西南林大植物育種學(xué)課件-06誘變育種及倍性育種

第六章誘變育種及倍性育種科學(xué)擴(kuò)展了人類的想象空間，技術(shù)使理想成為現(xiàn)實(shí)。主要內(nèi)容輻射誘變育種化學(xué)誘變育種倍性育種空間誘變育種常規(guī)育種技術(shù)技術(shù)要點(diǎn)：引種、選種、雜交育種優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，無需復(fù)雜的儀器設(shè)備；親本選配好后便可以創(chuàng)造各種類型的變異；可以利用雜種優(yōu)勢。常規(guī)育種的局限性雜種后代遺傳組成復(fù)雜，分離廣泛；新基因型的出現(xiàn)依賴于親本基因型；連鎖基因的連鎖關(guān)系很難打破；無法利用染色體倍性變化；育種年限較長。自然界產(chǎn)生的可遺傳的變異遺傳重組染色體數(shù)量變異染色體結(jié)構(gòu)變異基因突變?nèi)斯ふT變的方法物理方法化學(xué)方法人工誘變的思路染色體結(jié)構(gòu)變化染色體數(shù)量變化基因突變轉(zhuǎn)基因操作人工誘變的技術(shù)措施輻射誘變化學(xué)誘變空間誘變基因工程第一節(jié)輻射誘變育種

利用物理輻射能源處理植物材料產(chǎn)生遺傳變異，以選育新品種的技術(shù)。(掌握)主要內(nèi)容一、輻射育種的特點(diǎn)(了解)二、射線的種類及其特征(了解)三、輻射劑量和劑量單位(了解)四、輻射材料的選擇(了解/掌握)五、輻射處理的主要方法(掌握)六、輻射后代的選育(了解)一、輻射育種的特點(diǎn)(了解)提高突變頻率，擴(kuò)大突變譜；能改變品種單一不良性狀，而保持其它優(yōu)良性狀不變；增強(qiáng)抗逆性，改進(jìn)品質(zhì)；輻射后代分離少，穩(wěn)定快，育種年限短；能克服遠(yuǎn)緣雜交的不育性和不結(jié)實(shí)性。電離射線?

射線γ射線χ射線中子非電離射線紫外線激光二、射線的種類及其特征(了解)輻射通過有機(jī)體時(shí)能直接或間接地產(chǎn)生電離現(xiàn)象輻射能量不足以使原子電離,只能產(chǎn)生激發(fā)作用1、

物理因素只限于電離輻射(ionizingradiation)和非電離輻射(non-ionizingradiation)?；蛲蛔冃枰喈?dāng)大的能量，輻射就是很好的能量來源。紫外線除產(chǎn)生熱能外，還能使原子“激發(fā)”(activation)；X射線、γ射線、α射線、β射線、中子等除產(chǎn)生熱能和使原子激發(fā)外，還能使原子“電離”(ionization)。射線衰變的原子核釋放的能量。又稱丙種射線。是一種高能電磁波，波長很短（10-8—10-11厘米）。穿透力強(qiáng)，射程遠(yuǎn)、以光速傳播，一次可以照射很多種子，而且劑量較均勻。誘變育種的Co60輻射源當(dāng)前一般常用的射線是放射性同位素Co60或Cs137產(chǎn)生的。其半衰期分別為5.3年和30年。χ射線是由χ光機(jī)產(chǎn)生的高能電磁波。它的波長比γ

射線長，射程略近。穿透力不如

γ射線強(qiáng)。

?射線它是由放射性同位素（如32P、35S等）衰變時(shí)放出來帶負(fù)電荷的粒子。能量較γ

射線和χ射線低，在空氣中射程短，穿透力弱，不宜做外照射的射線源。中子

中子是不帶電的粒子流，在自然界里并不單獨(dú)存在，只有在原子核受到外來粒子的轟擊而產(chǎn)生核反應(yīng)，才從原子核里釋放出來。產(chǎn)生的中子按能量大小可分為快中子、超快中子、中能中子、慢中子、熱中子。目前常用的是熱中子和快中子。中子射線通常由回旋加速器、中子發(fā)生器或U235原子核反應(yīng)堆等產(chǎn)生。當(dāng)中子照射植物組織時(shí)，可以產(chǎn)生以下作用：從照射物質(zhì)中打出一個(gè)核來，形成反沖核，使物質(zhì)的原子核處于激發(fā)狀態(tài)而放出γ射線，引起不同的核反應(yīng)，形成放射性同位素，產(chǎn)生次級放射性等。紫外線

