《作物抗逆育种》PPT课件

逆境 stressenvironment 或胁迫 stress 生存在自然界的植物 常常遇到某种对植物生长发育产生伤害的环境因子 抗逆育种 抗病育种抗虫育种抗旱与耐盐育种抗寒和耐热育种耐湿性与耐弱光育种抗除草剂育种植物逆境信号传递与抗逆育种 防治逆境危害的基本途径 采取一些合理 有效的农业措施 防治或减轻逆境对作物造成的危害 提高植物的抗逆性 即植物抵抗各种胁迫因子的能力 第一节抗旱与耐盐育种 全球 荒漠化土地面积3600万平方公里 占全球陆地面积的1 4 相当于俄 加 中 美四国国土的总和 并以每年5万至7万平方公里的速度扩大 1 3耕地面积供水不足 其它耕地周期性缺水 我国 85 的自然灾害为气象灾害 干旱灾害又占气象灾害的50 左右 3 4的耕地面积遭受不同程度干旱的威胁 20世纪九十年代我国北方干旱频繁发生 特别是西北地区出现了1995年和1997年的严重干旱 而南方部分地区近几年也频繁发生干旱 一 作物抗旱性免旱性在生长环境中水分不足时 植物体内仍能保持水分免受伤害 以至能进行正常生长的性能 包括保持水分的吸收和减少水分的损失 免旱性的主要特点大都表现在形态结构上 耐旱性作物忍受组织水势低的能力 不受伤害或减轻损害 耐旱的主要特点则大都表现在生理上抗旱 免旱性和耐旱性属于真正的抗旱性 避旱性通过早熟或发育的可塑性 在时间上避开干旱的危害 不属于抗旱性 干旱伤害与抗旱生理 二 干旱伤害水分亏缺伤害是由于长期无降水或降水显著偏少 以及无水灌溉或灌溉不足即干旱 使植物生长发育所需要的水分得不到满足而造成的伤害现象 三 抗旱生理气孔是植物体与外界进行H2O和CO2等气体交换的调节机构 既能使光合作用所需的CO2通过 又能防止过多水分散失 当空气干燥时 在空气饱和差引起叶水势的进一步下降 干旱 盐渍都会构成对植物的渗透胁迫 在一定范围内 植物能通过自身细胞的渗透调节作用来抵抗外界的渗透胁迫 植物不同种或品种的这种调节能力差异很大 这种差别表现为植物种或品种的抗旱性的不同 四 抗旱性鉴定 一 抗旱鉴定的方法1 田间直接鉴定法将待鉴定的材料直接播种或定植于大田利用自然降水不足或控制浇水等方法 造成干旱胁迫 在整个生育期内测定一些与抗旱有关的形态或生理生化指标 最后测定产量 计算抗旱系数 抗旱指数等 2 盆栽鉴定法将鉴定材料种质于花盆内 人工控制浇水 可以根据实验目的 在任何生育期内进行不同程度的干早胁迫处理 但工作量大 不能大批量进行 3 人工气候室与旱棚鉴定法效果好 结果稳定但投资大 设备复杂 只能用于对少量材料的深入研究 4 室内模拟干旱胁迫法在实验室内人工模拟干旱条件用PEG 甘露醇或发芽垫蒸干等方法 造成干旱胁迫 方法简单 重复性好 但只能做萌发期 苗期鉴定 后期鉴定比较困难 生理生化指标综合评价 1 叶水势 LWP 御旱作物能够通过维持较高的组织含水量来抵抗干旱胁迫 其叶水势值较高 耐旱作物其叶水势值较低 它们是在组织内部水分亏缺的情况下耐受干旱胁迫 继续生存和繁殖 2 叶片相对含水量 RWC 和水分饱和亏 WSD 3 质膜透性测定电导率即可了解质膜伤害程度 抗旱性强的品种细胞膜透性增加少 电解质外渗量少 4 气孔扩散阻力气孔是CO2进入与水分蒸腾的主要通道 气孔的开闭大小对作物抗旱起重要作用 5 保护酶活性超氧化物歧化酶 SOD 过氧化物酶 POD 和过氧化氢酶 CAT 都是植物组织防御系统中的重要保护酶 抗旱性强的品种在水分胁迫条件下 SUD CAT和POD活性明显高于抗旱性弱的品种 2 形态指标 发芽能力 幼苗存活与生长状况 根长或扎根深度 根冠比大 根系长与数量多叶小 直立 角质层厚 气孔少 气孔下陷维管束紧密 导管多直径大芽鞘长度 小麦低水势下芽鞘长度与干旱条件下产量的相关性 不耐旱叶片表皮极度密集的气孔 仙人掌表面向内凹陷的气孔 双子叶植物开放的气孔单子叶植物的气孔 3 生理生化指标离体叶片持水能力 根冠淀粉水解状况 花粉败育率 叶绿素稳定性 气孔开度 