第六章染色体工程.

第六章染色体工程染色体变异多倍体与单倍体染色体工程什么是染色体工程？►染色体工程（chromosomeengineering）是人们按照一定的设计，有计划地消减、添加或代换同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传特性和选育新品种的一种技术。核型：将一个体细胞中全套染色体按一定方式排列起来，构成图像。染色体显带：染色体显带：经不同的方法处理染色体，经染色后使染色体在纵轴上显示明、暗或着色深、浅相间的横纹即显带（Banding）。这种带对每一条染色体来说都是独特的，可以区分和确认每一条染色体。►染色体畸变（chromosomeaberration）在某些内部或外界因素的影响下，染色体数目和结构可能发生改变，这种改变称为染色体畸变。整倍体异常（euploid）►细胞内整个染色体组数目的增加或减少，形成整倍性的改变。①单倍体（n）：见于正常成熟配子（精子和卵子）②多倍体（n≥3n）：见于自然流产的胎儿中，是人类自然流产的重要原因。非整倍体异常►指体细胞中个别染色体数目增加或减少了一条或几条，为最常见的染色体异常。①亚二倍体:在2n基础上减少一条或数条染色体。（单体型2n-1）②超二倍体:比二倍体（2n）多一条或数条染色体。（三体型2n+1或多体型2n+n）（二）染色体结构畸变(constructabnormality)►染色体结构畸变：指染色体部分片段的缺失、重复或重排。实质上是指染色体上遗传物质的增减或位置改变。►染色体结构畸变的根本原因：染色体断裂（breakage）及断裂后的重排。染色体结构畸变的类型►缺失（deletion，del）►重复（duplication，dup）►倒位（inversion，inv）►易位（translocation，t）第一节染色体变异染色体结构变异染色体数目变异一、染色体结构变异由染色体断裂导致的畸变，有4种：1．缺失：染色体缺少了某一片段2．重复：指染色体增加了某一片段3．倒位：指染色体内部结构顺序发生了颠倒，基因无损失4．易位：是指染色体片段发生位置改变的染色体突变二、染色体数目变异染色体数目变异能以个体或染色体组为单位增加或减少。染色体组：二倍体生物的一个配子的全部染色体。整倍体：指体细胞内含有完整的染色体组的类型。非整倍体：指染色体组内的个别染色体数目有所增减，使染色体数目不是基数的完整倍数。第二节多倍体与单倍体定义与特点多倍体产生的途径动植物多倍体的特点与比较一、定义与特点多倍体：1916年，温克尔（Winkler）首次使用。指每个细胞中含有三个或更多染色体组的个体。常见多倍体有三、四、五、六和八倍体。包括同源多倍体和异源多倍体。单倍体：指细胞中含有正常体细胞的一半染色体数，即具有配子染色体数目的个体。二、多倍体产生的途径1．原种或杂种所形成的未减数分裂配子的受精结合。2．原种或杂种的合子或体细胞的染色体数目加倍。三、动植物多倍体的特点与比较动物多倍体较罕见。在一些低等动物中存在。在许多二倍体动物的一些组织内含多倍体细胞。如，人肝细胞在特定年龄会出现四倍体和八倍体。高等动物远缘杂交成功的例子非常少见，如骡子（2n=63）第三节染色体工程多倍体育种单倍体育种雌雄核发育染色体显微操作技术染色体微克隆染色体转移技术什么是染色体工程？►染色体工程（chromosomeengineering）是人们按照一定的设计，有计划地消减、添加或代换同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传特性和选育新品种的一种技术。染色体工程:是人们按照一定的设计,有计划地消减、添加或代换同种或异种染色体的技术。广义上讲它还包括染色体内部的部分遗传操作技术，因此也称为染色体操作。该术语最早由里克（Rick）和库升（Khush）在1966年提出。染色体工程意义：①培育抗病新品种。②基因定位和染色体转移等。③多倍体育种。一、多倍体育种植物领域：巨大月见草为第一个多倍体。三倍体欧洲山杨是最早林木多倍体。动物领域：1939年，范克豪泽（Fankhauser）和格里菲思（Griffiths）首先成功培育两栖类三倍体。1．技术方法包括:生物学方法物理学方法化学方法（1）生物学方法：动物通过杂交方法尤其是种间杂交获得异源多倍体。种间杂交导致第二极体不排出。植物包括胚乳培养、体细胞杂交等。技术尚不成熟。（2）物理学方法：包括温度激变（温度休克法）、机械损伤、电离辐射、离心、水静压法和高盐高碱法等。主要用于多倍体育种初期。物理学方法►温度休克法：冷休克法（0～5度）和热休克法（30度左右）。►定义：用略高于或略低于致死温度的冷或热休克来诱导三倍体或四倍体的方法。►关键：能否成功地阻止第二次成熟分裂或第二极体的排出。要达到这一点，必须考虑温度处理的开始时间（TA）、处理持续时间（D）和处理温度（T）这三个因素。►目前对鱼类使用温度休克法诱导三倍体的工作报道较多。一般来说，冷水性鱼类如鲑科种类应用热休克法、而温水性鱼类用冷休克效果较好。