第講多倍體與單倍體

當前1頁，總共45頁。本節(jié)主要內(nèi)容：1.多倍體育種

2.單倍體育種本節(jié)關(guān)鍵問題：多倍體形成的原理與方法當前2頁，總共45頁。知識回顧染色質(zhì)（Chromatin）是指細胞分裂間期遺傳物質(zhì)的存在形式。染色體（Chromosome）是指細胞有絲分裂或減數(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)在不同的細胞周期中不同的形態(tài)表現(xiàn)。當前3頁，總共45頁。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。體細胞為二倍體（Diploid）以2n表示。多數(shù)生物體是二倍體：體細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。當前4頁，總共45頁。2.整倍體（euploid）體細胞內(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7個染色體為基數(shù)變化的。普通小麥

n=21，2n=42是7的六倍3.非整倍體（aneuploid）體細胞內(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。當前5頁，總共45頁。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，即為非整倍體畸變當前6頁，總共45頁。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。當前7頁，總共45頁。第一部分

多倍體多倍體（polyploid）：是指個體細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。常見多倍體有三、四、五、六和八倍體。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，普通小麥是六倍體

。當前8頁，總共45頁。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：在對逆境的耐抗性方面會得到增強。（4）多倍體高度不育當前9頁，總共45頁。三倍體桑樹：表現(xiàn)為體細胞較大、葉肉厚、葉色深、葉質(zhì)較好、抗寒性增強?；ɑ埽喝扼w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，因而使體細胞生長方面的能量相對增加，增強了鮑魚的抗逆性和抗病能力，提高了生長速度。此外，還可以延長魚類壽命、控制過度繁殖。當前10頁，總共45頁。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。幾率是（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。當前11頁，總共45頁。當前12頁，總共45頁。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?？鼓妗⑸L快、壽命長等當前13頁，總共45頁。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。當前14頁，總共45頁。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，它們的精原細胞和卵原細胞可能同時發(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，因此在生物進化過程中，植物多倍體有可能被保存下來。動物：（1）高等動物的遠源雜交能力很弱，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。當前15頁，總共45頁。三

多倍體產(chǎn)生原理與誘導(dǎo)方法1.植物多倍體（1）產(chǎn)生原理主要是體細胞在有絲分裂的過程中，染色體完成了復(fù)制，但是細胞受到外界環(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，細胞也不能分裂成兩個子細胞，于是就形成染色體數(shù)目加倍的細胞。當前16頁，總共45頁。（2）誘導(dǎo)方法A

化學(xué)方法細胞松弛素B：能抑制肌動蛋白聚合成微絲，從而抑制細胞分裂。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。能特異性地與細胞中的微管蛋白質(zhì)分子結(jié)合，從而使正在分裂的細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胞兩極移動，最終形成染色體加倍的核。細胞可以在藥劑去除后恢復(fù)正常分裂。當前17頁，總共45頁。秋水仙素處理方法處理部位：只有處理正在分裂的細胞才能獲得多倍體。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。當前18頁，總共45頁。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。當前19頁，總共45頁。B

生物方法生物學(xué)方法主要指體細胞雜交，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（6

（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)，這樣就能順利地進行減數(shù)分裂而形成正常的雌雄配子，變?yōu)榭捎Ｅ嘤龅陌吮扼w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，在高寒地區(qū)和鹽堿地區(qū)具有一般小麥不具有的優(yōu)勢，而且增產(chǎn)效果較明顯，營養(yǎng)價值（如蛋白質(zhì)）也有了較大改善。當前20頁，總共45頁。2

動物多倍體（1）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)。當前21頁，總共45頁。（2）誘導(dǎo)方法A

物理方法機制主要是通過破壞微管形成，使由微管蛋白聚合成的微管解體或阻止微管的聚合過程，使染色體失去移動的動力，人為抑制染色體向兩極移動，形成多倍體細胞。（1）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。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。當前22頁，總共45頁。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。當前23頁，總共45頁。（2）水靜壓法：采用較高的水靜壓（如65kg/cm2）可抑制卵母細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程。該方法易于掌握，處理程序易于標準化，誘導(dǎo)率較高。但需專門的設(shè)備如水壓機等，同時樣品室容量有限，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。此外，靜水壓處理還使染色體發(fā)生了不同程度的凝縮，導(dǎo)致染色體在后來的發(fā)育過程中呈現(xiàn)不同的變化。靜水壓處理不當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。當前24頁，總共45頁。B

化學(xué)法細胞松弛素誘導(dǎo)法：細胞松弛素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。C

