《植物遗传改良讲义稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物遗传改良讲义稿（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、植物分子育种第一章 植物分子育种技术概论常规育种虽然在农作物产量提高和品质改良方面取得了很大成绩，但它存在着局限性：一是遗传物质的转移难以突破生物学隔离的障碍，使优良种质资源的利用受到限制;二是由于基因连锁的困扰，又不易收到理想的育种效果。近年来迅速发展的生物技术，特别是分子水平的生物技术，在提高作物产量，改善品质，增强抗病虫和抗逆能力等方面展示了诱人的灿烂前景第一节 植物分子育种的概念和特点一、植物分子育种的概念 植物分子育种是近代开创的育种新途径，大量实践证明我国在这方面取得了重要进展。 分子育种是指分子水平生物技术在植物育种上的应用。中国科学院上海生物化学研究所周光宇研究员指出，植物分子
2、育种可概括为两个层次的工程技术：1.将带有目的性状基因的供体总DNA片段导入欲改良的植物受体细胞，使其后代发生变异，从中筛选出获得目的性状的后代或符合需要的有价值的新类型，培育出高产、优质、抗性强的新品种。2分离目的基因，构建重组分子，导入需要改良的植物受体细胞，经过培育，筛选出获得了目的性状，且综合性状优良的后代，育出新品种。 狭义的分子育种指的是第一层次的分子育种。二、植物分子育种的特点 1.遗传物质的转移突破生物学隔离的障碍打破物种分类的界限，充分利用自然界丰富的遗传资源，使遗传物质能在不同植物间，甚至在植物，动物和微生物之间进行交流，从而充分活化各物种的遗传基础，为创造新的生命类型奠定
3、广泛的基础2.无需经过细胞、原生质体离体培养（甚至不需离体培养）(针对狭义的分子育种来说) 利用整体植株的特定细胞进行外源DNA或基因的转移，如卵细胞、受精卵或早期胚细胞，抑或幼胚，幼苗、芽丛分裂旺盛的细胞，它们随着整体生长发育的进程而完成外源DNA或基因的导入、整合与转化过程。无需经过细胞、原生质体离体培养，转化诱导，形成再生株植等一系列繁琐复杂的培养流程。3适应面广: 单子叶、双子叶植物均可运用这项技术达到品种创新与改良的育种效果。4与常规育种相比，育种时间明显缩短，一般只需34代各选系便可稳定。5方法简便: 室内外(大田、盆栽场、温室等)均可进行，常规育种工作者易于掌握。第二节 植物分子
4、育种的产生与发展一.问题的提出 吉林农民李贞生培育出的玉米稻（水稻玉米）50年代 杂种玉米稻未见父本的外观性状；从染色体的形态特征、数目和组型分析来看，均与母本水稻相同； 但无可否认地出现了一些明显的变异：如植株高、穗大、粒大，抗逆性(耐寒，耐旱)强、产量提高，而且这些变异还 可以遗传下去。后来发现在以高梁、甘蔗和芦苇作父本，而以水稻作母本的远缘杂交实验中，也获得了类似的结果：即后代的外观特点与母本水稻一致，但也或多或少显露出一部分远缘的遗传信息在遗传育种界对此尚存在学术观点不一的争论：有人持否定态瘦，认为玉米稻不可能是杂交种，把所出现的变异归咎于母本不纯，或纯属自发变异。也有人认为变异是由玉
5、米花粉物质刺激作用；甚至还有人认为玉米稻要长出玉米棒子才算是真正的杂种二.DNA片段杂交假说及其分子验证 1974年，周光宇多次对粮食等作物远缘杂交实验进行实地调查。 要点：（1）认为就整体分子而言，远缘亲本间的染色体结构是不亲和的，容易相互排斥；（2）根据进化的观点，局部DNA分子部分基因间的结构有可能保持一定的亲和性；因而远缘DNA片段有可能进入受体细胞，并在母本DNA复制过程中，这种DNA片段便与受体基因组相应区段整合。周光宇提出了“DNA片段杂交”假说，并应用同工酶和分子杂交等技术对祖德明等培育的高梁稻及其亲本材料进行了分析，使这一假说得到了分子验证。分子验证： 酯酶同工酶分析 在高梁
