最新多倍体育种研究进展PPT课件

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1、多倍体育种研究进展多倍体育种研究进展药用植物育种手段药用植物育种手段n n系统选育系统选育n n杂交育种杂交育种n n倍性育种倍性育种n n诱变育种诱变育种n n生物技术育种生物技术育种n n 组织培养组织培养n n 原生质体培养与体细胞杂交原生质体培养与体细胞杂交n n 基因工程育种基因工程育种n n 分子标记育种分子标记育种多倍体加倍的原因多倍体加倍的原因n n1 1、同源多倍体形成的原因、同源多倍体形成的原因n n2 2、异源多倍体形成的原因、异源多倍体形成的原因n n3 3、同源异源多倍体形成的原因、同源异源多倍体形成的原因1、同源多倍体形成的原因、同源多倍体形成的原因n n1.1 1

2、.1 自然体细胞染色体加倍形成自然体细胞染色体加倍形成n n1.2 1.2 自然细胞减数分裂染色体异常加倍形成自然细胞减数分裂染色体异常加倍形成n n1.3 1.3 人工诱导体细胞染色体加倍形成人工诱导体细胞染色体加倍形成n n 1.1自然体细胞染色体加倍形成自然体细胞染色体加倍形成n n 自然一些幼小的植物体细胞在进行有丝分裂时，染色体自然一些幼小的植物体细胞在进行有丝分裂时，染色体已经复制，遇到低温等不良条件的影响，细胞呼吸作用降已经复制，遇到低温等不良条件的影响，细胞呼吸作用降低，能量减少，纺锤体不能牵拉染色体向两极移动，于是低，能量减少，纺锤体不能牵拉染色体向两极移动，于是产生的子细胞

3、中染色体加倍产生的子细胞中染色体加倍( (如如: :马铃薯马铃薯) )，其形成过程与加，其形成过程与加倍成因见图倍成因见图1: 1:1.2 自然细胞减数分裂染色体异常加倍自然细胞减数分裂染色体异常加倍n n 减数分裂中染色体已经复制，但在分裂时染色体没有向减数分裂中染色体已经复制，但在分裂时染色体没有向两极移动，仍在一极，这样产生的配子染色体没有减半。两极移动，仍在一极，这样产生的配子染色体没有减半。n n通过与正常或异常的配子发生受精作用发育成加倍形成通过与正常或异常的配子发生受精作用发育成加倍形成n n的个体的个体( (如如: :香蕉香蕉) )，其形成过程与加倍成因见图，其形成过程与加倍成

4、因见图2 21.3 人工诱导体细胞染色体加倍形成人工诱导体细胞染色体加倍形成n n 人工用秋水仙素处理幼小的植物体或萌发的种子，使得人工用秋水仙素处理幼小的植物体或萌发的种子，使得细胞有丝分裂纺锤体形成受到抑制，染色体不能向两极移细胞有丝分裂纺锤体形成受到抑制，染色体不能向两极移动，于是产生的子细胞中染色体加倍，或加倍的植株产生动，于是产生的子细胞中染色体加倍，或加倍的植株产生加倍的生殖细胞后与正常的生殖细胞或加倍的生殖细加倍的生殖细胞后与正常的生殖细胞或加倍的生殖细n n胞发生受精作用发育成不同加倍的个体胞发生受精作用发育成不同加倍的个体( (如如: :无子西瓜无子西瓜) )，其，其形成过程

5、与加倍成因见图形成过程与加倍成因见图3: 3:2 异源多倍体形成的原因异源多倍体形成的原因n n2.1 2.1 自然异源多倍体形成的原因自然异源多倍体形成的原因n n2.2 2.2 人工诱导异源多体形成的原因人工诱导异源多体形成的原因n n2.3 2.3 细胞工程培育异源多倍体形成的原因细胞工程培育异源多倍体形成的原因2.1 自然异源多倍体形成的原因自然异源多倍体形成的原因n n 在自然条件下不同物种发生传粉与受精后发育成种子，在自然条件下不同物种发生传粉与受精后发育成种子，种子萌发成的植株再次在自然条件下加倍，于是形成可育种子萌发成的植株再次在自然条件下加倍，于是形成可育的异源多倍体的异源多

6、倍体( (如如: :苹果苹果) )，其形成过程与加倍成因见图，其形成过程与加倍成因见图4: 4:2.2 人工诱导异源多倍体形成的原因人工诱导异源多倍体形成的原因n n 通过人工杂交得到种子，将萌发种子或幼苗用秋水仙素通过人工杂交得到种子，将萌发种子或幼苗用秋水仙素处理即得到可育的异源多倍体处理即得到可育的异源多倍体( (如如: :二粒小麦二粒小麦) )，其形成过程，其形成过程与加倍成因见图与加倍成因见图5: 5:2.3细胞工程培育异源多倍体形成的原因细胞工程培育异源多倍体形成的原因n n 分离不同物种的体细胞，用纤维素酶和果胶酶去掉细胞分离不同物种的体细胞，用纤维素酶和果胶酶去掉细胞壁，将原生

7、质体进行融合，诱导融合的原生质体形成细壁，将原生质体进行融合，诱导融合的原生质体形成细胞胞n n壁，通过组织培养培育成异源多倍体植株壁，通过组织培养培育成异源多倍体植株( (如如: :白菜白菜- -甘蓝，甘蓝，形成过程加因见图形成过程加因见图6: 6:3 同源异源多倍体形成的原因同源异源多倍体形成的原因n n在自然或人工诱导形成的同源多倍体基础上，通在自然或人工诱导形成的同源多倍体基础上，通n n过人工或自然与另一物种杂交，然后自然或人工使染过人工或自然与另一物种杂交，然后自然或人工使染n n色体加倍即可得到可育的同源异源多倍体色体加倍即可得到可育的同源异源多倍体( (如如: :六倍体菊芋六倍

