園林植物花卉育種學(xué)課件第9章誘變育種

1、第九章 誘變育種,第一節(jié) 概述,一、概念誘變育種（mutation breeding） 人工利用理化因素誘使植物材料發(fā)生遺傳突變，并將優(yōu)良突變體培育成新品種的育種方法包括輻射誘變育種（radiation breeding）化學(xué)誘變育種（chemical induced mutation breeding）,與芽變選種相比較：誘變育種：利用人工誘變芽變選種：利用自然突變,二、誘變育種的發(fā)展概況 1895

2、年倫琴(Rontgen)發(fā)現(xiàn)了X射線1896年貝克勒耳(Becquerel)發(fā)現(xiàn)了具天然放射性的鈾摩爾根等于1910年發(fā)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)也能提高果蠅的突變率,1964年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織/國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（FAO/IAEA）聯(lián)合處的成立，建立起了交流網(wǎng)絡(luò)。1969年，F(xiàn)AO/IAEA聯(lián)合處開(kāi)始舉辦“植物誘變育種”培訓(xùn)班，發(fā)行了《突變育種手冊(cè)》這一年被認(rèn)為是植物誘變育種的轉(zhuǎn)折年。,至1995年，50多個(gè)國(guó)家，154種植物開(kāi)展誘變育種工作已

3、培育出1737個(gè)新品種。其中花卉等465個(gè)主要有菊花、大麗花、六出花、秋海棠、月季、杜鵑、百合及香石竹等僅誘變育成的菊花新品種就有170多個(gè)。,我國(guó)的誘變育種起步于1956年誘變育成的品種數(shù)量和種植面積均居世界首位。至1998年底，已在40多種植物育成新品種513個(gè),在觀賞植物中，我國(guó)培育了菊花、小蒼蘭、瓜葉菊、朱頂紅、美人蕉、月季、紫羅蘭、金魚(yú)草、矮牽牛、杜鵑花、唐菖蒲及荷花等的新品種或優(yōu)良變異類型近100個(gè)。如中國(guó)農(nóng)科

4、院等單位先后用輻射方法培育出40多個(gè)月季新品種；,,北京林業(yè)大學(xué)培育的四季開(kāi)花的菊花新品種，能耐-35℃低溫安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)輻射育出了8個(gè)11月至1月開(kāi)花的冬菊新品種；上海農(nóng)科院育成了6個(gè)觀賞性好、抗病性強(qiáng)的小蒼蘭新品種；中國(guó)農(nóng)科院培育成5個(gè)瓜葉菊雄性不育系,并配制了優(yōu)勢(shì)雜交種等等。,三、誘變育種的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 變異頻率高，變異類型豐富 有利于品種單一性狀的改良 打破原有的基因連鎖，利于基因重組 改變植物育性，提高結(jié)實(shí)

5、率（克服遠(yuǎn)緣雜交的不親合性）誘發(fā)突變易于穩(wěn)定，誘變育種周期短（只有少數(shù)基因變異）,1. 變異頻率高，變異類型豐富（與自然變異相比） 突變率達(dá)3％，是天然突變率的100～1000倍?？稍谛螒B(tài)、組織結(jié)構(gòu)、生理生化等方面，以及適應(yīng)性、抗病蟲(chóng)、花色、花期、花型、株形及育性等為 “標(biāo)新立異” 創(chuàng)造了條件。,2. 有利于品種單一性狀的改良 （與雜交育種相比） 誘發(fā)突變多為點(diǎn)突變。如Demol對(duì)郁金香輻射處理，獲得各種花色突變類型。,3.

6、 打破原有的基因連鎖，利于基因重組 使染色體斷裂、易位，打破原有連鎖關(guān)系后再進(jìn)行雜交，經(jīng)基因重組創(chuàng)造新品種。,缺失,重復(fù),倒位,易位,染色體結(jié)構(gòu)變異,4. 改變植物育性，提高結(jié)實(shí)率輻射花粉，克服遠(yuǎn)緣雜交不親和性和異花授粉植物的自交不親和性有利受精結(jié)實(shí)，為培育自交系創(chuàng)造條件。,5. 誘發(fā)突變易于穩(wěn)定（純合），誘變育種周期短 誘發(fā)突變僅是少數(shù)基因變異，突變性狀穩(wěn)定快尤其是突變性狀多為隱性，經(jīng)自交后即可獲得純合突變體，比常規(guī)的雜

