多倍体和单倍体育种省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、C&C多倍体与单倍体育种第三篇第三篇 新品种培育技术新品种培育技术第1页C&C枣多倍体无籽葡萄 西柚:葡萄柚(无核)美国多倍体大花萱草四倍体巨型草莓多倍体紫芦笋碧桃:桃多倍体多倍体扇贝、牡蛎第2页C&C本节主要内容:1.多倍体育种2.单倍体育种本节关键问题:多倍体形成原理与方法第3页C&C知识回顾染色质(Chromatin)是指细胞分裂间期遗传物质存在形式。染色体(Chromosome)是指细胞有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚成棒状结构。染色质(Chromatin)和染色体(Chromosome)是同一物质在不一样细胞周期中不一样形态表现。人类染色体第4页C&C几个基本概念几个基本概念1.
2、1.染色体组染色体组(ChromosomeChromosomeset/Genomeset/Genome)生物体配子全部染色体称为一生物体配子全部染色体称为一个染色体组。同一物种染色体个染色体组。同一物种染色体数目是相对稳定。配子染色体数目是相对稳定。配子染色体为单倍体(为单倍体(HaploidHaploid),用),用n n表示表示,称为一个染色体组。体细胞为,称为一个染色体组。体细胞为二倍体(二倍体(DiploidDiploid)以)以2n2n表示。表示。多数生物体是二倍体:体细胞中染色体是两两成正确。例如,果蝇有蝇有4 4对共对共8 8条染色体条染色体(如图如图),这,这4 4对染色体能够
3、分成对染色体能够分成两组两组,每一,每一组中包含组中包含3 3条常染色体和条常染色体和1 1条性条性染色体染色体。第5页C&C2.整倍体(euploid)体细胞内含有完整染色体组类型为整倍体。以小麦属为例。多个种配子染色体数(n)都是以7个染色体为基数改变。普通小麦n=21,2n=42是7六倍3.非整倍体(aneuploid)体细胞内染色体数目不是染色体组完整倍数称为非整倍体。多或少一个以至若干个染色体。第6页C&C4.染色体变异染色体变异可表达在染色体数目和结构两个方面。染色体数目能以个体或以染色体组为单位增加或降低。染色体组数量改变:成倍性增减。个体改变:一个细胞中染色体数和正常二倍体染色
4、体数相比,出现了不规则增多或降低,即为非整倍体畸变。第7页C&C5.染色体工程按照一定设计,有计划地消减、添加或代换同种或异种染色体,从而到达定向改变遗传性和选育新品种目标技术。广义上讲它还应包含染色体内部部分遗传操作技术,所以也称为染色体操作。第8页C&C第一部分 多倍体第9页C&C一一 定义定义多倍体多倍体(polyploidpolyploid):是指个体细胞中含有超出正常染色):是指个体细胞中含有超出正常染色体组数个体。是由体组数个体。是由WinklerWinkler于于19161916首先使用。首先使用。同源多倍体同源多倍体(autopolyploidautopolyploid):多倍
5、体染色体来自于同):多倍体染色体来自于同一物种或在原有染色组基础上加倍而成。一物种或在原有染色组基础上加倍而成。异源多倍体异源多倍体(allopolyploidallopolyploid):多倍体染色体来自于不):多倍体染色体来自于不同一物种。自然界中存在多倍体大多是异源多倍体。同一物种。自然界中存在多倍体大多是异源多倍体。常见多倍体有三、四、五、六和八倍体。在被子植物中,常见多倍体有三、四、五、六和八倍体。在被子植物中,最少有最少有1/31/3物种是多倍体。比如,普通小麦、棉花、烟草物种是多倍体。比如,普通小麦、棉花、烟草、苹果、梨、菊、水仙等都是多倍体、苹果、梨、菊、水仙等都是多倍体 。马
