講多倍體育種

第三篇

新品種培育技術(shù)第5講

多倍體與單倍體育種

第1節(jié)

多倍體育種1896192019872006本節(jié)主要內(nèi)容多倍體及其在育種方面的應(yīng)用本節(jié)關(guān)鍵問題多倍體形成的原理與方法美國多倍體大花萱草

碧桃：桃的多倍體四倍體巨型草莓棗多倍體西柚：葡萄柚（無核）

多倍體扇貝、牡蠣多倍體品種舉例

無籽葡萄知識回顧染色質(zhì)（Chromatin）是指細(xì)胞分裂間期遺傳物質(zhì)的存在形式。染色體（Chromosome）是指細(xì)胞有絲分裂或減數(shù)分裂過程中，由染色質(zhì)聚成的棒狀結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)（Chromatin）和染色體（Chromosome）是同一物質(zhì)在不同的細(xì)胞周期中不同的形態(tài)表現(xiàn)。

幾個基本概念1.染色體組（Chromosomeset/Genome）生物體配子的全部染色體稱為一個染色體組。同一物種的染色體數(shù)目是相對穩(wěn)定的。配子染色體為單倍體（Haploid），用n表示，稱為一個染色體組。體細(xì)胞為二倍體（Diploid）以2n表示。多數(shù)生物體是二倍體：體細(xì)胞中染色體是兩兩成對的。例如，果蠅有4對共8條染色體(如圖)，這4對染色體可以分成兩組，每一組中包括3條常染色體和1條性染色體。2.整倍體（euploid）體細(xì)胞內(nèi)含有完整的染色體組的類型為整倍體。以小麥屬為例。多個種的配子染色體數(shù)（n）都是以7n=21，個染色體為基數(shù)變化的。普通小麥2n=42是7的六倍3.非整倍體（aneuploid）體細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目不是染色體組的完整倍數(shù)的稱為非整倍體。多或少一個以至若干個染色體。4.染色體變異染色體變異可體現(xiàn)在染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)兩個方面。染色體數(shù)目能以個體或以染色體組為單位的增加或減少。染色體組數(shù)量改變：成倍性增減。個體改變：一個細(xì)胞中的染色體數(shù)和正常二倍體的染色體數(shù)相比，出現(xiàn)了不規(guī)則的增多或減少，即為非整倍體畸變。5.染色體工程按照一定的設(shè)計，有計劃地消減、添加或代換同種或異種染色體，從而達(dá)到定向改變遺傳性和選育新品種的目的的技術(shù)。廣義上講它還應(yīng)包括染色體內(nèi)部的部分遺傳操作技術(shù)，因此也稱為染色體操作。

一

定義多倍體（polyploid）：是指個體細(xì)胞中含有超過正常染色體組數(shù)的個體。是由Winkler于1916首先使用的。同源多倍體（autopolyploid）：多倍體的染色體來自于同一物種或在原有染色組的基礎(chǔ)上加倍而成。異源多倍體（allopolyploid）：多倍體的染色體來自于不同一物種。自然界中存在的多倍體大多是異源多倍體。在被子植物中，至少有1/3的物種是多倍體。例如，普通小麥、棉花、煙草、蘋果、梨、菊、水仙等都是多倍體

。馬鈴薯是四倍體

，普通小麥?zhǔn)橇扼w

。二

特點（1）形態(tài)上的巨大性（2）優(yōu)良性狀：光合效率提高、生長速度快、營養(yǎng)成分提高等。（3）抗病能力強(qiáng)：在對逆境的耐抗性方面會得到增強(qiáng)。例如：三倍體桑樹：表現(xiàn)為體細(xì)胞較大、葉肉厚、葉色深、葉質(zhì)較好、抗寒性增強(qiáng)。三倍體花卉：三倍體花器官增大、色彩更鮮艷，同時還能使花期延遲，大大提高了花卉的觀賞價值和商業(yè)價值。三倍體鮑魚：具有高度不育性，因而使體細(xì)胞生長方面的能量相對增加，增強(qiáng)了鮑魚的抗逆性和抗病能力，提高了生長速度。

以有3個染色體的三倍體為例，3n(n=3)在同源染色體聯(lián)匯時可能有四種取向的排列方式

A-D，但是只有A正常，占1/4

（4）多倍體高度不育減數(shù)分裂時同源染色體聯(lián)會（synapsis，同源染色體配對）時發(fā)生紊亂，很難將完整的一套染色體分配到一個配子中去。幾率（1/2）n-1，這里n是一個染色體組中的染色體個數(shù)。如果是6對以上染色體，三倍體幾乎全部不育。