7、交育種快3年以上。,局限性：變異方向與性質(zhì)難以預(yù)測(cè)和控制 改良的性狀有限（少數(shù)性狀）綜合性狀改良不宜使用變異性狀具不穩(wěn)定性 （嵌合體）,第二節(jié) 輻射誘變,一、概念輻射育種 利用輻射誘導(dǎo)植物發(fā)生遺傳突變，并將其優(yōu)良的變異材料培育成新品種的育種方法。,二、花卉輻射育種的有利條件觀賞植物的多樣性；觀賞性狀的多向性（標(biāo)新立異）無(wú)性繁殖技術(shù)的應(yīng)用。,（一）種類1.根據(jù)輻射的性質(zhì)分(1)電磁輻射（本質(zhì)是波）以電場(chǎng)

8、和磁場(chǎng)交變震蕩的方式穿過(guò)物質(zhì)和空間而傳遞能量的射線如X射線、γ射線、紫外線、微波和激光等(2)粒子輻射（本質(zhì)是粒子）一種高速運(yùn)動(dòng)的粒子流，通過(guò)損失自己的動(dòng)能把能量傳遞給其他物質(zhì)如帶電的α射線、β射線、質(zhì)子、電子束、離子束和不帶電的中子,三、射線的種類及其特征,電磁輻射(電磁波),粒子輻射,γ射線X射線紫外線激光微波,射線離子束中子ß 射線質(zhì)子中子電子束,2.根據(jù)能量高低可分為(1)電離輻射：輻

9、射能量較高，能直接或間接引起被照射物質(zhì)的原子發(fā)生電離如γ射線、X射線、β射線、離子束和中子等(2)非電離輻射：輻射能量較低，不具電離效應(yīng)如紫外線,1. ? 射線是一種高能電磁波，波長(zhǎng)很短（10-8—10-11cm）。穿透力強(qiáng)，可深入植物組織幾厘米。應(yīng)用：能同時(shí)處理大量材料，并能于植物的整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)在自然的田間條件下進(jìn)行長(zhǎng)期照射但必須有嚴(yán)格的安全防護(hù)設(shè)備和措施,（二）主要射線的種類及特征,2. X射線是由X光機(jī)產(chǎn)生的高

10、能電磁波。波長(zhǎng)比γ射線長(zhǎng)，射程略近。穿透力不如γ射線強(qiáng)?？缮钊胫参锝M織幾毫米X射線最早應(yīng)用于誘變工作。,3. ? 射線在空氣中的射程達(dá)數(shù)m，穿透力差，僅及植物組織數(shù)㎜。用厚的紙板即可擋住。,4.? 射線 由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成的氦原子流。與空氣分子碰撞便喪失能量，可以被一張紙擋住。,? 射線,? 射線,? 射線,水泥墻,中子：不帶電的粒子 根據(jù)其能量大小被分為：高能中子，快中子， 中能中子，慢（熱）中子育種上應(yīng)用

11、較多的是熱中子和快中子中子穿透力較強(qiáng)，能深入植物組織數(shù)㎝，需混凝土做成厚的防護(hù)墻保護(hù)。 常用于照射種子,紫外線：是一種非電離射線，穿透力弱，可處理微生物和植物的花粉粒。,激光：導(dǎo)致體內(nèi)某些分子原子的能態(tài)的激發(fā)，或離子化 可產(chǎn)生多種效應(yīng)：光、熱、光壓、電磁，誘變效果好。,（一）電離輻射的物理作用：由輻射的能量轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的電離作用。這種電離可能發(fā)生在染色體上及核質(zhì)與細(xì)胞質(zhì)的原子或分子之中。,四、輻射誘變的原理,(二

12、)電離輻射的化學(xué)作用： 由于活的生物組織含有約75%的水，因此水就成為電離輻射的最豐富的靶分子。 水被輻射電離后產(chǎn)生自由基，這些自由基可通過(guò)一系列反應(yīng)影響生物體內(nèi)正常的生理功能 直接作用: H2O ------ OH - + H+ H2O H2O＋＋e-,hv,hv,,（三）輻射

13、對(duì)細(xì)胞的作用1.引起半透膜的損傷。 2.細(xì)胞核膨大，染色體成團(tuán)，細(xì)胞分裂異常。3.細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)成分會(huì)發(fā)生變化如粘度改變，空泡形成，電解質(zhì)及水分的滲透性升高4. 使某些酶“失活”，引起細(xì)胞死亡。特別是數(shù)量少卻參與重要物質(zhì)（如維生素和激素）合成的某些酶的失活。,,（四）輻射對(duì)遺傳物質(zhì)作用（1）染色體的結(jié)構(gòu)或數(shù)目發(fā)生變化斷裂、丟失、易位（2）基因突變,五、輻射誘變劑量 輻射誘變劑量（induced dose）：指對(duì)植物

