植物染色体工程概述.doc

合 肥 学 院Hefei University细胞工程课程综述题 目: 植物染色体工程概述 系 别: 专 业: 学 号: 姓 名: 2013年6月25日 植物染色体工程概述 李双双 1002012045 生工二班摘要：植物细胞工程1涉及胚拯救、小孢子培养、体细胞杂交、离体受精、体细胞无性系变异、染色体工程等多方面内容。本文是对染色体工程这方面的概述，主要内容包括加倍技术、内容、实践运用和发展方向。关键词：染色体工程 加倍技术 内容 实践运用 发展方向 染色体工程，又称染色体操作(chromosome manipulation)，是人们按照一定的设计，有计划的削减、添加或代替同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传特性和选育新品种的一种技术。自从1879年，由德国生物学家弗莱明经过大量实验发现了染色体的存在。由此后1883年美国学者提出了遗传基因，（所谓遗传基因，也称为遗传因子，是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列，是控制性状的基本遗传单位。）在染色体上的学说，科学家们对染色体的研究就从未断过，染色体工程也就不断在进展。目前，植物学家们已经将染色体工程用于作物品种的改良，使其成为一门育种新技术，此外它也是研究基因定位和异源基因导入的有效手段。其基本的操作程序包括如下几个步骤：杂交；依靠杂种(或亲本) 减数分裂时染色体联合的规律性变化产生具有不同染色体组成的配子；在杂种或杂种后代中通过细胞学鉴定，筛选所需要的材料。一、染色体加倍技术21 化学诱导方法1.1细胞松驰素B(cytochalasin)在细胞分裂中期使用，能抑制肌动蛋白聚合成微丝，从而抑制细胞质分裂，使用最早、最广泛，其诱导效果也最突出。1.2秋水仙素(colchicine)在细胞分裂中期使用，阻止细胞分裂过程中的纺缍体的形成。其特点为价格昂贵，有毒性。2 物理学方法2.1温度休克法包括冷休克法和热休克法两种，即用略高于或略低于致死温度的冷或热休克来诱导三倍体或四倍体的方法。此法廉价、易操作，是诱导动物细胞多倍体化的常用手段，也有利于养殖场大规模生产使用。2.2水静压法就是采用较高的水静压（65kg/cm2）来抑制第二极体的放出或第一次卵裂产生多倍体。此种方法诱导率高（90%100%）、处理时间短（35min），对受精卵损伤小、成活率高。但该法需要专门的设备水压机，成本较高，其样品室容量有限，处理卵的量有限，所以不适于大规模生产。3 生物学方法3.1远缘杂交可以利用基因工程技术实现。3.2体细胞杂交（原生质体融合）二、染色体工程的内容1 染色体添加（双二倍体系）将来自不同种或属染色体组的F1 ，经人工诱导或自然加倍创造双二倍体是染色体工程的主要内容。刚合成的双二倍体结合了来自双亲的整套染色体，各染色体之间都要进行同源配对，但由于来自双亲的染色体之间在复制时间、染色体定向、着丝粒分裂等方面表现出某种程度的差异，再加之二倍化机制尚不完善，常常会引起染色体丢失和减数分裂不稳定，产生不平衡配子并导致非整倍体形成。只有通过连续选择，二倍化机制可日趋完善，方能成为细胞学上稳定的新物种。因此，利用双二倍体可以把不同种、属间的有益特性综合在一起，培育出优良的作物新品系和品种。此法比较广泛地用于将野生植物与栽培作物进行远缘杂交，以导入野生种的遗传物质，给栽培作物添加某些宝贵特性，如抗病性、抗倒伏性及抗寒性等3。近年来，世界上研究较多的是小麦亚族中的双二倍体，仅小麦及其亲缘物种间的双二倍体就有267 种(Maan 和Gordon，1988) ，其中影响较大、直接用于生产的有六倍体和八倍体小黑麦。六倍体小黑麦国外栽培较多，分布在非洲、南美、澳洲等50 多个国家，我国栽培利用的主要是八倍体小黑麦。严格地讲，双二倍体还有完全双二倍体和部分双二倍体之分。完全双二倍体是指受体结合供体所有染色体组而形成的个体，这种情况较常见，自然发生的普通小麦、人工合成的六倍体、八倍体小黑麦以及自然发生的西方牧冰草等均为完全双二倍体。部分双二倍体仅指含供体亲本一部分染色体组的双二倍体，它是远缘杂交F1 经自交或与亲本之一回交后形成的新物种，如现在生产上利用的一些八倍体小黑麦品系等。它们仅具一组外源染色体，含有育种工作所需的目标性状，如丰产性、抗病性、适应性等。较完全双二倍体更接近育种目标，在新品种培育方面具有更深远的意义。2 染色体削减染色体消减包括单体、端体和缺体。端体和缺体是由单体产生的。因此，这里主要介绍单体系统。单体有时也称单体植物，是指正常二体缺少了1条染色体的个体，通常用公式2n-1 表示。如普通小麦，正常的二体具42个染色体，其单体植株的染色体则为2n-1=41。自然界中，正常的二体植株有时会自发产生一些单体，这样的单体如出现在二倍体植物中一般都不具活力，而且往往是不孕的；只是异源多倍体的单体才具有一定的活力和育性。人工创造单体植株常用种、属间远缘杂交及理化因素诱导，另外也有用非整倍体、回交转育、易位杂合子、组织培养等方法培育单体的报道。在一个单体系统内，各单体之间或与正常双体之间一般在性状表现上的差异极小，只是当栽培条件不良时少数单体才变得可以辨认。