植物分子育種學(xué).ppt

1、植物分子育種學(xué),李 健,植物育種學(xué)的相關(guān)概念,先來回顧一下作物育種學(xué)的相關(guān)知識。 植物育種學(xué) 種:分類上的基本單位,一群在形態(tài)和生理方面彼此十分相似，或性狀間差別很微小，并有一定自然分布區(qū)的動物個體；凡種內(nèi)的有性個體間能夠互配，并且產(chǎn)生能夠發(fā)育的個體后代；不同種的有性個體間不能夠互配和產(chǎn)生后代 變種:通常有一定的形態(tài)特征和地理分布，并在特征上與原種有一定的區(qū)別，與其他變種有共同的分布區(qū),亞種：種內(nèi)個體在地理上和生殖上充分隔離后，形成的一類種群；它是一個種內(nèi)的地理種群，或生理、生態(tài)種群，并具有地理分布上或生態(tài)上的不同。 品種：在任一方面具有獨特性的栽培植物群體,它可通過有性的、無性的或其他的方式

2、繁殖或重組,保持或重現(xiàn)其獨特性,并把品種分為純系品種、群體品種、雜交品種、綜合品種、多系品種、無性系品種、人造多倍體品種和中間品種等8類,品系 良種,植物育種學(xué)的內(nèi)容,1.種質(zhì)資源的搜集、研究和利用。 2.育種目標 3.育種方法 4.育種程序,第一章 緒 論,生物工程日益受到世界各國高度重視許多有重要意義的研究工作正在蓬勃展開，它的應(yīng)用是新技術(shù)革命的鮮明標志。隨著生物工程研究的深入和生物技術(shù)不斷的開發(fā)，其應(yīng)用面日漸拓寬，成果累累。生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，為提高糧食和其它農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)開辟了嶄新的途徑，有力地推動著農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化。,隨著國民經(jīng)濟的騰飛，人民生活水平的提高，農(nóng)業(yè)上迫切需要高產(chǎn)、

3、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲害和抗逆性強的作物新品種。常規(guī)育種雖然在農(nóng)作物產(chǎn)量提高和品質(zhì)改良方面取得了很大成績，但它存在著局限性： 一是遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移難以突破生物學(xué)隔離的障礙，使優(yōu)良種質(zhì)資源的利用受到限制； 二是由于基因連鎖的困擾，又不易收到理想的育種效果。,近年來迅速發(fā)展的生物技術(shù)，特別是分子水平的生物技術(shù)，在提高作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，增強抗病蟲和抗逆能力等方面展示了誘人的燦爛前景。,第一節(jié) 植物分子育種的概念和特點,一、植物分子育種的概念： 分子育種是指分子水平生物技術(shù)在植物育種上的應(yīng)用，是近20年來開創(chuàng)的育種新途徑。 從上世紀70年代中期到90年代末，分子育種經(jīng)歷了20余年的艱苦探索，在這期間，全國一共召

4、開了3次植物分子育種學(xué)術(shù)討論會，分子生物學(xué)，分子遺傳學(xué)和作物育種學(xué)的專家們匯聚一堂，總結(jié)交流經(jīng)驗、切磋技藝，共商發(fā)展，使分子育種事業(yè)事業(yè)進入了新階段。,周光宇認為植物分子育種可概括為兩個層次上的工程技術(shù)： 1將帶有目的性狀基因的供體總DNA片段導(dǎo)入欲改良的植物受體細胞，使其后代發(fā)生變異，從中篩選出獲得目的性狀的后代或符合需要的有價值的新類型，培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗的新品種； 2分離目的基因，構(gòu)建重組分子，導(dǎo)入需要改良的植物受體細胞，經(jīng)過篩選，培育出獲得目的性狀，且綜合性狀優(yōu)良的后代，育出新品種。,總之，分子育種的實施充分體現(xiàn)了運用分子生物學(xué)技術(shù)的科學(xué)性與先進性，即可以將不同物種的遺傳物質(zhì)（DN

5、A或基因）導(dǎo)入受體細胞，再進行培育與選擇，從而育出符合育種目標要求的新品種。,二、植物分子育種的特點 1、打破物種分類的界限，充分利用自然界豐富的遺傳資源，使遺傳物質(zhì)能在不同的植物間，甚至在植物、動物和微生物之間進行交流； 2、利用植株的特定細胞進行外源DNA或基因的轉(zhuǎn)移，如卵細胞、受精卵或早期胚胎細胞；或者幼胚、幼苗、芽叢分裂旺盛的細胞，它們隨著整體生長發(fā)育的進程而完成外源DNA或基因的導(dǎo)入、整合與轉(zhuǎn)化過程。無需經(jīng)過細胞原生質(zhì)體離體培養(yǎng)、轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)，形成再生株等一系列繁瑣復(fù)雜的培養(yǎng)流程。,3、適應(yīng)面廣，單子葉、雙子葉植物均可運用這項技術(shù)達到品種創(chuàng)新與改良的育種效果。 4、與常規(guī)育種相比，育種時

