多倍体与单倍体植物

多倍体与单倍体植物第1页，共33页，2023年，2月20日，星期四本节主要内容：1.染色体工程2.多倍体植物育种3.单倍体与纯合二倍体植物育种第2页，共33页，2023年，2月20日，星期四§8.1染色体工程概念：按照一定的设计，有计划地消减、添加或代换同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传性和选育新品种的目的的技术。第3页，共33页，2023年，2月20日，星期四几个基本概念1.染色体组（Chromosomeset/Genome）生物体配子的全部染色体称为一个染色体组。同一物种的染色体数目是相对稳定的。配子染色体为单倍体（Haploid），用n表示，称为一个染色体组。体细胞为二倍体（Diploid）以2n表示。多数生物体是二倍体：体细胞中染色体是两两成对的。例如，果蝇有4对共8条染色体(如图)，这4对染色体可以分成两组，每一组中包括3条常染色体和1条性染色体。第4页，共33页，2023年，2月20日，星期四2.整倍体（euploid）体细胞内含有完整的染色体组的类型为整倍体。以小麦属为例，普通小麦n=7，6n=42，是六倍体。3.非整倍体（aneuploid）体细胞内的染色体数目不是染色体组的完整倍数的称为非整倍体。多或少一个以至若干个染色体，如2n+1。第5页，共33页，2023年，2月20日，星期四4.染色体变异染色体变异可体现在染色体数目和结构两个方面。染色体数目能以单个染色体或以染色体组为单位的增加或减少。染色体组数量改变：成倍性增减。染色体结构改变：包括基因删除、重排、倒位及异染色质化。第6页，共33页，2023年，2月20日，星期四1、定义多倍体（polyploid）：是指个体细胞中含有超过正常染色体组数的个体。同源多倍体（autopolyploid）：多倍体的染色体来自于同一物种或在原有染色组的基础上加倍而成。异源多倍体（allopolyploid）：多倍体的染色体来自于不同一物种。自然界中存在的多倍体大多是异源多倍体。常见多倍体有三、四、五、六和八倍体。在被子植物中，至少有1/3的物种是多倍体。例如，普通小麦、棉花、烟草、苹果、梨、菊、水仙等都是多倍体。马铃薯是四倍体，普通小麦是六倍体。§8.2多倍体植物第7页，共33页，2023年，2月20日，星期四2.多倍体植物特点（1）形态上的巨大性：表现在果实、种子、茎、叶、气孔等。（2）育性低：同源多倍体常表现出高度不育（Why?)，可获无籽，可通过无性繁殖；但异源多倍体是可育的，自交亲和，结实率较高。（3）抗逆性强：多倍体新陈代谢旺盛，对逆境的耐抗性方面增强。（4）营养成分高：碳水化合物、蛋白质、维生素等含量都会增加。多倍体植物一般光合效率高、生长速度快。但是多倍体动物少，并多为同源多倍体。第8页，共33页，2023年，2月20日，星期四4倍体葡萄小麦：2倍体与6倍体3倍体无籽西瓜多倍体菊花多倍体人参第9页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程Copyright©2011WangWeidong,Allrightsreserved.

