第十章 多倍体育种2.ppt

PLOIDYBREEDING倍性育种 染色体是遗传物质的载体 染色体数目的变化常导致植物形态 解剖 生理生化等诸多遗传特性的变异 各种植物的染色体数是相对稳定的 但在人工诱导或自然条件下也会发生改变 而倍性育种 就是研究植物染色体倍性变异的规律并利用倍性变异选育新品种原理及方法的科学 1多倍性的来源及意义 染色体组 Genome 任何物种的体细胞染色体数目 2n 都是相当稳定的 一个属内各个种所特有的 维持持其生活机能的最低限度数目的一组染色体 叫染色体组 各个染色体组所含有的染色体数目称染色体基数x 多倍体 Polyploid 植物体细胞中含有3个x或以上的染色体叫做多倍体 单倍体 Haploid 仅含有1个x的叫做单倍体 TheConceptandTypesofPlantPolyploidy 多数植物属内的物种染色体含有共同的基数 如苹果属为17 桃属为8 百合属为12 但有的植物属内存在几个染色体基数不同的种 如芸薹属有3个二倍体基本种 即8对染色体的黑芥 Brassianigra 9对染色体的甘蓝 B oleracea 和10对染色体的普通油菜 B campestris 它们染色体组的基数分别为8 9 10 此外 同一科或同一属的植物种或变种在染色体数目上还表现出倍性的变异 如茄属的马铃薯有二倍体 2x 24 三倍体 3x 36 四倍体 4x 48 与五倍体 5x 60 等 TypesofPolyploidsinPlantsEuploidsAutopolyploids 多倍体的几组染色体全部来自同一物种 或者说由同一个物种的染色体组加倍而成 Triploid3x Tetraploid4x Pentaploid5x e g Potato 2n 2x 3x 4x 5xx 12 Sweetpotato 2n 6x Watermelon 3x seedless 33 AAAAllopolyploid 来自不同种 属的染色体组构成的多倍体或者说由不同种 属间个体杂交得到的F1再经染色体加倍得到的多倍体 Tetraploid4x Hexaploid6x Octaploid8x AABBAABBCC Autoallopolyploid Pentaploid5x Hexaploid6x e g Pheumpratense梯牧草 6x 42 AAAABB AneuploidsMonosomic 2n 1 Nullisomic 2n 2 Trisomic 2n 1 Tetrasomic 2n 2 多倍体的育性差别 同源多倍体由于染色体组来自同一个物种 细胞内有两个以上的同源染色体 减数分裂时可联会形成多价体 使减数分裂行为出现异常现象 同源三倍体会高度不育 同源四倍体部分不育 异源多倍体的染色体由两个或两个以上不同物种的染色体所组成 减数分裂时同源染色体能正常联会 不出现多价体 使减数分裂行为正常 高度可育 示例1 同源四倍体与异源四倍体黄瓜 染色体组HHCC 2n 38 染色体组CCCC 2n 28 示例2 异源四倍体与同源四倍体黄瓜 异源四倍体 可形成一个新物种 同源四倍体不育 很低 天然多倍体中有不少具有经济价值的重要农作物是同源多倍体 如马铃薯 2n 4x 48 是同源四倍体 甘薯 2n 6x 90 是同源六倍体 香蕉 2n 3x 33 是同源三倍体 园艺植物中的同源多倍体育性差 因无性繁殖 所以并不影响在生产中的应用 如香蕉 葡萄 苹果 梨 草莓 马铃薯等 2 OriginandEvolutionofPolyploids多倍体的起源和进化PopularityofPolyploidyinPlantKindom 50 inangispermplants 其中以蓼科 景天科 蔷薇科 锦葵科 五茄科 禾本科和鸢尾科最多 最常见的是四倍体和六倍体 70 ingrasses在植物的进化过程中 染色体的多倍化现象起了重要作用 同时也参与了许多物种的形成 杂合性是多倍体的基本特征 多倍体比二倍体具有更多的杂合位点和更多的互作效应 现已查明多倍体形成的细胞学机制 是由于细胞分裂时染色体不分离而引起 大体有两种情况 一是减数分裂时 全组或部分染色体没有减数 仍停留在一个细胞核里 从而形成二倍性的生殖细胞 这种未减数的2n雄配子与带有2n的雌配子结合 发育成四倍体 但由于2n雄配子在授粉过程中常竞争不过经减数分裂的雄配子 n 因而会出现未减数的雌配子与减数的雄配子相结合 形成天然三倍体植物 另一种是有丝分裂时 染色体虽然复制了 但细胞没有相应地发生分裂 从而使细胞核里包含了比原来多一倍的染色体 产生了多倍体 总之 多倍体的产生是植物对不利条件的适应 是自然选择的结果 从而进化发展成新的变种或物种 