植物染色体工程
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植物染色体工程
2020年5月31日星期日
定义
染色体工程: 是人们按照一定的设 计,有计划地消减、添加或代换同种 或异种染色体的技术。
广义上讲它还包括染色体内部的部 分遗传操作技术。
染色体数目变异
整倍变化：
多倍体：细胞中含有三个或更多染色体组的个体 单倍体：细胞中含有正常体细胞的一半染色体数
非整倍体变化：
正常小麦、 单体小麦、 缺体小麦 （2N=42） （2N=41） （2N=40）
• 有目标地替换染色体
•小麦抗病品种： 20II+6BIIRR； •不抗病6B单体： 20II+ 6BIIrr；
• 20II+ 6BIr；x 20II+6BIIRR
•20II+6BIIRr（双体抗病） 20II+6BIR （单体抗病）
烟草2倍体， 4倍体和8倍 体叶片表皮 细胞的比较
多倍体育种的重要应用
新型农业食品资源
无籽西瓜：没有籽、品质好、食用方便、高产抗病 异源多倍体小黑麦：产量高、品质好
高品质树木培育
多倍体桑树：体细胞较大、叶肉厚、叶质较好、抗 寒性强
三倍体毛白杨
2. 染色体加倍技术
A、化学诱导方法 • B、生物学方法
单倍体细胞在人工离体条件下培养，使 其单性发育成植物体。这种具有单套染色体 的植物称为单倍体植物
高等植物孢子体与配子体 世代交替
（1）单倍体育种的概念
将具有单套染色体的单倍体植物，经人 工染色体加倍，使其成为纯合二倍体。 从中选出具有优良性状的个体，直接繁 育成新品种；或选出具有单一优良性状 的个体，作为杂交育种的原理材料，称 为单倍体育种
（2）植物单倍体育种方法
异源花粉授粉 延迟授粉 未授粉子房培养和花粉培养
种间或属间远缘杂交
• 栽培大麦(Hordeum vudare, 2n=2x=14)与野生球茎大麦(H. bulbosus, 2n=2x=14)杂种胚发育过程中，两物种染色体的行 为不协调可导致球茎大麦的染色体逐渐丢失(称为染色体消 减现象)，可获得大麦的单倍体植株
•异源四倍体 •AABB •(2n=4x)
•染色体加倍
无籽西瓜的育成：
•二倍体西瓜 •秋水仙素加倍 •四倍体西瓜
•2n=2x=22
•2n=4x=44
•四倍体西 瓜
•x
•二倍体西 瓜
•2n=4x=44
•2n=2x=22
•配子：n=2x=22 •配子：n=X=11
•三倍体西瓜 •2n=3x=33
异源八倍体小黑麦的培育
3、单倍体育种的优越性
植物单倍体育种: 由于单倍体只有一套染色体， 染色体上的每个基因都能显示相应的性状，所以极易 发现所产生的突变，尤其是隐性突变，在表型上可以 直接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ现出来，所以单倍体是研究基因或基因效应、 进行染色体遗传分析的理想实验材料
类型
1）克服杂种分离，缩短杂交育种年限 2）排除显、隐性基因干扰，提高选择效率 3）单倍体是诱变育种的良好材料 4）能克服远缘杂交的不孕性，创造生物新
B、生物学方法 1——远缘杂交
•B、生物学方法 2——体细胞杂交 •（原生质体融合）
•3. 植物的多倍体育种
•二倍体 •AA
•(2n=2x)
•二倍体 •BB
•(2n=2x)
•同源三倍体 •AAA
•(2n=3x)
•染色体加倍
•染色体加倍
•同源异源八倍体 •AAAABBB •(2n=8x)
•同源四倍体 •AAAA •(2n=4x)
单体（2n-1）与缺体（2n-2）的制备
以小麦为例：2N=42，AABBDD 1）单倍体小麦ABD 自交（配子中有N=20；N=21） 正常小麦、 单体小麦、 缺体小麦 （2N=42） （2N=41） （2N=40）
2）单倍体小麦与二倍体小麦 正常小麦、单体小麦
3）单体小麦（2N=41）自交 自交（配子中有N=20；N=21）
•花药培养获得单倍体 •染色体消减获得单倍体大麦
（3）花粉单倍体植物的培养程序
材料准备
顺利通过污染关 选用适宜发育时期的花粉 逆境处理对促进小孢子脱分化和再分化的效应
诱导花粉脱分化形成愈伤组织或胚状体