6、铃薯是四倍体马铃薯是四倍体 ,普通小麦是六倍体普通小麦是六倍体 。第10页C&C二二 特点特点(1 1)形态上)形态上巨大性巨大性(2 2)优良性状)优良性状:光合效率提升、:光合效率提升、生长速度快、营养成份提生长速度快、营养成份提升升等。等。(3 3)抗病能力强:)抗病能力强:在对逆境耐抗性方面会得到增强。在对逆境耐抗性方面会得到增强。比如:比如:三倍体桑树:表现为体细胞较大、叶肉厚、叶色深、叶质很好、三倍体桑树:表现为体细胞较大、叶肉厚、叶色深、叶质很好、抗寒性增强。抗寒性增强。花卉:三倍体花器官增大、色彩更鲜艳,同时还能使花期延迟,花卉:三倍体花器官增大、色彩更鲜艳,同时还能使花期延迟
7、,大大提升了花卉观赏价值和商业价值。大大提升了花卉观赏价值和商业价值。三倍体鲍鱼:含有高度不育性,因而使体细胞生长方面能量相三倍体鲍鱼:含有高度不育性,因而使体细胞生长方面能量相对增加,增强了鲍鱼抗逆性和抗病能力,提升了生长速度。对增加,增强了鲍鱼抗逆性和抗病能力,提升了生长速度。另外,还能够延长鱼类寿命、控制过分繁殖。另外,还能够延长鱼类寿命、控制过分繁殖。第11页C&C问题问题1 1:为何多倍体高度不育呢?:为何多倍体高度不育呢?联会(synapsis)同源染色体配对称为联会,是在减数分裂偶线期两条同源染色体侧面紧密相帖并进行配正确现象。形成一个四分体。第12页C&C以有以有3 3个染色体
8、三倍体为例,个染色体三倍体为例,3n(n=3)3n(n=3)在同源染色体联会时可能有四种取向排列方式:在同源染色体联会时可能有四种取向排列方式:四种中只有四种中只有A形成形成配子含有完整染配子含有完整染色组单倍体或者色组单倍体或者二倍体完整染色体二倍体完整染色体配子。占配子。占25%。其余其余3种组合所形种组合所形成成配子都是配子都是非整倍非整倍体染色体体染色体配子,配子,这种配子因为剂量这种配子因为剂量不一样,普通不一样,普通不成不成活活。第13页C&C普通形成正常配子几率是(普通形成正常配子几率是(1/2)n-1,这里这里n是一个染色体组中染色体个数。假如是是一个染色体组中染色体个数。假如
9、是6对对以上染色体,三倍体几乎全部不育。以上染色体,三倍体几乎全部不育。减数分裂时同源染色体联会时发生紊乱,减数分裂时同源染色体联会时发生紊乱,极难极难将完整一套染色体分配到一个配子中去。将完整一套染色体分配到一个配子中去。即即:极难形成含有完整一套染色体组配子。绝:极难形成含有完整一套染色体组配子。绝大多数配子中染色体数目不正常。大多数配子中染色体数目不正常。香蕉是三倍体香蕉是三倍体,因为染色体配对发生紊乱,因为染色体配对发生紊乱,从而不能正常地进行减数分裂,不能产生种子,从而不能正常地进行减数分裂,不能产生种子,只能经过只能经过无性繁殖无性繁殖繁衍后代。传统无性繁殖繁衍后代。传统无性繁殖往
10、往经过往往经过地下球茎地下球茎中不定芽培育成苗。中不定芽培育成苗。第14页C&C问题问题2:三:三倍体高度不育有什么好处呢?倍体高度不育有什么好处呢?食用方便:食用方便:三倍体西瓜因为极少产生有功效生殖细三倍体西瓜因为极少产生有功效生殖细胞,所以没有种子,胞,所以没有种子,无籽西瓜。无籽西瓜。食用方便,且含糖量高食用方便,且含糖量高。利用是三倍体高度不育性:。利用是三倍体高度不育性:生物安全:生物安全:能够户外人工种植或养殖,与正常品种一起。能够户外人工种植或养殖,与正常品种一起。其它优良性状其它优良性状:巨大、花期长等。三倍体杜鹃花因为:巨大、花期长等。三倍体杜鹃花因为不育,所以开花时间尤其