是一種穿透力很弱的非電離射線，可以用來處理微生物和植物的花粉粒。紫外線(ultravioletlight)最有效的波長為2600?(ai)，這個(gè)波長正是DNA吸收紫外線的有效波長。紫外線直接作用使分子結(jié)構(gòu)離析，如產(chǎn)生二聚體，間接作用產(chǎn)生過氧化氫(H2O2)可誘發(fā)突變新補(bǔ)的核苷酸片段發(fā)生差錯(cuò)激光

能使生物細(xì)胞發(fā)生共振吸收，導(dǎo)致體內(nèi)某些分子原子的能態(tài)的激發(fā)，或原子、分子離子化，進(jìn)而引起生物體內(nèi)部的變異。

以上各種射線中，中子的誘變效率最高，β射線次之，γ射線和χ射線低于前二者，激光誘變的損傷率遠(yuǎn)比γ射線和χ射線低，但由于來源和設(shè)備條件及安全等因素，目前常的是γ射線和χ射線。

三、輻射劑量和劑量單位(了解)（一）輻射劑量：單位體積或單位質(zhì)量的空氣吸收的能量。（二）吸收劑量：單位體積或單位質(zhì)量被照射物質(zhì)中所吸收能量。D=E/M（爾格）D–吸收劑量E–被照射物質(zhì)吸收的能量M–被照射物質(zhì)的體積/質(zhì)量（三）劑量單位劑量單位常因不同射線的不同計(jì)量方法而不同：1、倫琴簡稱倫或用R符號(hào)表示，用于γ射線和χ射線的劑量單位。1R上指每立方厘米空氣中（0℃、760mmHg氣壓），形成2.038×109離子對的電離輻射劑量，或者說是1g組織所吸收相當(dāng)于93爾格(erg)的射線劑量。

1erg=10-7J（三）劑量單位2、拉特也稱組織倫琴，用rad表示。它是對于任何電離輻射的吸收劑量單位。1rad就是指1g被照射物質(zhì)吸收了100erg的能量。

3、中子流量（積分流量）中子射線的劑量計(jì)算，常以每平方厘米上通過多少個(gè)中子數(shù)來確定的，其單位以中子數(shù)/厘米2表示。4、居里是放射性強(qiáng)度的單位，用能ci或c表示。

1

ci=3.7×1010個(gè)原子衰變/每秒的放射性.（四）劑量率/劑量強(qiáng)度

即單位時(shí)間內(nèi)射線能量的大小。單位以倫/分或倫/小時(shí)來表示。

P=D/TP—

劑量率/劑量強(qiáng)度D—

放射劑量T—

照射時(shí)間劑量率在輻射育種中很重要，往往用同一劑量處理同一個(gè)品種的種子，劑量率不同，輻射效果也不相同。（五）輻射劑量致死劑量（LD100）：輻射后全部致死的劑量值。半致死劑量（LD50）：輻射后50%存活時(shí)的劑量值。臨界劑量（LD40）：輻射后40%存活時(shí)的劑量值。生長指數(shù)劑量（GR50）：生長量比對照降低50%的劑量值。活力指數(shù)劑量（VID50）:輻射后種子活力指數(shù)比對照下降50%所需的劑量。活力指數(shù)VI=SGi

發(fā)芽指數(shù)Gi=Gt/Dt

S–

根長或苗高；Gt

–

第7天的發(fā)芽數(shù)；Dt

–

達(dá)到指定發(fā)芽數(shù)的日數(shù)四、輻射材料的選擇（一）選擇材料的原則(了解)綜合性狀好，個(gè)別性狀有待改善；易產(chǎn)生不定芽;對輻射較為敏感的材料。（二）植物對輻射的敏感性（內(nèi)因）(掌握)1、科、屬、種、品種的敏感差異

如一般豆科植物最敏感，禾本科次之，十字花科植物最遲鈍。2、不同發(fā)育階段差異

如發(fā)芽種子比體眠種子敏感得多，未成熟種子比成熟種子敏感，染色體的有絲分裂和減數(shù)分裂前期較其他時(shí)期敏感，幼年植株較成年植株敏感。3、不同組織器官差異

分生組織最敏感，性細(xì)胞比體細(xì)胞敏感，細(xì)胞核較細(xì)胞質(zhì)敏感。（三）影響植物材料敏感性的因素（外因）(掌握)１、氧

如果使種子或植物在完全無氧的空氣中受照射，則誘變效率可以提高，而染色體損傷相對減少。如希望產(chǎn)生較多的染色體畸變，最好在有氧的條件下處理。２、含水量

在種子輻射處理時(shí)，欲得到較高的誘變率，可將種子含水量調(diào)到1.3—1.4%左右；如希望得到較高的染色體畸變率，則可降低種子含水量水平。３、溫度

