園藝植物育種學08誘變與倍性育種 (pptminimizer)

1、第八章 園藝植物誘變與倍性育種,,主要學習內(nèi)容誘變育種的概念、特點和類別輻射誘變化學誘變突變體的鑒定、培育和選擇多倍體育種多倍體倍性鑒定及應用單倍體育種,一、誘變育種的概念、特點和類別,1、誘變育種的概念利用物理和化學等因素誘發(fā)作物產(chǎn)生遺傳變異，在短時間內(nèi)獲得有利用價值的突變體，根據(jù)育種目標要求，對突變體進行選擇和鑒定，直接或間接地培育成生產(chǎn)上有利用價值的新品種的育種途徑。,一、 細胞膜（cell membrane）,

2、誘變育種的成就 日本誘變成功超級矮稈早熟水稻品種“黎明”；法國則誘變成功少粉行道樹優(yōu)良品種“無粉法國梧桐”，大大降低了游人的花粉過敏綜合癥。澳大利亞則育成不含多種異黃酮配糖體的三葉草品種，使食草類牲畜的繁殖率大大提高。,一、誘變育種的概念、特點和類別,一、 細胞膜（cell membrane）,我國誘變育種于50年代后半期起步，40余年來年取得了很大的成就，據(jù)統(tǒng)計，近年來我國利用誘變或誘變與其他方法相結(jié)合，育成包括水稻、蔬菜、綠

3、肥、觀賞植物等作物新品種四百多個。其中在觀賞植物領(lǐng)域的誘變育種成績突出，在月季、菊花、荷花、大麗花、美人蕉等物種上育成并通過鑒定數(shù)十個商業(yè)化品種。,一、誘變育種的概念、特點和類別,二、 細胞質(zhì),3、誘變育種的特點3.1 誘變育種誘變效果受到一系列內(nèi)外因素制約，難于實現(xiàn)定向突變。3.2 誘變結(jié)果一般局限于個別基因的表型改變。不同材料之間效果差異巨大。因此，材料選擇嚴格。一般選取生產(chǎn)上已經(jīng)推廣的高世代優(yōu)良品系作為誘變材料。,一、誘變育

4、種的概念、特點和類別,二、 細胞質(zhì),3.3 誘變條件下突變頻率大幅度增加，但有利突變的幾率低，因此，誘變后的群體應該保證足夠大，需要較大的實驗地、人力和物力。3.4 突變譜遵循一定的規(guī)律。同源平行變異規(guī)律對指導制定突變體育種目標具有重要的意義。3.5 誘變育種是無性繁殖園藝植物重要的育種手段。對有性繁殖植物育種來說，其增加的工作量幾乎翻番。,一、誘變育種的概念、特點和類別,質(zhì)體,4 誘變育種的意義和作用4.1 增加變異率，擴大變

5、異譜 研究指出，人工誘變可使突變頻率增加1,000倍左右。不僅突變的頻率增加，而且變異譜同時也有了很大的差異，并可將數(shù)量性狀推向更高的水平。誘變可誘發(fā)自然界本來沒有的全新類型，這樣便可迅速豐富作物的“基因庫”，從而擴大了選擇范圍，并提高了選擇效果。,一、誘變育種的概念、特點和類別,一、誘變育種的概念、特點和類別,4.2 最適于進行“品種修繕 ” 在正確選擇親本和劑量等條件下，人工誘變有產(chǎn)生某種“點突變”的特點，它可以

6、只改變品種的某一缺點，而不致?lián)p害或改變該品種的其他優(yōu)良性狀。而當進行雜交時，除了得到所希望的性狀以外，同時有些不良性狀也伴隨而來。因此誘變育種適于用來進行“品種修繕” 工作，尤其是在加速育成抗病性品種方面有特殊的價值。,一、誘變育種的概念、特點和類別,4.3 縮短育種年限 園藝植物中的多年生營養(yǎng)系品種，可通過直接處理營養(yǎng)器官，獲得突變體后直接固定進行繁殖推廣。該方法較常見的營養(yǎng)系雜交育種可大大縮短育種年限。,一、誘變育種的概念、特

7、點和類別,4.4 克服遠緣雜交不親和性及改變植物的授粉、受精習性。 電離射線照射花粉可以克服某些遠緣雜交的不親和性；使異花授粉植物的自交不親和變?yōu)樽越挥H和；可使正常可育的植物誘變成雄性不育系。,一、誘變育種的概念、特點和類別,5.誘變育種的類別5.1物理誘變：利用輻射，誘發(fā)基因突變和染色體變異。5.2化學誘變：應用有關(guān)化學物質(zhì)誘發(fā)基因和染色體變異。,二、物理誘變,1 物理誘變的種類1.1 紫外線 輻射源是紫外光燈，能量和

8、穿透力低，能成功地用于處理花粉粒。以低壓石英水銀燈發(fā)出的紫外線照射效果較好。雖然紫外線穿透力較弱，但易被核酸吸收，能產(chǎn)生較強變異效果。1.2 X射線 輻射源是X光機。X射線又稱陰極射線，分為硬X射線(波長較短)和軟X射線。育種多用硬X射線。,二、物理誘變,1.3 γ射線 是一種比X射線波長更短的電離輻射線,輻射源是60Co和137Cs及核反應堆。γ射線也是一種不帶電荷的中性射線。應用于植物育種的γ射線裝置有γ照射室和γ圃場