6、稻(银坊亨加利)及其亲本酯酶同工酶分析研究中发现一条与高梁相同而银坊(母本)没有的酶带，说明高梁稻中的这条酶带来自父本高梁； 分子杂交 取父本高梁DNA与母本水稻DNA进行分子杂交，除去两者的同源序列，以其余的高梁DNA顺序制备探针，与高梁稻DNA进行分子杂交，发现高梁稻DNA中存在高梁的同源序列，此即说明高梁DNA片段已整合了高粱稻的基因组中； 复性动力学分析 在对高梁稻及其两亲本的重复顺序DNA复性动力学分析研究中，发现高粱稻基因组的中度重复顺序部分与母本水稻有差异，从而进一步说明这是由于父本高梁DNA整合于母本水稻基因组而造成的结果。第三节 外源DNA导入育种技术的探索一、花粉管通道技术
7、（周光宇，1978）花粉管通道技术的关键：在于外源DNA(不小于106107u)可以方便地利用植物开花授粉后天然的花粉管通道进入胚囊，与受精卵或其前后的细胞相接触。机理：1、这类细胞在此时尚不具备细胞壁，有如原生质体，能够吸收DNA；2、受精后各种生命活动十分旺盛，细胞DNA与RNA的合成很活跃 此时，外源DNA片段的结构、功能与受体基因组及其代谢有一定相容性时，就有可能被整合进入受体基因组，并且可能表达和遗传。花粉管通道技术可用于单子叶或双子叶的任一开花植物这项技术于1978年开始在棉花和水稻上进行实验；如棉花在自花授粉24h后，从子房顶端注入DNA；水稻则在自花授粉1 3h将DNA溶液滴入
8、切去柱头的花柱切口处 转化成株率一般达到1 10 % 。二、花粉管通道技术的分子验证 1缺口翻译技术验证。 以3H标记海岛棉“416” DNA分子(50kb)，于自花授粉后24h，用50l微量注射器向受体(岱字棉滤选204)子房注射10l 3H-DNA。 综合分析表明，花粉管道是外源DNA进入受体的惟一通道：外源DNA经过天然的花粉管通道而进入胚囊，转化种胚细胞。 2通过不同克隆的基因或特异DNA片段的导入进行分子验证。 翁坚等应用M13(mp7)与受体重复顺序重组分子导入海岛棉，至胚发育60d，取成熟种，提取DNA，以32P标记M13(mp7)制备探针。 从Southern Blot的Sau
9、 3A酶切图谱上证明通过花粉管通道技术，mp7DNA已整合进入受体基因组，而未经外源DNA导入的海岛棉DNA对照中未测出mp7的同源DNA。、3质粒与受体共同顺序重组验证。 应用质粒PNE0105(Kan，能在植物中表达)与受体的共同顺序(重复顺序)重组后导入棉花与水稻，子代出现了卡那霉素耐性明显高于受体的植株。在水稻中巳测出强的卡那霉素磷酸转移酶的活力同时还在Southern Blot图片上显示出卡那霉素抗性基因的杂交条带，证明外源基因导入成功，第四节 植物分子育种的兴起与发展据统计，全国约有21个省市，40个以上的实验室开展这方面的研究，优质，高产，抗病，抗逆的优良新品种和新品系不断涌现，
10、显示出巨大的生产力效应。从70年代中期到90年代末，分于育种经历了20余年的艰苦探索。这期间，一共召开了3次植物分子育种学术讨论会，分子学、分子遗传学和作物育种学的专家们汇聚一堂，总结交流经验、切磋技艺、共商发展，使植物分子育种事业进入了新阶段，总的来说，植物分子育种第一层次的技术，即带目的性状的外源DNA导入技术，目前已为广大育种家们所接受，它克服了常规育种的局限性，打破了物种隔离的障碍，缩短了育种时间，为生产提供了一批优良品种。第五节 植物分子育种与作物遗传改良育种实践证明，育种上要有新突破，目前必须抓住两项工作：广泛搜集有益的种质资源，并加以利用。 育种方法上进一步革新。20余年的实践证
