第五章植物花药和花粉培养

植物单倍体培养方法:花药培养、花粉培养胚珠或子房培养（未受精）本文档共52页；当前第1页；编辑于星期三\12点32分植物花药/花粉培养历史Guha和Maheshwari（1964）曼陀罗花药培养Nitsch和Norreel(1973)烟草花粉培养（游离小孢子培养）Chu（1973）小麦花粉培养（早期花药培养主要依靠小孢子的自然胚胎发生产生单倍体，能自发形成胚胎发生的基因频率较低，效率极低）80年代后期到90年代期间，花培技术迅速发展。许多作物小孢子培养已经成功。十字花科、麦类、水稻、玉米等。90年代，一些先前被认为是不易进行小孢子培养的基因型也相续成功Konzak(1999)。本文档共52页；当前第2页；编辑于星期三\12点32分概念：花药和花粉培养：指在合成培养基上，改变花粉的发育途径，使其不形成配子，而像体细胞一样进行分裂、分化、最终发育成完整植株。该发育途径被称为“花粉孢子体发育途径”或“雄核发育”。两者的异同点培养目的相同，均获得小孢子植株。花药培养属于器官培养；而花粉培养属于细胞培养。花粉培养没有药壁组织干扰；可计数小孢子产胚率；可观察雄核发育的全过程；单倍体产量高。但技术更复杂。本文档共52页；当前第3页；编辑于星期三\12点32分花药或花粉培养的作用：供体植株小孢子（n）花培花粉植株（n）雄核发育自然加倍人工加倍纯合植株DH（2n）一年内获得纯系1、作物育种（1）缩短育种周期：常规育种需4-6年获得纯系，而小孢子培养仅需一年。本文档共52页；当前第4页；编辑于星期三\12点32分例子：二倍体供体植株基因型为AaBb，若要从后代中选择基因为AAbb的纯合单株常规方法：AAbb出现的概率为1/16，并且不能将AAbb与Aabb、aaBb区分开。

（2）提高了目标基因型的选择效率

AB

aB

Ab

abAB

AABB AaBB AABb AaBbaB

aABB aaBB aABb aaBbAb

AabB AabB AAbb

Aabbab

aAbB aabB aAbb aabb本文档共52页；当前第5页；编辑于星期三\12点32分例子：二倍体供体植株基因型为AaBb，若要从后代中选择基因为AAbb的纯合单株单倍体方法：AAbb出现的概率为1/4。

（2）提高了目标基因型的选择效率

单倍体

二倍体

AB-------------------------->AABB

aB---------------------------->aaBB

Ab---------------------------->

AAbb ab---------------------------->

aabb供体亲本AaBb花培本文档共52页；当前第6页；编辑于星期三\12点32分

植株不受显隐性的影响，在诱变育种中能在当代及时获得突变个体，加倍后成为稳定的纯系。

（3）诱变育种中的作用

本文档共52页；当前第7页；编辑于星期三\12点32分2、物种进化研究可探索亲本染色体组的构成。分析单倍体植物减数分裂时，形成二价体的数目和形状，能确定染色体组内是否存在同源染色体。

3、遗传分析

单倍体植株中基因不受显隐性的影响，每一个基因的作用均能表现出来。能用来研究基因的性质及其作用。还可用于基因的剂量效应分析。4、构建连锁图谱

双单倍体（DH）群体是永久性群体，能有效地用于遗传图谱的构建。5、用于遗传转化

能直接表达外源基因，不受显隐性影响。本文档共52页；当前第8页；编辑于星期三\12点32分第二节花粉孢子体发育途径

（雄核发育）本文档共52页；当前第9页；编辑于星期三\12点32分一、花粉发育的阶段花粉离体培养时，雄核发育最适宜的时期一般是第一次有分裂或之前。本文档共52页；当前第10页；编辑于星期三\12点32分二、雄核发育途径1、A途径小孢子第一次有丝分裂为均等分裂，形成营养细胞和生殖细胞（1）A-V途径