9、及鈷人工氣候照射室。各種照射場地均應設(shè)置防護墻。,二、物理誘變,1.4 β射線 是一束電子流，每個粒子就是一個帶負電荷的電子的射線束，由32P或35S等放射性同位素直接發(fā)生的。透過植物組織能力弱，但電離密度大。通常配成溶液對處理器官或部位進行處理。當同位素溶液進入組織和細胞后作為內(nèi)照射而產(chǎn)生誘變作用。,二、物理誘變,1.5 中子 輻射源為核反應堆、加速器或中子發(fā)生器。根據(jù)中子能量大小分為超快中子、快中子、中能中子、慢中子、

10、熱中子。能量從21MeV(百萬電子伏）以上到小于1eV。中子的誘變能力比較強，育種上應用較多的是熱中子和快中子。對多數(shù)作物來說，包括蘋果，中子是比X或γ射線射線更有效的誘變劑 。,二、物理誘變,1.6 激光 激光和普通光相比，具有高方向性、高單色性和高亮度等基本特征 。一旦某種激光的頻率和生物體內(nèi)某種物質(zhì)分子振動頻率相等，就會產(chǎn)生很強的共振，使該物質(zhì)分子對這種激光產(chǎn)生吸收高峰。能量的積累，引起分子內(nèi)化學鍵斷裂。當這一分子與其它分

11、子相互作用時，就會產(chǎn)生新的化學鍵，從而使化學性質(zhì)發(fā)生改變，引起生物體性狀的變異。,二、物理誘變,利用激光進行誘變育種研究，處理材料可以是植物的干種子或剝?nèi)シN皮的裸胚、幼苗、根尖，也可以是未成熟的花器官、花粉及離體花藥等。常用的激光器有CO2激光、N2激光、紅寶石激光等，照射劑量一般采用1-50J/cm2，時間可以短到1秒，長至數(shù)小時不等。,二、物理誘變,1.7 離子注入誘變育種 能量為幾十至幾百keV的核能離子通過發(fā)生器注入生物

12、體內(nèi)，在其到達終位前，將同靶材料中的分子、原子發(fā)生一系列的碰撞。通過碰撞、級聯(lián)和反沖碰撞，導致靶原子移位，留下斷鏈或缺陷。目前，離子注入植物品種改良已涉及幾乎所有主要的糧食和經(jīng)濟作物。,二、物理誘變,,河南省離子束誘變育種基地4兆伏靜電加速器,二、物理誘變,離子束誘變在小麥上的應用,二、物理誘變,1.8 空間誘變育種 空間環(huán)境的顯著特點是高真空、微重力和強輻射。研究表明，植物種子由衛(wèi)星、高空氣球搭載經(jīng)空間飛行后會發(fā)生遺傳性變異

13、，而且這種誘變作用具有普遍性。我國自1987年以來7次利用返回式衛(wèi)星搭載植物種子，從中獲得了大量的變異類型，涉及到主要糧食及蔬菜作物，并已培育出一些新的突變類型和具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀的新品系 。,二、物理誘變,二、物理誘變,福建省農(nóng)科院謝華安院長等通過航天誘變育的Ⅱ優(yōu)航中稻,二、物理誘變,2、輻射處理的劑量單位和劑量率2.1 放射性強度 放射性強度以毫居里（mCi）或微居里（μCi）表示，分別相當于10-3Ci和10-8Ci?，F(xiàn)在為

14、了統(tǒng)一標準，便于國際上互相比較，采用了新的照射劑量單位。但是迄今發(fā)表的試驗報告仍習用于一般常用的劑量單位。新的照射單位為貝可（Bq，Beequare），即1Bq/sec≈2.703×10-11Ci。 適用于植物體內(nèi)輻射強度的度量。,二、物理誘變,2.2 劑量強度 指受照射的物質(zhì)每單位質(zhì)量所吸收的能量，即物質(zhì)所吸收的能量/物質(zhì)的質(zhì)量。照射的劑量單位有：2.2.1 照射劑量以倫（即倫琴，R）表示，是χ和γ射線的劑量單位

15、，新的照射劑量單位為1庫倫（Coulomb）/kg，相當于3.876×103 R。2.2.2 吸收劑量以拉特（Rad）表示，即組織倫琴。新的吸收劑量單位為戈瑞（Gray），相當于1焦耳（Joule，J）/千克或100Rad。2.2.3 中子流量以單位平方厘米的中子數(shù)（n/cm2）表示。,二、物理誘變,2.2 劑量率 在照射處理時，處理材料在單位時間內(nèi)所受到的劑量過大，可以顯著影響幼苗成活率和生長速度。所以用劑量率（d

16、ose rate）作為單位來衡量，即單位時間內(nèi)所吸收的劑量。一般情況下突變與劑量率關(guān)系不是很大。通常干種子的劑量率為60－100R/min，花粉為10 R/min左右，劑量率不應超過160R/min。,二、物理誘變,3 輻射誘變機理3.1 物理作用階段 生物有機體內(nèi)的遺傳物質(zhì)某分子部位受到不同能量輻射后，可能產(chǎn)生不同的核物理效應。“光電效應”和“康普頓一吳有訓效應”。而當受到的輻射能量足以使該電子脫離原子核吸引,則會導致“離子

17、對生成”。這些變化均是在物理狀態(tài)下進行的。,二、物理誘變,3.2化學反應階段當被照射后的遺傳物質(zhì)分子失去電子或得到電子后，則形成“離子對”及“自由基”，其活躍程度大大增強，帶不同電荷的基團極有可能發(fā)生分解或聚合反應，從而導致新的化學成分產(chǎn)生。 有時這種電離現(xiàn)象和離子對形成不是直接發(fā)生于DNA分子上，而是與之相鄰的分子或水分子，從而產(chǎn)生具有強氧化或還原能力的基團（如HO、O、H2O2、H等）。這些基團進一步作用于遺傳物質(zhì)，引發(fā)DNA的

