细胞工程课件第九章 植物体细胞无性系变异与突变体的筛选
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体细胞无性系变异
射线：如X-射线及γ-射线
激光
微波
离子束
化学诱变
烷化剂
包括EMS、EI、NEU、NMU、DES、MNNG、NTG等 通过与核苷酸中的磷酸、嘌呤和嘧啶等分子直接反应，在碱基 许多位置上增加了烷基来诱发突变 如5-溴尿嘧啶(BU)和2-氨基嘌呤(AP ) 与DNA正常碱基结构类似的化合物,能在DNA复制时取代正常 碱基掺入并与互补碱基配对。使AT转换为GC碱基对
染色体的结构变异
主要包括缺失、重复、倒位及易位等 结构变异频率随染色体的不同而不同
基因突变（Gene mutation）
由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或改变， 而引起的基因结构的改变，就叫做基因突变 狭义仅指“点突变” 按照基因结构改变的类型，突变可分为碱基置换、 移码、缺失和插入4种。 按照遗传信息的改变方式，突变又可分为错义、无 义两类 按照表型效应，突变型可以区分为形态突变型、生 化突变型以及致死突变型等，对于基础理论研究及 遗传改良具有重要意义
2 常用的诱变措施
物理诱变 化学诱变 空间技术诱变 复合诱变
物理诱变
紫外线
波长260nm的紫外辐射最有效，使DNA分子形成嘧啶二聚体, 即两个相邻的嘧啶共价连接，减弱双键间氢键的作用,并引起 双链结构扭曲变形,阻碍碱基间的正常配对 电离作用,因而能直接或间接地改变DNA结构 激光是异于自然光的辐射光,能量高度集中。通过光效应、热 效应和电磁效应的综合作用,能使生物的染色体断裂或形成片 断,甚至易位和基因重组 微波辐射属于一种低能电磁辐射,具有较强生物效应的频率范 围在300MHz~300GHz,对生物体具有热效应和非热效应 离子束注入的离子与生物体大分子发生一系列碰撞,而生物大 分子逐步获得能量进而发生键断裂
第九章植物体细胞无性系变异
另外： 另外： 在继代中可以采用逐步提高 筛选压力法， 筛选压力法，也可以采用同样筛 选压力下多次继代法。 选压力下多次继代法。
3、变异性状的稳定性鉴定 、 鉴定原因： 鉴定原因：选择培养基上存活的细胞并非都是突 变细胞；体细胞无性系变异并非都可以稳定遗传。 变细胞；体细胞无性系变异并非都可以稳定遗传。 鉴定方法： 鉴定方法： （1）选择出来的细胞或组织放在正常培养基继代 ） 几次，仍表现变异性状者为突变体； 几次，仍表现变异性状者为突变体； （2）再生植株水平鉴定； ）再生植株水平鉴定； （3）再生植株后代鉴定。 ）再生植株后代鉴定。
第九章 植物体细胞无性系变异
一、体细胞无性系变异的概念 二、体细胞无性系变异体的筛选 三、影响体细胞无性系变异的因素 四、体细胞无性系变异的机理 五、体细胞无性系变异的应用
一、体细胞无性系变异的概念 1、概念：培养物在培养阶段发生 、概念： 变异， 变异，导致再生植株也发生遗传改变 的现象。 的现象。胚胎发生和器官发生途径都 会出现这种现象。 会出现这种现象。
什么是体细胞无性系变异？ 什么是体细胞无性系变异？ 为什么要进行体细胞无性系变异的研究？ 为什么要进行体细胞无性系变异的研究？
谢谢大家
五、体细胞无性系变异的应用
改良作物品种个别缺点， 改良作物品种个别缺点，简便快速 利用丰富变异， 利用丰富变异，拓宽种质资源 离体培养远缘杂种， 离体培养远缘杂种，利用组培过程中非同 源染色体的联会和交换， 源染色体的联会和交换，实现野生种的染 色体片断向栽培种的导入。 色体片断向栽培种的导入。
思考题
植株水平鉴定可以进行形态、 植株水平鉴定可以进行形态、 生理生化鉴定，也可以进行 生理生化鉴定，也可以进行DNA 水平、RNA水平和蛋白质水平鉴 水平、 水平和蛋白质水平鉴 定。
《体细胞无性系变异》课件
未来研究方向
在未来，研究人员将进一步探索体细胞无性系变 异的分子机制和应用领域。
总结
1 体细胞无性系变异的重要性
体细胞无性系变异在遗传学和分子生物学领域具有重要的理论和应用价值。
2 需要进一步深入研究和应用的方向
未来的研究应该聚焦于体细胞无性系变异的机制、调控以及在医学和农业领域的应用。
《体细胞无性系变异》 PPT课件
体细胞无性系变异是指体细胞中染色体在无性繁殖过程中发生的异常变化。 本课件将介绍体细胞无性系变异的概述、分类、诱发因素、检测和诊断、应 用以及体细胞无性系变异是指体细胞中染色体在无性繁殖过程中发生的异常变化。
为什么会发生体细胞无性系变异
应用
1
