【生物技术】第七讲 植物体细胞遗传学

体细胞变异的细胞遗传学基础
3 非正常有丝分裂 离体培养中,染色体除了整倍性变异外, 离体培养中,染色体除了整倍性变异外, 还可观察到大量的非整倍性变异, 还可观察到大量的非整倍性变异,这种愈伤 组织往往分化能力低下, 组织往往分化能力低下,再生植株大多生长 不正常,有性繁殖的遗传稳定性差. 不正常,有性繁殖的遗传稳定性差. 纺锤体形成异常使得有丝分裂不正常是 其原因之一. 其原因之一. 非正常有丝分裂包括多极纺锤体形成和 核裂. 核裂.
自然条件下的细胞周期
正常的细胞周期:在顶端分生组织中,由 于DNA合成之后立即进行核与细胞质的分 裂,故细胞都保持在二倍体水平. 异常的细胞周期:以上细胞的衍生细胞, 在以后的分化过程中,进行核内有丝分裂 和核内复制,结果是出现体细胞多倍性.
中柱鞘,原形成层和形成层细胞保持 二倍体状态,因此,通过茎尖培养产生的 植株和中柱鞘起源的侧根始终是二倍体的.
物种分类
非体细胞多倍体物种(non-polysomatic species): 裸子植物 10%的被子植物 向日葵,胡萝卜,麝香百合等 体细胞多倍体物种(polysomatic species): 90%的被子植物 豌豆,烟草,芍药等
离体培养中的遗传与变异
1 离体培养中的遗传稳定性 离体培养的细胞学基础是有丝分裂.有丝 分裂的DNA半保留复制和染色体均等分裂机 制,从理论上可以保证离体培养物在一般情况 下的遗传稳定性. 在准确选择培养方式的前提下,离体无性 繁殖可以具有较高的遗传稳定性(Phillip等, 1994).正是基于这一理论,利用离体培养 技术建立了多种植物的无性繁殖体系.
体细胞变异的细胞遗传学基础
1 DNA核内重复复制 DNA在核内重复复制(endoreduplication) 但不发生细胞分裂,其结果是染色体组数 增加,形成同源多倍体. 如果这种DNA重复复制多次发生,细胞 内DNA含量就会不断上升.
体细胞变异的细胞遗传学基础
2 染色体断裂与重组 染色体断裂与重组是离体培养中染色体 结构变异的主要原因之一, 结构变异的主要原因之一,也是体细胞变异 中经常发生的现象. 中经常发生的现象. 染色体结构变异的细胞学特征是: 染色体结构变异的细胞学特征是:分裂 中期出现断裂的染色体片段以及染色体桥, 中期出现断裂的染色体片段以及染色体桥, 其结果是在体细胞中出现染色体易位 缺失, 染色体易位, 其结果是在体细胞中出现染色体易位,缺失, 倒位等多种类型的结构变异. 倒位等多种类型的结构变异.
体细胞变异的分子遗传学基础
3 转座子活化 转座子(transposon):在基因组中可以 移动的一段DNA序列. DNA 转座子首先是由McClintock在玉米中发 现的,现已证实它是引起许多遗传不稳定 现象的重要原因.
体细胞变异的分子遗传学基础
我国学者朱至清(1991)认为,可能 是转座子在培养环境中首先被激活而转座, 从而造成染色体的结构变异. 目前关于转座子引起体细胞变异的直接 实验证据还十分有限,但许多学者认为,用 转座子解释体细胞变异有许多合理性,如变 异频率高,沉默基因活化等.
体细胞变异的分子遗传学基础
除了DNA甲基化程度的增加外,离体培 DNA 养中的某些变异还来自于DNA甲基化程度的 降低. 最典型的例子是油棕体细胞胚植株由于 甲基化的减少而造成的雄蕊雌性化变异. (Rival,1997).
体细胞无性系变异的诱导与选择
1 体细胞变异诱导材料的选择 1.1 目标性状的可行性 体细胞突变的频率虽然较高,但对于某 一个体来讲,变异的性状是个别的,因此 选择综合性状良好的植物品种材料,通过 诱变改变个别不良性状,是体细胞突变系 选择的目的.
1 体细胞变异诱导材料的选择 1.3 合适的细胞类型 适当的细胞类型亦是提高体细胞突变系筛 选效率的重要条件.
培养细胞的诱变
1 物理诱变 物理诱变主要是通过射线,磁场以及温 度等对培养物进行一定处理,然后对处理 后的培养物进行培养筛选. 常用的射线处理包括X射线,γ射线, 快中子,紫外线等.
培养细胞的诱变
体细胞变异的分子遗传学基础
2 DNA序列的选择性扩增与丢失 在许多植物中均观察到,DNA分子中一 些重复序列在培养条件下发生了扩增. 在许多植物种类中还观察到,在组织培 养过程中,以及经组织培养再生的植株,甚 至在这些植株的后代中,有时也会发生DNA 序列丢失的现象.
