西南林大植物育种学课件-06诱变育种及倍性育种

第六章诱变育种及倍性育种科学扩展了人类的想象空间，技术使理想成为现实。主要内容辐射诱变育种化学诱变育种倍性育种空间诱变育种常规育种技术技术要点：引种、选种、杂交育种优点：操作简便，无需复杂的仪器设备；亲本选配好后便可以创造各种类型的变异；可以利用杂种优势。常规育种的局限性杂种后代遗传组成复杂，分离广泛；新基因型的出现依赖于亲本基因型；连锁基因的连锁关系很难打破；无法利用染色体倍性变化；育种年限较长。自然界产生的可遗传的变异遗传重组染色体数量变异染色体结构变异基因突变人工诱变的方法物理方法化学方法人工诱变的思路染色体结构变化染色体数量变化基因突变转基因操作人工诱变的技术措施辐射诱变化学诱变空间诱变基因工程第一节辐射诱变育种利用物理辐射能源处理植物材料产生遗传变异，以选育新品种的技术。(掌握)主要内容一、辐射育种的特点(了解)二、射线的种类及其特征(了解)三、辐射剂量和剂量单位(了解)四、辐射材料的选择(了解/掌握)五、辐射处理的主要方法(掌握)六、辐射后代的选育(了解)一、辐射育种的特点(了解)1.提高突变频率，扩大突变谱；2.能改变品种单一不良性状，而保持其它优良性状不变；3.增强抗逆性，改进品质；4.辐射后代分离少，稳定快，育种年限短；5.能克服远缘杂交的不育性和不结实性。电离射线ß射线γ射线χ射线中子非电离射线紫外线激光二、射线的种类及其特征(了解)辐射通过有机体时能直接或间接地产生电离现象辐射能量不足以使原子电离,只能产生激发作用1、物理因素只限于电离辐射(ionizingradiation)和非电离辐射(non-ionizingradiation)。基因突变需要相当大的能量，辐射就是很好的能量来源。紫外线除产生热能外，还能使原子“激发”(activation)；X射线、γ射线、α射线、β射线、中子等除产生热能和使原子激发外，还能使原子“电离”(ionization)。射线衰变的原子核释放的能量。又称丙种射线。是一种高能电磁波，波长很短（10-8—10-11厘米）。穿透力强，射程远、以光速传播，一次可以照射很多种子，而且剂量较均匀。诱变育种的Co60辐射源当前一般常用的射线是放射性同位素Co60或Cs137产生的。其半衰期分别为5.3年和30年。χ射线是由χ光机产生的高能电磁波。它的波长比γ射线长，射程略近。穿透力不如γ射线强。ß射线它是由放射性同位素（如32P、35S等）衰变时放出来带负电荷的粒子。能量较γ射线和χ射线低，在空气中射程短，穿透力弱，不宜做外照射的射线源。中子中子是不带电的粒子流，在自然界里并不单独存在，只有在原子核受到外来粒子的轰击而产生核反应，才从原子核里释放出来。产生的中子按能量大小可分为快中子、超快中子、中能中子、慢中子、热中子。目前常用的是热中子和快中子。中子射线通常由回旋加速器、中子发生器或U235原子核反应堆等产生。当中子照射植物组织时，可以产生以下作用：从照射物质中打出一个核来，形成反冲核，使物质的原子核处于激发状态而放出γ射线，引起不同的核反应，形成放射性同位素，产生次级放射性等。紫外线是一种穿透力很弱的非电离射线，可以用来处理微生物和植物的花粉粒。紫外线(ultravioletlight)最有效的波长为2600Å(ai)，这个波长正是DNA吸收紫外线的有效波长。紫外线直接作用使分子结构离析，如产生二聚体，间接作用产生过氧化氢(H2O2)可诱发突变新补的核苷酸片段发生差错激光能使生物细胞发生共振吸收，导致体内某些分子原子的能态的激发，或原子、分子离子化，进而引起生物体内部的变异。以上各种射线中，中子的诱变效率最高，β射线次之，γ射线和χ射线低于前二者，激光诱变的损伤率远比γ射线和χ射线低，但由于来源和设备条件及安全等因素，目前常的是γ射线和χ射线。三、辐射剂量和剂量单位(了解)（一）辐射剂量：单位体积或单位质量的空气吸收的能量。（二）吸收剂量：单位体积或单位质量被照射物质中所吸收能量。