植物体细胞变异

changes may remain
through cell division
for the remainder of
the cell's life and may
also last for multiple
generations. However,
there is no change in
the underlying DNA
体细胞无性系变异： 体细胞培养的任何阶段所产生的变异（细胞，原生 质体，愈伤组织，再生植株等）的统称 。
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3.体细胞无性系变异的主要表现
A 培养细胞的形态结构及生长能力的变化
不同的培养条件下棉花细胞的形态结构
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B 细胞器官分化或体细胞胚胎发生能力的改变
长期继代培养容易导致植物愈伤组织丧失胚胎发生能力
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7 DNA 甲基化变化与体细胞无性系变异
➢DNA methylation: Addition of a methyl group to the 5 position of cytosine pyrimidine ring or the number 6 nitrogen of the adenine purine ring . ➢This modification can be inherited through cell division. DNA methylation is typically removed during zygote formation and reestablished through successive cell divisions during development. ➢A crucial part of normal organismal development and cellular differentiation in higher organisms.
叶色突变体
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第三节 体细胞无性系变异的检测技术
(一 )细胞学检测 1 细胞学压片检测染色体形态和数目,以及核
型分析检测结构变异
对生物细胞核内全部染色体的形态特征所进行的分析，称为染色体组分析， 或核型分析。包括对染色体长度，着丝粒位置，长短臂比，随体的有无的描述。
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2 核DNA相对含量和倍性检测 流式细胞仪( Flow cytometer , FCM) 亦称荧光激
然而当从愈伤组织中诱导出不定芽时或者通过体 细胞胚胎发生诱导植株再生时，常常产生一些异常的再生 植株 。
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第一节 体细胞无性系变异的概念及特点
1.体细胞无性系变异的概念
早期阶段： 愈伤组织无性系(calliclones): 来源于愈伤组织再生植株 原生质体无性系(protoclones): 来源于原生质体的再生植株
Feuser et al Genotypic fidelity of micropropagated pineapple (Ananas comosus)
plantlets assessed by isozyme and RAPD markers
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Plant Cell, Tissue and Organ Culture 72: 221–227, 2003.
第四节 体细胞无性系变异在主要农作物中的表现
✓ 较早发现于无性繁殖的植物，如甘蔗、马铃薯、 菠萝、香蕉和果树等。
✓ 而后在自交作物离体再生植株中也观察到高频率 的体细胞无性系变异。组织和细胞培养是诱导体细 胞变异的重要渠道。
✓ 已成为一些主要的经济作物育种的一个重要的遗 传变异来源。
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一、甘蔗
sequence of the
organism.
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✓ 甲基化修饰在基因表达、植物细胞分化以及系 统发育中起着重要的调节作用 ✓ DNA 甲基化与基因的转录失活,尤其是转基因 ( transgene) 的失活、转座子( transposon) 的转移失活等现象有密切关系
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8 植物转座子活化与体细胞无性系变异
•在离体组织培养条件下，植物基因组会发生扩增和丢失，从而导致性状改 变，表现出变异。 •在水稻中,一些重复序列在组织培养中有显著的选择性扩增,愈伤组织的DNA 重复序列与叶片相比有5～70 倍的拷贝数差异,而不同品种的叶片间的差异 只有2～3 倍. •在土豆和六倍体小黑麦的rDNA 分析中,还观察到经组织培养而造成拷贝数 的下降。
