离体培养下遗传和变异

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1、第二章离体培养下的遗传与变异 离体培养的细胞 愈伤组织以及再生植株均普遍存在着变异 Larkin和Scowcroft 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 而把这些植株所表现出来的变异称之为体细胞无性系变异 somaclonalvariation 细胞工程 植物细胞工程 从对生物遗传的影响而言 细胞工程技术本身即包含了双重性 遗传稳定性和变异性 对于单纯的繁殖技术而言 离体培养的技术操作是细胞或组织或个体的不断复制 然而因为起始培养的材料 培养基成分以及培养时间的不同 使其产生的无性后代的遗传稳定性也有了一定差异 这些变异是因为在培养过程中产

2、生的 属于随机性变异 细胞工程还有一类技术操作 其目的就在于创造变异 如体细胞人工突变 基因转移 体细胞融合等 这些离体操作技术 在某种程度上说具有一定的目的性和方向性 可以在短期内获得从自然界可能要经过几年乃至上百年的进化才能获得的性状 从而加速了生物进化的进程 细胞工程 植物细胞工程 第二章离体培养下的遗传与变异 离体培养中的遗传与变异特点 体细胞变异的细胞遗传学基础 体细胞无性系变异诱导与选择应用 体细胞变异的分子遗传学基础 细胞工程 植物细胞工程 第二章离体培养下的遗传与变异 1离体培养中的遗传稳定性 2离体培养下变异 3影响体细胞遗传与变异的因素 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培

3、养中的遗传与变异特点 离体培养中的遗传稳定性 离体培养的细胞学基础是有丝分裂 有丝分裂的DNA半保留复制和染色体的均等分裂机制 从理论上可以保证离体培养物在一般情况下的遗传稳定性 在准确选择培养方式的前提下 离体无性繁殖可以具有较高的遗传稳定性 Phillip等 1994 正是基于这一理论 利用离体培养技术建立了多种植物的无性繁殖体系 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 离体培养中的遗传稳定性 离体培养的遗传稳定性表现的另一个方面是即使发生某些变异 只需根据需要选择适当的培养方式进行离体繁殖 即可以淘汰或选择变异 或分离纯合体 离体培养下的变异均属于无性变异 即使变异发生

4、 从个体的角度讲只会发生在少数性状上 因此 很容易从群体中剔除变异个体 从而可以维持离体培养群体的遗传稳定性 快速繁殖即是采用这一技术途径来保持所繁殖对象的品种典型性 变异也可以通过离体培养选择保留并快速纯化 这亦是离体培养遗传稳定性利用的途径之一 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 离体培养下变异特点 变异的普遍性 变异的局限性 特点 嵌合性 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 部分植物离体培养再生植株的表型变异频率 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 离体培养下变异特点 就单个变异体来讲 离体培养中变异性状往往是单一的 或少

5、数几个性状的变异 分析水稻种子愈伤组织起源的植株变异显示 在来自75个愈伤组织的1121个再生植株中 发生变异的植株 与供体品种比较只有1个性状表现差异的占72 2个以上性状表现差异的只占28 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 离体培养下变异特点 就同一培养体系的再生群体而言 变异又具有多样性 黑云杉 shan P mariana 65个系的7047个体细胞胚植株和白云杉 P glauca 22个系的3995个体细胞植株的表型变异分析显示 尽管两个种的体细胞胚植株变异频率分别只有1 0 和1 6 但分析发生变异的植株变异范围确较大 按形态变异即可分为9类 仅在矮化型变异

6、一个性状上也表现出一系列程度上的显著不同 生长4 5年后其植株高度呈现一系列变异类型 一些极度生长限制型矮化的株高只有几厘米 最矮类型的株高只有2 3cm 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 云杉体细胞胚植株变异类型 与有性重组相比 体细胞突变性状具有一定局限性 从表型上看 在不同植物类型中经常发生的变异主要是植株形态 株高 叶形 叶色等 生长势 育性 某些抗性等性状的变异 从生理生化特性上看容易出现同功酶谱 次生代谢的消长等变异 一些单基因控制的性状不仅发生隐形突变 也发生显性突变 细胞工程 植物细胞工程 2 1

7、离体培养中的遗传与变异特点 嵌合性嵌合性是指同一有机体中同时存在有遗传组成不同的细胞 它是组织培养中常见的现象 实际上 愈伤组织在大多数情况下是一种具有不同染色体数和遗传变异程度不同的细胞组成的嵌合体 这些细胞各自进行不同步的分裂 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 硬粒小麦 Triticumdurum 6个无性系植株体细胞染色体数 括号外为个体数 括号内为染色体数 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 非遗传变异 epigeneticvariation 外遗传变异 不设计基因结构的变化 只是在基因表达水平上的差异 它是细胞内原有遗传物质潜力在离体培养

8、中诱导表达的结果 如最常见的生长素自养型变异 这种基因调控水平上的变异不能通过有限世代传递给后代植株 但在离体培养中却可以经过培养继代 长期保存下来 只要不经过有性过程 这些性状一般不会丢失 生理适应性变异 通常在某种外界条件存在时才表现出变异 当外界条件不存在时 变异随之消失 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 影响体细胞遗传与变异的因素 供体植物 培养基和培养方式 继代培养的次数 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 影响体细胞遗传与变异的因素 供体植物的遗传背景对体细胞变异具有直接影响 供体植株原有的倍性水平在培养细胞多倍化过程中起着重要作用 处