小麦属物种的进化 芸苔属物种的二倍体与异源四倍体的形成 芸薹属有三个二倍体基本种 分别有染色体数目不等的染色体组 形成异源多倍体 黑芥 埃塞俄比亚芥 芥菜型油菜 白菜型油菜 甘蓝型油菜 甘蓝 3 GeneralcharacteristicsofpolyploidplantsandtheirimportantinPlantBreeding 1 器官相对的巨大性 某些营养成分含量高 可育性低 抗性强等特点 Giantness Lowfertility Moreresistanttostresses 3x 4xgrapeBigfruits seedless4xTomatoHighVccontent3xwatermelonBigfruit seedless3xazalea杜鹃花Bigflower longperiodofflowering 三倍体 四倍体葡萄果粒大 味甜 四倍体番茄维生素C的含量高 四倍体萝卜主根粗大 产量高 三倍体杜鹃花期特别长 三倍体西瓜和香蕉无籽 无性繁殖能固定多倍体的优良性状 可避免多倍体的高度不育或性状分离带来的繁殖困难 使这些性状可以保持稳定而不出现分离 在无性繁殖的植物类型中利用更为有利 可直接用于生产 二倍体与同源多倍体细胞核比较 多倍体的生物学效应细胞巨型 二倍体与同源四倍体 4N2N 通常个体巨型 根系发达 叶大 叶色深 花粉粒大 花瓣大 果实大 ComparisonofmorphologicalcharacteristicsofflowersandleavesbetweentetraploidanddiploidinS montevidiensis a Tetraploidplant leftside anddiploidone b Differentsizesofatetraploidflower leftside andadiploidone c Asampleoftetraploidleaves upperlane anddiploidones lowerlane d Tetraploidplantgrowingunderfieldconditions tetraploiddiploid Tetraploiddiploid tetraploiddiploid 玉米的同源多倍体植株矮小 茎粗叶大 高度不育尤其是奇数倍多倍体培育无籽瓜果 2N4N 基因剂量大玉米同源四倍体的籽实蛋白质含量比二倍体原种增加43 大麦同源四倍体的籽实蛋白质含量比二倍体原种提高10 12 三倍体甜菜产量高 含糖量高 2 通过远缘亲本或种间不育杂种的染色体加倍 克服远缘杂交的困难 合成新类型或新物种 在育种实践中 通过诱导多倍体作为不同倍性间或种间的遗传桥梁 是进行基因转移或渐渗的有效手段 2PolyploidBreeding多倍体育种 1 SelectionofMaterials 主要经济性状优良Agronomicallysuperior染色体组数少SmallerChromosomenumber因为染色体组数多的种在进化过程中已经利用了自身的特点 再对其诱变选优较为困难 因此处理前应了解染色体组数及近源物种的多倍性化的程度 最好选择能单性结实的品种Capableofasexualfruitsetting对于果树 染色体多倍化后 常常会使育性降低 选用多个品种进行处理Treatmorevarieties不同的种 品种 类型 由于遗传基础不同 多倍化后的表现不同 所以处理材料多 易于选择优良变异 2 InductionofPolyploids PhysicalInduction temperature injury irradiation ChemicalInduction 秋水仙素 SexualCross e g2xx4x 3x EndospermCultureClonalVariationofSomaticCells 物理因素诱导多倍体物理因素包括温度剧变 机械创伤 电离射线 非电离射线 离心力等 早期利用创伤与嫁接诱导多倍体 植物组织在创伤的愈合部位的染色体易加倍 其上面的不定芽发展成多倍体 用此方法在茄科植物上得到了多倍体 利用反复摘心的方法也可促使多倍体的产生 化学因素诱导多倍体化学物质有富民农 萘嵌戊烷 吲哚乙酸及应用效果最好且最为广泛的秋水仙素 许多育种学家在20世纪30年代 开始积极地用秋水仙素诱导多倍体 滴液法处理较大植株的顶芽 腋芽时 常用浓度为0 1 0 4 每日滴一至数次 并反复处理数日 使溶液透过表皮浸入组织内起作用 也可先用小片脱脂棉包裹幼芽 再往上滴药剂把棉花浸湿 三倍体西瓜的培育 Toproduceatetraploidplant