失去良种价值。1.3.3利用突变体培育品种 突变是藻体遗传基因改变产生的，包括自然突变和诱发突变。在多细胞海藻中，自然突变型很少。诱发突变是利用化学、物理等作用，诱导藻类群体的基因发生改变，其突变率远高于自然突变，因此诱变能获得自然界难得一见的新性状，是人工获得新种质的重要手段。常用的诱变剂有N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NG)等强突变剂以及激光、超声波、辐射、空间作用等。通过化学和物理诱变获得的多种紫菜色素突变体，在紫菜遗传和育种研究中发挥了重要作用。2005年8月坛紫菜搭载我国发射的第21颗返回式科学与技术试验卫星进人太空，开始了藻类太空育种 。海带新

10、品种“1170”是利用X射线处理后，经过选择和自交培育的。此外诱变育种还普遍应用于绿藻、褐藻等大型藻类。1.3.4杂交育种与杂种优势的利用 通过杂交使亲本基因重组，对重组型个体进行筛选能够获得具有双亲优良性状的新材料，是育种学家最常使用的手法。杂交是指通过亲本杂交，是父母双方的基因重新组合，再进行自交和选择，获得性状符合育种要求的重组型。如果是不同种属或亲缘关系更远的杂交，则称为远缘杂交。同时也发现两个亲本杂交的子一代杂合体常具有明显优于双亲性状的杂种优势。配子体克隆技术的应用，给海带的育苗育种研究注入了新的活力。 利用分离保存的海带雌、雄配子体克隆，可以容易地实现两个品种(系)间的杂交，有目

11、的地把亲本的优良性状结合在杂交后代里，选育出兼有两个亲本优良性状的新品种。由于海带配子体克隆遗传基础纯一，杂种子一代的遗传重组完全一致，因此大大缩短选育周期，提高育种效率。1.3.5利用无性繁殖进行遗传育种无性繁殖系又称为无性系或克隆系，是指从一个祖先通过有丝分裂产生的后代群体。由于不经过有性生殖且不存在遗传重组，因此这种由单一个体产生的后代群体都具有相同的遗传特性，在海藻育种中具有独特的应用价值。海带配子体克隆, 也叫无性繁殖系, 其生物学特点是: 来自一个亲本, 通过无性繁殖的方式进行繁殖, 个体之间遗传性一致。利用这些生物学特性能够克服传统育种和育苗技术的缺点和不足, 这是一种利用海带配

12、子体克隆将育种和育苗结合起来的新方法。这种方法的技术路线大致如下：1) 建立优良品系海带的配子体克隆无性系;2) 进行多组合杂交, 筛选具有优良性状的F1代孢子体;3) 丰富培养具有优良性状孢子体的亲代的雌雄配子体克隆;4) 利用大量的雌雄配子体克隆进行种苗生产。 （1）海藻单倍体育种及培育二倍体纯系 单倍体能够表现出所携带基因型的所有性状，在性状检出方面具有二倍体和多倍体没有的优势。海藻单倍体加倍即成为纯系，达到迅速稳定种质的目的，而一般作物的自交选育纯合体需要4-6代，这对于藻类育种的意义是重大的。海带和裙带菜单倍体育种是采用雌配子体无性繁殖系，经孤雌生殖，染色体自然加倍，由此形成全雌的纯

13、系二倍体。紫菜育种中，利用单倍的单孢子或酶法分离的单个叶状体体细胞，进行无性繁殖培育叶状体；或在此基础上诱导形成丝状体无性系；或通过自体受精使染色体加倍获得二倍体孢子体纯系或纯种，如果这些材料表现出优良的经济性状，立即可作为一个新品种加以利用。（2）利用细胞或组织培养进行育种 大型海藻细胞全能性较强，利用细胞和组织培养或营养枝繁殖等方式进行个体扩增，培育种质种苗，大大简化制种过程并节约成本。例如：海带可以利用具有优势的雌雄配子体细胞系培养及杂交育种，也可以通过组织块形成愈伤组织，再诱导分化形成叶状体来培育苗种。细基江篱繁枝变种、龙须菜和羊栖菜等都可以通过切段培养提供苗源。1.3.6通过原生质体