14、材料進(jìn)行輻射誘變時(shí)使用的處理劑量。,輻射的劑量單位⑴ 照射劑量⑵ 吸收劑量⑶ 放射性強(qiáng)度⑷ 劑量率,⑴照射劑量照射劑量：用來(lái)度量處理植物材料時(shí)所采用的輻射量大小的單位。包括照射量（X）中子通量。,照射量（X）：度量x射線及γ射線的單位。單位質(zhì)量的空氣中的電流量常用單位倫琴(R) SI庫(kù)倫/千克（C/kg）。中子通量：度量中子照射量的劑量單位。中子通量(n／cm2)是指每平方厘米的截面積上通過(guò)的中子數(shù)。,

15、⑵吸收劑量（D） 是指受照射材料實(shí)際所得到的輻射能量。SI：戈瑞(Gray，Cy)=焦耳/千克（J/kg）,⑶放射性強(qiáng)度：指一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)的核衰變次數(shù)是衡量放射源輻射強(qiáng)度的單位。SI：貝可（Bq）。 1貝可(Bq)=放射性同位素發(fā)生1次核衰變／s。,⑷劑量率　單位時(shí)間內(nèi)植物材料所受的照射劑量或吸收劑量。劑量率的單位因照射劑量或吸收劑量的單位不同而不同。例如：照射劑量率的單位有R／h；R／min；R／s；C/kg

16、.s；n／cm2.min等。吸收劑量率的單位有Rad／h；Rad／min；Gy／s；Gy／min等。,2.植物的輻射敏感性致死劑量（LD）：全部致死的劑量值。半致死劑量（LD50 ）：50%存活時(shí)的劑量值。半致矮劑 量(D50)：使被照射材料生長(zhǎng)量為對(duì)照50％的輻射劑量。臨界劑量(LD60)： 使被照射材料成活率或生長(zhǎng)量為對(duì)照40％的輻射劑量。,3. 適宜誘變劑量的確定 一般用半致死劑量(或半致矮劑量)或臨界劑量照射劑量

17、,六、輻射材料的選擇,（一）選擇材料的原則 綜合性狀好，個(gè)別性狀有待改善；雜合子材料；易產(chǎn)生不定芽;對(duì)輻射較為敏感的材料,（二）植物對(duì)輻射的敏感性遺傳差異十字花科>禾本科>豆科2. 不同組織器官差異(與分化程度成反比)葉芽分生組織>薄壁分生組織>根尖分生組織小胞子母細(xì)胞>發(fā)育中的小孢子>根尖分生組織據(jù)報(bào)道：菊花不同器官的輻射的敏感性依次為：葉＞莖＞愈傷組織＞叢生芽＞生根小苗＞

18、插條＞種子,不同發(fā)育階段差異： 幼>老配子>枝條>種子胚胎:合子期>原胚期>分化胚。雄配子的強(qiáng)弱順序：減數(shù)分裂期＞單核期＞二核期＞三核期。,七、輻射處理的主要方法,外照射內(nèi)照射 （一）外照射：是指植物材料所受的輻射來(lái)自外部的某一輻射源。 外照常用：X射線，ß 射線、快中子或熱中子。 方法簡(jiǎn)便安全，可大量處理，廣為采用。,外照射處理植物的部位和方法： １、種子

19、 干種子（最常用）濕種子萌動(dòng)種子處理干種子的優(yōu)點(diǎn)是：處理量大；操作方便；便于運(yùn)輸和貯藏；受環(huán)境條件的影響?。唤?jīng)過(guò)輻射處理過(guò)的種子，沒(méi)有污染和散射的問(wèn)題。,２、無(wú)性繁殖器官 一般采用枝條、塊莖、鱗莖、球莖及根莖等有生長(zhǎng)點(diǎn)的無(wú)性繁殖器官優(yōu)點(diǎn)：得到好的突變體，可直接繁殖利用。,３、花粉優(yōu)點(diǎn)：很少產(chǎn)生嵌合體輻射后（1）可用于授粉（后代會(huì)分離）（2）可用于離體培養(yǎng)照射時(shí)期：雙核期之前,４、離體培