9、于二倍体水平上的细胞比处于单倍体水平上的细胞较为稳定 植物种内基因型间变异频率差异较大 Tremblay等 1999 比较研究黑云杉和白云杉体细胞变异时也显示 黑云杉中体细胞变异频率最大的基因型可达57 6 而有些基因型变异率则为0 白云杉种内不同基因型的体细胞变异 变异率最高的基因型可达42 6 而有些基因型则根本不发生变异 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 谷子体细胞无性系R2的变异频率 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 影响体细胞遗传与变异的因素 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 在分化组织中 由

10、于细胞分化过程中的核内有丝分裂或核内复制 其结果是在活体内组织分化期间就会出现体细胞多倍性 在植物体内 这些多倍性细胞在正常情况下不再发生分裂以维持正常分化细胞的功能 然而在离体培养条件下 培养基中的激素以及培养环境 就有可能刺激这些多倍性细胞分裂 进而分化形成多倍体植株 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 影响体细胞遗传与变异的因素 供体植物对体细胞变异的影响还体现在组织细胞的生理状态上 不同组织细胞由于存在发育时期和生理功能的差异 因而在细胞的理化水平以及细胞所处的后遗传状态均有较大差异 在多年生植物培养中 供

11、体树的年龄与体细胞变异也有一定关系 变异频率有随树龄的增加而增高的趋势 影响体细胞遗传与变异的因素 普遍认为 培养方式 激素以及其它附加成分均会诱导体细胞变异的发生 因为离体培养本身可能即是一种变异诱导的过程 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影响 在豌豆根段培养物和细胞培养中发现 2 4 D0 25mgL 1能增加多倍体细胞的有丝分裂 减少二倍体细胞的有丝分裂 而高浓度 20mgL 1 则能促进二倍体细胞的分裂 在0 02mgL 1激动素和1mgL 1NAA的培养基上建立起来的纤细单冠菊幼苗愈伤组织 保存80天以后 其中多数细胞为二倍体 少数为四倍体 将这些愈伤组织转移

12、到含不同激素水平的培养基上 发现其多倍体细胞的分裂频率不同 0 02mgL 1激动素和4mgL 1NAA的多倍体分裂频率为20 而0 02mgL 1激动素和1mgL 1NAA时的多倍体分裂频率为100 出现这一现象的原因可能是因为多倍体细胞通常具有较强的环境忍耐能力 能够通过一些自体调节使细胞分裂 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 影响体细胞遗传与变异的因素 激素除了引起染色体倍性的增加外 在一些培养中还发现染色体倍性减少的现象 首次报道培养过程中的染色体减数是在1948年 Huskins 1948 以后一些研究者在他们的工作中也相继发现这一现象 但有关体细胞倍性减数的

13、资料还十分有限 顾蔚 1999 在蚕豆组织培养中发现 体细胞染色体减数与使用极端的激素浓度有关 在他的试验中不含激素的培养基其多倍体发生频率为6 31 在10mgL 1NNA和2 5mgL 1KT的培养基中 单倍体发生频率可达13 03 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 影响体细胞遗传与变异的因素 除了培养基的外源激素可以引起变异外 培养基的物理状态以及培养类型也会引起细胞的变异 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 原生质体培养的体细胞变异大于细胞培养的变异 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

14、养的植株 马铃薯原生质体培养再生植株的变异达到100 而茎尖培养再生植株基本没有变异 在因培养类型引起的变异中 不仅有染色体倍性的异常变异 同时基因突变 染色体结构变异 以及非DNA水平引起的变异亦相继增加 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 影响体细胞遗传与变异的因素 由继代次数引起的体细胞变异几乎在各种类型的植物中均有报道 一般来讲 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 染色体分析显示 这些植株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

15、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 细胞学分析显示出染色体断裂和带型变异 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 培养时间对掌叶半夏愈伤组织染色体变异的影响 细胞工程 植物细胞工程 2 1离体培养中的遗传与变异特点 在培养初期的 个月内 愈伤组织的染色体变异频率显著低于培养时间超过 个月以上的愈伤组织 离体培养的体细胞变异 从本质上来说是细胞对环境压力的应答机制的调整 有学者认为 实现这一机制调整的始发点是放弃自然条件下的细胞学控制程序 重建新的细胞学控制程序 这种程序重建的结果导致了染色体数量和结构的改变 Phillips等 1994 细胞工程

16、植物细胞工程 2 2体细胞变异的细胞遗传学基础 DNA重复复制 染色体断裂与重组 非正常有丝分裂 细胞工程 植物细胞工程 2 2体细胞变异的细胞遗传学基础 DNA核内重复复制 endoreduplication DNA重复复制但不发生细胞分裂 其结果是染色体组数增加 形成同源多倍体 如果这种DNA重复复制多次发生 细胞内DNA含量就会不断上升 Salon和Earle 1998 在硬粒小麦 Tripsacumdactyloides 的非成熟胚培养中观察到 存活的再生植株均为二倍体和四倍体 加倍后的植株在形态和发育方面均很正常 DNA的核内再复制在有些情况下可以反复进行 D Amato等 1980 报道 红花菜豆 Phaseoluscoecineu 2n 22 幼胚离体培养形成的愈伤组织 正常二倍体细胞只占二分之一 由于DNA核内多次复制 有的细胞核内DNA值达到128c 细胞工程 植物细胞工程 2 2体细胞变异的细胞遗传学基础 DNA核内重复复制 endoreduplication 一些中间类型的倍数性的形成 有研究认为可能是由于DNA经过重复复制后 在以后的复制中出现非同步复制或核融合