8、体菊芋) )，其形成过程与加倍成因见图，其形成过程与加倍成因见图7: 7:多倍体育种多倍体育种n n 作为植物遗传基因的主要载体作为植物遗传基因的主要载体- -细胞染色体细胞染色体, ,其倍数性其倍数性n n的变化是导致植物产生较大遗传变异、产生性状变化的重的变化是导致植物产生较大遗传变异、产生性状变化的重要途径。人为采取各种物理、化学、生物等方法要途径。人为采取各种物理、化学、生物等方法, ,促使植物促使植物细胞染色体成倍数性增加细胞染色体成倍数性增加, ,从而达到改变植物遗传性状、提从而达到改变植物遗传性状、提高产量、提高抗逆性和有效成分含量高产量、提高抗逆性和有效成分含量, ,这种方法称

9、为多倍体这种方法称为多倍体育种。育种。n n 多倍体育种包括自然多倍体的挖掘和人工多倍体的诱导。多倍体育种包括自然多倍体的挖掘和人工多倍体的诱导。多倍体植物的特点多倍体植物的特点n n生物产量高生物产量高n n器官巨大性器官巨大性n n不育性不育性n n速生性速生性n n营养成份或有效成份增加营养成份或有效成份增加n n抗病抗逆能力提高等抗病抗逆能力提高等细胞和形态的巨大性细胞和形态的巨大性n n 多倍体植物染色体的加倍直接促使细胞核物质与细多倍体植物染色体的加倍直接促使细胞核物质与细胞体积的增大胞体积的增大, ,尤其是气孔器保卫细胞与花粉粒的增大较尤其是气孔器保卫细胞与花粉粒的增大较为明显。

10、多倍体气孔的大小与保卫细胞的大小增大了为明显。多倍体气孔的大小与保卫细胞的大小增大了, ,但但气孔的密度却较二倍体降低了。药用植物多倍体与二倍气孔的密度却较二倍体降低了。药用植物多倍体与二倍体花粉相比一般表现为花粉粒增大体花粉相比一般表现为花粉粒增大, ,但畸形率高。但畸形率高。n n 细胞体积增大致使多倍体植株的农艺性状发生明显细胞体积增大致使多倍体植株的农艺性状发生明显变化变化, ,突出表现在器官具有巨大性突出表现在器官具有巨大性: :叶片变大变厚叶片变大变厚, ,茎杆变茎杆变粗粗, ,植株高大植株高大, ,花器变大花器变大, ,果实变大果实变大, ,种子变大。种子变大。生理活性物质的变化

11、生理活性物质的变化n n 多倍体生理特性的变化必然引起新陈代谢及其产物的多倍体生理特性的变化必然引起新陈代谢及其产物的变化。多倍体的总糖、非还原糖、还原糖及淀粉的含量高变化。多倍体的总糖、非还原糖、还原糖及淀粉的含量高于二倍体于二倍体, ,但细胞的结构成分但细胞的结构成分, ,如纤维素、半纤维素和粗纤如纤维素、半纤维素和粗纤维含量较低。烟碱、粗脂肪、蛋白质与维生素维含量较低。烟碱、粗脂肪、蛋白质与维生素C C的浓度高的浓度高于二倍体。四倍体可溶性灰分的含量在所有情况下都高于于二倍体。四倍体可溶性灰分的含量在所有情况下都高于二倍体。药用植物加倍后有效成分的含量有所增加二倍体。药用植物加倍后有效成

12、分的含量有所增加, ,这样的这样的变化对药用植物品质育种有着重要意义。变化对药用植物品质育种有着重要意义。例如例如n n菖蒲在长期自然变异过程中形成了二倍体、四倍体和六倍菖蒲在长期自然变异过程中形成了二倍体、四倍体和六倍体等各种类型体等各种类型, ,据化学测定据化学测定, ,其根茎的含油量、精油的化学其根茎的含油量、精油的化学成分、植物体内草酸钙的含量与染色体倍数有关成分、植物体内草酸钙的含量与染色体倍数有关, ,二倍体中二倍体中不含不含-细辛醚细辛醚; ;三倍体含三倍体含-细辛醚和顺甲异丁香油酚的混合细辛醚和顺甲异丁香油酚的混合物物; ;四倍体植株精油中含有比三倍体高两倍四倍体植株精油中含有

13、比三倍体高两倍-细辛醚。人工细辛醚。人工诱导怀牛膝同源四倍体中蜕皮激素较原植物高出达诱导怀牛膝同源四倍体中蜕皮激素较原植物高出达1010倍多。倍多。n n 秋水仙素诱变长春花细胞中长春碱的含量为普细胞的秋水仙素诱变长春花细胞中长春碱的含量为普细胞的2. 92. 9倍和倍和5. 25. 2倍。倍。n n 菘蓝四倍体叶中靛兰玉红及根中离氨基酸含量均有显菘蓝四倍体叶中靛兰玉红及根中离氨基酸含量均有显著提高。著提高。n n 丹参同源四倍体中隐参酮、丹参酮丹参同源四倍体中隐参酮、丹参酮IAIA、丹参酮、丹参酮IIAIIA分别分别比原植物高比原植物高203.26%203.26%、70. 48%70. 48

14、%、53. 16%53. 16%。n n 杭白芷多倍体的药用分欧前胡素含量比原植物高出近杭白芷多倍体的药用分欧前胡素含量比原植物高出近2 2倍。倍。n n n n 药用植物有成分在不同倍性的植物体中不同药用植物有成分在不同倍性的植物体中不同, ,但并不呈但并不呈正比关系正比关系, ,例如毛曼陀罗的三倍体生物碱含量较二倍体、四例如毛曼陀罗的三倍体生物碱含量较二倍体、四倍均高。倍均高。n n 另外药用植物经加倍后可能产生新的性状和的化学成另外药用植物经加倍后可能产生新的性状和的化学成分。例如福禄考同源四倍体中能够产生亲本所不含有的黄分。例如福禄考同源四倍体中能够产生亲本所不含有的黄酮类成分酮类成分

15、; ;n n 菘蓝同源四倍体中游离氨基酸成分组成与二倍体亲相菘蓝同源四倍体中游离氨基酸成分组成与二倍体亲相比也不尽一致比也不尽一致, ,从中可筛选出具有药理活性的前化合物。从中可筛选出具有药理活性的前化合物。抗逆性增加抗逆性增加n n 大多数的多倍体大多数的多倍体, ,无论是天然的还是人工诱导的无论是天然的还是人工诱导的, ,都对外都对外界环境条件具有较强的适应性界环境条件具有较强的适应性, ,如四倍体颠茄能忍耐莫斯科如四倍体颠茄能忍耐莫斯科的自然条件下的严寒的自然条件下的严寒, ,而且很少发病害。对十字花科植物的而且很少发病害。对十字花科植物的研究发现多倍体有更加顽强的抗寒性。蕨类植物染色体