6、間明顯縮短，一般只需34代各選系便可穩(wěn)定。 5、方法簡便，室內(nèi)外（大田、盆栽場、溫室等）均可進行，常規(guī)育種工作者易于掌握。,一 、問題的提出 20世紀50年代我國興起糧食作物遠緣雜交試驗，得到了玉米稻、高粱稻等，圍繞玉米稻、高粱稻是否為遠緣雜交種，在遺傳育種界引起爭論。,第二節(jié)植物分子育種的產(chǎn)生與發(fā)展,周光宇提出的“DNA片段雜交”假說： 就整體分子而言，遠緣親本間的染色體結(jié)構(gòu)是不親和的，容易相互排斥。但局部DNA分子部分基因間的結(jié)構(gòu)有可能保持一定的親和性，因而遠源DNA片段有可能進入受體細胞。在母體DNA復(fù)制過程中，這種DNA片段便與受體基因組相應(yīng)區(qū)段整合，成為子代所表現(xiàn)的各種典型或非典型遺

7、傳變異現(xiàn)象的內(nèi)在遺傳依據(jù)。,二、 DNA片段雜交假說及其分子驗證,1、同工酶分析 在高粱稻（銀坊亨加利）及其親本酯酶同工酶分析研究中發(fā)現(xiàn)一條與高粱相同而銀坊（母本）沒有的酶帶，說明高粱稻中的這條酶帶來自父本高粱；,DNA片段雜交假說的分子驗證,在對高粱稻基因組的分析研究中，取父本高粱DNA與母本水稻DNA進行分子雜交，除去兩者的同源序列，以其余的高粱DNA序列制備探針，與高粱稻DNA進行分子雜交，發(fā)現(xiàn)高粱稻DNA中存在高粱的同源序列，從而證實高粱稻基因組中確實存在高粱DNA片段，此即說明高粱DNA片段已整合于高粱稻的基因組中。,2、DNA分子雜交,在對高粱稻及其兩親本的重復(fù)序列DNA復(fù)性動力學(xué)

8、分析研究中，發(fā)現(xiàn)高粱稻基因組的中度重復(fù)序列部分與母本水稻有差異，從而進一步說明這是由于父本高粱稻DNA整合于母本水稻基因組而造成的結(jié)果。,3、DNA復(fù)性動力學(xué)分析：,一、花粉管通道技術(shù): 外源DNA利用植物開花授粉后天然的花粉管通道進入胚囊，與受精卵或其前后的細胞相接觸，這類細胞在此時尚不具備細胞壁，有如原生質(zhì)體，能夠吸收DNA，受精后各種生命活動十分活躍，細胞DNA與RNA的合成很活躍，含量增加。此時一旦外源DNA片段的結(jié)構(gòu)、功能與受體基因組及其代謝有一定相容性時，就有可能被整合進入受體基因組，并且可能表達和遺傳。,第三節(jié) 外源DNA導(dǎo)入育種技術(shù)的探索,二、花粉管通道技術(shù)的分子驗證,1.缺口

9、翻譯技術(shù)驗證：以3H標記海島棉“416” DNA分子，于自花授粉后24h，用50l微量注射器向受體（岱字棉濾選204 ）子房注射10 L 3H標記的 DNA，經(jīng)30min、1、2、4、6、8h摘下子房，干冰冷凍子房。同時設(shè)對照。3個月觀察發(fā)現(xiàn)授粉30min后部分胚囊中有外源DNA進入。進而發(fā)現(xiàn)除從珠孔到胚囊的花粉管通道外，珠心的任何其它部位都均沒自顯影斑點。在花粉管中亦未見3H DNA的痕跡。,2 通過不同克隆的基因或特異DNA片段的導(dǎo)入進行分子驗證。 翁堅等應(yīng)用M13 （mp7）與受體重復(fù)序列重組導(dǎo)入海島棉，60d后，取成熟種子提取DNA，以32P標記M13（mp7）制備探針。經(jīng) South