体细胞无性系变异在医学上的应用
体细胞无性系变异的研究为遗传疾病的治疗和基因编辑技术的发展提供了重要的依据。
2
体细胞无性系变异在农业上的应用
体细胞无性系变异的研究为改良农作物的耐性和产量提供了新的途径。
研究进展
相关学科的发展趋势
随着生物学和基因组学的进展，体细胞无性系变 异的研究正日益受到重视。
2 辐射
高能辐射，如X射线和γ射线，可能会导致细胞染色体的结构和数量异常。
3 病毒感染
某些病毒感染可能会引起细胞染色体的变异，以及遗传信息的改变。
检测和诊断
常用的检测技术
• 核酸杂交技术 • 染色体核型分析 • 荧光原位杂交技术
临床诊断应用
体细胞无性系变异的检测和诊断在遗传疾病的 预防和治疗中具有重要的意义。
体细胞无性系变异发生的原因可能涉及化学物质、辐射和病毒感染等多种因素。
分类
染色体数目变异
染色体结构变异
- 多染色体综合征 - 单染色体缺失 - 单染色体重复 - 倒位重组 - 染色体环形结构 - 染色体片段缺失或重复
11细工第10章
第九章 植物体细胞无性系变异
与突变体的筛选
本章学习重点
影响体细胞无性系变异的因素； 体细胞无性系突变体的筛选程序。
第一节 植物体细胞无性系变异
一、体细胞无性系变异的普遍性 二、体细胞无性系变异的类型 三、体细胞无性系变异的遗传基础 四、体细胞无性系变异的诱导
一、体细胞无性系变异的普遍性
（一）基本原理
离体材料在液氮中几乎所有的细 胞代谢活动、生长基本处于停止的状 态，当解冻后，又能恢复再生能力。
超低温保存时，降温冷冻和解冻 过程中容易引起植物材料的伤害：
n 细胞脱水过度，引起“溶液效应”； n 细胞液态水减少，引起质膜系统受损； n 细胞内水分结冰，形成冰晶，直接破坏细
胞结构。
链接
三、低温保存法
一种缓慢生长保存方法，是通过控制
培养温度来限制培养物各种生长因子的作
用，使培养物生长减少到最低限度，延长
继代的时间间隔。
一般在1-9℃（一些热带、亚热带植
物在10-20℃）下培养，一般一年继代一
次。
三、超低温保存
是指将植物的离体材料经过一 定的方法处理后在超低温（-196℃ 液氮）条件下进行保存的方法。
基因突变
DNA碱基序列中单个或多个碱基对发生 的变化，包括碱基序列替换、插入、缺失等。
基因突变被认为是体细胞无性系变异的 重要来源之一。植物组织和细胞经离体培养 后，在愈伤组织的脱分化和再分化过程中常 常会引起基因发生突变。
基因扩增
细胞内某些特定基因的拷贝数专 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。
6.超低温保存后细胞或组织活力检测
细胞活力检测 再培养的存活率 遗传稳定性检测
与突变体的筛选
本章学习重点
影响体细胞无性系变异的因素； 体细胞无性系突变体的筛选程序。
第一节 植物体细胞无性系变异
一、体细胞无性系变异的普遍性 二、体细胞无性系变异的类型 三、体细胞无性系变异的遗传基础 四、体细胞无性系变异的诱导
一、体细胞无性系变异的普遍性
（一）基本原理
离体材料在液氮中几乎所有的细 胞代谢活动、生长基本处于停止的状 态，当解冻后，又能恢复再生能力。
超低温保存时，降温冷冻和解冻 过程中容易引起植物材料的伤害：
n 细胞脱水过度，引起“溶液效应”； n 细胞液态水减少，引起质膜系统受损； n 细胞内水分结冰，形成冰晶，直接破坏细
胞结构。
链接
三、低温保存法
一种缓慢生长保存方法，是通过控制
培养温度来限制培养物各种生长因子的作
用，使培养物生长减少到最低限度，延长
继代的时间间隔。
一般在1-9℃（一些热带、亚热带植
物在10-20℃）下培养，一般一年继代一
次。
三、超低温保存
是指将植物的离体材料经过一 定的方法处理后在超低温（-196℃ 液氮）条件下进行保存的方法。
基因突变
DNA碱基序列中单个或多个碱基对发生 的变化，包括碱基序列替换、插入、缺失等。
基因突变被认为是体细胞无性系变异的 重要来源之一。植物组织和细胞经离体培养 后，在愈伤组织的脱分化和再分化过程中常 常会引起基因发生突变。
基因扩增
细胞内某些特定基因的拷贝数专 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。
6.超低温保存后细胞或组织活力检测
细胞活力检测 再培养的存活率 遗传稳定性检测
第九章 生物技术在药用植物育种上的应用1
人造血液及其生产
通过基因工程的方式 创造了能合成人干扰素的 大肠杆菌，每1Kg的培养液 可提取4～20mg干扰素，若 从人血中提取干扰素， 300L血才提取1mg！