16、基研究发现多倍体有更加顽强的抗寒性。蕨类植物染色体基数很高说明其现存物种是从第四纪严酷环境对二倍体多倍数很高说明其现存物种是从第四纪严酷环境对二倍体多倍体选择的结果。同源四倍体番茄在盐浓度胁迫下表现较好。体选择的结果。同源四倍体番茄在盐浓度胁迫下表现较好。很多植物的同源多倍体对除莠剂的抗性较强。很多植物的同源多倍体对除莠剂的抗性较强。抗病性增加抗病性增加n n 四倍体蒲公英经多年引种驯化观察四倍体蒲公英经多年引种驯化观察, ,未发现能影响其产未发现能影响其产量与质量的病害量与质量的病害, ,表现出极强的抗病能力表现出极强的抗病能力, ,另外具有抗寒性另外具有抗寒性的优点。的优点。n n 由日本

17、薄荷和库叶薄荷诱导的异源四倍体具有抗粉霉由日本薄荷和库叶薄荷诱导的异源四倍体具有抗粉霉病、抗寒等优点。病、抗寒等优点。n n 西瓜枯萎病对二倍体是毁灭性病害西瓜枯萎病对二倍体是毁灭性病害, ,但三倍体、四倍体但三倍体、四倍体西瓜都具有较强的抵抗能力。西瓜都具有较强的抵抗能力。n n 芝麻本来不能抵抗变叶病芝麻本来不能抵抗变叶病, ,但它和野生杂交获得的双二但它和野生杂交获得的双二倍体抗变叶病的能力较强。倍体抗变叶病的能力较强。二、多倍体育种材料的选择二、多倍体育种材料的选择n n 正确选择育种材料是多倍体育种取得成功的基础。并正确选择育种材料是多倍体育种取得成功的基础。并不是所有中草药都适合多

18、倍体育种方法不是所有中草药都适合多倍体育种方法, ,除按照常规育种手除按照常规育种手段的要求选择材料外，还应结合多倍体育种的特殊性来选段的要求选择材料外，还应结合多倍体育种的特殊性来选择加倍材料。择加倍材料。n n 一般诱导材料应选取异花受粉、以无性繁殖为主、收一般诱导材料应选取异花受粉、以无性繁殖为主、收获营养器官的多年生植物作为诱导材料较为合适。获营养器官的多年生植物作为诱导材料较为合适。n n 由于多倍体植株的能育性较原植物降低由于多倍体植株的能育性较原植物降低, ,对于收获种子对于收获种子为主的或者以有性繁殖为主的药用植物来说为主的或者以有性繁殖为主的药用植物来说, ,则不宜采用多则不

19、宜采用多倍体的方法。倍体的方法。n n 选择染色体倍数低的物种选择染色体倍数低的物种n n 染色体倍数高的物种在进化过程中已经利用了多倍化染色体倍数高的物种在进化过程中已经利用了多倍化的优点的优点, ,再对其进行加倍选优较为困难。另外倍数较高的物再对其进行加倍选优较为困难。另外倍数较高的物种再加倍种再加倍, ,往往造成生殖、代谢失调。因此在多倍体诱导之往往造成生殖、代谢失调。因此在多倍体诱导之前应了解染色体组数及近缘物种的多倍化的程度。前应了解染色体组数及近缘物种的多倍化的程度。选择近缘物种中多倍体比例高的物种选择近缘物种中多倍体比例高的物种n n 显花植物中的天然多倍体物种所占的比例与该类植

20、物在显花植物中的天然多倍体物种所占的比例与该类植物在进化中的地位有密切的关系。进化程度越高进化中的地位有密切的关系。进化程度越高, ,多倍体物种所占多倍体物种所占比例越大。单子叶植物各科中多倍体物种的比重存在很大差比例越大。单子叶植物各科中多倍体物种的比重存在很大差别别, ,如芭蕉科多倍体物种数比例最小如芭蕉科多倍体物种数比例最小(10. 7% ),(10. 7% ),龙香兰科多倍体龙香兰科多倍体物种比例最大物种比例最大(100. 0% )(100. 0% )。在多倍体比例大的科属中进行多倍。在多倍体比例大的科属中进行多倍体育种体育种, ,要比多倍体比例小的科属中容易成功。另外要比多倍体比例小

21、的科属中容易成功。另外, ,同科属同科属中多倍体物种比例高会更有利于多倍体材料的进一步选育。中多倍体物种比例高会更有利于多倍体材料的进一步选育。选择杂合性高的材料选择杂合性高的材料n n 多倍体的遗传特性建立在育种材料的遗传组成的多倍体的遗传特性建立在育种材料的遗传组成的n n基础上。杂合性高的材料基础上。杂合性高的材料, ,遗传基础丰富遗传基础丰富, ,可塑性大可塑性大, ,n n加倍成功后多倍体后代变异丰富加倍成功后多倍体后代变异丰富, ,易于选择出优良变易于选择出优良变n n异类型。异类型。选择不以种子为主要收获物的材料选择不以种子为主要收获物的材料n n 同源多倍体一般孕性低同源多倍体

22、一般孕性低, ,结实率低且种子不饱满。对结实率低且种子不饱满。对于粮食作物中多以种子为主要收获物的物种来说于粮食作物中多以种子为主要收获物的物种来说, ,结实率结实率低是影响多倍体育种的主要困难。药用植物除巴豆、薏低是影响多倍体育种的主要困难。药用植物除巴豆、薏苡等少数物种以种子入药外苡等少数物种以种子入药外, ,大部分是以根、茎、叶等营大部分是以根、茎、叶等营养器官为主要收获物养器官为主要收获物, ,因此药用植物多倍体育种可以避开因此药用植物多倍体育种可以避开孕性低这一困难孕性低这一困难, ,而充分利用多倍体营养器官巨大性的优而充分利用多倍体营养器官巨大性的优点。多倍体育种在药用植物上具有独