三倍體高度不育好處？食用方便：三倍體的西瓜因為很少產(chǎn)生有功能的生殖細(xì)胞，所以沒有種子，無籽西瓜。食用方便，且含糖量高。利用的是三倍體高度不育性：生物安全：可以戶外人工種植或養(yǎng)殖，與正常品種一起。其他優(yōu)良性狀：巨大、花期長等。三倍體的杜鵑花因為不育，所以開花時間特別長。抗逆、生長快、壽命長等。多倍體魚的性腺不發(fā)育或發(fā)育不良，飼料都用于魚體生長增重。（1）高等動物的遠(yuǎn)源雜交能力很弱，這樣難以形成雜種個體。（2）多倍體動物高度不育，染色體異常通常會造成胚胎死亡，因此很難得到多倍體的子代個體。

問題：為什么動物的多倍體比植物少？植物：（1）大多數(shù)植物是雌雄同體或雌雄同花的，它們的精原細(xì)胞和卵原細(xì)胞可能同時發(fā)生不正常的減數(shù)分裂，使配子中染色體數(shù)目不減半，這種配子通過自體受精而自然形成了多倍體。（2）植物的繁殖比較容易，如果多倍體植物不能形成種子，它還能依靠營養(yǎng)器官的無性繁殖來產(chǎn)生后代，因此在生物進(jìn)化過程中，植物多倍體有可能被保存下來。動物：植物多倍體現(xiàn)象普遍，多為異源多倍體。Grant(1971)估計，多倍體的頻率：被子植物中占47％，其中雙子葉植物占43％，單子葉植物占57％，禾本科植物大約有2/3是多倍體。在裸子植物中占38％，在松柏科植物中僅占1.5％，在蕨類植物中占95％。動物多倍體少，并多為同源多倍體。例如：甲殼類中的一種豐年魚為四倍體；線形動物中的馬蛔蟲為同源四倍體(4n=4)；昆蟲（孤雌生殖）：雙翅目毛蠓科有三倍體的毛蠓；膜翅目的葉蜂科有四倍體的雌蜂。最先發(fā)現(xiàn)動物多倍體現(xiàn)象的是比利時生物學(xué)家凡·納登，發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲有二倍體和四倍體的不同亞種。美洲角蛙是四倍體；銀鯽是天然的三倍體。以“雌核發(fā)育”（假受精）繁殖后代；蝸牛、家蠶、果蠅等也有三倍體和四倍體。三

多倍體產(chǎn)生原理與誘導(dǎo)方法1.植物多倍體（1）產(chǎn)生原理主要是體細(xì)胞在有絲分裂的過程中，染色體完成了復(fù)制，但是細(xì)胞受到外界環(huán)境條件(如溫度驟變)或生物內(nèi)部因素的干擾，紡錘體的形成受到破壞，以致染色體不能被拉向兩極，細(xì)胞也不能分裂成兩個子細(xì)胞，于是就形成染色體數(shù)目加倍的細(xì)胞。（2）誘導(dǎo)方法A

化學(xué)方法細(xì)胞松弛素B：能抑制肌動蛋白聚合成微絲，從而抑制細(xì)胞分裂。秋水仙素：分子式為C22H25O6?12H2O，是從一種百合科秋水仙屬植物器官中提取的一種生物堿。能特異性地與細(xì)胞中的微管蛋白質(zhì)分子結(jié)合，從而使正在分裂的細(xì)胞中的紡錘絲合成受阻，導(dǎo)致復(fù)制后的染色體無法向細(xì)胞兩極移動，最終形成染色體加倍的核。細(xì)胞可以在藥劑去除后恢復(fù)正常分裂。

秋水仙素處理方法處理部位：只有處理正在分裂的細(xì)胞才能獲得多倍體。通常以植物莖端分生組織或發(fā)育期的幼胚為材料。處理方式：秋水仙素一般用水溶液，選擇以下處理方法：浸漬法、涂抹法、棉花球滴漬法、噴霧法、注射法、藥劑培養(yǎng)基法等。藥劑濃度：不同植物對秋水仙素的敏感性不同。實踐證明，秋水仙素的有效濃度一般在0.01-0.4%，以0.2%左右的濃度最為常用。處理時間：一般不少于24小時。濃度高時處理時間可相應(yīng)短些。處理溫度：一般在18-25℃之間。B

