8 多倍体与单倍体植物

2、单倍体特点

单倍体高度不育：减数分裂联会紊乱-没有配对的同源染色体。
由于单倍体只具有一套染色体，染色体上的每个基因都

能表现相应的性状，所以极易发现所产生的突变，尤其
是隐性突变，所以单倍体是进行染色体遗传分析的理想
实验材料。

由于通过人工方法使单倍体的染色体加倍就可以获得纯 合二倍体，可缩短育种年限，因此在育种上具有极高价值。
（4）营养成分高：碳水化合物、蛋白质、维生素等含量都会增加。
但是多倍体动物少，并多为同源多倍体。
4倍体葡萄
3倍体无籽西瓜
多倍体菊花
小麦：2倍体与6倍体
多倍体人参
烟草2倍体，4倍 体和8倍体叶片表 皮细胞、气孔的比较
细胞工程
Chapter 8
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水稻花药培养程序
旗叶鞘用70％酒精擦洗一遍 左手持穗， 右手用镊子 取出花药， 无菌培养皿 中 用接种环接种到 培养基上
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剥去旗叶鞘， 取出稻穗
70％酒精 手洗两遍
10％NaCl 10 min， 无菌水洗5次。
培养5天后，花药变黑褐色， 20天花药裂开，长出淡黄色 的花粉愈伤组织，先形成芽， 后长出根，形成幼苗。
第8章 多倍体与单倍体植物
本节主要内容：
1.染色体工程 2.多倍体植物育种 3.单倍体与纯合二倍体植物育种
§8.1 染色体工程
概念：按照一定的设计，有计划地消减、添加或代换 同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传性和选育 新品种的目的的技术。
几个基本概念
1.染色体组（Chromosome
set/Genome） 生物体配子的全部染色体称为一 个染色体组。同一物种的染色体 数目是相对稳定的。配子染色体 为单倍体（Haploid），用n表示 ，称为一个染色体组。体细胞为 二倍体（Diploid）以2n表示。 多数生物体是二倍体：体细胞中 染色体是两两成对的。例如，果 蝇有4对共8条染色体(如图)，这 4对染色体可以分成两组，每一 组中包括3条常染色体和1条性 染色体。
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（3）单倍体的筛选
◆ 培养产物：单倍体、二倍体（药壁）、多倍体和 非整倍体。 ◆筛选方法： 形态鉴定法：观察植株形态，准确性低。 结实性鉴定：单、三、非倍体不结实，二倍体结实。 染色体数目鉴定：压片法显微镜检查根/茎尖染色体。 生化标记鉴定：单倍体同工酶带数1条，杂合体多条。 分子标记鉴定： RFLP、RAPD、SSR、STS、AFLP
2.多倍体植物特点
（1）形态上的巨大性：表现在果实、种子、茎、叶、气孔等。
多倍体植物一般光合效率高、生长速度快。
（2）育性低：同源多倍体常表现出高度不育（Why?)，可获无籽， 可通过无性繁殖；但异源多倍体是可育的，自交亲和，结实率较高。
（3）抗逆性强：多倍体新陈代谢旺盛，对逆境的耐抗性方面增强。
§8.3 单倍体与纯合二倍体
1、单倍体概念：细胞中含有正常体细胞的一半染色 体数，即具有配子染色体数目的个体。 思考：单倍体是不是就是一倍体？ 水稻是二倍体,其单倍体是一倍体(n=x=12)
普通烟草是异源四倍体，单倍体是二倍体（ n=2x=Ts=24） 普通小麦是异源六倍体 单倍体是三倍体（ n=3x=ABD=21）
2.整倍体（euploid）
体细胞内含有完整的染色体组的类型为整倍体。 以小麦属为例，普通小麦 n=7，6n=42， 是六倍体。
源自文库
3.非整倍体（aneuploid）
体细胞内的染色体数目不是染色体组的完整倍 数的称为非整倍体。多或少一个以至若干个染 色体，如2n+1。
4.染色体变异