11、长。不育,所以开花时间尤其长。抗逆、生长快、寿命长抗逆、生长快、寿命长等。等。第15页C&C植物多倍表达象普遍植物多倍表达象普遍,多为,多为异源多倍体异源多倍体。Grant(1971)Grant(1971)预计,多倍体频率:预计,多倍体频率:被子植物中占被子植物中占4747,其中双子叶植物占,其中双子叶植物占4343,单子叶植,单子叶植物占物占5757,禾本科植物大约有,禾本科植物大约有2/32/3是多倍体。是多倍体。在裸子植物中占在裸子植物中占3838,在松柏科植物中仅占,在松柏科植物中仅占1.51.5,在,在蕨类植物中占蕨类植物中占9595。动物多倍体少动物多倍体少,并多为,并多为同源多倍
12、体同源多倍体。比如:。比如:甲壳类中一个丰年鱼为四倍体;甲壳类中一个丰年鱼为四倍体;线形动物中马蛔虫为同源四倍体线形动物中马蛔虫为同源四倍体(4n=4)(4n=4);昆虫(孤雌生殖):双翅目毛蠓科有三倍体毛蠓;膜昆虫(孤雌生殖):双翅目毛蠓科有三倍体毛蠓;膜翅目标叶蜂科有四倍体雌蜂。翅目标叶蜂科有四倍体雌蜂。第16页C&C问题问题3 3:为何动物多倍体比植物少?:为何动物多倍体比植物少?植物:植物:(1 1)大多数植物是)大多数植物是雌雄同体或雌雄同花雌雄同体或雌雄同花,它们精原,它们精原细胞和卵原细胞可能同时发生不正常减数分裂,使配细胞和卵原细胞可能同时发生不正常减数分裂,使配子中染色体数目
13、不减半,这种配子经过自体受精而自然子中染色体数目不减半,这种配子经过自体受精而自然形成了多倍体。形成了多倍体。(2 2)植物繁殖比较轻易,假如多倍体植物不能形成种)植物繁殖比较轻易,假如多倍体植物不能形成种子,它还能依靠子,它还能依靠营养器官无性繁殖营养器官无性繁殖来产生后代,所以来产生后代,所以在生物进化过程中,植物多倍体有可能被保留下来。在生物进化过程中,植物多倍体有可能被保留下来。动物:动物:(1 1)高等动物远源杂交能力很弱,这么难以形成杂种)高等动物远源杂交能力很弱,这么难以形成杂种个体。个体。(2 2)多倍体动物高度不育,)多倍体动物高度不育,染色体异常通常会造成胚胎染色体异常通常
14、会造成胚胎死亡死亡,所以极难得到多倍体子代个体。,所以极难得到多倍体子代个体。第17页C&C三三 多倍体产生原理与诱导方法多倍体产生原理与诱导方法第18页C&C1.1.植物多倍体植物多倍体(1)产生原理产生原理主要是体细胞在有丝分裂过程中,染色体完成主要是体细胞在有丝分裂过程中,染色体完成了了复制复制,不过细胞受到外界环境条件,不过细胞受到外界环境条件(如温度骤变如温度骤变)或生物内部原因干或生物内部原因干扰,扰,纺锤体形成受到破坏纺锤体形成受到破坏,以致染色体不能被拉向两极,以致染色体不能被拉向两极,细胞也不能分裂,细胞也不能分裂成两个子细胞,于是就形成成两个子细胞,于是就形成染色体数目加倍
15、染色体数目加倍细细胞。胞。第19页C&C(2 2)诱导方法诱导方法A A 化学方法化学方法细胞松弛素细胞松弛素B B:能抑制肌动蛋白聚合成微丝,从而抑制细:能抑制肌动蛋白聚合成微丝,从而抑制细胞分裂。胞分裂。秋水仙素秋水仙素:分子式为:分子式为C C2222H H2525O O6 612H12H2 2O O,是从一个百合科秋水,是从一个百合科秋水仙属植物器官中提取一个仙属植物器官中提取一个生物碱生物碱。能特异性地与细胞中。能特异性地与细胞中微管蛋白质分子结合,从而使正在分裂细胞中微管蛋白质分子结合,从而使正在分裂细胞中纺锤纺锤丝合成受阻丝合成受阻,造成复制后染色体,造成复制后染色体无法向细胞两
