第十章 植物体细胞无性系变异

• 以突变体为工具，还从组织学和细胞学角度分析鉴 定了一些基因的表达与植物发育的关系。
• 在烟草、玉米中均通过质体突变体分离鉴定了与植
物叶绿体发育有关的核基因。玉米黄化突变体pun
是一个在光照下不可逆转的突变体，分析显示，该 突变体为一核单基因隐性突变，该基因的突变扰乱 了叶绿体基因编码的蛋白质积累，进而使叶绿体膜 系统发育不足，类囊体相关蛋白不能积累。
小
结
• 细胞工程技术对培养细胞具有遗传稳定性和变异性 的双重影响
• 体细胞变异在培养类型中具有普遍性，在变异性状 上具有局限性
• 体细胞变异可自发产生也可通过理化因子诱导产生
• 体细胞变异包括染色体数量和结构变异，但大多数 可利用变异多为基因突变；
• 利用体细胞变异可以直接培育品种也可作为生物学 相关研究的基础材料
（三）诱变
物理诱变 化学诱变
转座子插入
化学诱变
常用的化学诱变剂： - 烷化剂如DES，可改变DNA结构而引起突变； - 碱基类似物，核酸复制时，可掺入到新 合成的DNA分子中引起错配； - 移码诱变剂，如ICR化合物。
转座子插入诱变
• 转座子插入诱变是近年来利用分子生物学技术发 展起来的新的体细胞诱变方法。转座子既可直接 将外源基因带入细胞内获得新性状，又可以独立 插入通过其转座功能诱导变异。
• 激素引起的变异大多为倍性增加。 • 少数情况下激素引起类减数分裂而使倍性
减少。
二、培养基—物理状态
• 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。
三、培养类型
• 原生质体培养的体细胞变异大于细胞培养， 而细胞培养的变异又大于组织器官培养的 变异。在细胞培养中，性细胞培养再生植 株的变异要大于体细胞培养的植株。
第二节 体细胞无性系变异的机理及影响因素
一、体细胞无性系变异的机理
•预先存在的变异表达 •染色体数目变化 •点突变 •体细胞染色体DNA复制和缺失 •转座因子的活化 •DNA甲基化 •胞质DNA的变化
二、体细胞无性系变异的影响因素
一、供体植物—生理状态
• 以分生组织为外植体的再生植株通常可以 维持供体植物的典型性，体细胞变异频率 很低。
三、遗传学研究
• 突变体直接用于基因功能鉴定 • 突变DNA序列用作分子标记进行遗传研究
• 利用突变体策略已分离出一些功能基因和抗病基
因，如玉米乙醇脱氢酶基因ADH，赤霉素合成相
关基因、生长素敏感性基因等。
四、发育生物学研究
• 利用体细胞突变策略对植物发育的基因调控 研究已在模式植物拟南芥和金鱼草等植物中 广泛开展，并分离出一大批不同发育阶段和 组织类型的突变体。
变率高，选择机会多。
步骤：
诱变材料的选择
自发变异
细胞诱变
突变体筛选
突变体稳定性鉴定（一）诱导起始材料的选择选择 起始 材料 原则
目标性状 的可行性
试验植物 细胞培养 技术水平
适当的 细胞类型
（二）自发突变
一般来讲，长期营养繁殖的植物、培养时间较长或 继代次数多等，均容易出现较高的变异率。另外，培养 类型中，原生质体、细胞、愈伤组织培养等所出现的变 异频率要高于组织或器官培养的变异。
• 此外，还有丹麦无花青素原大麦Galant。
• 据不完全统计，诱变品种中大约有1/4是抗 病品种，其中80%左右为抗真菌品种。
• 耐盐、抗旱、抗寒变异也已筛选出众多中间 材料，有的已进入区域试验，有的已用于生 产。
二、加强外源基因向栽培种的渐渗
• 对远缘杂交的体细胞杂种、单体异附加系和 异代换系等材料进行组织培养，能使它们发 生遗传交换，提高外源基因向栽培种渐渗。
（五）突变体稳定性鉴定
•突变细胞或组织鉴定
•在正常培养基上继代培养几次进行鉴定。
•突变植株鉴定
•当代鉴定或自交后代鉴定
二、体细胞无性系变异的应用
改良作物品种 拓宽种质资源
加强外源基因向 栽培种的渐渗
遗传学研究
发育生物学研究
代谢研究
一、改良作物品种、拓宽种质资源
• 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。
思考题：
1、简述体细无性系变异的概念及优缺点。 2、利用植物体细胞无性系变异现象，设计获
得耐盐（或耐旱、抗病等）优良番茄株系的基 本程序。
间接选择
间接选择是一种借助于与突变表现有关的性状 作为选择指标的筛选方法。