•王敬驹在1976年从无性系中选育出高糖的新品种。
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二、果树
• 果树芽变是指多年生果树在生长过程中，芽的分 生组织细胞受到外界因子的影响发生遗传物质的 改变。芽变选种是人们在田间发现芽变后经选择、 培育、鉴定而育成新品种。
•我国有利用体细胞突变进行果树品种选育的传统。现在的许多果树
主要栽培品种都是通过芽变选种得到的，像红富士苹果，纽荷尔脐
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四、烟草
愈伤组织再生的无性系：表型和染色体数目 的变异；
烟草的花粉植株：观察到的变异性状有产量、 品质、开花期、株高、叶数、叶长、叶宽、生物 碱含量和蔗糖含量等。
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五、棉花
棉花组织培养植株再生过程中存在广泛的变异，出现在 棉花组织培养植株再生的各个时期，变异涉及到棉花的各种 性状，例如：
郭香墨等（1988）观察到在陆地棉的下胚轴愈伤组织悬 浮系中四倍体细胞占多数（47.7%）；单倍体、二倍体、三 倍体和六倍体分别占8.4%，27.8%，12.1%和2.0%；五倍体和 少于13条染色体的细胞各占1%。
在小麦(Davies 等,1986) 、水稻(凌定厚等,1987) 和 大麦(袁妙葆等,1991) 的再生植株中均发现有易位发 生。
芦笋体细胞变异
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大黄体细胞变异
4 细胞脱分化后的细胞异常分裂
有丝分裂发生Leabharlann 常则会直接引起子细胞中染色体的变异。主要 表现在（胡萝卜、烟草、大蒜等许多植物的组织培养中都观察到有丝分裂 异常的现象） ：
• Heinz和Mee(1969；1973；1971)首先报道在幼叶和幼茎愈 伤组织再生的无性系观察到形态学、细胞遗传学和同工酶 谱的变异，并利用这些变异来选育甘蔗品系。
• Liu和Chen(1976;1978)发现８个品种的无性系在许多性状 上发生变异，其中有茎秆产量，糖产量，茎杆数，茎秆直 径，致密度，纤维含量，叶耳长度和顶叶状态等，选育出 一些产量高，抗病性好的品系。
橙，温州蜜柑等。
•一般认为果树中体细胞无性系变异的频率为1%-3%，但也有在香蕉
中表型变异率达90%的报道。
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三、 马铃薯
Shepard等（1980）对从叶肉的原生质体再生的1000个 以上无性系进行分析，发现几乎找不出一个和原植株完全相 同的无性系。 生长习性、成熟期、块茎的大小和整齐度、 块茎颜色、光周期和产量均发生变异，还发现一些农艺性状 优于原品种，如抗抗晚疫病等。
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Developmental control of DNA content
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2 染色体数量变异
目前认为染色体数量变异是无性系变异重要 原因之一
数目变异又包括倍性变异和非整倍体变异 超倍体和亚倍体
在一个分裂的细胞中如果出现三极或多极纺 锤体时，必然导致染色体的不均衡分离与染色体 数目变异
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非整倍体 在组织培养过程中常出现非整倍体，多数
活细胞分类仪(FACSC): 将荧光技术与流体力学、 激光学、计算机等学科的先进技术相融合的设备。
可用作：快速测量细胞的物理或化学性质, 如 大小、内部结构、DNA、RNA、蛋白质、抗原等, 并 可对其分类收集。
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(二 )体细胞变异的分子生物学检测
主要通过无性系的酶谱、RFLP 多态性、SSR 和RAPD 多态性变化来检测变异的存在。
是由于多极纺锤体出现、染色体不分离或落后 染色体以及核裂等所致。
Larkin 等(1984) 、叶新荣等(1989) 都观察到了小麦再生植株的非整 倍体变异,其中既有染色体数目的增加,也有染色体数目的减少,甚至还存在 混倍体个体。
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3 染色体结构变异
主要是由于染色体断裂后经过修复和重新连 结所形成的易位、倒位、缺失和重复。
第四章 体细胞无性系变异与植物改良
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理论上：植物的每一个体细胞都具有相同的遗传信息，所 以，由它们分化再生的植株应当在遗传上是完全相同的， 仍保持母体植株的遗传稳定性。 实践中：人们逐渐认识到从外植体直接产生腋芽或不定芽 而形成的再生植株时，这一结论是正确的，因而可以通过 组织培养技术进行种苗的快速繁殖。