16、极移动无法向细胞两极移动,最终形成染色体加倍核。细胞能够在药剂去除后最终形成染色体加倍核。细胞能够在药剂去除后恢复恢复正正常分裂。常分裂。第20页C&C秋水仙素秋水仙素处理方法处理方法处理处理部位部位:只有处理正在分裂细胞才能取得多:只有处理正在分裂细胞才能取得多倍体。通常以植物倍体。通常以植物茎端分生组织或发育期幼胚茎端分生组织或发育期幼胚为材料。为材料。处理处理方式方式:秋水仙素普通用水溶液,选择以下处:秋水仙素普通用水溶液,选择以下处理理方法方法:浸渍法、涂抹法、棉花球滴渍法、喷雾浸渍法、涂抹法、棉花球滴渍法、喷雾法、注射法、药剂培养基法法、注射法、药剂培养基法等。等。第21页C&C药剂
17、浓度:不一样植物对秋水仙素敏感性不一样。实践证实,秋水仙素有效浓度一般在0.01-0.4%,以0.2%左右浓度最为常用。处理时间:一般不少于二十四小时。浓度高时处理时间可对应短些。处理温度:普通在处理温度:普通在18-25之间。之间。第22页C&CB B 生物方法生物方法 生物学方法主要指体细胞杂交,利用染色体加倍个体与生物学方法主要指体细胞杂交,利用染色体加倍个体与未加倍个体杂交繁殖多倍体后代,经常与化学与物理方法结未加倍个体杂交繁殖多倍体后代,经常与化学与物理方法结合使用。合使用。异源多倍体一个代表性例子是人工培育异源多倍体一个代表性例子是人工培育小黑麦小黑麦,它是,它是由小麦(由小麦(6
18、 6(6n=426n=42,AABBDDAABBDD)和黑麦()和黑麦(2 2(2n=142n=14,RRRR)杂)杂交而成。普通小麦染色组是交而成。普通小麦染色组是ABDABD,黑麦染色体组是,黑麦染色体组是R R,最终,最终取得杂种染色体组是取得杂种染色体组是ABDRABDR。异源多倍体(异源多倍体(21+721+7)子一代不育,但只要将它染色体)子一代不育,但只要将它染色体加倍加倍(42+14)(42+14),这么就能顺利地进行减数分裂而形成正常雌,这么就能顺利地进行减数分裂而形成正常雌雄配子,变为正常可育。培育出八倍体小黑麦含有许多新雄配子,变为正常可育。培育出八倍体小黑麦含有许多新特
19、点,形态上像小麦,但穗子、籽粒显著大于小麦,同时特点,形态上像小麦,但穗子、籽粒显著大于小麦,同时能抗严寒、干旱、贫瘠等不良条件,在高寒地域和盐碱地能抗严寒、干旱、贫瘠等不良条件,在高寒地域和盐碱地域含有普通小麦不含有优势,而且增产效果较显著,营养域含有普通小麦不含有优势,而且增产效果较显著,营养价值(如蛋白质)也有了较大改进。价值(如蛋白质)也有了较大改进。第23页C&C2 动物多倍体动物多倍体(1)产生原理产生原理:染色体加倍能够:染色体加倍能够经过保留受精卵第二极体即经过保留受精卵第二极体即抑制卵子抑制卵子第二次成熟分裂第二次成熟分裂或或抑制受精卵第抑制受精卵第一次卵裂一次卵裂来实现。来
20、实现。鱼类精子入卵时期是鱼类精子入卵时期是第二第二次减数分裂中期次减数分裂中期,刺激卵,刺激卵子继续完成第二次分裂。卵子继续完成第二次分裂。卵中原有二组染色体中中原有二组染色体中一组一组作为第二极体作为第二极体排出受精卵成排出受精卵成为正常二倍体。假如在精为正常二倍体。假如在精子入卵时第二极体不能正常子入卵时第二极体不能正常排出,则精卵原核结合成为排出,则精卵原核结合成为三倍体受精卵三倍体受精卵。假如卵子受精后,照常排出假如卵子受精后,照常排出第二极体形成第二极体形成单倍体卵单倍体卵,单,单倍卵原核与倍卵原核与单倍精原核单倍精原核结合就形成二倍受精卵,结合就形成二倍受精卵,这时再这时再抑制受精