体细胞变异的分子遗传学基础
研究还发现,DNA的减少不仅发生在核 DNA中,也有发生在叶绿体基因组中. 一些DNA序列的减少只发生在愈伤组织 形成阶段,植株再生过程中又恢复到正常状 态,目前还不清楚这种变化的生物学意义.
2 化学诱变 常用的化学诱变剂主要有:烷化剂(硫 酸二乙酯 DES,乙基磺酸乙酯 EES,甲基 黄酸乙酯 EMS,环氧乙烷EO,乙烯亚胺 EI等),此类诱变剂有一个或多个活化烷基, 可与DNA分子中的碱基或磷酸基结合,改 变DNA的结构而引起突变.
培养细胞的诱变
2 化学诱变 碱基类似物(5-溴尿嘧啶是胸腺嘧啶Leabharlann Baidu类似物,2-氨基嘌呤是腺嘌呤类似物等), 在细胞内核酸复制时,这些类似物可以掺 入到新合成的DNA分子中引起错配.
体细胞突变体的筛选
2 间接筛选法 间接选择法是一种借助于与突变表现型 有关的性状作为选择指标的筛选方法.当缺 乏直接选择表型指标或直接选择条件对细胞 生长不利时,可考虑采用间接筛选法.
体细胞突变体的筛选
如脯氨酸(Pro)作为一种渗透调节物质, 在维持细胞膜稳定性,细胞水分平衡等方面 具有重要的生物学意义.植物在非生物胁迫 如干旱,低温等条件下,体内Pro常常有不同 程度的升高,而且耐干旱和耐寒植物的体内 Pro往往较高.
研究的范畴
真核生物体细胞的特点: ⑴在二倍体生物中,没分化的体细胞都 有2n染色体数; ⑵ 在上代和下代体细胞间,染色体都是 通过有丝分裂而传递的. 体细胞:指植物体内除了孢子,配子和 孢子母细胞之外的所有细胞.
研究的范畴
花药培养属于体细胞遗传学研究的范畴 吗? 在花药的培养中,花粉粒的发育偏离原 来的方向,其结果不是形成雄配子体,而 是经过连续的有丝分裂,形成单倍体愈伤 组织或花粉胚. 更重要的是,由花药培养产生的单倍体 更是体细胞遗传学研究的理想材料.
体细胞变异的利用
1 创造育种中间材料或直接筛选新品种 据统计,诱导突变已被用来改良诸如小 麦,水稻,大麦,棉花,花生和菜豆这些 种子繁殖的重要作物.在全世界50多个国 家中,已培育出1000多个由直接突变获得 的或由这些突变体杂交而衍生的品种.这 些品种的主要特性包括品质改良,增强抗 病性和抗逆性等.
1 直接筛选法 直接筛选法是在设计的选择条件下,能使培 养细胞或再生个体获得直接感官上的差异,因 此能将突变个体和非突变个体分离. 最直接的做法是用一种含有特定物质的选 择培养基,在此培养基上只有突变细胞能够生 长,而非突变细胞不能生长,从而直接筛选出 突变体.如抗除草剂,抗盐碱突变体的筛选, 均可直接在培养基中加入一定浓度的除草剂或 增加渗透压的物质.
体细胞遗传学分类
种间体细胞遗传学:研究不同物种体细胞 融合后异核体的遗传行为,对人工合成体细胞 杂种有重要的指导意义. 种内体细胞遗传学:对来自同一物种的体 细胞进行研究,通过对细胞进行诱变,选择和 互补分析等,不但可以获得新的基因型,而且 有助于对某些一般性问题的了解,如基因的结 构和功能,基因的表达和调控,细胞分化与发 育的机制等.
培养基的物理状态以及培养类型也会引起 细胞的变异. 在悬浮培养的条件下,选择压有利于二倍 体细胞,而在半固体培养的条件下,四倍体细 胞出现的频率较高. 一般来讲,悬浮培养的细胞较半固体培养 的细胞易产生变异.
影响体细胞遗传与变异的因素
3 继代培养的次数 一般来讲,继代时间越长,继代次数越 多,细胞变异的几率就越高.
植物体细胞遗传学研究
(somatic cell genetics)
周口师范学院生命科学系
体细胞遗传学研究的内容
体细胞遗传学是遗传学,细胞学和组织 培养学相结合的产物. 一般的细胞遗传学研究的内容是染色体 在减数分裂过程中的行为及其遗传后果. 体细胞遗传学主要研究离体培养的体细 胞在有丝分裂过程中的遗传规律.