D=E/M（尔格）D–吸收剂量E–被照射物质吸收的能量M–被照射物质的体积/质量（三）剂量单位剂量单位常因不同射线的不同计量方法而不同：1、伦琴简称伦或用R符号表示，用于γ射线和χ射线的剂量单位。1R上指每立方厘米空气中（0℃、760mmHg气压），形成2.038×109离子对的电离辐射剂量，或者说是1g组织所吸收相当于93尔格(erg)的射线剂量。1erg=10-7J（三）剂量单位2、拉特也称组织伦琴，用rad表示。它是对于任何电离辐射的吸收剂量单位。1rad就是指1g被照射物质吸收了100erg的能量。3、中子流量（积分流量）中子射线的剂量计算，常以每平方厘米上通过多少个中子数来确定的，其单位以中子数/厘米2表示。4、居里是放射性强度的单位，用能ci或c表示。1ci=3.7×1010个原子衰变/每秒的放射性.（四）剂量率/剂量强度即单位时间内射线能量的大小。单位以伦/分或伦/小时来表示。P=D/TP—剂量率/剂量强度D—放射剂量T—照射时间剂量率在辐射育种中很重要，往往用同一剂量处理同一个品种的种子，剂量率不同，辐射效果也不相同。（五）辐射剂量1.致死剂量（LD100）：辐射后全部致死的剂量值。2.半致死剂量（LD50）：辐射后50%存活时的剂量值。3.临界剂量（LD40）：辐射后40%存活时的剂量值。4.生长指数剂量（GR50）：生长量比对照降低50%的剂量值。5.活力指数剂量（VID50）:辐射后种子活力指数比对照下降50%所需的剂量。活力指数VI=SGi发芽指数Gi=Gt/DtS–根长或苗高；Gt–第7天的发芽数；Dt–达到指定发芽数的日数四、辐射材料的选择（一）选择材料的原则(了解)综合性状好，个别性状有待改善；易产生不定芽;对辐射较为敏感的材料。（二）植物对辐射的敏感性（内因）(掌握)1、科、属、种、品种的敏感差异如一般豆科植物最敏感，禾本科次之，十字花科植物最迟钝。2、不同发育阶段差异如发芽种子比体眠种子敏感得多，未成熟种子比成熟种子敏感，染色体的有丝分裂和减数分裂前期较其他时期敏感，幼年植株较成年植株敏感。3、不同组织器官差异分生组织最敏感，性细胞比体细胞敏感，细胞核较细胞质敏感。（三）影响植物材料敏感性的因素（外因）(掌握)１、氧如果使种子或植物在完全无氧的空气中受照射，则诱变效率可以提高，而染色体损伤相对减少。如希望产生较多的染色体畸变，最好在有氧的条件下处理。２、含水量在种子辐射处理时，欲得到较高的诱变率，可将种子含水量调到1.3—1.4%左右；如希望得到较高的染色体畸变率，则可降低种子含水量水平。３、温度在种子受照射后，对种子进行处理，即在75℃或85℃处理15分钟，此种处理称“热击”，可以降低照射后在有氧条件下吸水所产生的敏感性。４、核体积（包括植物的多倍性）辐射敏感性与“间期”染色体体积之间呈负相关，即“间期”染色体体积愈大，辐射敏感性愈小，否则相反；辐射敏感性亦与DNA含量成负相关，即DNA含量越多，辐射敏感性越差，所以多倍体植物比较辐射。五、辐射处理的主要方法(掌握)辐射处理分外照射和内照射两种形式。（一）外照射是指被照射的有机体所受的辐射来自外部的某一辐射源。也就是说放射性元素不进入植物体内,而是利用其射线照射植物各个器官.目前常用的是χ射线、γ射线、中子。外照方法简便安全，可大量处理，所以广为采用。外照射处理植物的部位和方法：１、种子照射种子的方法有处理干种子、湿种子、萌动种子三种。目前应用较多的是处理干种子。处理干种子的优点是：1)能处理大量种子；2)操作方便；3)便于运输和贮藏；4)受环境条件的影响小；5)经过辐射处理过的种子，没有污染和散射的问题。２、无性繁殖器官（块茎、块根、鳞茎、球茎、幼芽、枝条等）许多植物是用无性繁殖的，而且有部分植物从来不结种子，只依靠无性繁殖。诱变育种是对这类材料进行品种改良的重要手段，在诱变育种中只要得到好的突变体，就可直接繁殖利用。３、花粉可采集花粉于容器内（针对于花粉生活力强且寿命长的）或直接照射（针对于有辐射圃或有便携式辐照仪的单位）。