21、卵第一次抑制受精卵第一次卵裂卵裂,则产生,则产生四倍体四倍体。第24页C&C(2 2)诱导方法)诱导方法A 物理方法物理方法机制主要是经过破坏微管形成,使由微管蛋白聚合成微机制主要是经过破坏微管形成,使由微管蛋白聚合成微管解体或阻止微管聚合过程,使染色体失去移动动力,管解体或阻止微管聚合过程,使染色体失去移动动力,人为抑制染色体向两极移动,形成多倍体细胞。人为抑制染色体向两极移动,形成多倍体细胞。第25页C&C(1 1)温度休克法)温度休克法:即用略高于或略低于致死温度冷或热:即用略高于或略低于致死温度冷或热休克来诱导三倍体休克来诱导三倍体(抑制第二极体排放抑制第二极体排放)或四倍体或四倍体(
22、抑制第一抑制第一次卵裂次卵裂)方法。依据处理温度高低分为热休克法和冷休方法。依据处理温度高低分为热休克法和冷休克法。普通冷水性鱼类如蛙科鱼类,宜用热休克,温度范围克法。普通冷水性鱼类如蛙科鱼类,宜用热休克,温度范围为为28-36;28-36;温水性鱼类宜用冷休克,温度范围为温水性鱼类宜用冷休克,温度范围为00左左右。右。经过温度调控技术诱导多倍体是物理方法中简便而效果佳经过温度调控技术诱导多倍体是物理方法中简便而效果佳方法之一。方法之一。第26页C&C(2)水静压法水静压法:采取较高水静压(如:采取较高水静压(如65kg/cm2)可抑制)可抑制卵母细胞第二极体释放或卵母细胞第二极体释放或者抑制
23、第一次卵裂诱导产生多倍者抑制第一次卵裂诱导产生多倍体方法。体方法。静水压处理破坏了有丝分裂器中静水压处理破坏了有丝分裂器中纺锤丝即纺锤体和星体纺锤丝即纺锤体和星体,从而暂时阻断了有丝分裂进程。从而暂时阻断了有丝分裂进程。该方法该方法易于掌握易于掌握,处理程序易于标准化,处理程序易于标准化,诱导率较高诱导率较高。但需但需专门设备专门设备如水压机等,同时样品室容量有限,不宜如水压机等,同时样品室容量有限,不宜大规模生产。另外,静水压处理还使大规模生产。另外,静水压处理还使染色体染色体发生了不一样程度发生了不一样程度凝缩,造成染色体在以后发育过程中展现不一样改变。凝缩,造成染色体在以后发育过程中展现
24、不一样改变。静水压处理不妥还可能使静水压处理不妥还可能使受精卵结构受精卵结构发生一些物理和化学发生一些物理和化学改变,得到子代不可防止地产生轻微染色体畸变造成发改变,得到子代不可防止地产生轻微染色体畸变造成发育受阻。因为上述原因加上处理时对设备要求生产中应用育受阻。因为上述原因加上处理时对设备要求生产中应用较少。较少。第27页C&CB B 化学法化学法细胞松弛素诱导法细胞松弛素诱导法:细胞松弛素:细胞松弛素B(CB)B(CB)造成极体保留是造成极体保留是经过阻止卵子微丝环收缩和极体分离来实现。经过阻止卵子微丝环收缩和极体分离来实现。CBCB处理比其它物理方法如温度、水压等能更有效地诱导三处理比
25、其它物理方法如温度、水压等能更有效地诱导三倍体形成。倍体形成。6-6-甲氨基嘌呤诱导法甲氨基嘌呤诱导法:6DMAP 6DMAP 是一个蛋白激素酶抑制是一个蛋白激素酶抑制剂。当剂。当6DMAP 6DMAP 与微管蛋白二聚体结合以后对微管正常与微管蛋白二聚体结合以后对微管正常结构和功效起到了抗有丝分裂作用,所以能够产生结构和功效起到了抗有丝分裂作用,所以能够产生三倍体。除了有效抑制受精卵染色体分离和原核三倍体。除了有效抑制受精卵染色体分离和原核移动,移动,6DMAP6DMAP会造成染色质分散从而使极体排放受阻诱会造成染色质分散从而使极体排放受阻诱导出三倍体。导出三倍体。C C 生物法生物法瑞齐(瑞
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