1983 SCIENCE Cover – Transgenic Mice 1997 TIME Cover - DollyScience Vol来自 222, Nov. 1983
殊环境下的药用植物引种困难等问题，生物技术
在药用植物育种上的应用研究已成为当今中药研 究的热点，如育出了茎尖地黄新品系，已在产区 应用，并将使传统中药进入一个崭新的时代。
什么是生物技术？
生物技术（Biotechnology ）：
Bio Biology Technology Application The application of Biology for the benefit of humans
一、离体培养技术（in vitro culture）
植物细胞的全能性（Cell Totipotency） 一个植物细胞能产生一个完整植株的固 有能力称之为细胞的全能性。 即广义的组织培养，是现代生物技术的一个 重要组成部分，它是指运用无菌操作技术，将 从植物体分离的符合需要的组织、器官或细胞 （包括去壁后的原生质体）等，接种在人工培 养基上，置于人工控制的环境条件下进行培养， 以获得再生的完整植株或生产具有经济价值的 其它生物产品的技术。
S – sensitive plants R – resistant plants
Biotechnology:
A collection of technologies
The Applications of Biotechnology
细胞工程课件第九章 植物体细胞无性系变异与突变体的筛选
X,α,β,γ 射线及紫外线
碱基类似物
烷化剂
DNA分子结构 插入物
DNA复制中，“以假乱真”， 如5-溴尿嘧啶(BU)、2-氨基 嘌呤等
带有不稳定烷基，能改变DNA的 化学结构。甲基磺酸乙酯
二、植物体细胞无性系突变体的筛选 1、突变体筛选的一般原则
（1)多种检测手段相结合，初筛与复筛相结 合
（2)离体筛选与常规 育种相结合
学习的目标与要求：
了解体细胞无性系变异的意义、掌握体细胞无性系 变异的诱导方法和筛选方法，了解体细胞无性系变异 的遗传机理。
一、植物体细胞无性系变异
1、体细胞无性系变异的表现和普遍性
植物细胞、组织、器官在无菌条件下进行离体人 工培养，经过脱分化和再分化过程，重新形成愈伤组 织和完整植株称为体细胞无性系（somaclones）。
5
80.7
16.8
2.5
13
4.8Βιβλιοθήκη 79.56.69.1
17
9.7
81.5
7.9
0.9
染色体断裂与重组－－非整倍体、四倍体 产生染色体结构变异的一般不能正常生长
染色体畸变中出现的双着丝粒染色体在细胞分 裂后期如不能被拉断，就会在两核之间形成染色 体桥，出现四倍体。
3、人工诱发变异
人工诱变
物理诱变
化学诱变
2、体细胞无性系变异的类型及遗传基础
（1）体细胞无性系变异的类型 遗传变异(genetic variation)：是获得新种质的有效
途径。 非遗传变异 生理适应(physiologic adaptation)：由于某种外
界条件存在而引起的性状变异，会随着外界因素的消失而 消失
后生遗传变异(epigenetic variation)：遗传物质没 有发生改变，只是基因的表达调控发生改变而引起的变异。
《植物细胞工程》PPT课件
2021/3/8
1
番茄与马铃薯同属茄科植物，但不是同属的 植物。番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经 常食用的蔬菜。马铃薯的块茎生长在土壤中。
人们曾经有这样一个幻想：让一株植株地 上部分结番茄，地下部分长土豆。这个幻想 可能实现吗？
2021/3/8
2
细胞工程
指应用细胞生物学和分子生物学的原理和 方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平 或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞 内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学 技术。
3、差异： （1） 受精卵的全能性最高
（2） 受精卵分化后的细胞中，体细胞 的全能性比生殖细胞的低。
4、大小 受精卵 ＞ 生殖细胞 ＞ 体细胞
2021/3/8
6
5.细胞表现出全能性的条件
• 离体状态
• 有一定营养物质、激素和其他外界条件
例一：非洲爪蟾实验
突变型蝌蚪肠上皮细胞
野生型未受精卵细胞
移紫入外线破坏细胞核
2021/3/8
20
2021/3/8
21
素材和资料部分来自 网络，如有帮助请下载!