23、特的优势和更大的点。多倍体育种在药用植物上具有独特的优势和更大的应用价值应用价值, ,药用植物多倍体育种是一条很有前途的育种途药用植物多倍体育种是一条很有前途的育种途径。径。选择无性繁殖的植物选择无性繁殖的植物n n 无性繁殖可以很好地解决生产上对种子的依赖性无性繁殖可以很好地解决生产上对种子的依赖性, ,如地如地黄、鱼腥草、山药等均可进行无性繁殖。另外利用无性繁黄、鱼腥草、山药等均可进行无性繁殖。另外利用无性繁殖可以基本固定和保持上一代的优良性状殖可以基本固定和保持上一代的优良性状, ,完全克服了多倍完全克服了多倍体在减数分裂过程中出现的种种异常行为。因此具有无性体在减数分裂过程中出现的种种

24、异常行为。因此具有无性繁殖能力的药用植物更适合进行多倍体育种。繁殖能力的药用植物更适合进行多倍体育种。选择远缘杂种后代选择远缘杂种后代n n 通过远缘杂交可以充分利用物种的的遗传物质通过重通过远缘杂交可以充分利用物种的的遗传物质通过重组分离产生丰富的变异组分离产生丰富的变异, ,但由于两物种亲缘系较远易造成远但由于两物种亲缘系较远易造成远缘杂交不亲和性或杂种不育性。通染色体加倍后形成缘杂交不亲和性或杂种不育性。通染色体加倍后形成异源异源多倍体多倍体, ,可以克服远缘杂交困难可以克服远缘杂交困难, ,提高结实率并形成双二倍提高结实率并形成双二倍体杂种。远缘杂交多倍体育种的结合是选育新物种、新作体

25、杂种。远缘杂交多倍体育种的结合是选育新物种、新作物、新品种的要育种手段。物、新品种的要育种手段。三、获得多倍体的方法三、获得多倍体的方法n n 多倍体诱导就是利用人工的手段多倍体诱导就是利用人工的手段, ,使生物染色使生物染色体加倍的现象。人工诱导多倍体有体加倍的现象。人工诱导多倍体有3 3种方法即种方法即n n 物理方法物理方法n n 生物学方法生物学方法n n 化学方法化学方法2. 1物理方法物理方法n n 用于诱导多倍体的物理方法有电离射线、离心力、用于诱导多倍体的物理方法有电离射线、离心力、温度激变等，人们用高温处理草木樨获得多倍体植株，温度激变等，人们用高温处理草木樨获得多倍体植株，

26、用用CoCo射线处理萌动的杜仲种子可以产生多倍体，但物射线处理萌动的杜仲种子可以产生多倍体，但物理方法诱导效率低且不稳定，故未能普及。理方法诱导效率低且不稳定，故未能普及。2. 2生物学方法生物学方法n n 生物技术在中药材品种改良方面有很好的应用潜力生物技术在中药材品种改良方面有很好的应用潜力, ,早早在在2020世纪世纪3030年代人们用年代人们用嫁接、切伤嫁接、切伤等方法对马铃薯、龙葵等方法对马铃薯、龙葵诱变多倍体诱变多倍体, ,上世纪上世纪8080年代起年代起, ,随着组织培养技术的发展随着组织培养技术的发展, ,人人们用原生质体融合技术们用原生质体融合技术( (又称体细胞杂交又称体细

27、胞杂交) )经培养诱导分化经培养诱导分化同源或异源多倍体植株。同源或异源多倍体植株。n n 胚乳胚乳是由精子和二个极核融合形成的三倍体组织是由精子和二个极核融合形成的三倍体组织, ,通过通过n n培养可直接得到三倍体植株培养可直接得到三倍体植株, ,三倍体植株一般无籽三倍体植株一般无籽, ,这对部这对部n n分药用植物来说是非常有益的性状分药用植物来说是非常有益的性状, ,如山茱萸、枸杞由于果如山茱萸、枸杞由于果n n核大种子多核大种子多, ,给加工带来困难给加工带来困难, ,且降低产量和质量。三倍体且降低产量和质量。三倍体植株可经加倍处理产生六倍体植株可经加倍处理产生六倍体, ,这也是产生多

28、倍体又一有效这也是产生多倍体又一有效途径。途径。2. 3化学方法化学方法n n 化学诱导多倍体是指利用秋水仙碱、富民隆、生化学诱导多倍体是指利用秋水仙碱、富民隆、生物碱、除草剂等化学药剂处理正在分裂的细胞以诱物碱、除草剂等化学药剂处理正在分裂的细胞以诱导染色体加倍的方法。这种方法的特点是经济方便、导染色体加倍的方法。这种方法的特点是经济方便、诱导作用专一性强、突变频率高诱导作用专一性强、突变频率高, ,是目前应用最普遍是目前应用最普遍的方法的方法, ,其中以秋水仙碱和除草剂效果最好。然而其中以秋水仙碱和除草剂效果最好。然而, ,在在药用植物多倍体诱导中应用最广泛的是秋水仙素药用植物多倍体诱导中

29、应用最广泛的是秋水仙素秋水仙素处理秋水仙素处理n n用秋水仙素处理诱导多倍体，只有处理正在分裂的细胞用秋水仙素处理诱导多倍体，只有处理正在分裂的细胞n n获得多倍体，通常以植物茎端分生组织或者发育的幼胚获得多倍体，通常以植物茎端分生组织或者发育的幼胚n n材料，此外，花分生组织也可作为处理对象，诱导配子染材料，此外，花分生组织也可作为处理对象，诱导配子染色加倍，再经传粉受精获得多倍体种子。色加倍，再经传粉受精获得多倍体种子。3、多倍体诱导方式、多倍体诱导方式n n 秋水仙素诱导的方式包括：秋水仙素诱导的方式包括：n n n n 实体处理加倍法实体处理加倍法n n 离体处理加倍法。离体处理加倍法