ABA 叶水势 耐高温承受力和冠层温度气孔调节膜透性 叶片导性 SOD酶活性渗透调节 K Ca 无机盐脯氨酸 渗透胁迫下积累的1种相容渗透剂 降低细胞内渗透势 保护细胞蛋白质结构和防止酶变性的作用 甘露醇 甜菜碱 糖 气孔的开闭的调节因子有昼夜节律 红蓝光 脱落酸 ABA 乙酰胆碱 二氧化碳浓度 大气湿度 温度等因素的调节 鉴定指标 产量指标 抗旱系数 干旱胁迫下产量 非胁迫下的产量干旱敏感指数 1 抗旱系数 胁迫强度抗旱指数 抗旱系数 旱地产量 所有品种旱地平均产量 第二节抗盐碱育种 全世界有盐碱地6亿多公顷 次生盐渍化约有1亿公顷 我国有盐碱耕地面积约3000万公顷 一 盐害表现盐害是植物在含水溶性盐类较多的土壤上栽培 而造成的生长不良 产量下降 甚至死亡 盐害的特点 新叶生长速率减慢是植物对盐渍响应最敏感的生理过程 生长减慢的程度与根际渗透压呈正比 盐渍条件下 无排盐结构的植物 由于蒸腾作用 地上部盐分不断积累 造成叶片含盐量过高 老叶死亡 当叶片死亡率大于生长速率时 单位叶面积下降 贮存的糖类越来越少 不能满足生长和代谢活动的需要 导致植株死亡 二 植物的耐盐性 植物对土壤的反应因物种而异 即使同一种内不同品种 也存在着明显的差异 耐盐性 指植物在盐胁迫下维持生长 形成经济产量或完成生活史的能力植物按照对盐渍的反应盐生植物淡土植物 降低地上部盐分浓度是植物耐盐的重要机理之一 膜结构和功能的完整性是控制离子运输和分配的主导因子 膜系统是植物盐害的主要部位 渗透调节能力是植物耐盐的最基本特征之一 与耐旱性不同 参与盐渍中植物渗透调节过程的不仅包括小分子有机物 还有多种无机盐离子 K Na Cl 等 虽然从能量消耗角度看 积累有机溶质需要多消耗几十倍的能量 但作为 亲和性溶质 对于植物生存是必要的 二 耐盐性鉴定 1 萌发试验法在装有能控制盐分浓度的土壤或砂的容器中播种根据种子萌发和幼苗发育的表现来鉴定植物的耐盐性 2 营养液栽培法将供试材料进行砂培或水培 控制培养液的盐分和营养成分 根据其生长表现测定其耐盐性 3 田间试验法将供试材料在适当程度的盐碱地上进行栽培试验 根据植株的生长状况及产量表现评定其耐盐性 62 植物抗盐育种的常规方法 四 植物抗旱耐盐的基因工程 渗透调节作为一种植物抗旱耐盐机制脯氨酸 甜菜碱 甘油 山梨醇 甘露醇 肌醇及其衍生物 在植物或微生物中的代谢途径已基本明确 因此 改造代谢以提高这些渗透调节物质的生物合成水平也就成为植物抗旱耐盐基因工程的首选策略 1 甜菜碱合成关键酶基因胆碱到甜菜碱合成经2步氧化 叶绿体基质 第1步反应酶是胆碱单氧化酶 CMO 第2步反应酶是甜菜碱醛脱氢酶 BADH 胆碱氧化酶codA基因的转基因水稻 在花椰菜花叶35S启动子的调控下积累甘氨酸和甜菜碱 获得抗旱耐盐能力 将胆碱氧化酶基因codA与叶绿体靶向序列结合构成嵌合基因来转化水稻 比起单独转化codA基因更为有效地提高了水稻抗旱和耐盐性 2 脯氨酸的合成酶基因鸟氨酸途径和谷氨酸途径 干旱 盐胁迫和缺氮 关键酶是吡咯琳 5 羧酸合成酶 P5CS 转入乌头叶菜豆P5CS基因来增加非盐生植物 水稻 小麦 细胞中脯氨酸的量 提高抗渗透胁迫和抗旱耐盐能力 3 糖醇合成关键酶基因糖醇是由光合作用或呼吸作用的中间产物转化而成 在干旱和盐胁迫条件下合成并积累 1 磷酸甘露醇脱氢酶 MtlD 基因 将来源于大肠杆菌的MtlD转入烟草 转基因植株能够更多合成和积累甘露醇 表现出对1 45 NaCl的抗性和提高抗旱能力 山梨醇脱氢酶 GutD 基因 大肠杆菌起源的GutD转入玉米中使得植株体内积累山梨醇 并表现出较高的抗旱耐盐性 4 离子区隔化相关基因Na H 逆向转运蛋白基因 选择性泵出Na 从大米草中分离获得该基因 转基因水稻耐盐能力提高0 3 HAL1基因 最早从啤酒酵母中克隆的 调节阳离子转移系统 增加细胞内K 含量 降低细胞内Na 含量 调节K Na 比率 该基因过量表达的酵母转化后 耐NaCl提高近2倍