影响体细胞遗传与变异的因素
1 供体植物 供体植物倍性水平 植物的基因型 外植体细胞分化程度
影响体细胞遗传与变异的因素
2 培养基及培养方式 Torrey(1961),通过改变培养基成分,可有选择地 诱导和保持倍性较高的细胞分裂. 豌豆根段 基本培养基+ 2,4-D 二倍体细胞发生分裂 基本培养基+ 2,4-D+激动素+酵母浸出液 有选择地诱导四倍体细胞发生分裂.
体细胞变异的利用
2 遗传研究 突变体作为基因克隆和标记筛选具有独 特的优点.因为突变一旦发生,即可在表现 型上与供体显著不同,通过差异显示或分子 杂交筛选,即可快速获得突变位点的DNA序 列,经过测序与功能鉴定,就可能获得与突 变性状相关的基因. 即使通过分析不能获得功能基因,这些 DNA序列也可作为与突变性状相关的分子标 记,用于相关遗传研究.
体细胞变异的利用
3 发育生物学研究 植物的个体发育是一个渐进过程,每一个器官和 组织的分化都是一个复杂的调控过程.利用体细胞突 变策略对植物发育的基因调控研究取得了突破性进展. 特别是利用拟南芥和金鱼草等模式植物,已分离出一 大批不同发育阶段和组织类型的突变体,包括顶端分 生组织,根,开花转变,花序,花分生组织,胚胎发 育等的一系列突变体.通过对这些突变体的研究,不 仅建立了器官发育模式,而且分离鉴定了一大批与发 育有关的基因,包括维持正常发育状态的基因,促进 发育进程的基因,以及相关修饰基因(许智宏和刘春 明,1998).
体细胞变异的分子遗传学基础
4 DNA甲基化 DNA甲基化(methylation)在基因表达 调控中具有重要作用.离体培养再生植株的 甲基化变化首先在玉米体细胞无性系再生植 株中发现. 胡萝卜,番茄,马铃薯等多种植物的培 养细胞或再生植株中,均报道发现了因DNA 甲基化改变而产生的体细胞变异(刁现民和 孙敬三,1994).
体细胞变异的分子遗传学基础
1 碱基突变 碱基突变是指DNA序列中碱基的改变. 如果改变碱基的DNA序列处于结构基因的位 置或调控序列的位置,就可能导致遗传状态 的改变.碱基突变是产生体细胞变异的重要 途径之一. 对于单基因控制的遗传性状,大多数碱基 突变可以稳定遗传,而且符合孟德尔遗传分 离规律,这一点已在水稻,烟草和玉米的体 细胞变异中得以证实(张春义和杨汉民, 1994).
培养细胞的诱变
3 复合因子诱变 诱变处理可以是单因子处理,亦可以是 复合因子诱变.一般来说,复合诱变的效 果比单因子诱变好.
培养细胞的诱变
4 转座子插入诱变 可以独立插入通过其转座功能诱导变异. 利用这一途径已在苜蓿,马铃薯,番茄, 甘蓝等多种植物上获得可利用的体细胞变异植 株.
体细胞突变体的筛选
体细胞无性系变异的诱导与选择
1 体细胞变异诱导材料的选择 1.2 试验材料的细胞培养技术 必需充分考虑试验植物的细胞培养技术水 平,只有对起始材料有良好的培养技术,才 有可能制定完满的诱变及选择方案. 如果起始细胞的培养技术不成熟,不能再 生整株,则不能进行后续的各项操作.
体细胞无性系变异的诱导与选择
2 离体培养条件下遗传变异的特点
2.1 普遍性 植物种类,培养方式,培养类型 不同的植物材料在不同的培养类型中都 会发生变异.
表1 部分植物离体培养再生植株的表型变异频率
植 物 种 类 烟 草 水 稻 甘 蔗 玉 米 蔓 青 大 麦 番 茄 马铃薯 菠 萝 再生植株来源 体细胞愈伤组织 胚愈伤组织 幼叶愈伤组织 体细胞愈伤组织 花粉植株 花粉植株 幼叶愈伤组织 叶肉原生质体 冠芽愈伤组织 变异频率(%) 10 71.9 >18 14 12.7 10-15 >5.8 100 7
2.2 局限性 从表型上看,在不同植物类型中经常发 生的体细胞变异主要是植株形态(株高, 叶形,叶色等),生长势,育性,某些抗 性等性状的变异. 从生理生化特性上看,容易出现同功酶 谱,次生代谢的消长等变异. 一些单基因控制的性状不仅发生隐形突 变,也发生显性突变.
2.3 嵌合性: 嵌合性是指同一有机体中同时存在有遗 传组成不同的细胞,它是组织培养中常见的 现象. 在自然界中,染色体数的嵌合性是由杂 种或新近合成的多倍体的遗传不稳定性造成 的. 这种混倍体现象的出现表明,再生植株 可能是由愈伤组织中一个以上细胞起源的.