20、養(yǎng)材料照射離體培養(yǎng)材料，細(xì)胞數(shù)量較少，容易產(chǎn)生不定芽，經(jīng)輻射處理后，容易分離嵌合體如愈傷組織、單細(xì)胞、原生質(zhì)體等,5.植株照射可用不同發(fā)育階段的植株進(jìn)行處理；可在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行慢照射也可以多次間隔性地照射。,（二）內(nèi)照射： 指輻射源被引進(jìn)到植物體內(nèi)部的照射。照射源：32P、36S、14C(放射性同位素或其化合物)等。照射方法：（1）浸泡種子或枝條；（2）注射入植物的莖桿、枝條、芽等部位；（3）施入土壤：使植

21、物吸收；（4）飼養(yǎng)法：用14C供給植物，借助光合作用所形成的產(chǎn)物來(lái)進(jìn)行內(nèi)照射。,注意事項(xiàng)：內(nèi)照射誘變需要一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備；試驗(yàn)過(guò)程中還需要防護(hù)，預(yù)防放射性同位素的污染;處理過(guò)的材料在一定時(shí)間內(nèi)帶有放射性。,第二節(jié) 化學(xué)誘變育種,化學(xué)誘變育種概念：利用化學(xué)誘變劑誘發(fā)植物產(chǎn)生遺傳變異，以選育新品種的育種方法。,一、化學(xué)誘變育種的特點(diǎn),操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉；少量誘變劑和簡(jiǎn)單設(shè)備即可專一性強(qiáng)；對(duì)某些遺傳物質(zhì)具有特定誘變效果馬

22、來(lái)酰肼對(duì)蠶豆第Ⅲ染色體的第14段特別起作用乙醇則對(duì)第Ⅳ染色體的19段有作用并不是所有的誘變劑都具有這種特殊效應(yīng)。 多數(shù)為點(diǎn)突變；靠化學(xué)物質(zhì)與遺傳物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)引起A、G、C、T改變,二、化學(xué)誘變劑的種類,烷化劑：（EMS、EES、MMS、PPS、PMS、DES、NEH、NEU、NTG）核酸堿基類似物：（5-BU、5-BUdR)疊氮化物類（azide）無(wú)機(jī)化合物:抗生素類,烷化劑：（EMS、EES、MMS、PPS、PMS、D

23、ES、NEH、NEU、NTG）這類化合物帶有活潑的烷基，可以置換氫原子。 最常用,如果DNA 中的磷酸基被烷化，則形成不穩(wěn)定的磷酸脂，這種磷酸脂易水解為磷酸和去氧核糖，導(dǎo)致DNA鏈斷裂,CH3-,,,,當(dāng)DNA鏈的堿基被烷化后，也易水解使堿基從DNA鏈上水解下來(lái)，造成堿基缺失，并會(huì)進(jìn)一步引起堿基的轉(zhuǎn)移和顛換。,,,,,常用烷化劑的特性與使用方法,烷化劑致癌，須在通風(fēng)櫥中操作。其中EMS 毒性相對(duì)較小，誘變效果也好，是最常用的化學(xué)

24、誘變劑之一。,核酸堿基類似物（引起錯(cuò)配）5- 溴尿嘧啶（BU） 5- 溴脫氧尿嘧啶（BUdR）2- 氨基嘌呤（AP）馬來(lái)酰肼（MH）,T,A,U,,,,3.疊氮化物類（azide）本來(lái)是一種呼吸抑制劑，也是一種高效誘變劑可替換正在復(fù)制中的DNA的堿基，引起基因的點(diǎn)突變，如疊氮化鈉(NaN3)一般不引起染色體結(jié)構(gòu)變異是一種誘變率高且安全的誘變劑。,4. 抗生素類 破壞DNA及核酸，造成染色體斷裂。 如重氮

25、絲氨酸、絲裂霉素C、鏈霉黑素及放線菌素等,三、 化學(xué)誘變劑處理的步驟與方法,化學(xué)誘變的步驟包括前處理誘變劑處理后處理,藥劑配制水溶性；有的需要酒精溶解；pH值的調(diào)整,（一）前處理清水浸泡作用：提高膜透性，代謝活躍，加速滲入，縮短處理時(shí)間,,,,,,,,,,,,,（二）處理方法浸種法涂抹法滴液法注入法熏蒸法施入法。,,浸種法種子、接穗、塊莖、塊根等浸于其中 開(kāi)花前的花枝插入誘變劑溶液中，開(kāi)花時(shí)收集花粉對(duì)于