由营养细胞重复分裂形成单倍体（2）A-G途径由生殖细胞重复分裂形成单倍体（3）A-VG途径（E途径）

由营养细胞和生殖细胞各自独立分裂，共同形成单倍体（4）C途径营养细胞和生殖细胞通过核融合，形成多倍体植株2、B途径小孢子第一次有丝分裂为均等分裂，形成大小相近的两个细胞。然后由这两细胞边续分裂形成单倍体植株，或者核融合形成多倍体植株本文档共52页；当前第11页；编辑于星期三\12点32分本文档共52页；当前第12页；编辑于星期三\12点32分1、雄核发育与P花粉的形成

P-花粉：具胚胎发生潜能的花粉。也称小花粉（S-花粉）或不染色花粉（NS-花粉）2、雄核发育与饥饿处理 饥饿处理改变了小孢子的配子体发育方向，启动雄核发育。三、雄核发育启动机理本文档共52页；当前第13页；编辑于星期三\12点32分2--细胞花粉3--细胞花粉本文档共52页；当前第14页；编辑于星期三\12点32分

1、胚状体发育途径 小孢子经历胚发生的各个阶段，最后子叶展开，形成花粉植株。2、愈伤组织发育途径小孢子分裂数次形成愈伤，再分化形成花粉植株。此途径产生的植株会出现变异且倍性复杂。四、花粉植株形态发生方式本文档共52页；当前第15页；编辑于星期三\12点32分胚状体发育途径部分花药通过胚状体途径形成小植株烟草花药培养本文档共52页；当前第16页；编辑于星期三\12点32分通过胚状体途径再生形成小植株烟草花药培养本文档共52页；当前第17页；编辑于星期三\12点32分胚状体发育途径a)球形胚d)鱼雷形胚芸苔属小孢子培养本文档共52页；当前第18页；编辑于星期三\12点32分愈伤组织发育途径部分花药产生愈伤组织接种在平板上的水稻花药水稻花药培养本文档共52页；当前第19页；编辑于星期三\12点32分愈伤组织转接种到再生培养基愈伤组织分化形成再生植株水稻花药培养本文档共52页；当前第20页；编辑于星期三\12点32分第三节花药和花粉培养方法本文档共52页；当前第21页；编辑于星期三\12点32分一、花药培养1、取材镜检，根据花粉的发育时期，选取大小适宜的花蕾。

2、消毒

70％酒精擦洗花蕾表面，或70％酒精浸泡30-60s后在1％次氯酸钠溶液中浸泡10-20min或在0.1％的氯化汞溶液中消毒3-10min，无菌水冲洗3-5次。

3、培养固体或液体培养基均可。先进行脱分化培养，至小孢子大量分裂形成胚或愈伤，并突破花药壁表面，形成突出物（2-3周）；后转入分化培养基培养，形成小植株。本文档共52页；当前第22页；编辑于星期三\12点32分二、花粉培养(一)花粉的分离与纯化

1、自然散落法(漂浮培养散落小孢子收集法)

将花药接种在预处理液或液体培养基上，待花粉自动散落后，收集培养。2、挤压法在烧杯或研钵中挤压花药，将花粉挤出后收集培养。3、机械游离（1）磁搅拌法用磁力搅拌器搅拌培养液中的花药，使花粉游离出来；（2）超速旋切法通过搅拌器中的高速旋转刀具破碎花蕾、穗子、花药，使小孢子游离出来（此法应用最广）。4、小孢子纯化对上述方法获得的小孢子混合物进行分级过筛、梯度离心处理纯化小孢子本文档共52页；当前第23页；编辑于星期三\12点32分梯度离心前（小孢子形态、活力不一致）30%蔗糖梯度离心后（获得均一的小孢子群体）本文档共52页；当前第24页；编辑于星期三\12点32分(二)花粉培养方式