在種子受照射后，對種子進(jìn)行處理，即在75℃或85℃處理15分鐘，此種處理稱“熱擊”，可以降低照射后在有氧條件下吸水所產(chǎn)生的敏感性。

４、核體積（包括植物的多倍性）

輻射敏感性與“間期”染色體體積之間呈負(fù)相關(guān)，即“間期”染色體體積愈大，輻射敏感性愈小，否則相反；輻射敏感性亦與DNA含量成負(fù)相關(guān)，即DNA含量越多，輻射敏感性越差，所以多倍體植物比較輻射。

五、輻射處理的主要方法(掌握)

輻射處理分外照射和內(nèi)照射兩種形式。

（一）外照射

是指被照射的有機(jī)體所受的輻射來自外部的某一輻射源。也就是說放射性元素不進(jìn)入植物體內(nèi),而是利用其射線照射植物各個(gè)器官.目前常用的是χ射線、γ射線、中子。外照方法簡便安全，可大量處理，所以廣為采用。

外照射處理植物的部位和方法：

１、種子照射種子的方法有處理干種子、濕種子、萌動(dòng)種子三種。目前應(yīng)用較多的是處理干種子。

處理干種子的優(yōu)點(diǎn)是：能處理大量種子；操作方便；便于運(yùn)輸和貯藏；受環(huán)境條件的影響小；經(jīng)過輻射處理過的種子，沒有污染和散射的問題。

２、無性繁殖器官（塊莖、塊根、鱗莖、球莖、幼芽、枝條等）許多植物是用無性繁殖的，而且有部分植物從來不結(jié)種子，只依靠無性繁殖。

誘變育種是對這類材料進(jìn)行品種改良的重要手段，在誘變育種中只要得到好的突變體，就可直接繁殖利用。

３、花粉可采集花粉于容器內(nèi)（針對于花粉生活力強(qiáng)且壽命長的）或直接照射（針對于有輻射圃或有便攜式輻照儀的單位）。照射花粉與照射種子相比，其優(yōu)點(diǎn)是很少產(chǎn)生嵌合體，即花粉一旦發(fā)生突變，其受精卵便成為異質(zhì)結(jié)合子，將來發(fā)育為異質(zhì)結(jié)合的植株，通過自交，其后代可以分離出來許多突變體。

