园艺植物育种学12诱变育种

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山西农业大学-园艺植物育种学
第十二章 诱变育种 mutation breeding
孙 胜 2009-6
概念
诱变育种:用各种物理的或化学的手段,人 工诱发有机体产生遗传物质的变异,并经过 人工选择、鉴定,培育所创造新品种的育种 途径。也叫突变育种或引变育种。 特点:
突破原有基因、基因库限制 用各种物理、化学和生物因素或复合因素诱发基因 突变 丰富种质资源以选育新品种
二、辐射诱变机理
(一)辐射生物学作用的时相阶段 (二)辐射对染色体和DNA的作用 (三)植物对辐射损伤的修复
(四)辐射敏感性
(一)辐射生物学作用的时相阶段
Dertinger和Jung1970年提出,4个时相阶段
1.物理阶段: 电离、激发 2.物理-化学阶段: 自由基 3.化学阶段: 生物大分子反应 4.生物学阶段: 生化过程改变,细胞结构组成变化
太空育种是利用太空环境的高真空、微重力、强 辐射、交变磁场及其它因素的综合作用,致使植 物体内染色体等遗传物质发生突变,从中选择优 良的突变个体。
大青杨太空育种主要是解决耐寒性和速生性的问题。前苏
联曾做过类似的太空育种,其速生性提高30%。
据了解,大青杨是生长在中国东北小兴安岭的一种杨树。 这3000粒树种总重只有2克,被包装在3个试管中,2002年 12月30日随神舟四号飞船升空,经过160多小时的太空遨游, 于2003年1月5日返回地面。
第三节 化学诱变
一、常用化学诱变剂及其机理
二、化学诱变方法 三、影响因素
有关化学物质:具诱发基因突变和染色体断
裂效应,使生物产生遗传性变异的化学药剂
种类有:秋水仙素,烷化剂类,核酸碱基类
似物及其他诱变剂。
一、常用化学诱变剂及其机理
(一)烷化剂——最重要的一类诱变剂
带有一个或多个活泼的烷基
(NEV)。
3. 次乙亚胺和环氧乙烷类:
如乙烯亚胺(EI)。
4. 芥子气类:
包括氮芥类和硫芥类。
(二)碱基类似物
这类药剂以化学结构上与核酸碱基(A,G,
C,T)相似的特点,可以在不妨碍DNA复 制的情况下,作为组成DNA的成分而掺入 到时DNA中去,由于它们在某些取代基上 与正常碱基不同,造成碱基配对的差错, 而引起突变。
(二)辐射剂量
剂量单位
对辐射测量的方式——
对辐射在空气中的效应的测量——辐射量
对被照射物质所吸收能量的测量——吸收剂量
对辐射源本身的测量——放射性单位强度
剂量率——单位时间所辐射或吸收的剂量
(二)辐射剂量
1.辐射剂量和辐射剂量率:
符号X;适用于X射线、γ射线 单位:C/kg;剂量率: C/(kg· s)
活——后代有一定成活率 变——在成活个体中有较大的变异效应 优——变异的个体中有较多有利变异
临界剂量--被照射材料的存活率为对照 的40%的剂量值。 LD50(半致死剂量)---辐照后存活率为对照 的50%的剂量率。
高剂量——造成大量死亡;选择几率降低; 造成染色体损伤较大,导致有害突变比例 大大增加。 预备实验:不同剂量梯度,枝条辐射后插 于瓶内,20 ℃3~4周,统计萌芽率。
3. 其它因素
自体突变——现象
月见草种子老化能增加突变率
金鱼草缺乏某些营养元素会引起突变
组培再生植株突变频率高
陈种子——诱发突变——生物体或细胞内部因素
第二节 辐射诱变
一、辐射源和辐射剂量
二、辐射诱变机理
三、辐射处理的方法
