第8讲 人工种子.ppt

第九讲人工种子 第一节人工种子概念与发展状况第二节人工种子的研制第三节人工种子转换试验 一 人工种子概念 所谓人工种子 artificialseed 是将细胞培养中形成的体细胞胚或不定芽包埋在能提供养分 人工胚乳 的胶囊里 再在胶囊外包上一层具有保护功能和防止机械损伤的外膜 人工种皮 造成一种类似于天然种子的结构 人工种子可在一定条件下萌发生长 形成完整的植株 第一节人工种子的概念与发展状况 依靠植物细胞 全能性 美国首先发明 人工种子 二 人工种子研究现状 1978年Murashige提出人工种子概念 1986年Redenbaugh等成功地利用藻酸钠包埋单个体细胞胚 生产人工种子 胡萝卜 棉花 玉米 甘蓝 莴苣 苜蓿等人工种子制作获得成功 在我国人工种子的研究已列入重点攻关项目 并已取得一些重要的研究成果 人工种子结构示意图 人工种子 不定胚形成人工种子 人工种子大量生产 三 人工种子各部分功能1体细胞胚为了使人工种子在一定条件下萌发生长 并形成完整植株 人工种子首先应该具备一个能够很好地发育成完整植株能力的胚 它具有胚根和胚芽的双极性 经原胚 球形胚 心形胚 鱼雷胚和子叶形胚等不同阶段发育而成 2 人工胚乳人工胚乳为体细胞胚萌发提供营养物质 根据使用者的目的 可向人工胚乳内自由添加有利于胚状体正常萌发所需的各种营养成分 防病虫物质 植物激素等 这是人工种子优越于天然种子之处 3 人工种皮包裹在人工种子的最外层 对人工种子起到保护作用 保护人工种子内部的水分和营养不致丧失和防止外部物理冲击 还要保证通气 四 人工种子分类根据包裹体细胞胚材料的不同 可以将人工种子分为以下4种类型 Redenbaush等 1991 1 裸露的或休眠的繁殖体 可以直接播种 如休眠的微鳞茎和微型薯等 2 人工种皮包裹的繁殖体 3 水凝胶包埋的胚状体 不定芽以及休眠的小鳞茎等繁殖体 水凝胶中可含多种养分和激素 促进繁殖体的生长 4 液胶包埋的繁殖体 五 人工种子与天然种子比较有其自身的特点 1 可对一些自然条件下不结实的或种子很昂贵的植物进行繁殖 2 固定杂种优势 使Fl杂交种可多代利用 使优良的单株能快速繁殖成无性系品种 从而大大缩短育种年限 3 节约粮食 4 在人工种子的包裹材料里加入各种生长调节物质 菌肥 农药等 可人为地影响控制作物生长发育和抗性 5 可以保存及快速繁殖脱病毒苗 克服某些植物由于长期营养繁殖所积累的病毒病等 6 与试管苗相比成本低 运输方便 体积小 可直接播种和机械化操作 六 目前人工种子涉及的问题1 高质量和数量体细胞胚的诱导 2 体细胞胚发生的同步控制 3 人工种皮的制造与生产 4 人工胚乳的研制 5 工艺流程 6 贮藏 获得体细胞胚是生产人工种子的基础 其发生频率的高低 胚的质量和体细胞胚发生的同步控制是生产人工种子的关键 人工种子制备包括胚状体的诱导与同步化 人工种子的包埋 人工胚乳的制作 人工种皮的制作 人工种子贮藏等步骤内容 第二节人工种子的研制 a成熟的体细胞胚 b用无菌吸管吸取与包埋剂混合的体细胞胚c带体细胞胚的液滴滴入2 CaCl2溶液后形成的白色半透明的包埋丸d人工种皮包埋制成的人工种子人工种子的制备 二 人工种子包埋获得发育正常 形态上较为一致的体细胞胚后 就要用适合的材料进行包埋 一 进行包埋时应做到以下几点 1 包埋材料必须对体细胞胚无损害和无毒性 并能保护胚和胚发芽的能力 2 同时在制造 贮藏 运输和种植过程中必须具有耐久性 3 胶囊必须含有养分和植物激素以及植物生长和发育所需的成分和水分 并要求制作的人工种子适合于农业机械化播种 二 包埋方法 经研究认为藻酸盐所形成的胶囊是目前最好的凝胶包埋材料 所采用的主要方法是滴注和装膜两种 1 滴注法制备人工种子是将选择好的体细胞胚悬浮于含2 3 的藻酸钠溶液中 然后用一个塑料吸管吸注含体细胞胚的藻酸钠悬滴加入到0 1mol LCaCl2溶液中 这时离子间发生交换而形成胶囊 胶囊的直径依赖于吸管的内径和吸注的速度 胶囊的大小 视体细胞胚的大小和发芽能力而定 一般采用吸管口径为3 4mm 可得直径为4 5mm的胶囊 体细胞胚包在胶囊中的位置不宜处在中央 宜偏在一边以利萌发 滴注法 