18、各種異常，人們常稱這種效應叫“間接效應”。,二、物理誘變,3.3 生物學階段 當遺傳物質(zhì)本身受到輻射后，電離和分子重組的結(jié)果可能導致DNA斷裂、交換、畸變，直接影響了DNA復制或堿基序列改變，從而導致遺傳上的變異，人們往往稱這種效應為“直接效應”。,二、物理誘變,從上述三個可能發(fā)生的階段來看，化學變化及生物學變化的發(fā)生并非是必然的。 當受輻射部位得到的能量較小時，可能只發(fā)生物理作用階段，而不導致生物學變化，這也就說明了為什

19、么正常的日光照射并不能誘發(fā)生物產(chǎn)生變異，也是生物穩(wěn)定遺傳的基本保障。,二、物理誘變,植物的輻射敏感性和誘變劑量4.1 測定輻射敏感性的指標 植物對輻射的敏感性是指植物體對電離輻射作用的敏感程度。用以衡量敏感性的指標，因植物種類、照射方法及研究目的不同而不同。最常用的指標有：出苗率、存活率、生長受抑制程度、結(jié)實率、細胞狀態(tài)、染色體畸變率等。,二、物理誘變,4.2 植物輻射的敏感性差異4.2.1 不同植物輻射敏感性不同豆科植

20、物最敏感，禾本科次之而十字花科植物則最不敏感。十字花科作物不敏感，主要是種子內(nèi)含有對輻射有屏障作用的丙烯芥子油造成的。不同科、屬、種間敏感性的差異主要來自遺傳物質(zhì)的不同和生理生化特性的差異。通常是染色體大的，DNA含量高的植物輻射敏感性高。,二、物理誘變,4.2.2 不同品種類型的敏感性差異 這種差異比科、屬、種間差異要小。作物的耐輻射（不敏感）程度依次為：雜交種>常規(guī)品種>自交系。,二、物理誘變,4.2.3 同種

21、作物的不同發(fā)育期對輻射敏感性的差異 休眠種子和枝條不敏感，而萌動種子和發(fā)育中的枝條則敏感。分化成的細胞不敏感，而正在分生中的細胞則敏感。在種子發(fā)育過程中，乳熟期最敏感，蠟熟期次之，完熟期則不敏感。,二、物理誘變,4.2.4 不同組織和器官敏感性有差異 如洋蔥正在生長的根最敏感，休眠鱗莖次之，干種子胚最差，這種差別與植物體內(nèi)的含水量有較大關(guān)系。,二、物理誘變,5 植物的誘變劑量 可根據(jù)“活、變、優(yōu)”三方面要求靈

22、活加以掌握。活—后代要有一定的成活植株；變—在一定的成活植株中，有較大的變異效應；優(yōu)—產(chǎn)生的變異有較多的有利突變。一般認為，照射種子或枝條最好的照射劑量應選擇在臨界劑量附近，即被照射的種子或芽成活率為40%；或半致死劑量，即輻射后成活率為50%；若處理材料為整株苗木，可選半致矮劑量，即輻射后生長量減少至對照的50%左右。,二、物理誘變,二、物理誘變,二、物理誘變,二、物理誘變,輻射誘變的方法6.1 外照射 指放射性元素不進入植

23、物體內(nèi)，而是利用其射線（X射線、?射線、中子）照射植物整個器官。這種方法簡便，在誘變育種中比較常用。,二、物理誘變,6.1.1 種子照射 可采用干種子、濕種子或萌動的種子進行照射。照射種子操作簡單，體積小，處理數(shù)量多，并易于貯存和運輸。但從播種到開花結(jié)果時間長，植株占地面積大。供照射的種子材料應預先經(jīng)過精選，要求有較高的純度，不含夾雜物。照射后應及時播種，過早進行種子照射處理，容易產(chǎn)生貯存效應。（如用干燥種子照射，并在干燥有

24、氧條件下貯存，可使損傷加?。?。,二、物理誘變,6.1.2 花粉照射 花粉照射的最大優(yōu)點是很少產(chǎn)生嵌合體，經(jīng)輻射的花粉一旦產(chǎn)生突變，與卵細胞結(jié)合所產(chǎn)生的植株即是異質(zhì)結(jié)合體。照射前使花粉水合或照射未成熟的花粉，能增加誘變劑的效率。 保加利亞的A.Angelor（1981）用?射線照射后的桃子Duphishka的花粉和Halle雜交，獲得高產(chǎn)、大果、質(zhì)優(yōu)的Plovdiv6新品種。,二、物理誘變,6.1.3 營養(yǎng)器官照射

25、此法多用于無性繁殖的植物作為播種、扦插、嫁接材料的處理。如蔬菜作物中的馬鈴薯塊莖、洋蔥鱗莖、山藥塊根；果樹作物的嫁接接穗、觀賞作物的地下球等。,二、物理誘變,6.1.4 子房照射 照射子房也具有不易產(chǎn)生嵌合體的優(yōu)點，輻射處理子房不僅有可能誘發(fā)卵細胞突變而且可能影響受精作用，誘發(fā)孤雌生殖。對自花授粉植物應先去雄，輻射后用正?；ǚ凼诜?。,二、物理誘變,6.1.5 其它器官照射 由于離體培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，采用愈傷組織、單細胞

26、、原生質(zhì)體以及單倍體等材料進行輻射處理，可以避免或減少嵌合體的形成，已日益受到重視。,二、物理誘變,6.2 內(nèi)照射 將輻射源引入到試材內(nèi)部的照射叫內(nèi)照射。 這種照射方法的優(yōu)點是不需建造成本很高的設(shè)施，但不足是需要防護條件，易造成環(huán)境污染，處理劑量不易掌握，受一定限制。,二、物理誘變,6.2.1 浸泡法 將放射性同位素32P、35S等配成一定比例濃度的溶液，浸泡種子或枝芽，使放射性物質(zhì)滲入組織內(nèi)部進行照射。,二、物