一、辐射源和辐射剂量
(一)辐射源 1. X射线:X光机 2.γ射线:60钴、137铯及核反应堆 3.β粒子:32磷、35硫 4.中子:核反应堆、加速器或中子发生器 5.激光:激光器 6.紫外线(UV):紫外灯
1、物理诱变
辐射诱变——电离辐射
电离辐射:穿透力很强的高能辐射,穿过介质 时使介质发生电离,具有特殊的生物学效应
X射线、γ射线、β粒子、中子、激光
离子注入
N+、C+、Ag+、Ar+ 低能离子
太空诱变——变异幅度大、频率高,稳定快
极端温度(极端低温)
——极地和高寒地带植物突变率高
发展简史
诱变育种起始于20世纪20年代末。
最早发现x射线和化学药剂可提高基因突变频率。
20世纪50年代,辐射育种技术兴起,并在园艺植物育种方 面得到有效利用。 据FAO/IAEA统计资料,通过诱变育种获得的果树新品种数 量在近二十年内急剧增长。到1993年时,总计育成各种果
树品种41个(不包括我国的),其中苹果9个,欧洲甜樱
2.吸收剂量和吸收剂量率:
符号D;适用于γ、 β、中子等任何电离辐射; 单位:Gy(戈瑞);1 Gy=1J/kg; 剂量率: Gy/h、 Gy/min、 Gy/s
3.粒子注量和注量率:
1)Gy表示;2)注量:n/cm2;注量率: n/(cm2。s)
4.放射性强度:
Bq(贝可)单位时间内核衰变数目
(三)辐射处理方法的选择
1.外照射——材料不含辐射源,环境无污染,首选
急性照射——短时间内完成总照射剂量
慢性照射——较长时间内完成总照射剂量 重复照射——几个世代中连续照射
2.内照射——剂量低,持续时间长,多数植物可在 生育阶段进行;蜕变效应;需要防护
浸泡法
注射或涂抹法 饲喂法(或施肥法)
第一节 诱变育种的意义和类别
一、意义
1. 改良单基因控制的性状 2. 提高突变频率 3. 丰富原有的基因库 4. 改变植物的育性 5. 改变植物有性交配的亲和性 6. 缩短营养系品种的育种年限
1. 改良单基因控制的性状
诱变育种适于进行个别性状的改良——品种修缮 许多优良品种,只是个别性状存在缺陷。在杂交育种时, 基因会发生分离和重组,有时会引起优良性状组合的解体。 另一方面,由于基因间的连锁关系,可能引起优良性状夹 带不良性状。 诱变处理,可产生点突变(point mutation),可改变品 种的个别不良性状。对高度杂合的无性繁殖的园艺植物更 有意义。——应用原则: 如:辐射诱变得到的苹果"短枝型"突变体,既保留了原品 种的优良性状,又获得了矮化型变异。
(二)辐射对染色体和DNA的作用
1.辐射——生物体
直接作用:射线→生物大分子
间接作用:射线→水→自由基→生物大分子
2.辐射——染色体
引起染色体畸变和基因突变;染色体数目改变
3.辐射——DNA
氢键断裂、糖与磷酸基断裂、交联现象 DNA受辐射后引起的异构现象,会导致有机体 性状变异。
航天育种培育出高产太空椒. 利用卫星搭载农作物种子,开展空间育种技术研究和探索, 是发展现代农业的一项全新尝试。 黑龙江省农业科学院园艺分院生物技术中心采用航空诱变 育种途径培育而成的高产太空椒。
2、化学诱变
概念——应用特殊的化学物质诱发基因突变 和Leabharlann Baidu色体变异。 效应——诱导多倍体(倍性育种); 诱发基因突变; 诱发染色体断裂。 化学药剂——烷化剂类、碱基类似物等。 作用机理——参与细胞内生化反应而起作用
OH . + OH.
H. + O2
2OH. + O2
HO2.
2HO2.