1、平板培养花粉置琼脂固化培养基上培养。2、液体培养花粉悬浮在液体培养基中培养，需震荡，以利通气。3、双层培养花粉置固体-液体双层培养基上培养。培养基制作方法：先铺一层琼脂固体培养基，凝固后，在表面加入少量液体培养基。

4、看护培养

利用花药或花药愈伤组织释放出的活性物质促进花粉小孢子发育。5、微室培养利用小的盖玻片和凹穴载玻片形成微室进行花粉培养6、条件培养基培养利用培养过花药的液体培养基或含失活花药提取物的培养基上培养。花药条件培养基、子房条件培养等。本文档共52页；当前第25页；编辑于星期三\12点32分看护培养图解本文档共52页；当前第26页；编辑于星期三\12点32分三、白化苗现象本文档共52页；当前第27页；编辑于星期三\12点32分（一）白化苗产生的影响因素及机理1、内因供体植株基因型（如籼稻比粳稻白苗率高）、花粉发育时期。2、外因低温预处理、培养基成分（低浓度2,4-D和蔗糖）、培养条件（提前愈伤组织转分化培养）。3、机理核基因起关键作用，导致质体DNA缺失（可能受和核基因控制），产生白苗。另外离体培养中的高频率无性系变异也可能是原因之一（染色体上可能存在易变位点）。本文档共52页；当前第28页；编辑于星期三\12点32分（二）白化苗的控制 通过对花粉发育时期（单核中晚期）、预处理（低温、暗培养）、培养基成分（低浓度的蔗糖+麦芽糖）等因素（提早进行转分化培养）进行调控。雄配子体的发育营养细胞生殖细胞精子本文档共52页；当前第29页；编辑于星期三\12点32分四、影响花粉和花药培养的因素（一）基因型植物基因型是影响雄核发育的最重要的因素之一。同一物种中的不同基因型对小孢子离体诱导反应差异较大。如在水稻中，籼稻花粉培养力（愈伤组织诱导率和绿苗分化率）远低于糯稻。本文档共52页；当前第30页；编辑于星期三\12点32分芸苔属植物Brassicanapus不同基因型的小孢子产胚率比较Topas

10,000-200,000 1-20Westar 1000-10,0000.1-1Delta 100-10,000 0.01-1基因型 胚状体数量/106小孢子成苗率（%）本文档共52页；当前第31页；编辑于星期三\12点32分（二）供体植株生长条件和生理状态1、植株生长条件光温等因素均能影响花药培养力。一般处于适宜生长条件（如温室中）较好。但物种间存在差异。2、植株生长时期一般是开花始期优于开花末期。3、P花粉的频率不同温度（低温）、日照时数（短日照）、氮饥饿及生长物质处理（乙烯利/诱导雄性不育）等可提高P花粉的数量。本文档共52页；当前第32页；编辑于星期三\12点32分（三）花粉发育时期小孢子发育时期对诱导雄核发育非常重要。本文档共52页；当前第33页；编辑于星期三\12点32分四分体:醋酸洋红染色四分体:Alexander’s染色单核期双核期成熟花粉粒处于不同发育时期的烟草小孢子本文档共52页；当前第34页；编辑于星期三\12点32分单核晚期液泡第一次有丝分裂后期双核早期双核中期生殖核生殖核营养核本文档共52页；当前第35页；编辑于星期三\12点32分一般而言，单核期（第一次有丝分裂前）对诱导反应最敏感，为最佳培养期。形成双核后，在合适的条件，主要由营养细胞分裂产生胚状体。