27、理誘變,6.2.2 注射或涂抹法 將放射性同位素溶于粘性劑中（如羊毛脂、凡士林、瓊脂等），取適量涂抹于處理部位（如生長點、腋芽、花蕾、芽眼等處）。,二、物理誘變,6.2.3 施肥法 將放射同位素的化合物以無機肥（如32P、35S、45Ca的化合物磷酸二氫鉀、硫酸銨、硝酸鈣等），通過作物根部施肥引入植株體內(nèi)進行處理。6.2.4 注射法 用微量注射器將適宜濃度的試劑溶液注入處理部位進行誘變，多用于花蕾、芽、塊莖、鱗

28、莖等試材的處理。,三、化學誘變,能與生物體的遺傳物質(zhì)發(fā)生作用，并能改變其結(jié)構(gòu)，使其后代產(chǎn)生變異的化學物質(zhì)稱為化學誘變劑。,1 化學誘變劑種類 1.1 烷化劑 這類試劑的共同特點是攜帶一至多個活躍的烷基，通過“烷化作用”的方式將DNA或RNA分子結(jié)構(gòu)中的H原子置換，從而導致“復制”或“轉(zhuǎn)錄”過程中“遺傳密碼”的改變，進而發(fā)生變異。,三、化學誘變,三、化學誘變,三、化學誘變,1.2 核酸堿基類似物 　這一類化學物質(zhì)具有與

29、DNA堿基類似的結(jié)構(gòu)，它們可以在不妨礙DNA復制的情況下，作為組成DNA的成分滲入到DNA分子中去，使DNA復制時發(fā)生偶然的配對上的錯誤，從而引起有機體的變異。常用的有5-溴尿嘧啶（BU）、5-溴去氧尿核苷（BUdR）、2-氨基嘌呤（AP）、馬來酰肼（MH）等。,三、化學誘變,5-溴尿嘧啶,胸腺嘧啶,三、化學誘變,1.3 抗生素 如鏈霉黑素、絲裂霉素C和重氮絲氨酸等。 抗生素類的主要誘變機理是抗生素對DNA核酸酶的破壞作

30、用，影響了DNA合成及分解的有序性，進而造成染色體斷裂。。,三、化學誘變,1.4 生物堿 一些中草藥及觀賞植物的種子或組織中也發(fā)現(xiàn)一些誘變物質(zhì)，常見的有秋水仙堿、石蒜堿、喜樹堿、長春堿等。 生物堿誘變作用主要通過影響細胞有絲分裂過程，阻止紡錘絲和赤道板形成，使細胞分裂中期異常停止，抑制rRNA合成及導致染色體畸變等。,三、化學誘變,1.5 其它誘變劑 報道過的藥劑種類很多，如亞硝酸在pH5以下的緩沖液中，

31、能使DNA分子的嘌呤和嘧啶基脫去氨基，使核酸堿基發(fā)生結(jié)構(gòu)和性質(zhì)改變，造成DNA復制紊亂。此外尚有報道羥胺（NH2OH）、氮蒽、疊氮化鈉（NaN3）等物質(zhì)，均能引起染色體畸變和基因突變。尤其是疊氮化物在一定條件下可獲得較高的突變頻率，而且相當安全，無殘毒。,三、化學誘變,三、化學誘變,2 化學誘變劑的誘變特點2.1 能誘發(fā)更多的基因點突變2.2 誘變有一定專一性：某些試劑只能在某種作物、某個生長發(fā)育時期、某些DNA片段，甚至某種堿基位

32、點上才起誘變作用。,三、化學誘變,2.3 使用方便，成本較低。2.4 誘變劑只有滲透到植物組織內(nèi)部才能起作用。對一些組織致密，有鱗片和茸毛包裹、高度蠟質(zhì)化、角質(zhì)化的器官效果不理想。,三、化學誘變,3.化學誘變的方法3.1藥劑的配制誘變處理時通常先將藥劑配成一定濃度的溶液。有些藥劑在水中不溶解，如硫酸二乙酯溶于70%的酒精，可先用少量酒精溶解后再加水配成所需濃度。 適宜pH：許多試劑的水溶液極不穩(wěn)定，易產(chǎn)生水解生成酸性或堿性物質(zhì)而

33、變性。因此，選用適宜pH的磷酸緩沖液是確保誘變效果的重要條件。,三、化學誘變,3.3 試材預處理 在化學誘變劑處理前，將干種子預先用水浸泡，可以提高其對誘變的敏感性。試驗證明，浸泡能提高細胞膜透性，加速誘變劑的吸收，同時使細胞代謝活躍起來，并促進DNA的合成，這個現(xiàn)象稱為水合作用。,三、化學誘變,3.3 藥劑處理方法3.3.1 浸漬法 將種子、枝條、塊莖等浸入一定濃度的誘變劑溶液中，或?qū)⒅l基部插入溶液，通過吸收使藥劑進入

34、體內(nèi)。,三、化學誘變,3.3.2 涂抹或滴液法 將藥劑溶液涂抹或緩慢滴在植株、枝條或塊莖等處理材料的生長點或芽眼上。3.3.3 注入法 用注射器將藥液注入材料內(nèi)，或先將材料人工刻傷成切口，再用浸有誘變劑溶液的棉團包裹切口，使藥液通過切口進入材料內(nèi)部。,三、化學誘變,3.3.4 熏蒸法 在密封的容器內(nèi)使誘變劑產(chǎn)生蒸汽，對花粉等材料進行熏蒸處理。3.3.5 施入法 在培養(yǎng)基中加入低濃度誘變劑溶液，通過根部吸