Dorffling等以羟脯氨酸（HYP）为选择剂，获得 了耐HYP的体细胞变异系，其抗寒性比供体亲本增 强，且能稳定遗传。
林定波等将锦橙株心细胞愈伤组织的悬浮细胞经γ 射线照射，然后在高浓度脯氨酸培养基中培养筛选， 获得了抗寒体细胞变异愈伤组织，其再生植株抗寒 性比供体植株提高2.4℃。
第十章 植物体细胞无性系变异
第一节 植物体细胞无性系变异的变异及其应用
一、概念
•LarkinScowcroft（1981）提出把由任何形式的 细胞培养所产生的植株统称为体细胞无性系 （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，称为体细胞无性系变异 （somaclonal variation）。
二、变异主要涉及两个方面：
• 表型变异
包括形态特征、生长习性、抗性等
• 染色体变异
数目、结构（缺失、互换、易位、倒 位）
三、体细胞变异的优缺点：
• 优点： 适用于各种组培植物； 持续快速提供变异源； 消除优良品种的一个或几个缺陷； 提供新型变异株系。
• 缺点： 继代多次后，植株再生能力减弱； 变异不稳定，经杂交或自交后发生变化； 变异没有可预见性，常产生不适变异。
四、体细胞无性系变异的诱导与离体筛选
体细胞无性系变异的筛选有以下明显的优点： －可以小空间内对大量个体进行选择； －筛选可以在几个细胞周期内完成，且不受季节限制； －诱变和筛选条件可精确控制，试验重复性好； －突变体来源于单细胞，避免了植株出现嵌合体； －在细胞培养系统中，诱变剂可较均匀地接触细胞，突
（四）突变体选择
直接筛选
间接筛选
直接选择
其方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，非突变细胞 不能生长，从而直接筛选出突变性。
贾敬芬等以小麦幼胚愈伤组织为材料，在含有 1.4%NaCl的N6培养基上直接筛选出小麦耐盐系。
郑企成等曾将小麦“京花1号”花药经γ射线处理后，再 经0.5NaCl培养基直接筛选出耐盐再生株系。
四、继代次数
• 由继代次数引起的体细胞变异普遍存在。一般来 说，继代时间越长，继代次数越多，细胞变异的 机率就越高。
－烟草继代培养５年的愈伤组织，其再生植株与供体基 因型相比，几乎没有形态正常的植株。染色体分析表 明其大多为非整倍体和多倍体。
－玉米从刚诱导的愈伤组织中分化的植株，在形态上与 供体基因型基本一致，但培养３年后愈伤组织的再生 能力显著下降，再生植株生长异常。细胞学分析显示 染色体断裂和带型变异。
• 以分化组织为外植体的再生植株容易发生 体细胞变异，其频率与分化程度有关。
一、供体植物—遗传背景
• 基因型：植物种基因型间变异频率差异较 大。
• 倍性水平：多倍体和染色体数目较多的植 物其变异频率比二倍体和单倍体高。
二、培养基—激素
• 培养基激素浓度和不同激素配比对再生植 株的染色体倍性有一定的影响。
•目前，使用较多的转座子体系是玉米的Ac/Ds系统。首 先采用基因转化的方法将Ac/Ds导入受体细胞，再通过体 细胞培养或再生植株的自交或测交使Ac因子切除，由于转 座子插入的随机性，即可在切除Ac的植株中筛选出不同变 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。
• 在全世界50多个国家中已发放了1000多个 由直接突变获得的或由这些突变相互杂交而 衍生的品种。
在各国现有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%。
• 在水稻方面，国外至少育成了12个米质优良 的品种。如法国选育的Delta，以其良好的 籽粒品质占该国水稻总面积的20%。
五、代谢途径研究
• 突变体作为代谢活动调控研究的工具，具有十分 便利和高效的优势。可根据需要建立某一代谢途 径中每一个调节点的突变体，也可以与基因工程 相结合，对一些关键调控过程进行修饰和改造， 使代谢过程按照人类需要进行。因此而发展起来 的新型学科领域称之为代谢工程。
• 近年来，通过体细胞突变研究激素、次生代谢产 物等代谢途径的研究已有许多报道。如番茄推迟 成熟的突变体Nr，与乙烯应答基因突变有关； 玉米胚乳皱缩型突变sh可能涉及蔗糖代谢的相 关酶基因的突变。