取出细胞核
无核的未受精卵
（含有一个核仁）
“重组细胞”
发育
发育
发育
囊胚
囊胚 蝌蚪 成
蛙（细胞核含一个核仁）
20已21/3经/8 分化的动物细胞可以发育成为一个动物体
7
例二：
蜜蜂（2N=32） 减数分裂
卵细胞(N=16) 发育
雄蜂(N=16)
卵细胞可以直接发育成为一个新个体
2021/3/8
8
思考讨论：为什么体内细胞没有表现出 全能性，而是分化成为不同的组织、器官？
2021/3/8
3
1
番茄与马铃薯同属茄科植物，但不是同属的 植物。番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经 常食用的蔬菜。马铃薯的块茎生长在土壤中。
人们曾经有这样一个幻想：让一株植株地 上部分结番茄，地下部分长土豆。这个幻想 可能实现吗？
2021/3/8
2
细胞工程
指应用细胞生物学和分子生物学的原理和 方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平 或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞 内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学 技术。
3、差异： （1） 受精卵的全能性最高
（2） 受精卵分化后的细胞中，体细胞 的全能性比生殖细胞的低。
4、大小 受精卵 ＞ 生殖细胞 ＞ 体细胞
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5.细胞表现出全能性的条件
• 离体状态
• 有一定营养物质、激素和其他外界条件
例一：非洲爪蟾实验
突变型蝌蚪肠上皮细胞
野生型未受精卵细胞
移紫入外线破坏细胞核
2021/3/8
20
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21
素材和资料部分来自 网络，如有帮助请下载!
取出细胞核
无核的未受精卵
（含有一个核仁）
“重组细胞”
发育
发育
发育
囊胚
囊胚 蝌蚪 成
蛙（细胞核含一个核仁）
20已21/3经/8 分化的动物细胞可以发育成为一个动物体
7
例二：
蜜蜂（2N=32） 减数分裂
卵细胞(N=16) 发育
雄蜂(N=16)
卵细胞可以直接发育成为一个新个体
2021/3/8
8
思考讨论：为什么体内细胞没有表现出 全能性，而是分化成为不同的组织、器官？
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2、体细胞无性系变异的类型及遗传基础
（1）体细胞无性系变异的类型 遗传变异(genetic variation)：是获得新种质的有效
途径。 非遗传变异 生理适应(physiologic adaptation)：由于某种外
界条件存在而引起的性状变异，会随着外界因素的消失而 消失
后生遗传变异(epigenetic variation)：遗传物质没 有发生改变，只是基因的表达调控发生改变而引起的变异。
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0.9
染色体断裂与重组－－非整倍体、四倍体 产生染色体结构变异的一般不能正常生长
染色体畸变中出现的双着丝粒染色体在细胞分 裂后期如不能被拉断，就会在两核之间形成染色 体桥，出现四倍体。
3、人工诱发变异
人工诱变
物理诱变
化学诱变
（2)体细胞无性系变异的遗传基础 染色体数目变异、结构变异、基因突变、
DNA总量变异和DNA重复序列拷贝数的变异、基 因丢失、DNA碱基修饰、转座子的激活、基因重 排等。
大量研究表明，染色体变异是植物组织培养的一 个基本特点。
高浓度2,4－D
AgNO3
6－BA
高浓度6－BA
蔗糖浓度
培养初期
增加染色体 变异频率
植物细胞、组织、器官在无菌条件下进行离体人 工培养，经过脱分化和再分化过程，重新形成愈伤组 织和完整植株称为体细胞无性系（somaclones）。