染色体变异可体现在染色体数目和结构两个方面。 染色体数目能以单个染色体或以染色体组为单位的 增加或减少。 染色体组数量改变：成倍性增减。 染色体结构改变：包括基因删除、重排、倒位及异 染色质化。
B 生物法
杂交法：主要指体细胞，利用染色体加倍个体与未加倍 个体杂交繁殖多倍体后代，经常与化学和物理方法结合 使用。 异源多倍体一个代表性的例子是人工培育的小黑麦。
胚乳培养法：胚乳培养可获得三倍体植株，Why?。
胚乳=3n（一个染色体组来自雄配 子，2个来自雌配子，故加倍后可获 得三倍体。
♀
♂
八倍体小黑麦
③药剂浓度：不同植物对秋水仙素的敏感性不 同。实践证明，秋水仙素的有效浓度一般在 0.01-0.5%，以0.2%左右的浓度最为常用。
④处理时间：一般不少于24h。过于幼嫩、浓度 高时处理时间可相应短些。间歇处理比持续处理 效果好。处理时间过长会使分生组织停长死亡。 ⑤处理温度：一般在18-25℃之间。高温成功率大。
2.多倍体植物特点
（1）形态上的巨大性：表现在果实、种子、茎、叶、气孔等。
多倍体植物一般光合效率高、生长速度快。
（2）育性低：同源多倍体常表现出高度不育（Why?)，可获无籽， 可通过无性繁殖；但异源多倍体是可育的，自交亲和，结实率较高。
（3）抗逆性强：多倍体新陈代谢旺盛，对逆境的耐抗性方面增强。
（2）植株再生培养
◆ 再生途径：
①器官发生途径：由花粉脱分化形成愈伤组织（即分化程序很 低的薄壁细胞团），再由愈伤组织再分化出根和芽，最后形成
植株。
②胚状体途径：由花粉分裂直接形成胚状体（不是由合子发育 成的胚叫胚状体），或先形成胚性愈伤组织再分化出胚状体，
然后由胚状体长成植株。
◆培养方法：直接培养、看护培养等 培养基种类：MS、B5、NTH
培育出的八倍体小黑麦具有许多新的特点：穗子、籽粒显 著大于小麦，增产效果明显，同时能抗寒冷、干旱、贫瘠 等不良条件，营养价值（如蛋白质）也有较大改善。
4 多倍体植物的鉴定
人工诱导处理过的群体可能是由多倍体、二倍体甚至是嵌合 体等混合群体，所以需要鉴定、筛选出需要的多倍体。
间接法： （1）核体积测量法：一般而言，细胞核大小与染色体数目成 比例，为了维持恒定的核质比例，随着细胞核的增大，细胞大 小也按比例增加。因此多倍体细胞及细胞核通常要比二倍体大 一些。因此，通过体细胞核体积的测定可以鉴定染色体的倍性。 缺点是比较费时、准确性不高。
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草莓花药愈伤组织
草莓花药再生植株
草莓花药植株（染色体加倍）
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本章小结 染色体工程相关概念
多倍体定义、特点、产生原理、诱导方法
单倍体定义、特点、花药/花粉培育方法、纯合二倍 体产生
直接鉴定法： （2）染色体计数法：将细胞固定制片、染色后观察染色 体个数。由于染色体制片技术比较成熟，因此该方法仍 是目前鉴定多倍体倍性的一种直观、准确的方法，缺点 是比较费时。
（3）DNA含量测定：可以测定单个细胞的DNA含量， 再根据细胞DNA比较来推断出细胞的倍性。如果发现 杂种的DNA含量是其亲本的一倍半，就可以确定这些杂种 是三倍体。DNA含量测定法快速准确，能测出嵌合体，但 是缺点是需要专门仪器，如核酸检测仪。
成两个子细胞，于是就形成染色体数目加倍的细 胞。
（2）多倍体诱导方法
A 化学诱导法
细胞松弛素B：能抑制肌动蛋白聚合成微丝，从而抑制细 胞分裂。 秋水仙素：分子式为C22H25O6•12H2O，是从一种百合科秋水 仙属植物器官中提取的一种生物碱。能特异性地与细胞中 的微管蛋白质分子结合，从而使正在分裂的细胞中的纺锤 丝合成受阻，导致复制后的染色体无法向细胞两极移动， 最终形成染色体加倍的核。细胞可以在药剂去除后恢复正 常分裂。 秋水仙素是目前诱导植物多倍体应用最为广泛的诱导剂。