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。當前25頁，總共45頁。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，隨著細胞核的增大，細胞大小也按比例增加。因此多倍體細胞及細胞核通常要比二倍體大一些。因此，通過體細胞核體積的測定可以鑒定染色體的倍性。缺點是比較費時、準確性不高。當前26頁，總共45頁。（2）染色體計數(shù)法：將細胞固定制片、染色后觀察染色體個數(shù)。由于染色體制片技術(shù)比較成熟，因此該方法仍是目前鑒定多倍體倍性的一種直觀、準確的方法，缺點是比較費時。（3）DNA含量測定：細胞DNA含量測定是倍性鑒定的另一個比較有效的直接鑒定方法。可以測定單個細胞的DNA含量，再根據(jù)細胞DNA比較來推斷出細胞的倍性。如果發(fā)現(xiàn)雜種的DNA含量是其親本的一倍半，就可以確定這些雜種是三倍體。DNA含量測定法快速準確，能測出嵌合體，但是缺點是需要專門儀器。當前27頁，總共45頁。五

三倍體培育應(yīng)用舉例舉例1：三倍體西瓜培育——同源多倍體代表性的例子無籽西瓜的果實由于沒有籽、品質(zhì)好、食用方便、高產(chǎn)抗病、耐貯運等優(yōu)點而深受歡迎。當前28頁，總共45頁。原理普通西瓜為二倍體植物，即體內(nèi)有2組染色體（2n＝22）。三倍體（3n=33）減數(shù)分裂聯(lián)會時期會發(fā)生紊亂，所以它本身是高度不育，一般沒有種子。如用秋水仙素(一種植物堿)處理二倍體西瓜的種子或幼苗，使其在細胞分裂的中期，阻礙紡錘絲和初生壁的生成，使已經(jīng)復(fù)制的染色體組不能分向兩極，并在中間形成次生壁。結(jié)果就形成了染色體組加倍的細胞，使普通二倍體西瓜染色體組加倍而得到四倍體西瓜植株。然后與二倍體西瓜植株

(作為父本)雜交，從而得到三倍體種子。三倍體的種子發(fā)育成的三倍體植株，由于減數(shù)過程中，同源染色體的聯(lián)會紊亂，不能形成正常的生殖細胞。再用普通西瓜二倍體的成熟花粉刺激三倍體植株花的子房而成為三倍體果實，因其胚珠不能發(fā)育成種子，因而稱為三倍體無籽西瓜。當前29頁，總共45頁。原理子房發(fā)育成果實，胚珠發(fā)育為種子。在子房發(fā)育成為果實的過程中，需要一定量的生長素。生長素在植物體內(nèi)的合成部位是葉原基、嫩葉和發(fā)育中的種子。在二倍體西瓜的花粉中，除含有少量的生長素外，同樣也含有使色氨酸轉(zhuǎn)變成生長素（吲哚乙酸）的酶系。三倍體無籽西瓜因為不形成種子，所以缺乏由幼嫩種子產(chǎn)生的生長素，所以要刺激子房發(fā)育成果實，就要授以成熟的花粉。把三倍體和二倍體相間種植，以保證有足夠的二倍體植株的花粉傳到三倍體植株的雌花上去，提供生長素。當前30頁，總共45頁。步驟（1）四倍體母本的獲得：用

0.2～0.4％的秋水仙素液體將二倍體普通西瓜的種子浸泡12～24小時，或在每天下午6～7點鐘用

0.2～0.4％的秋水仙素液體滴在其幼苗莖尖生長點上，連續(xù)進行四天。令二倍體西瓜植株細胞染色體成為

4倍體（4n＝44），這種4倍體西瓜能正常開花結(jié)果，種子能正常萌發(fā)成長。當前31頁，總共45頁。(2）處理后的種子或幼苗，要用清水洗干凈。處理及緩苗期間，應(yīng)將植株置于散光下，以免日光直接照射，致使秋水仙素分解破壞。同時亦切忌高溫，因為在高溫情況下，秋水仙素對植物的毒性增強，容易造成死苗。因此，在成活前應(yīng)給予良好的栽培條件和精心管理。當前32頁，總共45頁。（3）多倍體的鑒定：（3）多倍體的鑒定：①用秋水仙素溶液處理后，應(yīng)注意觀察多倍體植株。若形成多倍體，它萌芽的肥厚度明顯增加，幼根尖端發(fā)生膨大現(xiàn)象；②考察植株的體型，多倍體具有體型較大的特點。如葉片較大，根莖變粗，花、果實、種子都較大，莖葉組織比較粗糙，顏色深綠，有時有皺縮現(xiàn)象；③四倍體葉面的氣孔較大，單位面積氣孔數(shù)目相對減少，花粉粒較二倍體的花粉粒大一倍以上；④為了鑒定的準確起見，尚須直接在顯微鏡下檢查染色體數(shù)目是否已經(jīng)加倍(普通二倍體西瓜