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9 细胞器DNA的变化
植物进化过程中,细胞质的叶绿体和线粒体基因组是比较 稳定的。
大多数体细胞无性系突变体中,叶绿体DNA也是稳定的 (Kemble 和Shepard ,1984) 。
✓小麦花药培养中经常出现大量的白化苗, 对这些白化苗和对照植株叶片叶绿体DNA 分析,发现叶绿体基因丢失达80% ✓无性系再生植株的线粒体DNA变异也有一 些报道
体细胞无性系变异： ➢可遗传的变异：在有性和无性繁殖世代能稳定 保持的变异
➢非遗传变异：在有性世代，即使在无性世代也 不能稳定保持的变异
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1 外植体中先存的变异 在自然界中正常生长的植物体的某些组织内,
不同程度地存在自发产生的变异细胞. 多倍体、非 整倍体和染色体结构变异都有报道.这些外植体中预 存的变异可导致培养细胞遗传基础不一致
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DNA甲基化是表观遗传学研 究的重要内容之一
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Epigenetics: study of
changes in phenotype
or gene expression
caused by mechanisms
other than changes in
the underlying DNA
sequence. These
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C 再生植株形态特征和性状的变化
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4.体细胞无性系变异的特点
①变异广泛 包括数量性状、质量性状、染色体数目和结构变
异，DNA扩增和减少，生化特性变化等，以数量性 状变异为主。 ②变异频率高
棉花体细胞培养获得的每一个再生植株几乎都存 在一定程度的变异。 ③后代稳定快
一般无性系二代就可获得稳定株系，这是优良性 状选择的关键时期，从而大大地缩短育种年限。
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④潜在的隐性性状和显性性状的活化 在无性系变异后代既可出现显性性状的改变，
也有供体植株原来没有表现的隐性性状的变异，如 雄性不育、矮杆等。
⑤起点高，效率高 选用现行最好的品种（系），作为起始材料，
一旦选育出有益性状，就能超过现有的品种，可很 快在生产中应用。
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第二节 体细胞无性系变异的遗传基础
Larkin 和Scowcroft（1981）首先提出,转座因子的活 化可能是无性系变异的原因之一。
转座因子(跳跃基因,jumping gene): 染色体组上 可以转移的基因。
实质：能够转移位置的DNA片断。 功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动 引起插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸 变）通过表现型变异得到鉴别。
①产生多极纺锤丝及其它纺锤体异常； ②有丝分裂中期染色体不能排列到赤道面上，后期出现 落后染色体和染色体桥等； ③染色体断裂、染色体融合，即出现多着丝点染色体和 染色体片断； ④体细胞配对，即在愈伤组织细胞的有丝分裂中同源染 色体配对，姊妹染色单体交换和易位等。
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5 基因突变
基因突变是指DNA序列中的碱基发生了改变， 是体细胞无性系变异的重要来源之一。
Larkin 和Scowcroft(1981)：
体细胞无性系(somaclones): 任何形式细胞培养获得的再生植株的 通称 体细胞无性系变异(somaclonal variation)：体细胞无性系所表现 出来的与原始供体的差别
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2.体细胞无性系变异概念的发展
Larkin 的观点只指再生植株的变异，而事实上离体培 养的细胞和愈伤组织也会发生很多的变异，这些细胞和愈 伤组织本身的形态结构、分化能力以及染色体变异都属于 无性系变异的范畴。
由于基因突变产生的变异较小,一般不会影 响植物体的生长发育,所以在植物育种中具有重 要的利用价值。
Brettell 等(1986a)，从645 株玉米杂种胚培 养的再生植株中,发现了一个表现稳定的Adh1(玉 米乙醇脱氢酶)位点变异体。
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6 基因扩增和基因丢失
基因扩增: 是细胞内某些特定的基因拷贝数 专一性地大量增加的现象，是细胞在短期内为满 足某种需要而产生足够的基因产物的一种 调控手段。