35、收進入植物體。,三、化學誘變,4 藥劑處理后的漂洗 經(jīng)藥劑處理后的材料必須用清水進行反復沖洗，使藥劑殘留量盡可能地降低以終止藥劑處理作用，避免增加生理損傷。一般約需沖洗10-30分鐘甚至更長時間。常用的清除劑有硫代硫酸鈉等。經(jīng)漂洗后的材料應立即播種或嫁接，有些不能立即播種而需暫時貯藏的種子，應經(jīng)適當干燥后貯藏在0℃左右低溫條件下。,三、化學誘變,5 影響化學誘變效應的因素5.1 濃度和處理時間 考慮低溫低濃度長時間處理

36、，被處理植株成活率高，突變頻率高。 考慮藥劑水解半衰期（如烷化劑），中途添加新溶液進行補充。,三、化學誘變,5.2 處理溫度 先在低溫（0-10℃）下把種子浸泡在誘變劑中足夠的時間，使誘變劑進入胚細胞中，然后把處理的種子轉(zhuǎn)移到新鮮誘變劑溶液內(nèi)，在40℃下進行處理以提高誘變劑在種子內(nèi)的反應速度。,三、化學誘變,5.3 溶液pH及緩沖液的作用 由于部分誘變劑在不同的pH條件下發(fā)生不同水解反應而在處理效果上出現(xiàn)差異。因此，考慮

37、適度的溶液酸堿度平衡（磷酸緩沖液）是非常必要的。5.4 使用安全問題 誘變劑都有程度不同的毒性，有的是潛在的致癌劑。因此在處理時應該避免與皮膚接觸或吸入它的氣體，一般多在具有通風密閉的專用操作平臺并戴乳膠手套進行。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,1 處理材料的選擇1.1材料的選擇1.1.1首先必須根據(jù)育種目標來選擇親本材料。 為了實現(xiàn)不同的育種目標，應選用不同特點的親本材料進行誘變處理，例如為了選育抗病毒?。═MV

38、）的番茄優(yōu)良品種，則親本材料應該是豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、成熟期適宜，并能抵抗除病毒以外的其他主要病害的品種，否則便不易達到預期的育種目的。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,1.1.2 親本材料必須是綜合性狀優(yōu)良而只具有個別需要改進的缺點。 因為誘變育種的主要特點之一是它最適于改善某一品種的個別不利特性（即產(chǎn)生單個基因的突變）。為此通?？蛇x用當?shù)厣a(chǎn)上推廣的良種或育種中的高世代品系作誘變材料。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,1.1.3

39、為了增加誘變育種成功的機會，選用的處理材料應避免單一化。 因為不同的品種或類型，其內(nèi)在的遺傳基礎(chǔ)存在著差異，它們對輻射的敏感性不同，因而誘變產(chǎn)生的突變頻率、突變類型、優(yōu)良變異出現(xiàn)的機會和優(yōu)良程度也有很大差別，故應在人力、土地等條件許可下，適當多選幾個親本材料為好。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,1.1.4 適當選用單倍體、原生質(zhì)體和多倍體等作誘變材料 用單倍體作誘變材料，發(fā)生突變后易于識別和選擇。突變一經(jīng)選出，將染色體加倍后

40、即可使突變固定和純化，故可顯著縮短育種年限。 多倍體提高了忍受染色體畸變的能力，減少了突變體的死亡率，使突變體的后代獲得較多的變異，故也可選用多倍體品種作材料。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,1.2 處理部位的選擇 處理部位的選擇應有利于物理或化學誘變劑最大限度地發(fā)揮誘變作用。一般來說，應選擇敏感性強的部位：芽、生長點、花粉、花藥、子房、分生組織等。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,2 誘變劑量的確定 一般參考過去研究者的

41、結(jié)果或在溫室內(nèi)測定幼苗高度。采用χ或γ射線等低密度射線，以降低30%～50%苗高為較適宜的劑量；高密度電離輻射的中子，則只要降低15%～30%的苗高，化學誘變劑要求降低10%～30%的苗高為適宜劑量。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,3 處理群體大小的確定 一般是根據(jù)突變率和M2群體大小來確定處理試材群體大小。像蔬菜等小粒作物，群體應在10000株以上。 要求M2獲得特定的有益性狀突變體，其頻率是很低的，可能只有萬分之

42、一。如果以半致死劑量為準，則處理5000粒種子，可得到2500存活（M1）株。如果每株產(chǎn)生20粒種子，則第二代（M2）有5萬株可加以選擇。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,4 突變體的鑒定4.1 形態(tài)鑒定 目測或借助簡單工具進行發(fā)芽率、植株高矮等調(diào)查，記載。4.2 細胞學鑒定 用植株的初生根系鑒定染色體的結(jié)構(gòu)變異。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,4.3 利用DNA分子標記技術(shù)檢測突變體。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,5

43、誘變處理后代的選擇5.1 M1的種植和選擇 以種子為試材的誘變處理為例，將誘變處理的種子，按不同的劑量分別播種稱為M1，不必進行選擇淘汰，全部留種。對M1植株并應實行隔離，使其自花授粉，以免有利突變因雜交而混雜。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,5.2 M2的種植和選擇 根據(jù)M1代的收獲方式相應種植成M2代。由于誘變所得的M1常為“嵌合體”，故對M1最好能分穗或分果實分別采收種子，然后每穗（果）分別播種成一個小區(qū)稱為“穗