10、ern 雜交的Sau 3A酶切圖譜上明顯可見樣品1（mp7+海島棉D(zhuǎn)NA)和樣品2（mp7+海島棉D(zhuǎn)NA)與對照明顯不同。分析表明導(dǎo)入過重組分子的海島棉D(zhuǎn)NA中，存在mp7 DNA。,3.質(zhì)粒與受體重復(fù)序列重組驗證。用Kanr 的pNE0105與受體重復(fù)序列重組后導(dǎo)入水稻，子代顯示出卡那霉素耐性明顯高于受體的植株。經(jīng)Southern雜交后可以顯示出卡那霉素抗性基因的雜交條帶。,外源DNA導(dǎo)入技術(shù)首先在棉花、水稻上取得成功。20世紀80年代以后，分子育種的研究逐步鋪開并迅速發(fā)展，涉及的材料增加了小麥、大豆、花生、蔬菜和果木等，選育出了一些有價值的新品種，同時發(fā)展了完善了外源DNA導(dǎo)入技術(shù)，如浸胚

11、、浸苗和注射幼穗、分蘗節(jié)等。,第四節(jié) 植物分子育種的興起與發(fā)展,上世紀 90年代以后，分子育種的隊伍進一步擴大，許多常規(guī)育種家也積極加入這一行列，全國約有21個省市，40個以上的實驗室開展這方面的研究，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病、抗逆的優(yōu)良新品種和新品系不斷涌現(xiàn)，顯示出巨大的生產(chǎn)力效應(yīng)。,羅漢果為葫蘆科羅漢果屬多年生藤本植物，產(chǎn)于廣西、廣東以及湖南南部地區(qū)。果近圓形，略似雞蛋，干果皮薄而脆，中醫(yī)用之入藥。羅漢果的效用有潤肺止咳、清解暑熱、涼血潤腸，羅漢果含羅漢果甜甙、氨基酸和果糖及黃酮。羅漢果甜甙在傳統(tǒng)中藥中被用于感冒，咳嗽，喉嚨痛，腸胃不適，并可用于清血。羅漢果甜甙易溶于水且無沉淀。提取物中含80%或

12、更多的羅漢果甜甙。甜甙的甜度為糖的300倍且含熱量低，是糖尿病患者穩(wěn)定且無發(fā)酵性的理想添加劑。羅漢果甜甙含有大量氨基酸，果糖，維他命和礦物質(zhì)。其同樣被用于中國傳統(tǒng)烹飪中作為香料和營養(yǎng)添加劑。其作為一種通用的天然甜味劑是代替人工甜味劑如阿斯巴甜等的理想代替品。在飲料，烘烤食品，營養(yǎng)食品，低熱食品或其它需要低或無水碳化合物甜味劑或需要低或無熱量的食用品中可充分發(fā)揮其作用。烹飪或烘烤并不會影響其風(fēng)味或甜度。,水果型黃瓜也稱小型黃瓜、迷你黃瓜, 葫蘆科黃瓜屬，由于從荷蘭引進的品種較多,故人們也稱之為荷蘭小黃瓜。該類型瓜長度1418厘米,直徑約3厘米,重100克左右,表皮柔嫩、光滑、色澤均勻、口感脆嫩、

13、瓜味濃郁,經(jīng)濟效益頗高。小黃瓜多為雌性系, 雌性系的優(yōu)點是果實成熟度一致,早期產(chǎn)量高。此類型瓜的特點為:瓜碼密,有1節(jié)1瓜的、1節(jié)2瓜的和1節(jié)多瓜的。而且,如果管理水平得當,豐產(chǎn)潛力很大,單茬畝產(chǎn)可在10000公斤以上。1年可種23茬。目前市場上水果型黃瓜品種中,進口品種仍占主導(dǎo)地位,但在生產(chǎn)中主要存在以下問題:一是進口種子成本高;二是品質(zhì)不理想;三是國外品種抗病毒病能力普遍較差;四是栽培管理技術(shù)不配套等。水果型黃瓜目前市場售價20元/公斤左右,但它的種子價格是國內(nèi)普通黃瓜種子的100倍。,第五節(jié) 植物分子育種與作物遺傳改良,隨著國民經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對農(nóng)作物品種的要求愈來愈高。目前育種的

14、主要目標集中在高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲害、抗逆能 力和適應(yīng)性等方面。傳統(tǒng)的育種方法選育出的大量品種，在生產(chǎn)上發(fā)揮了很大的作用。但它畢竟存在著局限性，難以進一步提高實效。,育種實踐證明，育種上要有新突破，目前必須抓住兩項工作： 1、廣泛收集有益的種質(zhì)資源，并加以利用； 2、育種方法上進一步革新。 分子育種與常規(guī)育種緊密結(jié)合，相輔相成，使作物遺傳改良的研究登上了新的臺階，優(yōu)良新品種層出不窮，以下是這方面的一些研究成果：,一、增強抗性,1、抗?。?病害是作物生產(chǎn)的大敵，培育抗病品種是育種家們刻不容緩的任務(wù)。近年來通過分子育種與常規(guī)育種相結(jié)合，在抗病育種方面取得了明顯的成效：,黃駿麒以海島棉7124為供體，