本文档共52页；当前第36页；编辑于星期三\12点32分不同物种诱导胚胎发生的最佳小孢子发育时期发育时期物种减数分裂期草莓、番茄四分孢子期葡萄单核早中期石刁柏、油菜、大麦、天仙子、马铃薯单核晚期荔枝、茄子、青椒、小麦单核早期至晚期烟草单核早期至双核期梨、水稻、甘蓝四分孢子期至双核期玉米本文档共52页；当前第37页；编辑于星期三\12点32分对不同发育阶段的花药进行培养测试确定最佳小孢子发育时期的形态特征注意形态特征会因品种、发育状态、环境条件的变化而发生变化处于不同发育阶段的烟草花芽花粉发育时期的确定本文档共52页；当前第38页；编辑于星期三\12点32分（四）预处理预处理是小孢子培养成功的前提条件预处理目的：是改变小孢子的发育方向，使尽可能多的小孢子从配子体发育途径转向孢子体发育途径（即成为具胚胎发生潜力的小孢子）。适当的预处理能使绿苗产量大量增加。预处理方法：主要是对花药进行适度的逆境处理，包括低温、高温、化学物质、离心、射线等。

本文档共52页；当前第39页；编辑于星期三\12点32分1、高低温处理

低温预处理（花粉饥饿）：指在接种之前将材料用0℃以上低温处理一段时间后再接种。应用较多。处理温度一般在1-14℃，时间从几小时至几十天不等。不同作物所用的预处理温度及时间差异较大。不同的处理温度需要不同的时间。

例子:小麦穗子培养前4℃预处理几天，花药培养效率显著提高。

十字花科未经低温预处理的花蕾，每花药产胚数为4.39个，6-9℃处理1天，产胚数提高到61.4个，预处理4天后，胚状体产量降为10.47个。预处理方法：本文档共52页；当前第40页；编辑于星期三\12点32分

高温处理（热击处理）：指花药接种后，先在较高温度下（30-35℃）培养数天，然后再移至正常温度下继续培养。

例子:如烟草，32℃高温；小麦，33℃高温预处理显著地提高了小孢子胚胎发生能力（Touraev，1996）本文档共52页；当前第41页；编辑于星期三\12点32分2、化学物质处理包括高糖（提高愈伤组织的诱导率）、甘露醇、秋水仙素、乙烯利等进行处理。甘露醇仅能维持渗透压，不能提供碳源，其主要原理是造成小孢子营养饥饿，从而使小孢子去分化。

3、其它包括γ射线、离心、磁场等。

本文档共52页；当前第42页；编辑于星期三\12点32分（五）培养基

1.基本培养基主要为N6和MS培养基。在此基础上发展出一些其它的培养基。如H培养基（适于烟草）、C17培养基（适于小麦）、马铃署-Ⅱ培养基（适于马铃署）本文档共52页；当前第43页；编辑于星期三\12点32分2.碳源包括蔗糖、麦芽糖、纤维二糖、葡萄糖、果糖、海藻糖等。不同作物所需最适的碳源种类及浓度的所差异。一般认为单子叶植物比双子叶植物需糖的浓度要高。玉米中蔗糖效果最好；而麦类作物中，麦芽糖似乎为最好的碳源。本文档共52页；当前第44页；编辑于星期三\12点32分3、激素2,4-D（愈伤与胚胎诱导的矛盾）4、氨基酸谷氨酰胺、丙氨酸、5、活性碳吸附作用6、pH弱酸性，因物种而异

本文档共52页；当前第45页；编辑于星期三\12点32分（六）培养条件

1、温度物种间有差异，比愈伤组织诱导高几度。2、光照红光对小孢子发育有利3、植板密度

植板密度与花培效率有很大的相关性。5×103到2×104／ml密度均能有效培养。一般来说，足够数量的、但相对低密度的小孢子浓度有利于小孢子竞争营养、氧气、细胞分裂的空间，从则有利于胚状体发生。本文档共52页；当前第46页；编辑于星期三\12点32分培养基的成分和细胞植板密度是单细胞培养成败的关键。因为细胞能合成某些对细胞分裂所必需的物质，只有当这些物质达到临界值，细胞才能进行分裂而且细胞会不断将这些物质释放到培养基中，植板密度低释放的慢需要很久才能达到临界值