44、系區(qū)” 。由此可見，M2的工作量是輻射育種中最大的一代，為了獲得有利突變，通常M2要有幾萬個植株，每一M1個體的后代（M2）種植20～50株。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,5.3 M3及以后各世代的種植和選擇 將M2中各變異株分株采種，分別播種一個小區(qū)，稱為株系區(qū)，以進一步分離和選擇，一般在M3就可確定是否真正發(fā)生了突變，且該突變能否遺傳。在M3中鑒定淘汰不良的“株系”，在優(yōu)良的“株系”中再選出最優(yōu)良的單株。 將優(yōu)良

45、M3株系中的優(yōu)良單株分株播種成為M4，在其中進一步選擇優(yōu)良的“株系”，優(yōu)良株系升級比較，進行品系比較試驗、生產(chǎn)示范試驗和區(qū)域試驗。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,6 以營養(yǎng)器官（接穗、插條、薯塊等）為試材的種植與選擇處理6.1分離繁殖法 根據(jù)實踐經(jīng)驗，果樹休眠芽基部葉原基的葉腋分生組織中細胞很少，輻射處理通?？僧a(chǎn)生較寬的突變扇形體。其初生枝基部腋芽，通過重復分離繁殖，可以使突變扇形體繼續(xù)生長擴大，這樣有可能將同質(zhì)突變體

46、從嵌合狀態(tài)分離出來。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,6.2 修剪法 在分離繁殖的同時結(jié)合進行短截修剪，特別是頂端生長占優(yōu)勢的植物，修剪可以促進基部隱芽萌發(fā)或產(chǎn)生不定芽，有利于內(nèi)部變異體組織暴露出來。,四、突變體的鑒定、培育和選擇,6.3 組織培養(yǎng)法 誘變處理的材料如果采用組織培養(yǎng)技術(shù)，可以大大提高變異率，而且有可能避免或減少嵌合體干擾，更加徹底地暴露內(nèi)部的變異體組織，提高誘變效果。不同細胞的生長和發(fā)育狀況不同，其誘

47、變效應不一。通過組織培養(yǎng)為不同變異的細胞提供發(fā)育機會。如果各種變異的細胞都能發(fā)育，大大提高誘變效果，為選擇提供大量的材料。,五、倍性育種的相關(guān)概念,1 倍性育種的相關(guān)概念 染色體是遺傳物質(zhì)的載體，染色體數(shù)目的變化常導致植物形態(tài)、解剖、生理生化等諸多遺傳特性的變異。各種植物的染色體數(shù)是相對穩(wěn)定的，但在人工誘導或自然條件下也會發(fā)生改變。,1.1倍性:是指在生物一個細胞內(nèi)所含有染色體組(或稱基因組)的數(shù)目。1.2染色體組:一

48、個屬內(nèi)各個種所特有的、維持其生活機能的最低限度數(shù)目的一組染色體。1.3染色體基數(shù):每個染色體組所包含的染色體數(shù)。1.4 多倍體:多于兩個染色體組的生物體的統(tǒng)稱。1.5單倍體:體細胞核內(nèi)具有一個染色體組的生物體。 體細胞染色體稱為為2n，性細胞染色體稱為n。n有時正好為一個染色體組（即該物種的染色體基數(shù)x），有時卻含有兩個或兩個以上的染色體組。,五、倍性育種的相關(guān)概念,倍性育種 就是研究植物染色體倍性變異的規(guī)律

49、并利用倍性變異選育新品種原理及方法的科學。2、倍性變異的類型2.1 整倍體變異：植物染色體數(shù)目出現(xiàn)與染色體基數(shù)呈倍數(shù)性關(guān)系的變異。結(jié)果是產(chǎn)生多倍體和單倍體。2.2 非整倍體變異：植物染色體數(shù)目變化不與染色體基數(shù)成倍性關(guān)系的變異。其結(jié)果是產(chǎn)生單體、缺體、三體、四體等植物。,五、倍性育種的相關(guān)概念,五、倍性育種的相關(guān)概念,目前最常用的是整倍體，包括兩種形式，一是利用染色體數(shù)加倍的多倍體育種，二是利用染色體數(shù)減半的單倍體育種 。,南瓜單

50、倍體植株,金銀花多倍體,六、多倍體育種,1 多倍體的種類 根據(jù)染色體的來源，多倍體一般可分為兩大類1.1 同源多倍體 多倍體的幾組染色體全部來自同一物種，或者說由同一個物種的染色體組加倍而成。如AAA--同源三倍體，AAAA--同源四倍體 1.2 異源多倍體 凡由 2 個或 2 個以上來自不同種屬的染色體組所形成的多倍體，稱異源多倍體。 如由不同種、屬間個體雜交得到的F1再經(jīng)染色體加倍得到。如AABB--異源四倍

51、體（又叫雙二倍體）,六、多倍體育種,2 多倍體的特點2.1 同源多倍體育性差，結(jié)實率低或不能結(jié)實 由于同源多倍體染色體組來自同一個物種，細胞內(nèi)有兩個以上的同源染色體，減數(shù)分裂時可聯(lián)會形成多價體，使減數(shù)分裂行為出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，同源三倍體會高度不育，同源四倍體部分不育。,六、多倍體育種,如甘薯，同源六倍體馬鈴薯，同源四倍體香蕉，同源三倍體,六、多倍體育種,2.2 異源多倍體高度可育 異源多倍體的染色體由兩個或兩個以上不同物

52、種的染色體所組成，減數(shù)分裂時同源染色體能正常聯(lián)會，不出現(xiàn)多價體，使減數(shù)分裂行為正常，高度可育。,六、多倍體育種,蘋果、梨、櫻桃、菊、水仙、郁金香等都屬于異源多倍體。,六、多倍體育種,2.3 器官的巨型性 多倍體植株不一定很高大，但一般莖稈茁壯、枝葉少、葉色深、葉片寬厚、花器大、花瓣多、花色深艷，多倍體植株的花形大小常與染色體數(shù)目呈明顯正相關(guān)。,六、多倍體育種,2.4 雜合體自交后代中純合體的機率較低，同源多倍體達到遺傳平衡的時