生物方法生物學(xué)方法主要指體細(xì)胞雜交，利用染色體加倍個體與未加倍個體雜交繁殖多倍體后代，經(jīng)常與化學(xué)與物理方法結(jié)合使用。異源多倍體培育：小黑麥，它是由小麥（6n=42，AABBDD）和黑麥（2n=14，RR）雜交而成的。普通小麥的染色組是ABD，黑麥的染色體組是R，最后獲得的雜種的染色體組是ABDR。異源多倍體（21+7）子一代不育，但只要將它的染色體加倍(42+14)，這樣就能順利地進(jìn)行減數(shù)分裂而形成正常的雌雄配子，變?yōu)榭捎?。培育出的八倍體小黑麥形態(tài)上像小麥，但穗子、籽粒顯著大于小麥，同時能抗寒冷、干旱、貧瘠等不良條件，增產(chǎn)效果較明顯，營養(yǎng)價值（如蛋白質(zhì)）也有了較大改善。2

動物多倍體產(chǎn)生原理：染色體的加倍可以通過保留受精卵第二極體即抑制卵子的第二次成熟分裂或抑制受精卵的第一次卵裂來實現(xiàn)。（1）物理方法溫度休克法：即用略高于或略低于致死溫度的冷或熱休克來誘導(dǎo)三倍體(抑制第二極體排放)或四倍體(抑制第一次卵裂)的方法。通過溫度調(diào)控技術(shù)誘導(dǎo)多倍體是物理方法中簡便而效果佳的方法之一。根據(jù)處理溫度的高低分為熱休克法和冷休克法。一般冷水性魚類如蛙科魚類，宜用熱休克，溫度范圍為28℃--36℃。溫水性魚類宜用冷休克，溫度范圍為0℃左右。水靜壓法：采用較高的水靜壓（如65kg/cm2）可抑制卵母細(xì)胞第二極體的釋放或者抑制第一次卵裂誘導(dǎo)產(chǎn)生多倍體的方法。靜水壓處理破壞了有絲分裂器中的紡錘絲即紡錘體和星體，從而暫時阻斷了有絲分裂的進(jìn)程。該方法易于掌握，處理程序易于標(biāo)準(zhǔn)化，誘導(dǎo)率較高。但需專門的設(shè)備如水壓機(jī)等，同時樣品室容量有限，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。此外，靜水壓處理不當(dāng)還可能使受精卵的結(jié)構(gòu)發(fā)生某些物理和化學(xué)變化，得到的子代不可避免地產(chǎn)生輕微的染色體畸變造成發(fā)育受阻。由于上述原因加上處理時對設(shè)備的要求生產(chǎn)中應(yīng)用較少。（2）化學(xué)法細(xì)胞松弛素誘導(dǎo)法：細(xì)胞松弛素B(CB)導(dǎo)致極體的保留是通過阻止卵子微絲環(huán)的收縮和極體的分離來實現(xiàn)的。CB處理比其他物理方法如溫度、水壓等能更有效地誘導(dǎo)三倍體的形成。6-甲氨基嘌呤誘導(dǎo)法：

6–DMAP

是一種蛋白激素酶抑制劑。當(dāng)6–DMAP

與微管蛋白二聚體結(jié)合以后對微管正常的結(jié)構(gòu)和功能起到了抗有絲分裂的作用，因此可以產(chǎn)生三倍體。除了有效的抑制受精卵的染色體分離和原核的移動，6–DMAP會造成染色質(zhì)分散從而使極體排放受阻誘導(dǎo)出三倍體。（3）生物法瑞齊（Rasch）等于1965首先證明了三倍體脊椎動物可通過四倍體個體與二倍體個體雜交產(chǎn)生。

四多倍體倍性的鑒定人工誘導(dǎo)不能百分之百地成功誘導(dǎo)出多倍體，處理過的群體可能是由多倍體、二倍體甚至是多倍體與二倍體構(gòu)成的嵌合體等混合群體，所以需要鑒定染色體的倍性，從中篩選出需要的多倍體。常用的多倍體倍性鑒定鑒定方法有用間接法（如核體積測量、形態(tài)學(xué)檢查等）和直接法（如染色體計數(shù)以及DNA含量測定等）兩類。（1）核體積測量法：一般而言，細(xì)胞核大小與染色體數(shù)目成比例，為了維持恒定的核質(zhì)比例，隨著細(xì)胞核的增大，細(xì)胞大小也按比例增加。因此多倍體細(xì)胞及細(xì)胞核通常要比二倍體大一些。因此，通過體細(xì)胞核體積的測定可以鑒定染色體的倍性。缺點是比較費時、準(zhǔn)確性不高。（2）染色體計數(shù)法：將細(xì)胞固定制片、染色后觀察染色體個數(shù)。由于染色