小孢子脱分化和再分化的时间 诱导小孢子形成胚状体和愈伤组织的技术关键
愈伤组织的植株分化或胚状体的正常生长
•父
本
•二倍体
•四倍体
•有籽 西瓜
•花粉刺激 •（提供生长素）
•种下 去
•三倍体植株
•普通西瓜植株 •无籽西
用秋水仙素诱导植物多倍体 注意事项
处理部位：正在分裂的细胞 处理方式：用水溶液，也可混入羊毛 脂、琼脂或凡士林中。 药剂浓度：一般在0.01%－0.4% 处理时间：一般不少于24h 处理温度：一般18－25℃
染色体减少：单体（减1条）、缺体（减1对） 染色体增加：三体（加1条）、四体（加1对） 染色体代换：同种代换、异种代换
一、 植物染色体倍性改造
1. 人工诱导植物多倍体的意义 2. 染色体加倍技术 3. 植物的多倍体育种 4. 植物的单倍体育种
•1. 人工诱导植物多倍体的意义
多倍体(polyploidy): 植物的性状比原来 的二倍体气孔、花、果实和种子比二倍体 者为大，叶肉较厚，茎秆也较粗壮
植物异源多倍体——八倍体小黑麦的人工培育
普通小麦品种间杂种♀ × ♂黑麦
（AABBDD 2n=42）
（RR 2n =14）
杂种一代 不孕 （ABDR 4x=28)
人工加倍染色体
八倍体小黑麦 （AABBDDRR 8x=56)
•4. 植物单倍体育种
植物减数分裂后形成的雌雄配子，其染 色体数目为体细胞的一半。将这种具有单套 染色体的细胞称为单倍体细胞
A、化学方法
1. 细胞松驰素B(cytochalasin)
能抑制肌动蛋白聚合成微丝，从而抑制细胞质分 裂，使用最早、最广泛，其诱导效果也最突出。
2. 秋水仙素(colchicine)
阻止细胞分裂过程中的纺缍体的形成。 特点：化学药物价格昂贵，有毒性
三倍体无籽西瓜的生产
•母本
•父本
•母本
•去雄授粉
基本培养基选择 植物激素的调节 糖浓度调节
完整植物体的形成再生小植株的驯化和移植
（4）单倍体植物的染色体加倍
加倍方法：
用得最多的是化学诱变法 秋水仙素、富民农、对二氯苯、8-羟基喹
啉等
加倍技术
小苗浸泡法 生长锥处理 培养基加倍
二、染色体非整倍体变化
1. 个别染色体的削减和添加 2. 染色体代换
1、个别染色体的削减和添加
2020年5月31日星期日
定义
染色体工程: 是人们按照一定的设 计,有计划地消减、添加或代换同种 或异种染色体的技术。
广义上讲它还包括染色体内部的部 分遗传操作技术。
染色体数目变异
整倍变化：
多倍体：细胞中含有三个或更多染色体组的个体 单倍体：细胞中含有正常体细胞的一半染色体数
非整倍体变化：
正常小麦、 单体小麦、 缺体小麦 （2N=42） （2N=41） （2N=40）
• 有目标地替换染色体
•小麦抗病品种： 20II+6BIIRR； •不抗病6B单体： 20II+ 6BIIrr；
• 20II+ 6BIr；x 20II+6BIIRR
•20II+6BIIRr（双体抗病） 20II+6BIR （单体抗病）
烟草2倍体， 4倍体和8倍 体叶片表皮 细胞的比较
多倍体育种的重要应用
新型农业食品资源
无籽西瓜：没有籽、品质好、食用方便、高产抗病 异源多倍体小黑麦：产量高、品质好
高品质树木培育
多倍体桑树：体细胞较大、叶肉厚、叶质较好、抗 寒性强
三倍体毛白杨
2. 染色体加倍技术
A、化学诱导方法 • B、生物学方法
单倍体细胞在人工离体条件下培养，使 其单性发育成植物体。这种具有单套染色体 的植物称为单倍体植物
高等植物孢子体与配子体 世代交替
（1）单倍体育种的概念
将具有单套染色体的单倍体植物，经人 工染色体加倍，使其成为纯合二倍体。 从中选出具有优良性状的个体，直接繁 育成新品种；或选出具有单一优良性状 的个体，作为杂交育种的原理材料，称 为单倍体育种
（2）植物单倍体育种方法
异源花粉授粉 延迟授粉 未授粉子房培养和花粉培养
种间或属间远缘杂交
• 栽培大麦(Hordeum vudare, 2n=2x=14)与野生球茎大麦(H. bulbosus, 2n=2x=14)杂种胚发育过程中，两物种染色体的行 为不协调可导致球茎大麦的染色体逐渐丢失(称为染色体消 减现象)，可获得大麦的单倍体植株
•异源四倍体 •AABB •(2n=4x)
•染色体加倍