53、間也較長。2.5 與二倍體相比生長緩慢，開花晚，種子不飽滿。2.6 多倍體抗病性、抗逆性強于二倍體。在蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素等含量方面明顯高于二倍體。如多倍體從赤道到極地都有分布；高山上多倍體多；在炎熱夏季的稻田里常發(fā)現(xiàn)多倍體花粉粒。如四倍體番茄Vc含量比二倍體高一倍。四倍體紫羅蘭、桂竹香芳香性強、蜜腺多。,六、多倍體育種,3 多倍體育種的意義3.1 獲得某一物種器官相對的巨大性，提高營養(yǎng)成分含量降低可育性以及提高抗性強等。

54、,六、多倍體育種,3.2 通過染色體加倍，克服遠緣雜交的困難 。 在育種實踐中，通過誘導多倍體作為不同倍性間或種間的遺傳橋梁，是進行基因轉(zhuǎn)移或漸滲的有效手段。,草莓染色體加倍比較,六、多倍體育種,3.3利用同源多倍體稔性差的特點，選育無籽或少籽果實。,二倍體和四倍體葡萄果實,三倍體無籽西瓜,六、多倍體育種,4 多倍體的誘導與育種4.1 誘導材料的選擇4.1.1選用主要經(jīng)濟性狀優(yōu)良的品種 多倍體的遺傳性是建立在原低倍材料

55、基礎(chǔ)上的，染色體加倍后，只能使其原有性狀得到加強或減弱，而不會產(chǎn)生新性狀，所以要獲得優(yōu)良的多倍體品系，必須挑選優(yōu)良的親本。,六、多倍體育種,4 .1.2 選用染色體數(shù)目少的材料 染色體數(shù)少的植物對染色體加倍的反應較好，特別是二倍體植物較易引變成多倍體。一般認為，超過六倍體水平以上的多倍體，往往是無益的。 因為染色體組數(shù)多的種在進化過程中已經(jīng)利用了自身的特點，再對其誘變選優(yōu)較為困難，因此處理前應了解染色體組數(shù)及近源物種的多倍

56、性化的程度。,六、多倍體育種,4.1.3、單性結(jié)實或以收獲營養(yǎng)器官為目的的作物。 由于同源多倍體具有結(jié)實率低、種子不飽滿等缺點，因此對以種子為收獲目的或繁殖手段的園藝植物來說，應用難度大，但對部分以無性繁殖為手段、以營養(yǎng)器官為收獲目的的蔬菜、果樹、觀賞植物來說，誘導的多倍體易于應用。,六、多倍體育種,4.1.4 選用多個品種進行處理 不同的種、品種，由于遺傳基礎(chǔ)不同，多倍化后的表現(xiàn)不同，處理材料多較易獲得成功。,六、多倍體育種

57、,5、多倍體誘導的途徑和方法5.1 利用物理因素誘導多倍體 物理因素包括溫度劇變、機械創(chuàng)傷、電離射線、非電離射線、離心力等。利用X 射線、γ 射線、中子等輻照處理，在促使染色體數(shù)目加倍的同時，可能引起染色體的損傷、斷裂、丟失等。,六、多倍體育種,5.2 利用化學因素誘導多倍體 化學法的藥劑主要有秋水仙堿、富民隆、萘嵌戊烷等，以秋水仙堿效果好、應用多。許多育種學家在20世紀30年代，開始積極地用秋水仙素誘導多倍體。,六、多

58、倍體育種,富民隆誘導多倍體 鮑文奎（中國八倍體小黑麥的發(fā)明者）在1961 年，發(fā)現(xiàn)了一個新的多倍體誘變劑。藥品的名字是富民隆，或稱對甲苯磺硫苯胺基苯汞，它是一個殺菌劑，加倍染色體數(shù)的效果和秋水仙素一樣。,六、多倍體育種,富民隆，為灰白色粉末，不溶于水，可將其溶于丙酮后加入蒸餾水，配成0.1%的乳白色懸濁液備用。一般用于處理萌動的種子，使用濃度為0.01-0.03%，在10-36℃條件下處理2-4天，沖洗后即可移植或播種。價格低

59、廉，應用方便。,六、多倍體育種,5.3 利用2n 配子獲得多倍體 通過有性雜交可以產(chǎn)生多倍體，其原因之一是親本形成配子之前染色體數(shù)沒有減少，而是形成2n配子，甚至3n、4n等多倍體配子，在一些突變體及遠緣雜交F1中存在較多。,六、多倍體育種,5.4 胚乳培養(yǎng)在被子植物中，胚乳是雙受精的產(chǎn)物，當雄配子進入胚囊時，由兩個極核和一個雄配子融合而形成的胚乳核發(fā)育而成，所以在倍性上大多屬于三倍體。1982年用組織培養(yǎng)方法培養(yǎng)錦豐

60、梨的幼胚胚乳，獲得錦豐梨三倍體植株。后在水稻、蘋果、柚、馬鈴薯和獼猴桃等作物上也獲得成功。臺灣園藝學者在百香果、石蒜上也獲得了胚乳培養(yǎng)三倍體植株。但胚乳植株不一定都是三倍體植株，而往往出現(xiàn)混倍體 。,六、多倍體育種,石蒜,百香果,六、多倍體育種,5.5 細胞融合 細胞融合，也稱體細胞雜交，是用人工的方法把分離的不同屬或種的原生質(zhì)體誘導成為融合細胞，然后再經(jīng)離體培養(yǎng)、誘導分化到再生完整植株的整個過程。上海植生所培育的芹菜與胡蘿卜遠緣