15、以陸地棉9101為受體，將前者DNA導(dǎo)入到后者，選育出新品系3118，高抗枯萎病，并耐黃萎病，在江蘇和上海廣泛種植。,隨后倪建福等(1994)、王亞馥等(1995)成功將高粱DNA導(dǎo)入普通小麥，選育出抗條銹病白粒新品系。,2、抗逆性,農(nóng)作物經(jīng)常受到各種不利因素如鹽堿、干旱、水澇、寒冷及特殊金屬離子的威脅，一般情況下造成減產(chǎn)，嚴重時顆粒無收。因而選育對不良環(huán)境具有特殊抵抗能力的新品種具有十分重要的意義。植物分子育種有利于解決上述問題。,李道遠等應(yīng)用花粉管通道技術(shù)將藥用野生稻DNA導(dǎo)入栽培稻，選育出糯稻桂D1號，耐旱、耐瘠、苗期抗寒、成熟期抗早衰、產(chǎn)量高，現(xiàn)已大面積推廣。 吳小月應(yīng)用外源DNA導(dǎo)入

16、技術(shù)將中棉常熟黑子的DNA導(dǎo)入受體陸地棉品種岱紅岱，成功地選育到一個高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、吐絮集中、抗逆性強、耐漬澇并耐枯萎病的棉花新品種湘棉12號，并已通過湖南省品種審定。,二、提高產(chǎn)量、改良品質(zhì),隨著人民生活水平的提高，對各種作物的品質(zhì)提出了更高的要求，因此在育種要注意將高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)結(jié)合起來。實踐證明，通過分子育種的手段可以將兩者很好地結(jié)合起來。,洪亞輝等將玉米DNA導(dǎo)入早稻91L，從其后代中選育出多個優(yōu)良變異品系，如DH系，畝產(chǎn)超過500Kg，經(jīng)中國水稻所檢測，絕大部分項目達到米質(zhì)一級標準，其中蛋白質(zhì)含量為13.5左右，最高達到14.9。 王秀玲等（2003）成功的將野生大豆總DNA導(dǎo)入小麥，為選育

17、高蛋白優(yōu)質(zhì)的新品系提供了新的途徑。,經(jīng)過科學(xué)工作者的艱辛探索，植物分子育種在品種的遺傳改良和創(chuàng)造新類型方面已作出了巨大的成績。分子育種能打破物種界限，廣泛利用自然界有益的遺傳資源，從而解決常規(guī)育種難以克服的困難，培育出符合需要的新品種。,總結(jié)1,總結(jié)2,在植物分子育種上還有兩個問題仍需要進一步研究： 一、外源DNA到底以什么狀態(tài)進入受體，又是如何整合到受體基因組； 二、克服總DNA導(dǎo)入的盲目性，從分子水平上分離目的基因，進而構(gòu)建重組體，將目的基因準確地導(dǎo)入受體。,分子育種實踐-高蛋白水稻,為了選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的水稻新品種,采用花粉管通道法（導(dǎo)入方法：在開花后進行整穗,除去已開過和尚未開放的

18、花朵,保留正在開放的穎花,剪穎(斜剪,去掉1/3穎殼),2h后切花柱,隨即用微量注射器將供體DNA溶液注入受體穎花中,立即套袋.為確保開花和結(jié)實,在導(dǎo)入過程中常采取輔助措施.DNA溶液質(zhì)量濃度約為400g/mL,每穎花滴注1015L,以注射相應(yīng)量的TE緩沖液的穎花作為對照）.,將密穗高粱總DNA導(dǎo)入水稻，從后代變異材料中選育出多個具有高光效、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的新品系.經(jīng)隨機擴增多態(tài)DNA技術(shù)對供體、受體、后代進行分子驗證,后代中出現(xiàn)了在供體中存在而在受體中不存在的泳帶.解剖學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)了后代劍葉、穗頸及穗基的輸導(dǎo)組織比受體發(fā)達,維管束數(shù)目比受體增加10%30%.后代的光合速率亦顯著高于受體.在形態(tài)解剖、光合特性和分子水平上進一步證明了高粱DNA片段在受體中的表達和穩(wěn)定遺傳.對優(yōu)良后代等品系進行生產(chǎn)示范,增產(chǎn)效果顯著,單產(chǎn)高達7500kg/hm2。米質(zhì)分析結(jié)果表明,整精米率、蛋白質(zhì)含量、支鏈淀粉、產(chǎn)量等多項指標均優(yōu)于部頒優(yōu)質(zhì)米標準.