在培养阶段发生变异，进而导致再生植株亦发生 遗传改变的现象(包括形态、生理生化、育性、抗性等 方面)，称为体细胞无性系变异（somaclonal variation）。
培养材料在遗传上是相对稳定的；变异是普遍现象， 不限于特定的物种、器官，所涉及的性状也相当广泛。研 究表明，经组织培养产生的变异要比常规繁殖方法产生的 植株表现更多的变异。体细胞无性系变异的变异率可以高 达30~40%，有时甚至高达100%，某一具体性状的变异率在 0.2~3%之间。体细胞无性系变异是一把双刃剑，在微繁殖 及遗传转化方面要尽力避免产生体细胞无性系变异，但育 种工作者则希望产生更多种类和更高频率的变异。
（3）绿岛法
绿岛法是利用已分化组织进行筛选和鉴定的方法。 对于抗病毒突变体、抗除草剂突变体的筛选，可以采用“绿岛 法”。
这种方法最早用于抗除草剂，叶片大面积枯黄，仅有少量 抗除草剂突变细胞组织仍保持绿色，取这部分材料则成为很小的 绿岛，因而形象地称之为“绿岛法”。 单倍体烟草植株-- γ-射线--除草剂--叶片部分变黄--取出绿
第九章 植物体细胞无性系变 异与突变体的筛选
主要内容：
第一节 植物体细胞无性系变异 第二节 植物体细胞无性系突变体的筛选
学习的目标与要求：
了解体细胞无性系变异的意义、掌握体细胞无性系 变异的诱导方法和筛选方法，了解体细胞无性系变异 的遗传机理。
一、植物体细胞无性系变异
1、体细胞无性系变异的表现和普遍性
降低变异频 无明显影响 率
对最初9代callus染色体变异无 明显影响
长期培养
加大超倍体细胞频率
9代之后，低浓度蔗糖时，重复复制－－同源多倍体
硬粒小麦中胚轴培养中DNA值的变化
培养天数
不同DNA值细胞比例（％）
<2C
2c~4c
<8c
8c or >8c
0
88.3
11.7
（2）间接选择法
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 如脯氨酸（Pro）
锦橙珠心悬浮细胞--γ射线--高浓度Pro＝＝细胞内Pro含量 提高一倍＝＝耐寒愈伤及植株。
抗病突变体的筛选也常常用间接筛选的策略。
2、体细胞无性系突变体筛选方法 （1)从再生植株中直接筛选有用突变株 （2)对离体培养物的突筛变方选体法筛选
直接选择法
间接选择法
绿岛法
正选择法
负选择法
2、体细胞无性系突变体筛选方法 （1）直接选择法
A、 正选择法：
用一种含有特定物质的选择培养基，在其上 只有突变的细胞能够生长，非突变细胞不能生长， 从而直接筛选出突变体的办法。
色部分--愈伤组织==耐除草剂的单倍体植株==二倍体
3、体细胞无性系突变体的筛选
材料选择 和预 处 理
预培养 （悬浮或平板）
诱发突变 （平板培养）
愈伤组织增殖 或再生植株
高抗高产细胞株选择 （平板培养）
突变体鉴定
4、植物细胞无性系突变体筛选的应用
（1)在农业上的应用 创造育种中间材料或直接筛选新品种 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 通过体细胞诱变选育的谷类作物品种中，品质得到不同程度
改良的占34.3％。 抗病，占诱变品种的1/4、耐盐、抗除草剂、耐寒、耐旱；
（2)在植物细胞大规模培养生产次生代谢物的 应用 筛选高产突变株
5、植物体细胞无性系突变体筛选的局限性 （ 1)筛选方式 （2）变异表达的特异性 （3）植株再生困难 （4）非目标变异的干扰
谢谢大家！
小麦幼胚愈伤组织--1.4%NaCl N6培养基＝＝ 小麦耐盐系。
B、负选择法（富集选择法，又称浓缩法 ）：
在特定培养基中，让正常细胞生长繁殖，突变体细胞受 抑制不分裂呈休眠状态，然后用一种能毒害正常生长细胞， 而对休眠细胞无害的药物淘汰正常细胞，再用正常培养基恢 复突变体生长。 该方法主要应用于营养缺陷型或温度敏感型突变体筛选。
X,α,β,γ 射线及紫外线
碱基类似物
烷化剂
DNA分子结构 插入物
DNA复制中，“以假乱真”， 如5-溴尿嘧啶(BU)、2-氨基 嘌呤等
带有不稳定烷基，能改变DNA的 化学结构。甲基磺酸乙酯
二、植物体细胞无性系突变体的筛选 1、突变体筛选的一般原则
（1)多种检测手段相结合，初筛与复筛相结 合
（2)离体筛选与常规 育种相结合