30、。n n 实体处理加倍法实体处理加倍法n n 浸渍法、涂抹法、棉花球滴浸法、喷雾法等浸渍法、涂抹法、棉花球滴浸法、喷雾法等, ,以浸渍法尤为常用以浸渍法尤为常用, ,先将种子浸种催芽先将种子浸种催芽, ,待胚根露白时待胚根露白时, ,把种子浸在把种子浸在0. 1% 0. 5%0. 1% 0. 5%的秋水仙素的秋水仙素溶液中溶液中24h,24h,取出冲洗脱药取出冲洗脱药, ,随即播种随即播种; ;药剂浓度视植物对秋水仙素敏感性药剂浓度视植物对秋水仙素敏感性不同而异不同而异, ,有效浓度一般在有效浓度一般在0. 01% 0. 4%,0. 01% 0. 4%,以以0. 2%0. 2%最为常用。处理时

31、间最为常用。处理时间, ,一般不少于一般不少于24h,24h,浓度高时处理时间相应短浓度高时处理时间相应短, ,间歇处理要比持续处理效果间歇处理要比持续处理效果更好更好, ,处理温度一般在处理温度一般在18182020之间之间, ,温度较高时成功的可能性较大温度较高时成功的可能性较大。n n 运用秋水仙素水溶液直接浸泡种子的方法成功地在许多植物上诱运用秋水仙素水溶液直接浸泡种子的方法成功地在许多植物上诱导出了多倍体导出了多倍体, ,但其有效诱导效率低但其有效诱导效率低, ,而且秋水仙素用量太大而且秋水仙素用量太大, ,毒害作用毒害作用最直接最直接, ,植物易因缺氧而死亡。植物易因缺氧而死亡。n

32、 n 在实体人工诱导加倍中在实体人工诱导加倍中, ,秋水仙素作用的主要对象是生长点秋水仙素作用的主要对象是生长点, ,只有只有生长点的细胞全部加倍生长点的细胞全部加倍, ,才能获得加倍成功的植株才能获得加倍成功的植株, ,但这种几率很小但这种几率很小, ,由由此获得加倍材料多为嵌合体此获得加倍材料多为嵌合体, ,往往不能稳定遗传往往不能稳定遗传, ,而且受环境干扰大而且受环境干扰大, ,并并且可能产生回复突变且可能产生回复突变, ,所以实体处理加倍法没有普及所以实体处理加倍法没有普及离体处理加倍法离体处理加倍法n n 离体处理加倍法是对植株某一离体部分离体处理加倍法是对植株某一离体部分, ,如

33、顶芽、腋芽、如顶芽、腋芽、n n茎等外植体进行秋水仙素处理茎等外植体进行秋水仙素处理, ,再进行组织培养的方法。它再进行组织培养的方法。它n n包括两条途径包括两条途径, ,一是先用秋水仙素溶液处理培养材料一是先用秋水仙素溶液处理培养材料, ,然后然后n n再转入分化培养基再转入分化培养基; ;二是在含有秋水仙素的固体培养基培养二是在含有秋水仙素的固体培养基培养n n一段时间一段时间, ,诱导加倍诱导加倍, ,再转入分化培养基。离体处理加倍法再转入分化培养基。离体处理加倍法具有明显的优越性具有明显的优越性: :试验条件容易控制试验条件容易控制, ,结果重复性高结果重复性高; ;诱导诱导效率高效

34、率高, ,嵌合体发生率低。嵌合体发生率低。4、影响诱导的因素、影响诱导的因素n n 外植体外植体n n 倍性水平倍性水平n n 秋水仙素浓度及处理时间秋水仙素浓度及处理时间n n 渗透剂二甲基亚砜渗透剂二甲基亚砜 外植体外植体n n 在染色体加倍试验中在染色体加倍试验中, ,外植体一般为愈伤组织、种外植体一般为愈伤组织、种子、芽、胚状体、茎尖分生组织以及叶片等。不同子、芽、胚状体、茎尖分生组织以及叶片等。不同外植体的生理生化状态不同外植体的生理生化状态不同, ,尤其是内源激素有差异尤其是内源激素有差异, ,必然影响不同外植体染色体加倍的频率。必然影响不同外植体染色体加倍的频率。倍性水平倍性水平

35、n n植株染色体的倍性水平对诱导染色体加倍有很大的影响植株染色体的倍性水平对诱导染色体加倍有很大的影响, ,一般而言一般而言, ,低倍性的材料较易发生染色体加倍。随着倍性的低倍性的材料较易发生染色体加倍。随着倍性的增加增加, ,多倍体的诱导成功率逐渐下降。多倍体的诱导成功率逐渐下降。秋水仙素浓度及处理时间秋水仙素浓度及处理时间n n 秋水仙素的浓度和处理时间是影响染色体加倍的最重要秋水仙素的浓度和处理时间是影响染色体加倍的最重要的外在条件的外在条件, ,也是实验中主要的可控手段。用秋水仙素水溶也是实验中主要的可控手段。用秋水仙素水溶液处理外植体时液处理外植体时, ,关于浓度和处理时间的最适宜组

36、合关于浓度和处理时间的最适宜组合, ,会因植会因植物种类的不同而有很大的差别物种类的不同而有很大的差别, ,没有一定的规律可言没有一定的规律可言, ,根据目根据目前获得的成功报道前获得的成功报道, ,秋水仙素的有效浓度很广秋水仙素的有效浓度很广,0.006%0.5%,0.006%0.5%之间均有成功报道之间均有成功报道, ,最常用的浓度是最常用的浓度是0.2%;0.2%;处理时间的确定处理时间的确定, ,理理论上应为一个细胞分裂周期的时间与药液透入细胞的时间论上应为一个细胞分裂周期的时间与药液透入细胞的时间之和之和,6 h7 d,6 h7 d之间都有成功的报道。因为随着处理浓度的增之间都有成功

37、的报道。因为随着处理浓度的增加加, ,秋水仙对细胞的伤害越大秋水仙对细胞的伤害越大, ,细胞死亡率会增加细胞死亡率会增加, ,选择合适的选择合适的浓度和处理时间浓度和处理时间, ,对诱导染色体加倍至关重要。所以在实验对诱导染色体加倍至关重要。所以在实验中筛选出一个合适的的浓度和处理时间中筛选出一个合适的的浓度和处理时间, ,是多倍体育种中一是多倍体育种中一项很重要的工作。项很重要的工作。渗透剂二甲基亚砜渗透剂二甲基亚砜n n 渗透剂二甲基亚砜渗透剂二甲基亚砜(DMSO) ,(DMSO) ,能够促进秋水仙素快速浸能够促进秋水仙素快速浸透到植物组织中透到植物组织中, ,并显著提高秋水仙素的加倍效果