瓜2n=22，四倍體西瓜4n=

44)。當前33頁，總共45頁。（4）三倍體西瓜制種：用四倍體西瓜作母本，授以二倍體的花粉粒，結(jié)出三倍體的西瓜種子(存在于四倍體的子房發(fā)育成的西瓜中)。小面積制種，按照西瓜開花習(xí)性，在每天下午按時套袋(防止自由傳粉)。第二天早晨進行人工授粉，同時掛上標記。大面積制種時則需要分區(qū)隔離，按一定比例培植四倍體母本和二倍體父本的植株，且要及時為母本去雄使四倍體植株接受二倍體父本植株的花粉，以產(chǎn)生三倍體種子備用。當前34頁，總共45頁。（5）在第二年，將三倍體種子與二倍體種子間種，自然或用人工的方法，讓二倍體花粉刺激三倍體植株的子房發(fā)育成西瓜，即成三倍體無籽西瓜。在大田生產(chǎn)中三倍體種子也可以不與二倍體種子間種，而是只種三倍體種子。在其植株開花期間，用低濃度

度2.4-D(2---4---二氯苯氧乙酸)噴灑在花蕾上，使子房發(fā)育成無籽西瓜果實。當前35頁，總共45頁。第一年得到的西瓜應(yīng)是四倍體西瓜，其中的種子是三倍體的。確切地說，該種子的胚是三倍體的，而種皮則是四倍體的(該種皮由四倍體的珠被發(fā)育而成)。第二年得到的西瓜才是三倍體西瓜，其內(nèi)無籽確切地說是只有種皮(三倍體的胚珠發(fā)育而成)

而無胚(授粉不受精，不能形成受精卵，因而無胚）。當前36頁，總共45頁。第二部分

單倍體單倍體：細胞中含有正常體細胞的一半染色體數(shù)，即具有配子染色體數(shù)目的個體。思考題：單倍體是不是就是一倍體？水稻是二倍體,其單倍體是一倍體(n=x=12)普通煙草是異源四倍體，單倍體是二倍體（n=2x=Ts=24）普通小麥是異源六倍體

單倍體是三倍體（n=3x=ABD=21）當前37頁，總共45頁。二

特點二倍體雜合植物兩套染色體：顯性基因（dominant

gene）：控制顯性性狀發(fā)育的基因。在二倍體生物中，雜合狀態(tài)下能在表型中得到表現(xiàn)的基因。隱性基因：支配隱性性狀的基因。在二倍體的生物中，在純合狀態(tài)時能在表型上顯示出來，但在雜合狀態(tài)時就不能顯示出來的基因。由于單倍體只具有一套染色體，染色體上的每個基因都能表現(xiàn)相應(yīng)的性狀，所以極易發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的突變，尤其是隱性突變，所以單倍體是進行染色體遺傳分析的理想實驗材料。由于通過人工方法使單倍體的染色體加倍就可以獲得純合二倍體，因此在育種上具有極高價值。當前38頁，總共45頁。單倍體是否也高度不育呢？由配子產(chǎn)生的個體高度不育，原因是配子中的染色體減數(shù)分裂時隨機向兩極移動,只有到達一極的染色體完全時

配子才是可育的。在減數(shù)第一次分裂的中期，它們的染色體都是單價體，沒有可以配對的同源染色體，是被隨機的分向兩極，每一條染色體分到這一極或那一極的機會都是1／2

(n-1)，例如：對于一組的12條染色體都分到一極的機會是

1／1024，可見單倍體是高度不育的。當前39頁，總共45頁。三單倍體產(chǎn)生原理與方法假受精：遠緣花粉刺激未受精卵細胞分裂發(fā)育成單倍性的胚。組織培養(yǎng)：花藥、花粉（雄配子）、未授粉的子房胚珠（雌配子）的培養(yǎng)。雄核發(fā)育(Androgenesis)或孤雄生殖：卵細胞不受精，卵核消失，或卵細胞受精前失活，由精核在卵細胞內(nèi)單獨發(fā)育成單倍體，因此只含有一套雄配子染色體。這類單倍體的發(fā)生頻率很低。雌核發(fā)育(Gynogenesis)或孤雌生殖：精核進入卵細胞后未與卵核融合而退化，卵核未經(jīng)受精而單獨發(fā)育成單倍體。當前40頁，總共45頁。四植物單倍體與純合二倍體花藥和花粉培養(yǎng)（Anther

and

pollenpulture）指離體培養(yǎng)花藥和花粉，形成花粉植株，從中鑒定出單倍體植株并使之二倍化的細胞工程技術(shù)。由于花粉（雄配子，n）的染色體只有體細胞的一半，因此獲得的植株是單倍性的。當前41頁，總共45頁。1.利于得到純合體——單倍體加倍、后代形狀一致，利于加快純