生物技术与作物育种专题知识市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、第十五章第十五章 生物技术与作物育种生物技术与作物育种第1页第一节第一节 细胞工程与作物育种细胞工程与作物育种植物细胞工程:是以植物组织和细胞培养技术为基植物细胞工程:是以植物组织和细胞培养技术为基础发展起来一门科学。础发展起来一门科学。它以细胞为单位,在体外(它以细胞为单位,在体外(in vitro)条件下进行培)条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞一些生物学特征按人们意养、繁殖或人为地使细胞一些生物学特征按人们意愿生产某种物质过程。包含花药培养、愿生产某种物质过程。包含花药培养、体细胞变异体细胞变异筛选筛选、幼胚培养、试管受精和、幼胚培养、试管受精和原生质体融合原生质体融合等等第2页理论基础
2、:理论基础:细胞全能性(细胞全能性(cell totipotency)。指细胞所含)。指细胞所含有形成各种细胞类型潜在能力。有形成各种细胞类型潜在能力。因为细胞核内有保持物种遗传性所需要全套遗传因为细胞核内有保持物种遗传性所需要全套遗传物质所以高度分化体细胞含有发育成一个生物体物质所以高度分化体细胞含有发育成一个生物体能力。能力。第3页一、植物细胞和组织培养技术一、植物细胞和组织培养技术(一)培养基及其组成(一)培养基及其组成1、培养基种类和特点、培养基种类和特点(1)MS培养基培养基(2)B5培养基培养基(3)White培养基培养基(4)N6培养基培养基(5)KM-8p培养基培养基(6)SH
3、培养基培养基第4页2、培养基成份、培养基成份无机盐和水大量元素C.H.O.N.P.K.Ca.Mg.S.Cl微量元素Fe.Cu.Mo.Zn.Mn.Co.B.Na 水蒸馏水、双蒸水或使用去离子水有机化合物 糖碳源和能源氨基酸类有机氮源维生素类 维生素b1(盐酸硫胺素)、维生素b6(盐酸砒哆醇)、生物素、烟酸、叶酸等n生长调整物质 生长素IAA、NAA、2,4-D、IBA细胞分裂素天然:6-BA、KT(激动素,糠基酰嘌呤)人工:ZT(玉米素)、2-iP 赤霉素 GA3 3成份不定物质 椰乳、酵母提取物、番茄汁、香蕉泥琼脂n 从海藻中提取一个高分子碳水化合物第5页3、培养基配置、培养基配置(1)水和药
4、品水和药品 水必须采取蒸馏水或无离子水,药品最好采取分析纯,最少是水必须采取蒸馏水或无离子水,药品最好采取分析纯,最少是化学纯药品。化学纯药品。(2)母液配置母液配置 为方便培养基制备,现将培养基各种成份分类配成浓缩母液,为方便培养基制备,现将培养基各种成份分类配成浓缩母液,正式配制时按要求用量稀释混合。正式配制时按要求用量稀释混合。(3)制备培养基制备培养基 混合各成份母液混合各成份母液 熔化琼脂熔化琼脂(4)培养基消毒培养基消毒 主要有高温高压灭菌和过滤灭菌两种方法。主要有高温高压灭菌和过滤灭菌两种方法。调调pH值值分装分装灭菌灭菌放置备用放置备用搅拌混匀搅拌混匀第6页 4、无菌操作方法、
5、无菌操作方法(1)消毒剂)消毒剂 消毒剂消毒剂 使用浓度(使用浓度(%)消除难易消除难易 消毒时间(消毒时间(min)消毒效果消毒效果次氯酸钠次氯酸钠 2 易易 530 很好很好次氯酸钙次氯酸钙 910 易易 530 很好很好过氧化氢过氧化氢 1012 最易最易 515 好好溴水溴水 12 易易 210 很好很好硝酸银硝酸银 1 较难较难 530 好好氯化汞氯化汞 0.11 较难较难 210 最好最好抗生素抗生素 450mg/L 中中 3060 很好很好第7页(2)无菌操作)无菌操作(3)无菌培养)无菌培养二、细胞和组织培养与作物育种二、细胞和组织培养与作物育种(一)体细胞克隆变异及其育种利用
6、(一)体细胞克隆变异及其育种利用1、体细胞克隆变异遗传基础、体细胞克隆变异遗传基础(1)染色体数目变异)染色体数目变异(2)染色体结构变异)染色体结构变异(3)点突变)点突变2、突变体筛选、突变体筛选第8页3、在作物改良上应用、在作物改良上应用(1)抗病)抗病(2)抗除草剂)抗除草剂(3)抗氨基酸或氨基酸类似物)抗氨基酸或氨基酸类似物(4)耐盐)耐盐(5)耐旱)耐旱优良品种优良品种细胞培养细胞培养R0R0群体群体改良体细胞克隆改良体细胞克隆确定遗传方式确定遗传方式遗传稳定性测试遗传稳定性测试田间试验田间试验育种新品系育种新品系多点田间试验多点田间试验区域试验区域试验继续田间试验、种子富集继续田