38、。同时并显著提高秋水仙素的加倍效果。同时, ,二甲基亚砜能减轻秋水仙素的毒害作用二甲基亚砜能减轻秋水仙素的毒害作用, ,并降低嵌合体的并降低嵌合体的发生率。发生率。四、四、 倍性的鉴定倍性的鉴定n n 经过处理获得的植株往往不是一个单纯的多倍体经过处理获得的植株往往不是一个单纯的多倍体, ,而是一个嵌合体而是一个嵌合体, ,有原二倍体也有四倍体等其他倍性有原二倍体也有四倍体等其他倍性的多倍体的多倍体, ,还经常存在非整倍体还经常存在非整倍体, ,所以经处理获得的植所以经处理获得的植株在以后各代还要筛选才能获得一个完整的多倍体株在以后各代还要筛选才能获得一个完整的多倍体植株。植株。倍性鉴定的方法

39、倍性鉴定的方法n n多倍体鉴定的方法较多多倍体鉴定的方法较多, ,总的来说可分为三个平总的来说可分为三个平: :n n n n 农艺性状鉴定法农艺性状鉴定法n n 染色体鉴定染色体鉴定n n 其他鉴定方法其他鉴定方法(1) 农艺性状鉴定法农艺性状鉴定法.n n 多倍体植株多倍体植株, ,一般表现为巨大性一般表现为巨大性, ,茎变得低矮粗壮茎变得低矮粗壮; ;叶片叶片加厚加厚, ,绿色加深绿色加深; ;花朵、果实和种子体积变大花朵、果实和种子体积变大, ,整个植株变成整个植株变成巨型巨型, ,这些特征都可作为判别多倍体植株的初步依据。这些特征都可作为判别多倍体植株的初步依据。n n 多倍体植株当

40、代外部形态变化明显多倍体植株当代外部形态变化明显, ,一般表现为植株一般表现为植株畸形畸形, ,叶色深绿叶色深绿, ,叶片皱缩。生长受阻。解剖特征表现为表叶片皱缩。生长受阻。解剖特征表现为表皮细胞变大皮细胞变大, ,气孔器增大气孔器增大, ,气孔密度降低气孔密度降低, ,保卫细胞中叶绿体保卫细胞中叶绿体数增加数增加, ,花粉增大花粉增大, ,花粉败育率增高花粉败育率增高, ,种子结实率降低。这些种子结实率降低。这些特征都作为鉴定多倍体的特征性状。特征都作为鉴定多倍体的特征性状。n n 人工诱导的多倍体材料在整个生长期均可以通过外部人工诱导的多倍体材料在整个生长期均可以通过外部形态特征和解剖学特

41、征来进行判定。这是初步鉴定多倍形态特征和解剖学特征来进行判定。这是初步鉴定多倍体的方法体的方法, ,该方法简单直观该方法简单直观, ,但结果仅作为参考。但结果仅作为参考。(2)染色体鉴定染色体鉴定n n 农艺性状只是初步鉴定农艺性状只是初步鉴定, ,要确认染色体是否加倍要确认染色体是否加倍, ,最可靠最可靠的方式是直接进行染色体鉴定的方式是直接进行染色体鉴定, ,最常用的方式是鉴定根尖细最常用的方式是鉴定根尖细胞或花粉母细胞内的染色体数目。一般而言胞或花粉母细胞内的染色体数目。一般而言, ,根尖的染色体根尖的染色体数目加倍数目加倍, ,仍不能排除获得的植株是嵌合体的可能性仍不能排除获得的植株是

42、嵌合体的可能性, ,如果如果花粉粒花粉粒( (生殖细胞生殖细胞) )的染色体数目加倍的染色体数目加倍, ,则表示获得的是多倍则表示获得的是多倍体植株。体植株。n n 在实践中在实践中, ,进行染色体计数取材料常限于植物的旺盛分进行染色体计数取材料常限于植物的旺盛分裂的根尖或茎尖裂的根尖或茎尖, ,不同物种细胞大小存在明显的差异不同物种细胞大小存在明显的差异, ,分裂分裂周期也不尽相同周期也不尽相同, ,想要获得分散良好清晰的制片，某一物种想要获得分散良好清晰的制片，某一物种最优的技术程序还需实验来探索最优的实验程序。最优的技术程序还需实验来探索最优的实验程序。（3）其他鉴定方法）其他鉴定方法n

43、 n流式细胞仪鉴定流式细胞仪鉴定n n分子生物学鉴定分子生物学鉴定流式细胞仪鉴定流式细胞仪鉴定n n 近年来近年来, ,流式细胞仪用于植物细胞核流式细胞仪用于植物细胞核DNADNA含量测定的研含量测定的研究陆续在世界各国开展起来究陆续在世界各国开展起来, ,利用流式细胞仪测定细胞核利用流式细胞仪测定细胞核DNADNA含量可鉴定植物倍性水平。其技术原理在于提取植物含量可鉴定植物倍性水平。其技术原理在于提取植物的细胞核后的细胞核后, ,采用碘化吡啶、阿定橙等荧光染料对染色体进采用碘化吡啶、阿定橙等荧光染料对染色体进行染色，流式细胞仪可测量其荧光强度的变化。流式细胞行染色，流式细胞仪可测量其荧光强度

44、的变化。流式细胞仪为植物染色体倍性的研究提供了一条便捷的途径仪为植物染色体倍性的研究提供了一条便捷的途径, ,鉴定快鉴定快速方便，且准确性较高，可对材料进行批量检测，并能测速方便，且准确性较高，可对材料进行批量检测，并能测出嵌合体。其缺点在于这种方法依赖流式细胞仪出嵌合体。其缺点在于这种方法依赖流式细胞仪, ,而这种仪而这种仪器比较昂贵。器比较昂贵。分子生物学鉴定分子生物学鉴定n n RAPD RAPD和和RFLPRFLP等分子标记技术也已成功的应用等分子标记技术也已成功的应用到多倍体鉴定领域的研究中到多倍体鉴定领域的研究中, ,随着分子标记技术的发随着分子标记技术的发展和完善展和完善, ,为