４、子房射線對卵細(xì)胞影響較大，會(huì)引起后代較大的變異，它不僅引起卵細(xì)胞突變，亦可誘發(fā)孤雌生殖。

自花授粉植物照射前應(yīng)去雄（二）內(nèi)照射是指輻射源被引進(jìn)到受照射的植物體的內(nèi)部。照射源：32P、36S、14C等放射性元素的化合物。照射方法浸泡法：浸泡種子或枝條；注射法：注射入植物的莖桿、枝條、芽等部位；施入法：施于土壤中使植物吸收；飼養(yǎng)法：用放射性的14C供給植物，借助于光合作用所形成的產(chǎn)物來進(jìn)行內(nèi)照射。注意事項(xiàng)利用內(nèi)照射誘變需要一定的試驗(yàn)設(shè)備；試驗(yàn)過程中還需要一定的防護(hù)，預(yù)防放射性同位素的污染，處理過的材料在一定時(shí)間內(nèi)帶有效射性。六、輻射后代的選育(了解)（一）種子輻射后代的選育M0:接受輻射處理后的種子M1:輻射處理種子長成的植株依此類推由于突變多屬隱性，可遺傳的變異在M1通常并不顯現(xiàn)，M1所表現(xiàn)的變異，多為高能射線所造成的生理變異（特別是生理損傷和畸形），這些變異不論優(yōu)劣一般并不遺傳，因此M1不必進(jìn)行選擇淘汰，而應(yīng)全部留種。M1植物應(yīng)隔離，使其自由授粉，以免有利突變因雜交而混雜。M1的選育M2是分離最大的一個(gè)世代，能遺傳的變異主要將在這一代里顯現(xiàn)出來。一般在世代出現(xiàn)的變異以不利多，有利少，因此供選擇的群體要足夠大。由于照射的種子所得M1常為“嵌合體”，對M1最好能分果或分穗分別采收種子分別播種形成“穗系區(qū)”。在M2中選擇有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的突變株留種。M2的選育M3也是一個(gè)分離的世代，但比M2小。一般將M2中獲得的變異株分株采種，分別播種一個(gè)小區(qū)，稱為“株系區(qū)”。在M3中鑒定淘汰不良的株系，在優(yōu)良的株系中再選最優(yōu)良的單株M3的選育將優(yōu)良M3株系中的優(yōu)良單株分株播種成為M4。進(jìn)一步選擇優(yōu)良的株系，如果該株系內(nèi)各植株的性狀表現(xiàn)相當(dāng)一致，便可將該系的優(yōu)良單株混合播種為一個(gè)小區(qū)，成為M5。最后和對照相比，選出優(yōu)良的品種。M4及M5的選育（二）無性繁殖器官輻射處理后的選育無性繁殖的植物，選擇自然產(chǎn)生的芽變，是有效的方法。用射線照射無性繁殖器官，可以提高芽變的頻率，是加速選育新品種的有效途徑之一。無性繁殖的植物誘發(fā)突變有下列特點(diǎn)：輻射后代穩(wěn)定得比較快。在遺傳上大多是異質(zhì)的。變異一旦發(fā)生，通常在后代可表現(xiàn)出來，所以選擇主要在M1代進(jìn)行。注意增強(qiáng)選擇，防止逆突變出現(xiàn)。第二節(jié)化學(xué)誘變育種利用化學(xué)誘變劑誘發(fā)植物產(chǎn)生遺傳變異，以選育新品種的技術(shù)。(掌握)主要內(nèi)容一、化學(xué)誘變育種的特點(diǎn)(了解)二、化學(xué)誘變劑的種類(了解)三、化學(xué)誘變劑處理的主要方法(掌握)一、化學(xué)誘變育種的特點(diǎn)(了解)操作簡便、價(jià)格低廉；專一性強(qiáng)；提高突變頻率、擴(kuò)大突變譜；多數(shù)為遲發(fā)性突變；誘變后代的穩(wěn)定過程較短，可縮短育種年限。1、堿基類似物(baseanalogs)2、堿基的修飾劑3、DNA插入劑4、抗生素5、防礙DNA合成的物質(zhì)6、其它二、化學(xué)誘變劑chemicalmutagens的種類(了解)1、堿基類似物(baseanalogs)5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU）氨基嘌呤（2-aminopurine2-AP）迭氮胸苷（AZT,azidothymidine）

5-溴尿嘧啶和T很相似，僅在第5個(gè)碳元子上由Br取代了甲基，5-BU有酮式和烯醇式兩種異構(gòu)體，可分別與A及G配對結(jié)合。

2-氨基嘌呤(2-AP)也是堿基的類似物，有正常狀態(tài)和稀有狀態(tài)兩種異構(gòu)體，可分別與T和C配對結(jié)合。當(dāng)2-AP摻入到DNA復(fù)制中時(shí)，由于其異構(gòu)體的變換而導(dǎo)致A∶T→G∶C

2、堿基的修飾劑這類物質(zhì)通過直接地修飾堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu)，改變其性質(zhì)而導(dǎo)致誘變.