照射花粉与照射种子相比，其优点是很少产生嵌合体，即花粉一旦发生突变，其受精卵便成为异质结合子，将来发育为异质结合的植株，通过自交，其后代可以分离出来许多突变体。４、子房射线对卵细胞影响较大，会引起后代较大的变异，它不仅引起卵细胞突变，亦可诱发孤雌生殖。自花授粉植物照射前应去雄（二）内照射是指辐射源被引进到受照射的植物体的内部。1.照射源：32P、36S、14C等放射性元素的化合物。2.照射方法浸泡法：浸泡种子或枝条；注射法：注射入植物的茎杆、枝条、芽等部位；施入法：施于土壤中使植物吸收；饲养法：用放射性的14C供给植物，借助于光合作用所形成的产物来进行内照射。3.注意事项利用内照射诱变需要一定的试验设备；试验过程中还需要一定的防护，预防放射性同位素的污染，处理过的材料在一定时间内带有效射性。六、辐射后代的选育(了解)（一）种子辐射后代的选育M0:接受辐射处理后的种子M1:辐射处理种子长成的植株依此类推由于突变多属隐性，可遗传的变异在M1通常并不显现，M1所表现的变异，多为高能射线所造成的生理变异（特别是生理损伤和畸形），这些变异不论优劣一般并不遗传，因此M1不必进行选择淘汰，而应全部留种。M1植物应隔离，使其自由授粉，以免有利突变因杂交而混杂。M1的选育M2是分离最大的一个世代，能遗传的变异主要将在这一代里显现出来。一般在世代出现的变异以不利多，有利少，因此供选择的群体要足够大。由于照射的种子所得M1常为“嵌合体”，对M1最好能分果或分穗分别采收种子分别播种形成“穗系区”。在M2中选择有经济价值的突变株留种。M2的选育M3也是一个分离的世代，但比M2小。一般将M2中获得的变异株分株采种，分别播种一个小区，称为“株系区”。在M3中鉴定淘汰不良的株系，在优良的株系中再选最优良的单株M3的选育将优良M3株系中的优良单株分株播种成为M4。进一步选择优良的株系，如果该株系内各植株的性状表现相当一致，便可将该系的优良单株混合播种为一个小区，成为M5。最后和对照相比，选出优良的品种。M4及M5的选育（二）无性繁殖器官辐射处理后的选育无性繁殖的植物，选择自然产生的芽变，是有效的方法。用射线照射无性繁殖器官，可以提高芽变的频率，是加速选育新品种的有效途径之一。无性繁殖的植物诱发突变有下列特点：1.辐射后代稳定得比较快。2.在遗传上大多是异质的。变异一旦发生，通常在后代可表现出来，所以选择主要在M1代进行。3.注意增强选择，防止逆突变出现。第二节化学诱变育种利用化学诱变剂诱发植物产生遗传变异，以选育新品种的技术。(掌握)主要内容一、化学诱变育种的特点(了解)二、化学诱变剂的种类(了解)三、化学诱变剂处理的主要方法(掌握)一、化学诱变育种的特点(了解)1.操作简便、价格低廉；2.专一性强；3.提高突变频率、扩大突变谱；4.多数为迟发性突变；5.诱变后代的稳定过程较短，可缩短育种年限。1、碱基类似物(baseanalogs)2、碱基的修饰剂3、DNA插入剂4、抗生素5、防碍DNA合成的物质6、其它二、化学诱变剂chemicalmutagens的种类(了解)1、碱基类似物(baseanalogs)5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU）氨基嘌呤（2-aminopurine2-AP）迭氮胸苷（AZT,azidothymidine）5-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基，5-BU有酮式和烯醇式两种异构体，可分别与A及G配对结合。2-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与T和C配对结合。当2-AP掺入到DNA复制中时，由于其异构体的变换而导致A∶T→G∶C2、碱基的修饰剂这类物质通过直接地修饰碱基的化学结构，改变其性质而导致诱变.亚硝酸羟胺烷化剂亚硝酸有氧化脱氨作用。G亚硝酸黄嘌呤(与胞嘧啶C配对)无转换A亚硝酸次黄嘌呤H(与胞嘧啶C配对)AT→GCC亚硝酸尿