应用生物技术第二部分

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1、应 用 生 物 技 术 Applied Biotechnology,长江大学生命科学学院,第二部分 植物生物技术,第二章 生物技术与现代植物育种 第三章 植物细胞工程育种 第四章 植物分子育种,第一节 遗传学、生物技术与植物育种 第二节 细胞工程育种的原理与方法 第三节 分子育种的原理与方法,第二章 生物技术与现代植物育种,一、遗传学与植物育种 二、生物技术与植物育种,第一节 遗传学、生物技术与植物育种,一、遗传学与植物育种,植物育种实质上是对植物的遗传基础进行改良，从而培育出适合人们需要的新品种的一门科学。 当人们对生物的遗传规律还一无所知时，植物育种一直处在感性的和经验性阶段。本世纪初发展

2、起来的遗传学，阐明了生物遗传的物质基础和遗传变异的基本规律，给古老的植物育种注入了新的生命力，从而形成了科学的植物育种学。 可以这样认为，一位不熟悉遗传学的育种家，不能算是优秀的育种家。,近百年来，以遗传学原理为主要依据的现代科学育种所取得的成就，可能主要来自育种家对“选择”与“杂交”这两大武器的巧妙运用。植物育种学的发展不仅有赖于遗传学的建立和发展，也有赖于新技术的应用，现代植物育种实际上一直都是在不断吸取各种新兴科技成果中发展起来的。 传统育种：“经验+机会” 现代育种：“知识+技术”，进入到了知识经济时代,新技术、新手段在植物育种上的应用阶段：,20世纪40年代：发现的秋水仙素开拓了多倍

3、体育种途径； 20世纪50年代：原子能的和平利用，使得植物突变的机率成千倍地提高，为植物育种提供了丰富的遗传变异（包括现代航天育种，搭乘运载火箭作物诱变）； 20世纪60年代：发展起来的基于组织培养的胚挽救技术，使得育种家可能将较为远缘的种质利用到他们的植物遗传改良中。这些技术都具有简便实用的特点，育种家们可以在育种程序中应用自如。,二、生物技术与植物育种,20世纪70年代：是植物组织培养技术蓬勃发展的时期。 胚挽救技术从胚胎培养发展到子房培养、胚珠培养和试管受精； 原生质体融合为获得更远缘的种质利用创造了机会； 花药培养或小孢子培养为加速育种进程提供了前所未有的机会； 试管苗快速繁殖大大缩短

4、了林木果蔬和花卉育种家与市场的距离。,由于组织培养技术的复杂性和较长的周期性，育种家已不可能在从事繁重的育种过程中兼顾新技术的应用了。必须有专门人员从事组织培养为育种服务。于是除了育种家外，植物育种的队伍里增添了一支从事生物技术的新军：组织培养工作者！,20世纪8090年代：现代生物科学中，分子生物学是发展最快的学科。如果说80年代是分子生物学大发展的时期，那么90年代及21世纪初至今则是分子生物学进入实际应用的时期。在这一时期中，与植物育种关系最为密切的分子生物学技术，当数分子克隆和分子标记（国家级科研项目生物领域有超过2/3的涉及到分子水平，如人类基因组、植物基因组、基因克隆、遗传转化等）

5、。现在还有基因DNA芯片技术，后基因组时代，功能基因研究等。,现代植物生物技术的主要内容是细胞工程和分子育种。细胞工程包括离体胚培养、小孢子培养、原生质体融合和离体选择等方面；分子育种则包括基因的分离与克隆、遗传转化及分子标记辅助育种等方面。,一、离体胚培养、胚挽救技术、试管受精 用于克服远缘有性杂交的不亲和性。 二、小孢子培养、花药培养 获得单倍体、双单倍体。 三、细胞培养 诱变，离体选择。 四、原生质体融合 体细胞杂交，“体配”融合，克服远缘有性杂交的不亲和性，核置换，细胞器DNA重组。 五、试管苗快速繁殖 群体扩繁，林木果蔬和花卉育种。,第二节 细胞工程育种的原理与方法,最有前景的是遗传