烟草2倍体，4倍体和8倍体叶片表皮细胞、气孔的比较第10页，共33页，2023年，2月20日，星期四思考问题：为什么多倍体植株高度不育呢？同源多倍体在减数分裂联会期，同源染色体配紊乱，多数不能形成正常配子。第11页，共33页，2023年，2月20日，星期四以有3个染色体组的三倍体香蕉为例在同源染色体联汇时可能有四种取向的排列方式：四种中只有A形成的配子具有完整染色组的单倍体或者二倍体完整染色体的配子。占25%。其余3种组合所形成的配子都是非整倍体染色体的配子，这种配子由于剂量不同，一般不成活。3n(n=3)第12页，共33页，2023年，2月20日，星期四2.多倍体植物特点（1）形态上的巨大性：表现在果实、种子、茎、叶、气孔等。（2）育性低：同源多倍体常表现出高度不育（Why?)，可获无籽，可通过无性繁殖；但异源多倍体是可育的，自交亲和，结实率较高。（3）抗逆性强：多倍体新陈代谢旺盛，对逆境的耐抗性方面增强。（4）营养成分高：碳水化合物、蛋白质、维生素等含量都会增加。多倍体植物一般光合效率高、生长速度快。但是多倍体动物少，并多为同源多倍体。第13页，共33页，2023年，2月20日，星期四（1）多倍体产生原理主要是体细胞在有丝分裂的过程中，染色体完成了复制，但是细胞受到外界环境条件(如温度骤变)或生物内部因素的干扰，纺锤体的形成受到破坏，以致染色体不能被拉向两极，细胞也不能分裂成两个子细胞，于是就形成染色体数目加倍的细胞。3多倍体产生原理与诱导方法第14页，共33页，2023年，2月20日，星期四（2）多倍体诱导方法A化学诱导法细胞松弛素B：能抑制肌动蛋白聚合成微丝，从而抑制细胞分裂。秋水仙素：分子式为C22H25O6•12H2O，是从一种百合科秋水仙属植物器官中提取的一种生物碱。能特异性地与细胞中的微管蛋白质分子结合，从而使正在分裂的细胞中的纺锤丝合成受阻，导致复制后的染色体无法向细胞两极移动，最终形成染色体加倍的核。细胞可以在药剂去除后恢复正常分裂。秋水仙素是目前诱导植物多倍体应用最为广泛的诱导剂。第15页，共33页，2023年，2月20日，星期四秋水仙素处理方法①处理部位：只有处理正在分裂的细胞才能获得多倍体。通常以植物茎端分生组织或发育期的幼胚为材料。②处理方式：秋水仙素一般用0.1-0.5%水溶液，选择处理方法：浸渍法、涂抹法、喷雾法、注射法、药剂培养基法等。以前两种方法最常用，见P76.浸渍法：种子浸泡催芽，胚根露白时，0.1-0.5%秋水仙素处理24h，冲洗，播种。涂抹法：涂抹在芽生长点上，早晚各1次。第16页，共33页，2023年，2月20日，星期四③药剂浓度：不同植物对秋水仙素的敏感性不同。实践证明，秋水仙素的有效浓度一般在0.01-0.5%，以0.2%左右的浓度最为常用。⑤处理温度：一般在18-25℃之间。高温成功率大。④处理时间：一般不少于24h。过于幼嫩、浓度高时处理时间可相应短些。间歇处理比持续处理效果好。处理时间过长会使分生组织停长死亡。第17页，共33页，2023年，2月20日，星期四B生物法杂交法：主要指体细胞，利用染色体加倍个体与未加倍个体杂交繁殖多倍体后代，经常与化学和物理方法结合使用。异源多倍体一个代表性的例子是人工培育的小黑麦。胚乳培养法：胚乳培养可获得三倍体植株，Why?。胚乳=3n（一个染色体组来自雄配子，2个来自雌配子，故加倍后可获得三倍体。第18页，共33页，2023年，2月20日，星期四♀♂八倍体小黑麦培育出的八倍体小黑麦具有许多新的特点：穗子、籽粒显著大于小麦，增产效果明显，同时能抗寒冷、干旱、贫瘠等不良条件，营养价值（如蛋白质）也有较大改善。第19页，共33页，2023年，2月20日，星期四4多倍体植物的鉴定人工诱导处理过的群体可能是由多倍体、二倍体甚至是嵌合体等混合群体，所以需要鉴定、筛选出需要的多倍体。（1）核体积测量法：一般而言，细胞核大小与染色体数目成比例，为了维持恒定的核质比例，随着细胞核的增大，细胞大小也按比例增加。因此多倍体细胞及细胞核通常要比二倍体大一些。因此，通过体细胞核体积的测定可以鉴定染色体的倍性。缺点是比较费时、准确性不高。间接法：第20页，共33页，2023年，2月20日，星期四（2）染色体计数法：将细胞固定制片、染色后观察染色体个数。由于染色体制片技术比较成熟，因此该方法仍是目前鉴定多倍体倍性的一种直观、准确的方法，缺点是比较费时。（3）DNA含量测定：可以测定单个细胞的DNA含量，再根据细胞DNA比较来推断出细胞的倍性。如果发现杂种的DNA含量是其亲本的一倍半，就可以确定这些杂种是三倍体。DNA含量测定法快速准确，能测出嵌合体，但是缺点是需要专门仪器，如核酸检测仪。直接鉴定法：第21页，共33页，2023年，2月20日，星期四1、单倍体概念：细胞中含有正常体细胞的一半染色体数，即具有配子染色体数目的个体。思考：单倍体是不是就是一倍体？水稻是二倍体,其单倍体是一倍体(n=x=12)普通烟草是异源四倍体，单倍体是二倍体（n=2x=Ts=24）普通小麦是异源六倍体单倍体是三倍体（n=3x=ABD=21）§8.3单倍体与纯合二倍体第22页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程2、单倍体特点单倍体高度不育：减数分裂联会紊乱-没有配对的同源染色体。由于单倍体只具有一套染色体，染色体上的每个基因都能表现相应的性状，所以极易发现所产生的突变，尤其是隐性突变，所以单倍体是进行染色体遗传分析的理想实验材料。由于通过人工方法使单倍体的染色体加倍就可以获得纯合二倍体，可缩短育种年限，因此在育种上具有极高价值。第23页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程单倍体大大缩短育种周期第24页，共33页，2023年，2月20日，星期四3、单倍体植物的培养途径：花药和花粉培养（Antherandpollenculture）指离体培养花药和花粉（雄配子，n