为此，大多数单体的辨别及保存都要靠细胞学鉴定，其原因是在单体的自交后代群体中除单体植株外，还有正常的二体植株和2n-的缺体植株。单体植株易发生天然杂交，保存时需套袋隔离。3 染色体代换染色体代换包括整条染色体代换和染色体片断的代换。前者产物叫异代换系，后者的产物叫易位系4。3.1异代换系某种植物的一对染色体被他种植物的一对染色体所代换而形成的新类型称异代换系(Aline sabstitution lines)。创造异代换系的材料是缺体植物和异附加系，前者所缺的染色体是被代换的，后者附加的一对染色体是准备换入的。培育异代换系的方法也有不同几种，主要是利用单体或缺体与异附加系杂交进行。代换系的染色体数目未变，染色体代换通常也发生在部分同源染色体之间，因而与异附加系相比异代换系在细胞学和遗传学上更趋稳定，在生产上是可以直接加以利用的。3.2易位系前文所述，通过附加或代换异源染色体可以将有益基因引入栽培植物中，但引入的染色体除携带有益基因外，亦带有不利基因。如能使异源染色体上携带的有益基因通过易位整合到栽培植物的染色体上，就可以减少或消除不利基因的作用。这就需要建立易位系。所谓的易位系是指异源染色体与栽培植物染色体之间相互易位的植物。染色体易位可使两个正常的连锁群改变为两个新的连锁群，同时易位还会造成染色体融合，进而导致染色体的变异。现在已知，许多植物的变种就是由于染色体在进化过程中不断发生易位造成的。在易位系中，通过染色体易位达到了异源目的基因的转移，这便是建立易位系的动机所在。远缘杂交中经常有自发易位产生，但异种、属间的染色体自然发生易位的频率很低。实践中，易位系的建立就需人工诱发易位，一般是用电离射线照射或化学诱变剂处理。辐射能使染色体随机断裂，断片常以各种不同方式进行重接，产生各种染色体结构变异，导致易位。用射线照射带目标性状的代换系、附加系等可产生插入易位或末端易位。通过辐射，目前已将小伞山羊草、中间冰草以及黑麦的抗病基因成功地转入普通小麦的染色体中。另外，植物种、属间杂种经过细胞、组织培养可以增加亲本染色体间的遗传交换，再生植株显示各种染色体异常，其中包括许多染色体易位。特别是对携带目标性状的代换系、附加系与农艺亲本的F1杂种进行细胞、组织培养并结合诱变会大大提高有益基因的转移频率。三、实践运用1 多倍育种多倍体育种是指体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体，是利用人工诱变或自然变异等，通过细胞染色体组加倍获得多倍体育种材料，用以选育符合人们需要的优良品种。最常用、最有效的多倍体育种方法是用秋水仙素或低温诱导来处理萌发的种子或幼苗。秋水仙素能抑制细胞有丝分裂时形成纺锤体，但不影响染色体的复制，使细胞不能形成两个子细胞，而染色数目加倍。例如对西瓜进行多倍体育种。自1937年Blakeslee和Avery利用秋水仙素诱发曼陀罗四倍体获得成功以后，各国相继展开人工诱发多倍体的研究。自1939年发表关于获得四倍体西瓜5的报告后，多倍体西瓜育种的研究由此进入了新时代。据联合国粮农组织（FAO）2002年统计，西瓜在世界10大果品中居第5位，其中无籽西瓜以其优质、口感好、食用方便、抗病、耐贮运而倍受消费者青睐。随着人民生活水平的提高，西瓜的栽培面积也不断扩大。据2007年全国无籽西瓜科研与生产协作组不完全统计，全国无籽西瓜栽培面积由2000年的67万hm2增加为2007年的2187万hm2，遍及全国逾20个省市。我国现已成为世界上第一无籽西瓜科研、生产和出口大国。2 染色体基因介导的基因转移技术运用染色体基因介导的基因转移技术由此得到多种转基因动物。转基因动物是生物科学领域最有效、最令人振奋的研究手段之一。随着重组DNA技术的迅猛发展，转基因动物技术的研究取得了一系列的进展与成果。转基因动物技术自从诞生以来就在改良家畜生产性状、提高家畜抗病力以及生产人药用蛋白和工业用酶等方面显示了广阔的应用前景，也成为了探讨基因调控机理、致癌基因作用和免疫系统反应的有力工具。同时，人类遗传病的转基因动物模型的建立，为遗传病的基因治疗打下坚实的理论基础。随着基因工程技术的不断发展，转基因动物技术将会不断得到完善，从而在未来的动物育种和药物蛋白的生产中发挥巨大的作用。3 制药方面染色体工程在制药上方面也有很大进展。1989年，我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物重组人干扰素lb，标志着我国生产的基因工程药物实现了零的突破。重组人干扰素lb是世界上第一个采用中国人基因克隆和表达的基因工程药物，也是到目前为止唯一的一个我国自主研制成功的拥有自主知识产权的基因工程一类新药。从此以后，我国基因工程制药产业从无到有，不断发展壮大。1998年，我国基因工程制药产业销售额已达到了7.2亿元人民币。截止1998年底，我国已批准上市的基因工程药物和疫苗产品共计15种。目前，国内已有30余家生物制药企业取得了基因工程药物或疫苗试生产或正式生产批准文号。四、发展方向今后的研究工作主要在于以下几个方面：1.创造多种作物的多种类型的非整倍系列为育种和遗传研究提供系统材料。2.对已创造的各种优良类型实施染色体工程育种手段。3.植物染