7、间试验、种子富集审定审定投入生产投入生产利用体细胞克隆变异技术路线利用体细胞克隆变异技术路线第9页(二)单倍体细胞培养及育种利用(二)单倍体细胞培养及育种利用1 1、单倍体细胞培养在遗传和育种中应用价值、单倍体细胞培养在遗传和育种中应用价值(1 1)后代快速纯合)后代快速纯合(2 2)提升选择效率)提升选择效率(3 3)排除杂种优势对后代选择干扰)排除杂种优势对后代选择干扰(4 4)遗传研究良好试验材料体系)遗传研究良好试验材料体系(5 5)突变体筛选)突变体筛选第10页 母本母本 X 父本父本F1F2品系比较试验品系比较试验区域试验区域试验花药培养花药培养花药培养花药培养加倍加倍选择判定选择
8、判定杂交育种与单倍体育种周期比较杂交育种与单倍体育种周期比较第11页2、离体培养条件下小孢子发育、离体培养条件下小孢子发育(1)营养细胞发育路径)营养细胞发育路径(2)生殖细胞发育路径)生殖细胞发育路径(3)营养细胞和生殖细胞并进发育路径营养细胞和生殖细胞并进发育路径(4)花粉均等发育路径)花粉均等发育路径3、影响花药培养原因、影响花药培养原因(1)供体植株生长条件)供体植株生长条件(2)供体植株年纪)供体植株年纪(3)花粉发育时期)花粉发育时期(4)花蕾和花药处理)花蕾和花药处理(5)培养基)培养基(6)培养条件)培养条件第12页4、单倍体细胞培养与植物育种、单倍体细胞培养与植物育种A品种品
9、种XB品种品种F1杂种杂种单倍体培养单倍体培养重组纯合体重组纯合体重组了重组了A和和B品种优点纯系品种优点纯系遗传稳定性测试遗传稳定性测试新品系新品系品种品种亲本亲本推广利用推广利用杂种优势利用杂种优势利用田间测试田间测试自交,田间测试自交,田间测试确定遗传基础确定遗传基础杂交和分离测试杂交和分离测试选择选择染色体加倍染色体加倍小孢子培养或花药培养小孢子培养或花药培养第13页三、植物原生质体培养和体细胞杂交三、植物原生质体培养和体细胞杂交植物原生质体:指用特殊方法脱去细胞壁、裸露、植物原生质体:指用特殊方法脱去细胞壁、裸露、有生活力原生质团。有生活力原生质团。第14页(一)原生质体分离(一)原
10、生质体分离标准:确保原生质体不受伤害及不损害它再生能力,标准:确保原生质体不受伤害及不损害它再生能力,先决条件要有一个适当渗透压。先决条件要有一个适当渗透压。1、分离方法、分离方法(1)机械法)机械法(2)酶法)酶法第15页n2、影响原生质体分离原因、影响原生质体分离原因n(1)材料起源)材料起源n(2)渗透压)渗透压n(3)酶)酶n(4)分离培养基)分离培养基n(5)培养条件)培养条件n(6)组织前处理)组织前处理n3、原生质体搜集、纯化和活力测定、原生质体搜集、纯化和活力测定第16页n(二)原生质体培养(二)原生质体培养n(三)细胞融合(体细胞杂交)(三)细胞融合(体细胞杂交)n1、融合方
11、法、融合方法n(1)NaNO3处理诱发融合处理诱发融合n(2)高)高pH-高浓度钙离子处理高浓度钙离子处理n(3)PEG处理处理n(4)电融合)电融合n2、融合方式、融合方式第17页n3、杂种细胞筛选、杂种细胞筛选n(1)形态互补)形态互补n(2)遗传互补)遗传互补n(3)代谢互补)代谢互补n(4)生长互补)生长互补n4、杂种判定、杂种判定n5、细胞融合与作物育种、细胞融合与作物育种第18页第二节第二节 转基因技术与作物育种转基因技术与作物育种l作物转基因育种:依据育种目标,从供作物转基因育种:依据育种目标,从供体生物中分离目标基因,经体生物中分离目标基因,经DNADNA重组与重组与遗传转化或
12、直接运载进入受体作物,经遗传转化或直接运载进入受体作物,经过筛选取得稳定表示遗传工程体,在经过筛选取得稳定表示遗传工程体,在经过田间试验与大田选择育成转基因新品过田间试验与大田选择育成转基因新品种或种质资源。种或种质资源。第19页l常规育种技术相比,转基因育种含有很常规育种技术相比,转基因育种含有很大优势:大优势:1.能够利用基因资源大大拓宽。能够利用基因资源大大拓宽。2.为培育优良品种提供了崭新育种路径。为培育优良品种提供了崭新育种路径。3.能够对植物目标性状进行定向变异和定向能够对植物目标性状进行定向变异和定向选择。选择。4.能够大大提升选择效率,加速育种进程。能够大大提升选择效率,加速育