无籽西瓜的育成：
•二倍体西瓜 •秋水仙素加倍 •四倍体西瓜
•2n=2x=22
•2n=4x=44
•四倍体西 瓜
•x
•二倍体西 瓜
•2n=4x=44
•2n=2x=22
•配子：n=2x=22 •配子：n=X=11
•三倍体西瓜 •2n=3x=33
异源八倍体小黑麦的培育
3、单倍体育种的优越性
植物单倍体育种: 由于单倍体只有一套染色体， 染色体上的每个基因都能显示相应的性状，所以极易 发现所产生的突变，尤其是隐性突变，在表型上可以 直接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ现出来，所以单倍体是研究基因或基因效应、 进行染色体遗传分析的理想实验材料
类型
1）克服杂种分离，缩短杂交育种年限 2）排除显、隐性基因干扰，提高选择效率 3）单倍体是诱变育种的良好材料 4）能克服远缘杂交的不孕性，创造生物新
B、生物学方法 1——远缘杂交
•B、生物学方法 2——体细胞杂交 •（原生质体融合）
•3. 植物的多倍体育种
•二倍体 •AA
•(2n=2x)
•二倍体 •BB
•(2n=2x)
•同源三倍体 •AAA
•(2n=3x)
•染色体加倍
•染色体加倍
•同源异源八倍体 •AAAABBB •(2n=8x)
•同源四倍体 •AAAA •(2n=4x)
单体（2n-1）与缺体（2n-2）的制备
以小麦为例：2N=42，AABBDD 1）单倍体小麦ABD 自交（配子中有N=20；N=21） 正常小麦、 单体小麦、 缺体小麦 （2N=42） （2N=41） （2N=40）
2）单倍体小麦与二倍体小麦 正常小麦、单体小麦
3）单体小麦（2N=41）自交 自交（配子中有N=20；N=21）
•花药培养获得单倍体 •染色体消减获得单倍体大麦
（3）花粉单倍体植物的培养程序
材料准备
顺利通过污染关 选用适宜发育时期的花粉 逆境处理对促进小孢子脱分化和再分化的效应
诱导花粉脱分化形成愈伤组织或胚状体
小孢子脱分化和再分化的时间 诱导小孢子形成胚状体和愈伤组织的技术关键
愈伤组织的植株分化或胚状体的正常生长
•父
本
•二倍体
•四倍体
•有籽 西瓜
•花粉刺激 •（提供生长素）
•种下 去
•三倍体植株
•普通西瓜植株 •无籽西
用秋水仙素诱导植物多倍体 注意事项
处理部位：正在分裂的细胞 处理方式：用水溶液，也可混入羊毛 脂、琼脂或凡士林中。 药剂浓度：一般在0.01%－0.4% 处理时间：一般不少于24h 处理温度：一般18－25℃
染色体减少：单体（减1条）、缺体（减1对） 染色体增加：三体（加1条）、四体（加1对） 染色体代换：同种代换、异种代换
一、 植物染色体倍性改造
1. 人工诱导植物多倍体的意义 2. 染色体加倍技术 3. 植物的多倍体育种 4. 植物的单倍体育种
•1. 人工诱导植物多倍体的意义
多倍体(polyploidy): 植物的性状比原来 的二倍体气孔、花、果实和种子比二倍体 者为大，叶肉较厚，茎秆也较粗壮
植物异源多倍体——八倍体小黑麦的人工培育
普通小麦品种间杂种♀ × ♂黑麦
（AABBDD 2n=42）
（RR 2n =14）
杂种一代 不孕 （ABDR 4x=28)
人工加倍染色体
八倍体小黑麦 （AABBDDRR 8x=56)
•4. 植物单倍体育种
植物减数分裂后形成的雌雄配子，其染 色体数目为体细胞的一半。将这种具有单套 染色体的细胞称为单倍体细胞
A、化学方法
1. 细胞松驰素B(cytochalasin)
能抑制肌动蛋白聚合成微丝，从而抑制细胞质分 裂，使用最早、最广泛，其诱导效果也最突出。
2. 秋水仙素(colchicine)
阻止细胞分裂过程中的纺缍体的形成。 特点：化学药物价格昂贵，有毒性
三倍体无籽西瓜的生产
•母本
•父本
•母本
•去雄授粉
基本培养基选择 植物激素的调节 糖浓度调节
完整植物体的形成再生小植株的驯化和移植
（4）单倍体植物的染色体加倍
加倍方法：
用得最多的是化学诱变法 秋水仙素、富民农、对二氯苯、8-羟基喹
啉等
加倍技术
小苗浸泡法 生长锥处理 培养基加倍
二、染色体非整倍体变化
1. 个别染色体的削减和添加 2. 染色体代换
1、个别染色体的削减和添加