11、明分子育种与常规育种紧密结合，相辅相成，使作物遗传改良的研究登上了新台阶，优良新品种层出不穷。以下简要介绍这方面的研究成果。一、增强抗性1.抗病（1）棉花 棉花病害，特别是枯萎病、黄萎病等毁灭性病害，常常给生产带来巨大的损失，由于丰产、优质和抗病等性状之间往往存在负相关，常规育种难以打破这一局面，采用分子育种法可以逾越这一障碍，创造极丰富的变异来源，为农作物抗病育种开辟了一条新途径 黄骏麒等 以海岛棉7124作供体，陆地棉910l为受体，将前者DNA导入后者，选育出新品系3118，高抗枯萎病，并耐黄萎病，中早熟，生育期l20d左右；在抗病性鉴定中表现高抗枯萎病，其枯萎病病指明显低于受体，与供体
12、相近。3118棉不仅抗病性强而且生产潜力也不错。在江苏和上海大面积示范种植，表现稳产，一般比当地对照品种增产10以上。于元杰等 以鲁棉6号为受体，将罗布麻的DNA用微量注射器从幼铃顶端纵轴向下插入胎座约0.5cm处，每铃注10ulDNA，经过各项鉴定和检测分析，获得一系列优良的变异系如种质系91003，不仅表现高产、纤维品质好，而且在历年棉花枯萎病鉴定中，显示出良好的抗性比推广的抗病品种中棉12号抗病性强另外，于元杰等还以红麻为供体，将其DNA导入鲁棉6号，从变异后代中选育出优质、抗病优质系91006，不仅品质优、丰产性好，而且也具有较强的扰棉枯萎病的能力。（2）小麦 小麦白粉病对生产的危害也
13、很严重从小麦资源来看，缺乏抗白粉病的亲本。阎新甫、刘文轩（从1988年开始）应用花粉管通道法将抗白粉病的二棱大麦总DNA导入小麦感病品种花76(农艺性状好)。研究发现：D1代便出现了277的高抗白粉病变异株；D2代有5个株系的抗性已经稳定。D3和D4代作病菌接种鉴定，表现高抗0、1、11和15号小麦白粉病优势小种。通过侵染型基因测定，表明所获得的抗自粉病基因与小麦中已知的定名抗性基因完全不同，而与大麦的抗白粉病基因一致。于元杰等 采用牛胸腺DNA，小麦异属植物披碱草(高抗白粉病和锈病)、小麦品种京花1号(无芒，中抗白粉病和条锈病)等材料作供体，取其DNA分别导入受体普通小麦品系814527。该
14、品系丰产性较好，但中度感染条锈病和白粉病。经过培育与选择从不同组合中分别选出了既丰产优质，又抗病的品系。 例如D041新种质系，以小麦841527为母体，导入牛胸腺DNA，从其变异后代中经系谱法选育而成D041不仅早熟，而且高产、优质，同时高抗条锈病和干热风。 D259为另一优良选系，其受体仍为814527，供体为京花1号DNA。此选系品质优，蛋白质和较氨酸含量均高，前者14%以上，后者0.36。突出的特点是高抗条锈病，叶锈病和白粉病，此外还能抗旱 在以披碱草DNA导入814527的后代中也选育出高抗条锈病的新品系D1704。 倪建福等应用花粉管通道技术将长穗偃麦草总体DNA直接导入小麦甘麦8
15、号，获得了具有供体性状的后代其中就抗条锈病田间鉴定来看，D2选出两个变异株系，共57个单株，除1个单株感染条锈外，其余56株均表现高抗或免疫。（3）水稻稻瘟病和白叶枯病是危害水稻生产最普遍和最严重的病害。陈善葆、段晓岚等（于1987年）利用花粉管通道技术将抗白叶枯病水稻品种早生爱国3号和矢祖的DNA导入受体856403等11个粳稻感病品种，共获得种子671粒次春播种，其中有9个受体的13个组合长成D1代233株。这项研究充分说明供体的抗白叶枯病和其他性状基因，在受体于代中得到了整合、表达和稳定遗传。黄兴奇等 以抗稻瘟病的陆稻品种勐旺谷、云南药用野生稻和燕麦作供体，采用孕穗期茎注射法，将上述各种供体的DNA分别导入水稻感病品种西南175，获得了一批性状变异，并能稳定传的后代。 在所归类的19个材料中，经多次鉴定、筛选，共选出7个稻瘟病抗性株系。 2.抗逆性农作物经常受到各种不利因素如盐碱，干旱，水涝、寒冷及特殊金属离子的威胁，一般情况下造成减产，严重时颗粒无收。因而选育对不良环境具有特殊抵抗能力的新品种具有十分重要的意义。 植物分子育种有利于解决上述问题。 （1）水稻