thealkaloidcolchicineisappliedtotheterminalbudofabranch Allthecellsinthedevelopingbranchwillbetetraploid 4n withfoursetsofchromosomes Thisincludescellsofthestem leaves flowersandfruit Gametes eggandsperm producedbyafloweronthistetraploidbranchwillbediploid 2n withtwosetsofchromosomes Afloweronthenormaldiploid 2n branchwillproducehaploid n gametescontainingonesetofchromosomes 茶树三倍体 桑果三倍体 四倍体草莓的培育 胚乳培养在被子植物中 胚乳是双受精的产物 当雄配子进入胚囊时 由两个极核和一个雄配子融合而形成的胚乳核发育而成 所以在倍性上大多属于三倍体 细胞融合细胞融合 也称体细胞杂交 是用人工的方法把分离的不同属或种的原生质体诱导成为融合细胞 然后再经离体培养 诱导分化到再生完整植株的整个过程 其程序大致为 制备亲本的原生质体 原生质体融合 培养 再生植株 杂种鉴定 上海植生所培育的芹菜与胡萝卜远缘杂交种即用此法 体细胞无性系变异体细胞无性系变异是来源于体细胞中自然发生的遗传物质的变异 这种体细胞突变有时也会出现染色体数目的变异 形成多倍性芽变 如四倍体大鸭梨就是二倍体鸭梨的芽变 四倍体大粒玫瑰香是二倍体玫瑰香的芽变 组织培养再生植株中也会出现染色体数目的变异 通过分析再生植株的染色体数目 可分离出多倍性变异 三倍体毛白杨人工林三倍体松树 四倍体蒲公英 二倍体 三倍体 ThecultivatedEasterlilyisatetraploid 4n hybrid ThetypicalhaploidnumberforthegenusLiliumis12 n 12 Thetetraploidhybridhaslargerblossoms 三倍体对虾三倍体珍母贝 三倍体鲫鱼 3 IdentificationofPolyploidy 1 DirectIdentificationCytologicalobservation roottip stemtip直接检查其根尖或茎尖细胞的染色体数目 以确定具体的染色体倍性 染色体标本的制作方法可采用常规压片法或去壁低渗法 2 IndirectIdentificationGiantnessinthepolyploidplants leaf flower fruit seed chloroplast stoma pollens 形态鉴定法 如瓜类多倍体发芽和生长缓慢 子叶及叶片肥厚 色深 茸毛粗糙而较长 叶片较宽 较厚或有皱褶 茎较粗壮 节间变短 花冠明显增大 花色较深等 同源多倍体在植株形态上多呈 巨大性 如叶片加大 加厚 花器增大 重瓣性加强 茎增粗 叶色花色变深 果实 种子 鳞茎 块根等繁殖器官加大 加重 此外 还反应在叶绿体数目 气孔 花粉粒大小变化上 四倍体植株的气孔保卫细胞和花粉粒均比二倍体的大 最明显的变化是花器和种子显著增大 但结实率往往下降 1 经济性状表现优良的可进入选种圃进一步鉴定 2 对不稳定的嵌合类型 进行分离纯化 3 保留不能直接成为品种 但在育种上有价值的材料 4 为育种提供原始的工作 按照计划进行 4 SelectionandutilizationofPolyploidy 人工育成多倍体的应用1 花卉植物大丽花 Dahliapinnate 原产墨西哥 祖先是二倍体 2n 36 经过杂交产生若干二倍体杂种 这些杂种经过染色体加倍后形成两大类型不同的双二倍体 这两类型间又再杂交及染色体加倍 形成花色 花形丰富多彩的异源八倍体的大丽花新类型 品种繁多的月季 都是通过杂交后选出的三倍体或四倍体 2 果树类植物 苹果的栽培品种大都是二倍体 2n 2x 34 有一部分是三倍体 如通过有性杂交育成的三倍体新品种陆奥 新乔纳金 世界一及北斗等 也在生产上有一定发展 表现出树体大 生长健壮 果实大 果肉致密耐贮性好等特点 深受消费者欢迎 栽培的葡萄品种有许多是四倍体 如欧洲葡萄四倍体有 森田尼 康能玫瑰 大玫瑰香 大无核白 汤姆逊无核 佳利酿等 美洲葡萄四倍体有康可 而欧美杂交种四倍体有 大粒康拜尔及巨峰与巨鲸等巨峰系品种群 3HaploidanditsApplicationtoPlantBreeding单倍体及其在育种中的应用 单倍体类型及特点获得单倍体的方法单倍体的鉴定单倍体在遗传育种中的应用 TypesandCharacteristicsofHaploids 