），形成花粉植株，从中鉴定出单倍体植株，经染色体二倍化后获得的纯合二倍体植物。属于雄核发育(Androgenesis)或孤雄生殖：卵细胞不受精，卵核消失，或卵细胞受精前失活，由精核在卵细胞内单独发育成单倍体，因此只含有一套雄配子染色体。这类单倍体的发生频率很低。第25页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程第26页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程（1）花药和花粉的制备◆花药：采集未开放花蕾，消毒，剥取花药，接种。◆花粉制备：①自然释放法：花药接种于聚蔗糖溶液中漂浮培养1-7d，药壁开裂释放出花粉，过滤收集，接种培养。②机械分离法：分离：用注射器或磁力搅拌器挤压花药（溶解在蔗糖或培养液中），释放出花粉。过筛：用30-50目筛网过滤释放出的花粉混合液。清洗：离心2-3次（用蔗糖或培养液悬浮），收集花粉沉淀，最后用培养液稀释到适当密度。接种培养。第27页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程水稻花药培养程序剥去旗叶鞘，取出稻穗10％NaCl10min，无菌水洗5次。70％酒精手洗两遍培养5天后，花药变黑褐色，20天花药裂开，长出淡黄色的花粉愈伤组织，先形成芽，后长出根，形成幼苗。

旗叶鞘用70％酒精擦洗一遍左手持穗，右手用镊子取出花药，无菌培养皿中 用接种环接种到 培养基上第28页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程◆再生途径：①器官发生途径：由花粉脱分化形成愈伤组织（即分化程序很低的薄壁细胞团），再由愈伤组织再分化出根和芽，最后形成植株。②胚状体途径：由花粉分裂直接形成胚状体（不是由合子发育成的胚叫胚状体），或先形成胚性愈伤组织再分化出胚状体，然后由胚状体长成植株。◆培养方法：直接培养、看护培养等培养基种类：MS、B5、NTH（2）植株再生培养第29页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程第30页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8Copyright©2011WangWeidong,Allrightsreserved.第31页，共33页，2023年，2月20日，星期四Chapter8细胞工程

◆培养产物：单倍体、二倍体（药壁）、多倍体和非整倍体。 ◆筛选方法：

形态鉴定法：观察植株形态，准确性低。结实性鉴定：单、三、非倍体不结实，二倍体结实。

染色体数目鉴定：压片法显微镜检查根/茎尖染色体。

生化标记鉴定：单倍体同工酶带数1条，杂合体多条。分子标记鉴定：

RFLP、RAPD、SSR、STS、AFLP（3）单倍体的筛选