化学阶段:这一阶段是自由基的继发作用, 自由基与生物大分子发生反应,引起分子结 构的变化。 生物学阶段:细胞内生物化学过程发生改变, 从而导致各种细胞器的结构及其组成发生变 化,包括染色体畸变和基因突变,产生遗传 效应。
属砂梨系统,又名王子二十世纪 该品种系日本育种家西田光夫先生通过二十世纪 梨进行辐射诱变成培育成的最新品种 于1990年正式命名,并获日本农林水产省种苗登 记。我国于1992年引入,经8年观察,专家评议认 为是今后梨树发展极有希望的新品种
三、诱变育种的类别
1、物理诱变
2、化学诱变 3、其他因素
2. 提高突变频率
辐射诱变,可使变异频率较自然变异(一般是万分 之几至十万分之几)提高100~1000倍,为选择提供 了丰富的材料
3. 丰富原有的基因库
变异的类型多、范围广(有形态变异、结构变异、 生理生化变异等
果树、蔬菜类,要求获得果实或营养体的综合性 状好,而观赏植物的花、叶、果都有观赏价值, 只要叶型、花型、花色、株型等发生突变,都能 构成观赏效果。所以,观赏植物诱变育种更易收 到效果。 另外,对于不能用种子繁殖的无性繁殖植物,诱 变育种提供了一条有效途径。
3.花粉和子房——最大优点:很少产生嵌合体 4.离体培养材料——可避免和减少嵌合体的形成。
辐射单倍体诱发突变,无论显隐性,都能在细胞水平或 个体水平上表现出来,经加倍可获得二倍体纯系。
(二)适宜剂量及剂量率的选择
1.在一定范围内增加剂量可以提高突变和突
变谱,但超过一定范围后增加剂量会降低成 活率和增加不利突变率。 2. 剂量选用原则:
(三)植物对辐射损伤的修复
生物体——自我修复能力
抑制修复体系,提高突变频率
EDTA,咖啡因,BUdR
(四)辐射敏感性
植物不同种类和品种,敏感性不同
染色体DNA含量决定敏感性:DNA含量越多越敏感 多倍体比二倍体更抗辐射
植物组织器官、发育阶段和生理状态不同, 敏感性不同
根>枝条>种子;
桃8个,欧洲酸樱桃4个,桃、石榴、葡萄、柚、橙、枣各 2个,枇杷、无花果、香蕉、杏、黑穗醋栗、醋栗、油橄
榄、扁桃及木瓜各1个,涉及19个果树品种。
我国自60年代开始果树诱变育种,至90年代共育成10个品种 中国农科院柑桔研究所--418红桔、中育7号、中育8号 西新广农场--新光雪橙 青海农科院园艺所--东垣红苹果 内蒙古园艺所--梨品种"朝辐1号、2号、10号、11号"和"辐射 向阳红"。 可见,诱变育种在创造园艺植物品种方面还是有很大潜力的
性细胞>体细胞;
幼龄植株>老龄植株
三、辐射处理方法
(一)照射材料的选择
1.种子——使用最普遍。
处理量大、便于运输、操作简单。 辐射处理种子及时播种(贮存效应)
2.营养器官和植株——无性繁殖园艺植物常用。
枝条、块茎、鳞茎、球茎等 多年生果树:结果早,鉴定快。照射后嫁接或扦插 繁殖
4. 改变植物的育性
花粉污染问题——辐射诱变不育系
西伯利亚百合
东方百合
5. 改变植物有性交配的亲和性
自交不亲和——诱变自交亲和
解决果树授粉问题
花粉、花器官辐射处——克服远缘杂交不 亲和
6. 缩短营养系品种的育种年限
尤其是对童期长、高度杂合、可进行无性繁殖的
果树,可省去杂交、播种等复杂程序以及漫长的 童期等待过程。
对诱变处理后发现的优良性状,可通过嫁接等方
法固定,并进行鉴定。
果树杂交育种,一般20-30年;
辐射诱变,一般10年左右。
局限性
变异的方向和性质难以掌握
诱变产生的突变多为劣变,有利变异很少。
变异的方向和性质很难进行有效的预测和控制。
二、诱变育种的成就
诱变育种用于花卉育种的最多
通过烷基臵换取代其他分子的氢原子“烷化作 用”——作用机制
它们借助于磷酸、嘌呤、嘧啶基的烷化而与 DNA 或RNA起作用,进而导致“遗传密码”的改变。
作用重点是核酸
(一)烷化剂
1. 烷基磺酸盐和烷基硫酸盐类:
如甲基磺酸乙酯(EMS),硫酸二乙酯(DES)。
2. 亚硝基烷基化合物:
如亚硝基乙基脲(NEH),N-亚硝基-N-乙基脲烷
核技术的发展和新化学诱变剂的发现——
诱变育种得到较为广泛的应用。
无性繁殖植物占比重大。
早乔纳金
山东青岛市农科所1981年用快中子处理乔纳金休眠 枝诱变育成。 生长习性与乔纳金基本一致,生长势较弱。早果性 强,风味同乔纳金,品质上,果实成熟期9月上旬, 正值中秋佳节上市。
金二十世纪梨
物理阶段:主要特征是辐射能量使生物体
内各种分子发生电离(产生自由电子)和
激发(把束缚电子激发到更高的能级)。
物理-化学阶段:主要特征是通过电离的分
子重排,并产生许多化学性质很活泼的自 由基(具高能)。
H2O 辐射 H2O++eH2O +eH2O+ H2OH2OH++OH. OH-+H. H2O2
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