61、雜交種即用此法。,,,,,六、多倍體育種,5.6 體細胞無性系變異 體細胞無性系變異是來源于體細胞中自然發(fā)生的遺傳物質(zhì)的變異。這種體細胞突變有時也會出現(xiàn)染色體數(shù)目的變異，形成多倍性芽變。 如四倍體大鴨梨就是二倍體鴨梨的芽變，葡萄四倍體大粒玫瑰香是二倍體玫瑰香的芽變。,六、多倍體育種,6 秋水仙素誘發(fā)多倍體6.1 秋水仙堿誘發(fā)多倍體的原理 秋水仙堿是從百合科秋水仙的器官和種子中提取的一種藥劑，性極毒，分子式為C

62、22H25NO6。一般是呈淡黃粉末，有苦味，易溶于冷水、酒精、氯仿和甲醛，不易溶于乙醚和苯。,六、多倍體育種,其作用在于，當它與正在分裂的細胞接觸后，使分裂的細胞核紡錘絲立即縮小，染色體不向兩極移動，而停止在細胞分裂中期，從而產(chǎn)生染色體加倍的核。它對染色體結(jié)構(gòu)無顯著影響；濃度合適時，對細胞毒害不大。,六、多倍體育種,6.2 秋水仙堿誘發(fā)多倍體的原則6.2.1 處理材料 有效地誘變刺激，只發(fā)生在細胞分裂活躍狀態(tài)的組織。因此，要

63、想獲得成功的多倍體植株，以處理萌動的種子、子葉生長點、花蕾、幼苗為宜。,六、多倍體育種,6.2.2 處理濃度 常用的濃度0.01%-1.0%，以0.2%最常用。秋水仙素通常配成水溶液。配制時，一般是先配成濃度高的母液，到臨用時再加蒸餾水稀釋至所需要的濃度。藥液宜盛于有色玻璃瓶內(nèi)，蓋緊并置放暗處，可較長期保存而不致降低藥效。在藥液中加入1%-4%的二甲基亞砜作載體劑，能促進秋水仙素對植物組織的滲透，提高染色體加倍效果。,六、多倍體育

64、種,6.2.3 處理時間 發(fā)芽種子數(shù)小時至3-10d；處理插條、接穗一般1-2d。6.2.4處理溫度 處理期間的溫度是否適宜對處理的成功率影響很大，高溫往往不利，一般控制在20 ℃左右。,六、多倍體育種,6.3 處理方法6.3.1浸漬法 可浸漬幼苗、新梢、種子、球根。種子、球根處理后應沖洗干凈后播種。百合鱗片用秋水仙素處理1-3小時后扦插，可得到四倍體球芽；唐菖蒲實生小球也可用浸漬法獲得四倍體植株。,六、多倍體育種

65、,6.3.2 涂抹法 配成一定濃度的乳劑，涂于幼苗、枝條的頂端。處理部位要適當遮蓋，減少蒸發(fā)并防雨 。如加入甘油、凡士林等。 6.3.3、滴液法 對較大植株的頂芽、腋芽處理時可采用此法。常用濃度為0.1%-0.4%，每日滴1 至數(shù)次，反復處理數(shù)日。如溶液在上面停不住，可將小片脫脂棉包裹功芽，再滴液。適用于大的植物的頂芽、腋芽的處理。,六、多倍體育種,6.3.4 套罩法 保留新梢的頂芽，除去頂芽下面的幾片葉，套上

66、一個防水的膠囊，內(nèi)盛有含1%秋水仙堿的0.65%的瓊脂，經(jīng)24h 即可去掉膠囊。6.3.5 其它方法 如毛細管法、注射、噴霧、培養(yǎng)基法等。目前采用秋水仙素加入培養(yǎng)基進行組織培養(yǎng)誘導的方法正被廣泛使用。,六、多倍體育種,6.4 處理注意事項6.4.1 幼苗生長點處理愈早，獲得正常加倍的細胞數(shù)目越多，處理過晚，則獲得的多是嵌合體。 6.4.2 處理后生長會受到抑制，因此應加強處理后的培育和管理。6.4.3 處理數(shù)量要多

67、，以利于選擇有利的變異個體。6.4.3 處理后應用清水沖洗，避免藥效殘留的影響。6.4.5 秋水仙素具有巨大的毒性，使用過程中應注意安全。,七、多倍體倍性鑒定,1 多倍體的鑒定 1.1外部形態(tài)比較 特點是直觀、簡便?？蓪⒄w、葉片、莖、果、花、種子等進行比較。 如瓜類多倍體表現(xiàn)：發(fā)芽和生長緩慢；子葉及葉片肥厚、色深、茸毛粗糙而較長；葉片較寬、較厚或有皺褶；莖較粗壯、節(jié)間變短；花冠明顯增大，花色較深；果實變短、變粗、

68、果肉增厚、果臍增大（甜瓜）；種子增大，嘴部變寬，但種仁飽滿。,七、多倍體倍性鑒定,七、多倍體倍性鑒定,金銀花多倍體的巨大性,果樹多倍體一般莖變短、葉變厚，葉形指數(shù)變小；顏色變深，表面皺縮粗糙、生長緩慢；花、果變大，可育性低。,七、多倍體倍性鑒定,,,,七、多倍體倍性鑒定,1.2 氣孔鑒定 多倍體的氣孔較二倍體大。這是一種較為可靠的鑒定方法。但是處理和對照必須在同一發(fā)育時期和同一外界條件下才可比較判斷。,,,七、多倍體倍性鑒定,