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4 纯合二倍体植物的形成
◆ 对鉴定后的单倍体植株应尽早进行染色体加倍处理，可 获得可育的纯合二倍体植株。 ◆常用秋水仙素处理方法： ①浸泡法：禾本科在分蘖期将分蘖节以下部分浸泡在0.1%左 右秋水仙素2-3d，流水冲洗0.5h，移栽，鉴定。 ②涂抹法：木本植物用0.2%左右秋水仙素棉球涂抹顶芽或腋 芽生长点，处理2-3d，鉴定萌发枝条倍性。 ③组培期处理：在培养基中加入秋水仙素或事先浸泡处理后 再培养。 细胞工程 Chapter 8
思考问题：为什么多倍体植株高度不育呢？
同源多倍体在减数分裂联会期，同源染色体配紊乱， 多数不能形成正常配子。
3n(n=3) 以有 3个染色体组的三倍体香蕉为例 在同源染色体联汇时可能有四种取向的排列方式：
四种中只有A形成 的配子具有完整染 色组的单倍体或者 二倍体完整染色体 的配子。占25%。 其余3种组合所形成 的配子都是非整倍 体染色体的配子， 这种配子由于剂量 不同，一般不成活。
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单倍体大大缩短育种周期
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3、单倍体植物的培养
途径：花药和花粉培养 （Anther and pollen culture） 指离体培养花药和花粉（雄配 子，n ），形成花粉植株，从 中鉴定出单倍体植株，经染 色体二倍化后获得的纯合二 倍体植物。属于 雄核发育(Androgenesis)或孤雄生殖：卵细胞不受精， 卵核消失，或卵细胞受精前失活，由精核在卵细胞内 单独发育成单倍体，因此只含有一套雄配子染色体。 这类单倍体的发生频率很低。
秋水仙素处理方法
①处理部位：只有处理正在分裂的细胞才能获得多 倍体。通常以植物茎端分生组织或发育期的幼胚 为材料。
②处理方式：秋水仙素一般用0.1-0.5%水溶液，选择 处理方法：浸渍法、涂抹法、喷雾法、注射法、药剂 培养基法等。以前两种方法最常用，见P76.
浸渍法：种子浸泡催芽，胚根露白时， 0.1-0.5%秋水仙素 处理24h，冲洗，播种。 涂抹法：涂抹在芽生长点上，早晚各1次。
§8.2 多倍体植物
1、定义
多倍体（polyploid）：是指个体细胞中含有超过正常染色 体组数的个体。
同源多倍体（autopolyploid）：多倍体的染色体来自于同 一物种或在原有染色组的基础上加倍而成。 异源多倍体（allopolyploid）：多倍体的染色体来自于不 同一物种。自然界中存在的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， 至少有1/3的物种是多倍体。例如，普通小麦、棉花、烟草 、苹果、梨、菊、水仙等都是多倍体 。马铃薯是四倍体 ， 普通小麦是六倍体 。
（4）营养成分高：碳水化合物、蛋白质、维生素等含量都会增加。
但是多倍体动物少，并多为同源多倍体。
3 多倍体产生原理与诱导方法
（1）多倍体产生原理 主要是体细胞在有丝分裂的过程中，染色体完成
了复制，但是细胞受到外界环境条件(如温度骤变
)或生物内部因素的干扰，纺锤体的形成受到破坏
，以致染色体不能被拉向两极，细胞也不能分裂
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（1）花药和花粉的制备
◆ 花药：采集未开放花蕾，消毒，剥取花药，接种。 ◆ 花粉制备：
①自然释放法：花药接种于聚蔗糖溶液中漂浮培养1-7d，药 壁开裂释放出花粉，过滤收集，接种培养。
②机械分离法： 分离：用注射器或磁力搅拌器挤压花药（溶解在蔗糖或培养 液中），释放出花粉。 过筛：用30-50目筛网过滤释放出的花粉混合液。 清洗：离心2-3次（用蔗糖或培养液悬浮），收集花粉沉淀， 最后用培养液稀释到适当密度。接种培养。