26、小苗，可用誘變劑直接浸根,,涂抹法將含誘變劑成分的羊毛脂涂抹在植物材料的生長(zhǎng)點(diǎn)或芽眼上滴液法將適宜濃度的誘變劑滴于材料的頂芽或側(cè)芽上。,,注入法用注射器向植株或植物的組織、器官注入藥液 熏蒸法花粉、花序或幼苗置于密封小箱，用藥劑熏蒸。 施入法 在培養(yǎng)基(液)中加入低濃度誘變劑，通過(guò)根部進(jìn)入植物體,（三）后處理所謂“后處理”，是指終止誘變劑發(fā)揮作用的措施（1）對(duì)處理材料或處理部位用流水沖洗一般沖洗10～30min(

27、最好在±2℃低溫下進(jìn)行)。（2）選用一些化學(xué)“清除劑”如甘氨酸可解除NaN3的作用等等。,五、化學(xué)誘變的劑量(制約因素)1. 誘變劑濃度 在一定的范圍內(nèi)，濃度越高，變異率越高，但毒性也較大。高濃度，時(shí)間應(yīng)短。,2 處理時(shí)間原則：保證藥劑充分作用于處理材料。完全浸透并有足夠的藥量進(jìn)入到分生組織。一些研究表明，低濃度長(zhǎng)時(shí)間處理效果更好。,3 處理溫度溫度對(duì)藥劑的水解速度影響很大。低溫下缺：藥劑的水解速

28、度慢，有效作用弱優(yōu)：誘變劑能保持一定的穩(wěn)定性高溫下優(yōu)：具有活潑的化學(xué)活性與誘變效果，缺：加速藥劑變性過(guò)程。 常用方法：先低溫后高溫,4. 誘變劑溶液的pH值 有些誘變劑作用與pH值有關(guān)常用緩沖液配制,第三節(jié) 誘變植物材料的篩選與利用,一、誘變植物材料的選擇 綜合性狀好，個(gè)別性狀有待改善的品種雜合子材料；3 選用單細(xì)胞或單倍體（減少嵌合體，隱性突變易表現(xiàn)）4 處理材料的類型應(yīng)多樣化 （增加選擇機(jī)會(huì)）誘變

29、材料再處理（理化因子復(fù)合處理法，提高效果 ）,二、突變體的利用符合育種目標(biāo)者，可直接進(jìn)行比較試驗(yàn)、區(qū)域化試驗(yàn)、當(dāng)作新品種推廣有的變異體可作為種質(zhì)資源（中間材料）比如，用作雜交或作遠(yuǎn)緣雜交的親本等。,當(dāng)各種生物離開(kāi)它們固有的地球上的生態(tài)環(huán)境進(jìn)入太空以后，其形態(tài)建成、代謝、遺傳特性及經(jīng)濟(jì)性狀均會(huì)受到不同程度影響。,第三節(jié) 空間誘變育種,一、空間誘變的條件和方式二、我國(guó)空間誘變育種技術(shù)發(fā)展概況三、空間誘變育種的前景,,一、空間

30、誘變的條件及方式1.宇宙空間的特殊條件高真空微重力強(qiáng)輻射超潔凈,,通過(guò)研究表明： 微重力對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)在組織水平、細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平乃至分子水平上產(chǎn)生影響。,1994年7月7日我國(guó)發(fā)射的JB-B-94073型返地式科學(xué)搭載衛(wèi)星距地175～350km，微重力優(yōu)于1×10-3g，真空氣壓1×10-3Pa，輻射量為12.8mGy/天，總劑量約為191mGy（14天19小時(shí)）,,空間誘變

31、育種的主要搭載方式 （1）返地式衛(wèi)星搭載（2）高空氣球。,,二、我國(guó)空間誘變育種的發(fā)展簡(jiǎn)況自1987年以來(lái)，我國(guó)利用返地式衛(wèi)星和高空氣球搭載了多種植物種子，選育出了一些新的突變類型和具有優(yōu)良性狀的新品種。,例如東北林業(yè)大學(xué)用自然授粉的小菊種子搭載返回式衛(wèi)星距地200～300km，飛行15天誘變?nèi)霈F(xiàn)矮化和超矮化變異,三、空間誘變育種前景與展望1．空間誘變已選育出一些高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)將會(huì)有更多新