13、种进程。第20页n(一)作物转基因技术(一)作物转基因技术n1、转基因技术发展现实状况、转基因技术发展现实状况n(1)国际转基因植物研究与现实状况)国际转基因植物研究与现实状况作物 1996年 1997年 1997年/1996年 n大豆n玉米n烟草n棉花n油菜n累计 50301008012280 5103201601401201250 10.210.71.61.8104.5 全球转基因作物种植面积比较全球转基因作物种植面积比较(单位:万公顷)(单位:万公顷)第21页(2)我国转基因作物研究与利用概况)我国转基因作物研究与利用概况转转Bt基因抗虫棉对棉铃虫抗性表现基因抗虫棉对棉铃虫抗性表现第22
14、页(二)转基因育种程序(二)转基因育种程序 目标基因或DNA获取含有目标基因或者DNA重组质粒构建受体材料选择和再生系统建立转基因方法确实定和外源基因转化转化体筛选和判定转基因植株育种利用第23页n1、目标基因取得n(1)依据基因表示产物-蛋白进行基因克隆u分离和纯化控制目标性状蛋白质或多态,进行氨基酸序列分析;u依据所氨基酸序列推导对应核苷酸序列;u采取化学合成方法合成该基因;u经过对应功效判定来确定所推导序列是否为目标基因。第24页n(2)从基因组DNA或mRNA序列克隆基因 A、同源序列法和表示序列标签法n同源序列法是依据基因家族组员所编码蛋白质结构中含有保守氨基酸序列特点发展一条快捷克
15、隆即因家族未知组员新路径,即基于同源序列候选基因法。n表示序列标签是指能够特异性标识某个基因部分序列,通常包含了该基因足够信息区,因而能够和其它基因相区分。当前,表示序列标签主要是经过cDNA路径取得。第25页B、依据连锁图谱克隆基因准确定位大片段准确定位大片段DNADNA文库文库连锁分子标识筛选连锁分子标识筛选含目标基因大片含目标基因大片段段DNADNA克隆克隆含目标基因精细含目标基因精细物理图物理图染色体步行染色体步行分段制成探针分段制成探针cDNAcDNA文库文库目基因亚克隆文库含目标基因 亚克隆序列分析及 基因克隆目标基因图位克隆方法示意图目标基因图位克隆方法示意图目标基因图位克隆方法
16、示意图目标基因图位克隆方法示意图第26页C、转座子标签法纯合体突变株纯合体突变株核基因库核基因库1 1带转座子带转座子DNADNA片断片断野生型植株野生型植株核基因库核基因库2 2完整目标基因完整目标基因互补测验互补测验检测功效检测功效转座子探针亚克隆片断做探针转座子标签法克盛大要农艺性状基因示意图第27页D D、差异显示法、差异显示法n在生物个体发育不一样阶段或是在不一样组织、空间进行有序表示方式,叫做基因差异表示。n差异显示PCR是指经过对起源特定组织类型总mRNA进行PCR扩增、电泳,并找出待测组织和对照之间特异扩增条带,该条代就有可能是全长或是部分特异表示基因,利用这种方法进行基因克隆
17、方式就是差异显示法基因克隆。n现在又出现了限制性消减杂交(SSH)和RNA任意引物PCR(RAD-PCR)等各种方法。第28页2、目标基因重组质粒构建质粒重组基本步骤:从原核生物中获取目标基因载体并进行改造;利用限制性内切核酸酶将载体切开,并用连接酶把目标基因连接到载体上,取得DNA重组体。第29页第30页3、受体材料选择、受体材料选择(1 1)良好植物基因转化系统应含有条件:)良好植物基因转化系统应含有条件:高校稳定再生能力;高校稳定再生能力;受体材料要有较高遗传能力;受体材料要有较高遗传能力;含有稳定外植体起源;含有稳定外植体起源;对筛选剂敏感。对筛选剂敏感。(2 2)惯用受体材料类型:)
18、惯用受体材料类型:l愈伤组织再生系统愈伤组织再生系统l直接分化再生系统直接分化再生系统l原生质体再生系统原生质体再生系统l胚状体再生系统胚状体再生系统l生殖细胞再生系统生殖细胞再生系统 第31页4、转基因方法确实定和外源基因转化(1).载体介导转移系统 将外源基因重组进入适合载体系统,经过载体携带将外源基因导入植物细胞并整合在核染色体组中伴随核染色体组一起复制和表示。主要方法有:叶盘法真空渗透法原生质体共培养法第32页(2).外源基因直接导入法 这是一个不需要借助载体介导,直接利用理化原因进行外援遗传物质转移方法。主要方法有:化学刺激法基因枪轰击法(gene gun)高压电穿孔法(electr
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