6、转化和分子标记辅助选择应用、品种。 一、分子克隆与植物育种 二、分子标记与植物育种,第三节 分子育种的原理与方法,一、分子克隆与植物育种,绝大多数育种方案，是以改良植物的某个性状或某些个别基因为目标的。当以携目标性状的亲本与受体亲本杂交后，同时也将供体亲本的整个遗传背景转移到了杂种中。由于供体亲本尤其是野生种不免带有许多不利的基因，许多不利基因又与目的基因紧密连锁，形成难以去除的遗传累赘。因此，育种家必须在分离世代中种植很大的群体以选择优良的基因型，连续种植多个世代以保证基因型的纯合和剔除不利的性状。,现代分子克隆或基因克隆技术的不断发展和完善提供了仅向供体亲本转移目的基因的可能性。另外，运用

7、分子克隆技术还可能将相当远缘甚至植物界以外的基因转移到植物中，这是传统育种技术不可能办到的。,除了cDNA克隆、蛋白质氨基酸DNA序列合成等经典的基因克隆技术外（已知产物的克隆），近年又发展了基于图谱克隆技术（图位克隆）、转座子标鉴技术以及反义RNA技术等（未知产物的克隆），丰富了基因克隆的武器库（还有异种同源基因探针、mRNA差异显示筛选方法等）。,如今几乎每天都有新的基因被克隆，一大批基因已经用于和正在用于植物的遗传改良之中。著名的例子有含有Bt基因的抗虫棉花、TA-29转基因雄性不育油菜，具反义基因的耐贮存番茄等。 将外源基因导入供体植物的方法有多种，其中转化双子叶植物的最佳媒介是根瘤农

8、杆菌。最近发现了对单子叶植物敏感的根瘤农杆菌菌株，并用于转化水稻等单子叶植物的试验之中。分子克隆和基因转化技术的进步将植物的遗传改良推向了一个新的境界。,DNA转移方法：,种质系统基因转移法 花粉粒和花粉管途径；（周光宇） 子房、幼穗、种胚注射法；（湖南水稻、玉米DNA） 干种子和胚直接吸收。（湖南遗传工程稻、玉米DNA） DNA直接转化方法 物理法 基因枪法；（单子叶） 电击法； 微注射法； 激光微束法；（清华大学） 超声波法。 根瘤农杆菌法（Ti、Ri质粒介导）,化学法 PEG法； 脂质体法。（PEG作用）,二、分子标记与植物育种,分子标记是指与特定基因或标记连锁的一段经过扩增并可检测出的

9、DNA序列。 经典的分子标记RFLP至今已有20余年历史，人们利用它已构建了数以百计的植物分子标记遗传连锁图。后来发展了基于PCR技术的各种分子标记，如SSR、RAPD、SCAR、AFLP等。这些分子标记各有千秋，已有许多专文予以介绍。,Table 1 Molecular marker techniques.,分子标记在辅助植物育种中的功用：,从本质上看，分子标记与构建经典细胞遗传连锁图的形态学标记和生化标记是一致的。所不同的是与后两者相比较，前者直接反映了DNA序列上的变异，并在数量上具有无限性，因此，在辅助植物育种上有更广泛的用途。 植物品种资源的DNA指纹分析； 标记重要基因； 辅助回交

10、育种； 全基因组选择； 杂种优势分析和预测。,植物品种资源的DNA指纹分析,这种分析不仅可以用于对遗传资源本质的评价、归类和利用，还将在品种的纯度测定和品种知识产权保护上发挥作用。,标记重要基因,有些重要基因，如抗病基因的检测不仅很费时，还受植物发育阶段等因素的限制。利用与这些基因紧密连锁的分子标记，无疑有助于在育种过程中对特定基因型的选择。如果利用分子标记与目的基因之间的连锁关系，构建出类似于细胞遗传图的分子标记遗传连锁图，那么分子标记还将有下述用途。,辅助回交育种,回交育种中需要解决的问题之一是连锁累赘。利用分子标记可能检测到在目的基因两侧各发生了一次交换的个体，因而可以仅经过两、三次回交

11、，便可达到常规回交育种中回交上十次也达不到的目的。,全基因组选择,借助于饱和的分子标记连锁图，可以对各预选单株的整个基因组组成进行分析，在此基础上选择出不仅具多个目标性状，且遗传背景也甚为理想的个体。,杂种优势分析和预测,杂种优势来源于DNA的杂合性。分子标记第一次提供了准确判断杂交组合DNA杂合性的手段，从而也第一次有可能从DNA水平上预测杂种优势。利用分子标记，还可人工培育出在DNA序列的重要片段可能高度杂合的亲本，从而配制出超优势的F1组合。,处于世纪之交的现代植物育种学，是以组织培养、分子克隆和分子标记三大生物技术（或细胞工程、分子育种二大生物技术）向育种实践迅速渗透为特征的。但这并不