45、多倍体的分子鉴定提供了更加良好的技为多倍体的分子鉴定提供了更加良好的技术平台术平台其它方法其它方法n n 还有一些研究者利用远红外成系统来辨别多倍体植株还有一些研究者利用远红外成系统来辨别多倍体植株或个体或个体, ,其主要依据是根植物加倍后其主要依据是根植物加倍后, ,其保卫细胞的开闭程其保卫细胞的开闭程度与二倍体保细胞的开闭程度有差别度与二倍体保细胞的开闭程度有差别, ,由此导致两者的叶片由此导致两者的叶片表温度也有相应差别表温度也有相应差别, ,远红外成像系统对叶片温度常敏感远红外成像系统对叶片温度常敏感, ,能辨别能辨别0.030.03的温差的温差, ,因此因此, ,它能迅速而确地辨别和

46、鉴定出多它能迅速而确地辨别和鉴定出多倍体。倍体。五、药用植物多倍体育种应注意的几个问题五、药用植物多倍体育种应注意的几个问题n n 四倍体由于染色体加倍引发的变异四倍体由于染色体加倍引发的变异, ,经常是有利性状和经常是有利性状和不利性状兼而有之不利性状兼而有之, ,而且还常有不良连锁存在而且还常有不良连锁存在, ,因而能直接用因而能直接用于生产的可能性很小于生产的可能性很小. .n n 多倍体植株存在一定的优越性多倍体植株存在一定的优越性, ,但新诱变成功多倍体材但新诱变成功多倍体材料和其他途径产生的育种材料一样料和其他途径产生的育种材料一样, ,都必经过多代选育和鉴都必经过多代选育和鉴定的

47、过程定的过程, ,选育出优良品种才能在生产上应用。在多倍体诱选育出优良品种才能在生产上应用。在多倍体诱导和选育过程中导和选育过程中, ,主要在以下几个方面的问题主要在以下几个方面的问题: :n n 1.嵌合体嵌合体n n 通常利用传统的诱导多倍体方法对材料诱导加倍时，通常利用传统的诱导多倍体方法对材料诱导加倍时，诱导材料的分生细胞很难全部被加倍成为多倍体，所得到诱导材料的分生细胞很难全部被加倍成为多倍体，所得到的植株往往是多倍体细胞所占比例不同的嵌合体。嵌合体的植株往往是多倍体细胞所占比例不同的嵌合体。嵌合体植株会表现出多倍体的特征植株会表现出多倍体的特征, ,但也可能在当代和后代发生倍但也可

48、能在当代和后代发生倍性的恢复。对于有性繁殖材料性的恢复。对于有性繁殖材料, ,只有生殖细胞被成功加倍才只有生殖细胞被成功加倍才能保证下一代为多倍体，对于可以进行无性繁殖的材料可能保证下一代为多倍体，对于可以进行无性繁殖的材料可以通过无性繁殖选择淘汰嵌合体，得到较为纯合的多倍体以通过无性繁殖选择淘汰嵌合体，得到较为纯合的多倍体植株。但是在组织培养条件下诱导胚性细胞和愈伤组织产植株。但是在组织培养条件下诱导胚性细胞和愈伤组织产生多倍体，往往可以获得和形成的纯一的多倍体植株，因生多倍体，往往可以获得和形成的纯一的多倍体植株，因此利用组织培养技术与多倍体诱变相结合可以较好地解决此利用组织培养技术与多倍

49、体诱变相结合可以较好地解决这一问题。这一问题。2.孕性降低孕性降低n n 对于所有需要通过有性繁殖的植物来说对于所有需要通过有性繁殖的植物来说, ,孕性降低都会孕性降低都会对应用于生产带来或多或少的困难对应用于生产带来或多或少的困难, ,因此如何提高孕性因此如何提高孕性, ,从从大量多倍体育种材料中选育育性好优良品种大量多倍体育种材料中选育育性好优良品种, ,在生产上进在生产上进行应用和推广的十分重要的育种目标和研究课题。行应用和推广的十分重要的育种目标和研究课题。3、有效成分的测定、有效成分的测定n n 多倍体诱导成功多倍体诱导成功, ,仅仅是多倍体育种的第一步仅仅是多倍体育种的第一步, ,

50、还要尽可还要尽可能获得多倍体植株能获得多倍体植株, ,以便能在多种变异中以便能在多种变异中, ,选出我们所要求选出我们所要求的类型的类型, ,在此基础上在此基础上, ,采用组培快繁技术。采用组培快繁技术。n n 有效成分含量与倍性不成比例有效成分含量与倍性不成比例4、嵌合体的分离纯化、嵌合体的分离纯化n n 通过秋水仙诱导、原生质融合等手段处理获得的植株通过秋水仙诱导、原生质融合等手段处理获得的植株往往不是一个单纯的多倍体而是一个嵌合体往往不是一个单纯的多倍体而是一个嵌合体, ,有原二倍体有原二倍体, ,也有四倍体及其它倍性水平的多倍体也有四倍体及其它倍性水平的多倍体, ,还经常存在非整倍体还

51、经常存在非整倍体, ,经处理获得的植株在以后多代筛选才能得到一个稳定的多经处理获得的植株在以后多代筛选才能得到一个稳定的多倍体植株倍体植株. .如何从众多嵌合体组织中筛选出需要的多倍体还如何从众多嵌合体组织中筛选出需要的多倍体还是个难点是个难点, ,因此嵌合体问题限制了多倍体育种的发展。对形因此嵌合体问题限制了多倍体育种的发展。对形成嵌合体的可采用摘顶、分离繁殖、细胞培养等方法富集成嵌合体的可采用摘顶、分离繁殖、细胞培养等方法富集多倍体细胞多倍体细胞, ,对形态上有明显差异的多倍体叶片等材料使用对形态上有明显差异的多倍体叶片等材料使用组培手段获得再生植株组培手段获得再生植株, ,以便于获得纯合

52、的多倍体。以便于获得纯合的多倍体。六、药用植物多倍体材料的利用六、药用植物多倍体材料的利用n n1. 1.作为育种原始材料作为育种原始材料n n2. 2.培育优良新品种培育优良新品种n n3. 3.用于遗传研究用于遗传研究n n4. 4.研究物种的起源与进化研究物种的起源与进化n n5. 5.研究基因作用研究基因作用1.作为育种原始材料作为育种原始材料n n人工诱变多倍体只是多倍体育种工作的开始人工诱变多倍体只是多倍体育种工作的开始, ,因为往往一个因为往往一个新诱变成功的多倍体都是未经筛选的育种原始材料新诱变成功的多倍体都是未经筛选的育种原始材料, ,因此因此, ,只有进行选育只有进行选育,