2 装膜法制备人工种子是把体细胞胚混合到一个温度较高的胶液中 然后滴注到一个有小坑的微滴板上 随着温度降低变为凝胶而形成胶丸 三 人工种皮的研制1 目前用在人工种皮最好的材料目前美国杜邦公司生产的Elvax4260是一种较好的 人工种皮 材料 是由乙烯 乙酸和丙烯酸三种物质共聚的产物 用它作为人工种子最外层的包裹剂 即人工种皮取得较好效果 体细胞胚与人工种子 一 人工种子转换定义 转换 Transformation 指人工种子在一定条件下 萌发 生长 形成完整植株的过程 二 转换方法 转换的方法可分为无菌条件下的转换和土壤条件下的转换 第三节人工种子的转换试验 体细胞胚发育成植株 大致经历几个阶段 发芽根系的发育芽分生组织的生长和发育真叶的生长芽和根的连接正常植株生长 兰花人工种子的生产及其获得的小植株 一 无菌条件的转换 其也称离体条件的转换 一般是将新制成的人工种子播种在1 4MS培养基 附加1 5 麦芽糖 8g L的琼脂中 培养后统计人工种子形成完整植株的数目 即人工种子的转化率 二 无菌条件转换率的高低主要取决于 a 对提高体细胞胚质量的培养基成分的研究 b 改进转换条件的研究 如麦芽糖代替蔗糖 有利于体细胞胚的萌发和转换 三 土壤条件的转换 也称活体条件下的转换 人工种子真正目的是直接播种于土壤 即在活体条件下 使转换成功 四 土壤条件下转换采用方法 a 无土培养试验 目前以蛭石或珍珠岩试验较多 附加低浓度无机盐 1 6的MS培养基 0 75 麦芽糖有利于转换 b 土壤试验 人工种子的土壤转化试验报道较少 苜蓿人工种子的直接土壤转化试验已达20 水稻不定芽研制的人工种子经适当地过渡性培养 在土壤中的转化率为10 五 土壤条件的转换人工种子转化率低的主要限制因子a 研究无机盐在转换中的重要性时表明 没有硝酸钾 硫酸镁 氯化钙时就不会发生转换 缺乏磷酸铵 转化率从30 降至5 显然这些无机盐成分作为人工种子营养肥料是不可缺少的 b 0 75 W V 的麦芽糖有利于提高转化率 因此推测 碳源在人工种子转换中也是限制因子 因此 必须在人工种子中贮藏必需的养分或供给外源营养物质 三 人工种子的储藏与萌发人工种子储藏时间的长短和萌发率的高低对人工种子的应用至关重要 人工种子的寿命 其最理想的状态是能够与真正的合子胚种子的寿命一样长 只有这样 才有利于人工种子的储藏和萌发 此外 海藻酸盐胶囊本身又抑制呼吸 更加缩短了体细胞胚的寿命 因此 储藏和萌发是人工种子研制的主要难点之一 延长人工种子储藏时间和提高其萌发率的主要方法包括低温法 干燥法 抑制法 液体石蜡法等以及这些方法的组合 干燥法和低温法是目前应用最多的方法 一 低温储藏技术低温储藏是指在不伤害植物繁殖体的前提下 通过降低温度来降低繁殖体的呼吸作用 使之进入休眠状态 常用的温度一般是4 在此温度下体细胞胚人工种子可以储存1 2个月 如茶枝柑 Citrusreticulata的人工种子 储存1个月仍具很高转化率 泡桐的人工种子在储藏30d或60d后体细胞胚的存活率分别是67 8 和53 5 萌发率分别是43 2 和32 4 二 液体石蜡储藏技术液体石蜡作为经济 无毒稳定的液体物质 常被用来储藏细菌 真菌和植物愈伤组织 美国已有报道 把人工种子放在液体石蜡中 保存时间可达6个月以上 李修庆等 1990 研究胡萝卜人工种子的结果表明 人工种子在液体石蜡中短时间保存 1个月 能较正常的生长 但时间一长 79d 人工种子苗的生长则明显比对照组差 并发现液体石蜡对幼苗的呼吸和光合作用有一定的阻碍作用 三 超低温储藏技术超低温一般是指 80 以下的低温 如超低温冰箱 80 150 液氮 196 等 在此温度下 植物活细胞内的物质代谢和生命活动几乎完全停止 所以 植物繁殖体在超低温过程中不会引起遗传性状的改变 也不会丢失形态发生的潜能 目前应用于人工种子超低温保存的方法主要是预培养2干燥法 即人工种子经一定的预处理 并进行干燥 然后浸入液氮保存 四 干燥法干化的人工种子更像天然种子 具有更长的储藏寿命 Gray等 1987 在23 条件下干化鸭茅体细胞胚21天 萌发率达到12 Hammatt等 1987 把大豆体细胞胚干化到原体积的40 5