1 TypesofHaploidsMonohaploid 1x 一元单倍体 一倍体Polyhaploid 2x 多元多倍体Dihaploid二元单倍体 双单倍体Trihaploid三元单倍体 Homopolyhaploid同源多元单倍体Allopolyhaploid异源多元单倍体 2 CharacteristicsofHaploidsa Fertilitymaleandfemalesterileb HeredityExpressionofrecessivegenesHomozygousandstableafterchrom doubling Doubledhaploid DH 示例 单倍体黄瓜染色体行为及育性 单倍体瓜中绝大多数种子都是空瘪的 只在H2的两条瓜中发现分别有4粒和11粒种子的幼胚能够发育至子叶型 这表明该基因型单倍体的雌配子具有一定育性 雷春 2005 毕业论文 2 InductionofHaploids 随着花药和花粉培养技术的出现和发展 单倍体培育研究正迅速发展 目前已在20多个科 160种以上的植物中得到了花粉单倍体植株 2 InductionofHaploids 1 TissueandCellculturea Anthercultureb Pollenculture Microsporeculture c Ovaryornucellusculture 2 Pollinationwithdistantlyrelatedspecies 示例 远缘花粉染色体丢失 Laurie等人首次报道了小麦X玉米杂合子中玉米染色体被迅速丢失掉 产生仅有小麦染色体单倍体胚及植株 作物学报 1996 22 4 图1 小麦X玉米授粉后13 14天的胚 植株 延迟授粉 去雄后延迟授粉能提高单倍体发生频率 由于延迟授粉 花粉管即使到达了胚囊内 卵细胞由于丧失受精能力也不能受精 从而进行孤雌生殖 产生单倍体 19世纪40年代中期 用1粒小麦雄性不育系延迟授粉 发现延迟9d的效果最好 江西省农科院在水稻去雄后4d左右 采用高粱 玉米等混合花粉进行蒙导授粉 结实率达2 3 3 Delayedpollination延迟授粉 示例 延迟授粉产生单倍体 利用小黑麦给普通小麦延迟7 10d授粉 西北农业大学学报 1994 22 1 4 Pollinationwithradiatedpollens orchemicalmethods 示例 辐射花粉诱导子房产生单倍体 母本为杂合的中国生态型黄瓜更有利于产生单倍体胚 授粉组合之间单倍体胚产率差异很大 200 400Gy 药剂诱导法 用植物调节剂直接刺激卵细胞 使制之分裂诱发孤雌生殖 自从1943年细田友雄用NAA诱导水稻获得纯合 双 单倍体以来 国内外已发现60多种药剂有效 eg NAA 6 BA 2 4 D DMSO MH 其中 DMSO诱导植物孤雌生殖 直接获得纯合二倍体 还能增加细胞膜化学渗透及因起来C型有丝分裂 5 Semigamy半配生殖Eggandpollennucleusdonotfusetoproduceazygote当精核进入卵细胞后 不与雌核结合 雌 雄核各自独立分裂 所形成的胚由雌 雄核各自分裂发育而成 多为嵌合型单倍体 6 Twinseedling 双生苗 Naturalparthenogenesis单性生殖n n n 2n n 3n wherenisaparthenogenicseed 不少植物常出现双胚或多胚现象 从胚种子中长出来的双生苗 其中单倍体可能来自孤雌生殖 eg 水稻双生苗是指一粒谷发芽后产生两个苗 这种双生苗特性被认为与无融合生殖有关 浙江农业学报 1994 04 孤雌生殖诱导系 指该系作父本杂交时 能够诱导其相应的母本产生显著高于自然频率的单倍体 玉米科学 1999 7 2 eg 美国1956年发现Stock6种质系 以其与任何玉米材料杂交 后代中均出现1 2 的单倍体 法国Lashermes等选育孤雌生殖诱导系WS14 其单倍体诱导率平均可达3 5 中国刘志增等从单倍体诱导系Stock6与高油玉米群体BHO的杂交后代中经过测交选择 培育出我国第一个孤雌生殖单倍体诱导系 玉米农大高诱1号 作物学报 2000 26 5 3 IdentificationandDoublingofHaploid Identification 2 Doublinga Naturaldoubling relativelylow b artificialdoubling50ppmcolchicine秋水仙素 为什么要进行倍性鉴定 1 染色体直接计数法通常取根尖 茎尖等分生组织区进行制片 直接计数染色体数目 2 间接鉴定 1 扫描细胞光度仪鉴定 流式细胞仪 主要测定叶片