53、 ,才能培育出符合育种目标的多倍体新品种。才能培育出符合育种目标的多倍体新品种。有的多倍体材料甚至经多代选择仍不能得到令人满意的性有的多倍体材料甚至经多代选择仍不能得到令人满意的性状状, ,这样的材料应当作原始材料保存而不应被淘汰这样的材料应当作原始材料保存而不应被淘汰, ,因为我因为我们所掌握的多倍体材料和多倍体的选育手段都十分有限们所掌握的多倍体材料和多倍体的选育手段都十分有限, ,过过早淘汰多倍体材料可能会丢失一些我们暂时不能利用的宝早淘汰多倍体材料可能会丢失一些我们暂时不能利用的宝贵性状。贵性状。2.培育优良新品种培育优良新品种n n充分利用多倍体的优越性培育优良品种是药用植充分利用多

54、倍体的优越性培育优良品种是药用植n n物多倍体育种的目标。因物种与品种间的差异物多倍体育种的目标。因物种与品种间的差异, ,有些有些n n多倍体材料会表现出营养器官的巨大性以及有效成分多倍体材料会表现出营养器官的巨大性以及有效成分n n含量高和抗逆性强等优良性状含量高和抗逆性强等优良性状, ,适当加以选育即可应适当加以选育即可应n n用于生产实践用于生产实践, ,或者结合组织培养与远缘杂交技术培或者结合组织培养与远缘杂交技术培n n育其它优良多倍体品种。更容易通过多倍体育种成功育其它优良多倍体品种。更容易通过多倍体育种成功n n获得的植物是那些从诱导多倍性的两个普遍效应获得的植物是那些从诱导多

55、倍性的两个普遍效应( (即即n n细胞增大和育性降低细胞增大和育性降低) )中得益最大而受害最小的植中得益最大而受害最小的植n n物物, ,显然大部分的药用植物属于这种类型。显然大部分的药用植物属于这种类型。3.用于遗传研究用于遗传研究n n 由于染色体组的加倍由于染色体组的加倍, ,多倍体的遗传方式及后代表现更多倍体的遗传方式及后代表现更加多样化。多倍体的后代群体是更易获得不同类型的非整加多样化。多倍体的后代群体是更易获得不同类型的非整倍体。多倍体减数分裂的异常与非整倍体的现象都是多倍倍体。多倍体减数分裂的异常与非整倍体的现象都是多倍体的重要的遗传研究内容。而异源多倍体的异源联会和异体的重要

56、的遗传研究内容。而异源多倍体的异源联会和异代换系、异附加系和异易位系的出现对遗传和进化都有极代换系、异附加系和异易位系的出现对遗传和进化都有极重要的作用。重要的作用。4.研究物种的起源与进化研究物种的起源与进化n n 基因组加倍被认为是植物进化的主要动力。据估计基因组加倍被认为是植物进化的主要动力。据估计, ,约约70%70%的显花植物在进化史上曾发生过至少一次的多倍体。的显花植物在进化史上曾发生过至少一次的多倍体。许多重要的作物许多重要的作物, ,如香蕉、咖啡、棉花、玉米、马铃薯、燕如香蕉、咖啡、棉花、玉米、马铃薯、燕麦、大豆、甘蔗、小麦等都是多倍体。已经在生产上表现麦、大豆、甘蔗、小麦等都

57、是多倍体。已经在生产上表现了明显的优良性状了明显的优良性状, ,是人们生活不可缺少的经济作物和粮食是人们生活不可缺少的经济作物和粮食作物。基因组测序显示拟南芥也是古四倍体作物。基因组测序显示拟南芥也是古四倍体, ,尽管其基因组尽管其基因组在被子植物中几乎是最小的。大多数天然多倍体经历了长在被子植物中几乎是最小的。大多数天然多倍体经历了长期的染色体进化及基因期的染色体进化及基因“ “多倍体二倍化多倍体二倍化”, ”,其二倍体祖先同样其二倍体祖先同样也不断进化或业已灭绝也不断进化或业已灭绝, ,因此研究涉及到多倍化的物种进化因此研究涉及到多倍化的物种进化过程的研究过程的研究, ,主要通过天然多倍体

58、与其二倍体祖先的主要通过天然多倍体与其二倍体祖先的“ “候选候选” ”后代间的基因组差异后代间的基因组差异, ,以及新合成的人工多倍体与其原种的以及新合成的人工多倍体与其原种的比较进行研究。人工诱导的多倍体材料其亲缘关系明确比较进行研究。人工诱导的多倍体材料其亲缘关系明确, ,是是研究多倍化早期基因组变化的理想材料。研究多倍化早期基因组变化的理想材料。5.研究基因作用研究基因作用n n 多倍体经常出现一些新的表现多倍体经常出现一些新的表现, ,如抗旱、无性生殖、抗如抗旱、无性生殖、抗病虫、营养体巨大等病虫、营养体巨大等, ,这些变异发生的原因主要有同源多倍这些变异发生的原因主要有同源多倍体蛋白

59、编码基因的沉默、异源多倍化引起基因的丢失、沉体蛋白编码基因的沉默、异源多倍化引起基因的丢失、沉默和激活默和激活, ,以及异源多倍体的蛋白质编码基因的表观遗传调以及异源多倍体的蛋白质编码基因的表观遗传调控或后修饰调节引起的基因沉默等。这些变化包括染色体控或后修饰调节引起的基因沉默等。这些变化包括染色体水平和水平和DNADNA序列水平的结构重排序列水平的结构重排; ;基因表达调控的调整、基因表达调控的调整、转座子的活动、高度重复序列或低拷贝序列的扩增、再分转座子的活动、高度重复序列或低拷贝序列的扩增、再分配或消除等配或消除等, ,这些变化为研究异源多倍体的基因作用提供丰这些变化为研究异源多倍体的基因作用提供丰富材料。富材料。