14、融合，利用体细胞杂交育种 海藻细胞由含各种多糖类的细胞壁包被, 用酶溶解其细胞壁, 或用刀切开由多核组成的大型细胞而得到的细胞质叫原生质体。这种原生质体具有分裂增殖的能力和保持复原为原个体的能力, 即全能性。另外,每个细胞都具有相同的遗传因子。而且这些细胞在相互融合时, 具有把大分子或粒子导入细胞中的能力。利用原生质体所具有的特性, 可以人为地直接诱导变异株, 通过细胞融合培育出体细胞杂交种。原生质体的融合是将不同的两种生物的细胞合二为一，以克服远缘不可杂交的障碍，实现遗传重组，创造自然界所没有的新物种。这种融合的结果可以是双二倍体(如：两种绿藻孢子体细胞融合)、双单倍体(如：两种不同紫菜细胞

15、融合)或三倍体(如：一个绿藻孢子体细胞与一个配子体细胞的融合)。1.3.7 通过目的基因的转移、整合与表达，用于种质创新和品种改良 通过载体把外源的遗传物质或者与性状相关的调控序列转入生物体内，表达并导致产生新的目的性状。利用转基因技术进行新物种的分子设计亦成为可能。衣藻、盐藻等单细胞藻早已成为基因工程的模式或常用生物。海带、紫菜和麒麟菜等大型海藻的转基因工作也取得了长足进展 。转基因海藻可以进行功能基因的验证并成为表达体系。海藻转基因方法基因枪法：基因枪法的一般流程如下：金粒或钨粒的洗涤 外源DNA-金粒或钨粒复合体的制备（在氧化钙的沉淀及在亚精胺、聚乙二醇的粘附作用下，将外源DNA与金粒或

16、钨粒混合，吹干） 靶受体材料的准备 用DNA微粒复合体进行轰击 被轰击受体材料的进一步处理、培养。 基因枪技术的特点是： 由于根癌农杆菌仅对某些双子叶植物敏感，而对多数单子叶植物不敏感，从而限制了根癌农杆菌Ti质粒介导法等的应用范围，而基因枪法不受宿主限制、宿主可以是双子叶植物，也习以是单子叶植物。 受体类型广泛。该法不仅可以原生质体作为受体材料，而且同以完整细胞、组织等如叶片、茎或根的切段、幼胚、愈伤组织、花粉细胞等作为受体材料进行轰击转化。 可控度高。基因枪轰击过程中，可根据需要将射弹射入特定层次（位置）的细胞，有利于提高转化效率。 操作简单、迅速，但费用较高。操作需要基因枪和组织培养条件

17、即可。 基因枪法现在还存在着转化效率低、外源基因向植物中插入不够精确和稳定性不高等缺点。1.3.8 分子标记辅助育种分子生物学的发展为大型海藻育种带来了新的技术。利用与生产性状相关或连锁的分子标记，可以快速检验育种过程中材料性状的状态，而无需等到漫长的培养过程结束。RAPD（是建立在PCR 基础之上的一种可对整个未知序列的基因组进行多态性分析的分子技术）、RFLP（是发展最早的DNA标记技术。RFLP是指基因型之间限制性片段长度的差异，这种差异是由限制性酶切位点上碱基的插入、缺失、失重排或点突变所引起的）、AFLP（是一项新的分子标记技术，是基于PCR技术扩增基因组DNA限制性片段，基因组DNA先用限制性内切酶切割，然后将双链接头连接到DNA片段的末端，接头序列和相邻的限制性位点序列，作为引物结合位点）、EST（是从一个随机选择的cDNA 克隆进行5端和3端单一次测序获得的短的cDNA 部分序列,代表一个完整基因的一小部分）和ITS（是指对ITS序列进行DNA测序，通过将测序得到的ITS序列与已知真菌ITS序列比较，从而获得未知真菌种属信息的一种方法