12、意味着育种家地位的削弱。恰恰相反，不仅任何一个现代植物育种方案需要育种家去实施，时代还对育种家提出了更高的要求。,在一个用X光机、CT扫描仪、心电图仪、血液分析仪等现代医学手段武装起来的医院里，医生不能仅凭听诊器或把脉（中医）来诊断和处置疑难病症（同济医院医学分子生物学投资大、创收大，全球、中国人类基因组研究！知识经济！知识育种！）。同样，在植物育种愈来愈商品化和国际化（WTO，中国入世），品种市场竞争愈来愈激烈的今天（如油菜种子、水稻种子、草坪种子等），现代育种家不懂得或不依靠现代生物技术的帮助，就很难培育出有竞争力的新品种。,从另一方面看，由于知识和专门化，一个优秀的育种家不可能同时又是分

13、子生物学家，擅长于组织培养的能手也不必非是一位分子克隆的行家。现代的育种队伍需要科技的集成。没有育种家和生物技术专家的通力合作与密切配合，就不可能实施现代的有竞争力的育种方案。国外育种公司的成就往往现在都来自育种家与生物技术专家的通力合作，而大学、研究所就不同，转化力慢，只是理论成果偏多。,为了实现突破性育种目标和提高育种效率的目的，育种家长期以来一直都在寄希望于能拓宽基因资源，加速育种进程和提高选择效率的新兴技术。现代植物育种实际上一直都是在不断吸取各种新兴科技成果中发展起来的。,然而，这种新兴技术出现于育种家面前时，这支队伍中往往会出现两种截然不同的观点和态度。这无论在诱变技术、细胞工程或

14、基因工程技术出现时无不如此，究其原因，除复杂的社会因素外，从科技本身与人们的认识发展而言，出现这种现象都丝毫不足为怪。起初，人们往往对新兴技术的潜力所给的喧染较多，而对其可能出现的复杂性往往认识不足。然而，经过一段时间以后技术被发展更加成熟了，与此同时人们的认识也变得比较全面起来。,思考题：,试述新技术、新手段在植物育种上的应用阶段。 试述植物细胞工程育种的原理与方法。 遗传转化中DNA转移的方法有哪些？ 何谓分子标记？分子标记在辅助植物育种中有哪些作用？,第一节 植物快速繁殖和无病毒种苗的生产 第二节 细胞培养 第三节 小孢子培养、花药培养与单倍体育种 第四节 胚挽救技术、离体胚培养、试管受

15、精 第五节 原生质体培养和融合技术 第六节 利用组织培养进行植物次生代谢产物的生产,第三章 植物细胞工程育种,第一节 植物快速繁殖和无病毒种苗的生产,内容： 器官培养（Organ culture） 胚胎培养（Embryo culture） 组织培养（Tissue culture） 细胞培养（Cell culture） 原生质体培养（Protoplast culture）,延伸出： 植物脱毒培养 突变体筛选 细胞杂交 超低温冷冻贮藏 人工种子，等,植物细胞工程指在细胞水平上，对植物进行遗传操作的新兴技术。,1902年，德国植物学家Haberlandt根据细胞理论（Schwann等，1839）提出

16、植物细胞的全能性（Totipotent）的概念。提出：高等植物的体细胞，可以不断分割，直至单个细胞的理论，即指体细胞在适宜条件下，具有发育成完整植株的潜在能力。 1904年，Hannig在加有无机盐和有机成分的培养基中，培养萝卜和辣根的幼胚，得到了充分发育的胚并提前萌发成小苗。这是离体培养的第一个成功例子。,20世纪50年代，法国Morel利用茎尖培养获得无病毒感染的大丽花、兰花。60年代，欧洲兴起“兰花工业”（Orchid industry）。50年代，马铃薯无病毒种薯的生产、快繁。 据不完全统计，快繁植物已达302种，其中观赏园艺植物182种，占60.26%，其它植物120种，占39.73%。,基于植物细胞的全能性，理论上植物体的任何一部分细胞，如根、茎、叶、花果的细胞经离体培养，均能发育成一个完整的个体。因这种繁殖可在人工控制的条件下周年进行，故其繁殖速度和繁殖系数均大大超过常规的繁殖方法。如非洲紫罗兰，一般采用叶片扦插繁殖，年繁殖率为34倍，而用组织培养，年繁殖率可达10万倍。这种快速繁殖技术为花卉的商品化生产开辟了新途径。,