亞硝酸

羥胺

烷化劑

亞硝酸

有氧化脫氨作用。G亞硝酸黃嘌呤(與胞嘧啶C配對)無轉(zhuǎn)換A亞硝酸次黃嘌呤H(與胞嘧啶C配對)AT→GCC亞硝酸尿嘧啶U(與腺嘌呤A配對)CG→TA

可特異地使胞嘧啶上的氨基氮羥基化在第4個(gè)C原子上加-OH，產(chǎn)生4-OH-C，此產(chǎn)物可以和A配對，使C∶G→T∶A.羥胺

烷化劑有一個(gè)或多個(gè)不穩(wěn)定的烷基(C2H5)，烷基具有置換其它分子氫原子的作用(烷化作用)，使堿基烷基化，EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，結(jié)果產(chǎn)生的O-6-E-G（O6甲基鳥嘌呤）和O-4-E-T（04甲基胸腺嘧啶）分別和T、G配對，導(dǎo)致G∶C對轉(zhuǎn)換成A∶T對；T∶A對轉(zhuǎn)換成C∶G，烷化作用改變了堿基的分子結(jié)構(gòu)，從而造成基因突變.常用的烷化劑有芥子氣、甲基甲黃酸(MMS)、甲基黃酸乙酯(EMS)、硫酸二乙酯(DES)、乙烯亞胺(EI)、胲、亞硝基胍(NG)等。烷化劑有一個(gè)或多個(gè)不穩(wěn)定的烷基(C2H5)，烷基具有置換其它分子氫原子的作用(烷化作用)，使堿基烷基化。3、插入劑如吖啶橙acridineorange、黃素acriflavine、原黃素proflavine等.通過插入到DNA雙螺旋雙鏈或單鏈的兩個(gè)相鄰的堿基之間，起到插入誘變作用.4、抗生素如重氮絲氨酸，絲裂霉素C等具有破壞分子結(jié)構(gòu)的能力，可造成染色體的斷裂.5、妨礙DNA合成的物質(zhì)妨礙DNA某一成分合成引起的DNA結(jié)構(gòu)變化如5－氨基尿嘧啶、8－乙氧基咖啡堿這兩種堿基妨礙嘧啶的合成，6－巰基嘌呤妨礙嘌呤的合成，從而導(dǎo)致被處理生物的突變。

6、其它：方式不清的化合物:H2O2、甲醛等。三、化學(xué)誘變劑處理的主要方法(掌握)（一）藥劑配制水溶性；酒精溶解；PH值的調(diào)整。（二）處理1、常用處理方法

浸種法、涂抹法、滴液法、注入法、熏蒸法、施入法。2、處理步驟預(yù)處理藥液處理后處理(沖洗)3、誘變處理誘變劑量的選擇

化學(xué)藥劑的濃度×處理的時(shí)間誘變處理中應(yīng)注意的問題

藥品的保存和人畜安全化學(xué)誘變當(dāng)代也會(huì)產(chǎn)生生理損傷，注意苗期保護(hù)誘變后代的選擇

對種子繁殖材料應(yīng)加強(qiáng)后代選育對無性繁殖材料應(yīng)注意區(qū)分損傷和變異程序

誘變材料誘變方法誘變?nèi)后w誘變處理誘變后代選擇利用提高誘變育種效率的方法

1、對影響誘變效果的因素采取相應(yīng)的措施；

2、誘變育種與其他育種方法相結(jié)合；

3、將離體培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用于誘變育種。第三節(jié)倍性育種

一、多倍體育種二、單倍體育種（一）多倍體的種類(了解)同源多倍體異源多倍體一、多倍體育種（二）多倍體的特點(diǎn)(了解)巨大性；可孕性低；遺傳變異性；（三）多倍體育種的途徑與方法(掌握)

物理因素誘導(dǎo)化學(xué)因素誘導(dǎo)有性雜交胚乳培養(yǎng)體細(xì)胞無性系變異—多倍芽變細(xì)胞融合

（四）人工誘導(dǎo)多倍體的方法(掌握)1、材料的選擇最有希望獲得成功的材料：染色體倍數(shù)低的植物；染色體數(shù)量少的植物；異花授粉植物；能利用無性繁殖方法繁殖的植物；2、處理方法（1）藥液的濃度（常用試劑：秋水仙堿）（2）處理時(shí)間（3）處理方法3、處理時(shí)注意事項(xiàng)幼苗生長點(diǎn)的處理愈早愈好；加強(qiáng)培育措施；注意控制溫度；擴(kuò)大處理群體；注意清洗殘留藥液；注意安全。（五）多倍體后代的鑒定和選擇(掌握)形態(tài)學(xué)鑒定細(xì)胞學(xué)鑒定生理指標(biāo)測定煙草2倍體，4倍體和8倍體葉片表皮細(xì)胞的比較

2x4x8x2x4x8x（六）多倍體育種的成就(了解)1、多倍體育種在理論和實(shí)踐上的意義多倍體是物種飛躍式進(jìn)化的重要形式；人工誘導(dǎo)多倍體是重要的育種手段；是克服遠(yuǎn)源雜交不孕性的重要手段。2、多倍體育種的成就自1945年，美國科學(xué)家Blakeslee和Avery應(yīng)用秋水仙堿處理植物種子，獲得45%同源多倍體，開創(chuàng)了多倍體育種的新時(shí)代。至1980年，世界各地用實(shí)驗(yàn)方法獲得多倍體植物共達(dá)1000余種。多倍體育種技術(shù)成為育種學(xué)家手中的一項(xiàng)有利技術(shù)仍將起到積極作用。如觀賞植物中蘭花、百合、金魚草、萱草、荷花等均已取得了重要成績。酢漿草吊竹梅紫露草鳳仙花多倍體育種多倍體大麗花香雪球天然人工