►优点：廉价、易操作，是诱导动物细胞多倍体化的常用手段，也有利于大规模生产使用。物理学方法►水静压法：采用较高的水静压（65kg/cm2）来抑制第二极体的放出或第一次卵裂产生多倍体。►这种方法诱导率高（一般在90％～100％）、处理时间（3～5min）短，对受精卵损伤小、成活率高。►但是，该法需要专门的设备——水压机，成本较高，其样品室容量有限，处理卵的量有限，所以不适于大规模生产的。3）化学方法：利用化学物质诱导多倍体。常用的化学物质有：细胞松弛素B、秋水仙素，还有麻醉剂、聚乙二醇1937年，达斯廷（Dustin）最早报道秋水仙碱诱导多倍体作用。化学方法►有些化学物质也可以用来阻止第二极体的排出或受精卵的有丝分裂而产生三倍体或四倍体。►细胞松弛素B能抑制肌动蛋白聚合微丝，从而抑制细胞质分裂。►秋水仙碱可以抑制细胞分裂中纺锤丝的形成，因而抑制有丝分裂，这在植物中已经广泛应用。►其它药物还有麻醉剂，如N2O、CHClF2和聚乙二醇等。►缺点：化学药品一般比较昂贵、且具有毒性，影响处理后的胚胎发育，同时加上化学药物诱导产生的多倍体往往是在育种上没有价值的镶嵌体，所以化学方法在实际中的应用不及物理方法。三倍体无籽西瓜的生产2．多倍体倍性鉴定的方法间接法：核体积测量法蛋白质电泳系列化分析形态学检查直接法：染色体计数DNA含量测定鉴定方法►核体积测量：间接法►测量红血球来鉴定：间接法►蛋白质电泳鉴定：间接法►染色体计数是鉴定多倍体倍性：直接法►另外，利用血液成分、酶的含量等进行生化分析也可以鉴定多倍体。►采用何种方法均有利有弊，进行鉴定主要依赖于所测样本的发育时期、实验要求和所具备的仪器设备条件。主要方法介绍►核体积测量属于间接法。►一般，细胞核大小与染色体数目成比例增加，而且为维持恒定的核质比例，随着细胞核的增大，细胞大小也按比例增加。因此组成多倍体有机体的细胞及细胞核通常要比二倍体大一些。但多倍体的器官或身体并不一定都比二倍体大。主要方法介绍►在鱼类，通常通过测量红血球来鉴定多倍体倍性，其中核体积之比最为常用，也有用核面积甚至单独用核长X或短X之比来表示的。蛋白质电泳也可以用来鉴定多倍体倍性，属于间接法，但在鉴定时要慎用。►利用血清蛋白质电泳图差异来辨别二倍体和三倍体卵胎生帆锵，但不能用来分辨关东银鲫。►染色体计数是鉴定多倍体倍性的一个准确的直接方法，但比较费时。质量好的染色体标本可以从胚胎获得，因为胚胎细胞分裂指数高。►流式细胞仪测定DNA含量是较准确的方法优点和缺点►多倍体育种技术方法简单、见效快，具有潜在的理论和应用价值。►许多诱导的多倍体动物如两栖类、鱼类、贝类等却具有良好的生存力和生长率。►种间杂交生长快，可以同时具有两个不同的种的优良特性，但成活率较低。►利用三倍体不育的特性，将生殖腺发育消耗的能量用于动物生长，可以避免因繁殖季节及肉质下降而延误上市时间或影响商品价值，缩短了养殖周期，减少了养殖成本，这在鲍鱼、昆虫等方面已有应用。►某些多倍体动物肉质量、含氧量、抗病性等经济性状较二倍体好。►虽然，还有一些难点比如准确的处理时间、诱导率、成活率、孵化率、倍性鉴定方法等还未解决，但随生命科学的进一步发展，多倍体育种技术将为人类做出更大的贡献。3．多倍体育种的重要性（1）多倍体育种的优势：植物：①对不利环境的适应有明显优势②花大、果大，营养改善③果树可延长储存期动物：①具有良好的生存力和生长率②利用三倍体不育，消灭昆虫多倍体植物的性状比原来的二倍体气孔、花、果实和种子比二倍体者为大，叶肉较厚，茎秆也较粗壮多倍体动物如两栖类、鱼类、贝类都具有良好的生存力和生长率（2）多倍体应用举例：新型农业食品资源无籽西瓜：没有籽、品质好、食用方便异源多倍体小黑麦：产量高、品质好高品质树木培育多倍体桑树：体细胞较大、叶肉厚、抗性强三倍体毛白杨水产养殖三倍体鲍4．存在问题与展望（1）需要找到更适宜的诱导剂（2）嵌合体现象还不能克服，真正同一倍性的多倍体出现的概率不是很高（3）判断是否是多倍体的一些特性评价的准确性（4）在遗传上具有高度杂合性的多倍体过剩遗传信息对多倍体遗传效应的贡献有多大（5）多倍体诱导技术在育种上的应用还不完善，需要开展广泛的研究5、多倍体动物的应用及发展趋势►多倍体动物的生活力及生长能力。许多诱导的多倍体动物如两栖类、鱼类、贝类等都具有良好的生存力和生长率。诱导三倍体可以增加种间杂种的成活率，三倍体种间杂种可以比二倍体杂种成活得更好一些。多倍体动物的应用及发展趋势►多倍体动物的性腺发育及其应用►三倍体预期是不育的，许多实验也都证明了这一点。生产上可以利用这个不育特性，将生殖腺发育消耗的能量用于动物生长上，避免因繁殖季节及肉质下降而延误上市时间或影响商品价值，也避免了生长停滞和死亡率的增高，缩短了养殖周期、减少了养殖成本，可养成大型个体。►与三倍体不同，四倍体是可育的。目前如何大量诱导四倍体并培育至性成熟，尔后与正常二倍体杂交获得不育的三倍体，进行三倍体育种是许多学者正在致力研究的课题。多倍体动物的应用及发展趋势►多倍体动物的其它经济性状►三倍体虹鳟的鱼肉质量确实优于二倍体，其抗传染性造血器官坏死病毒能力较强；►三倍体大西洋鲑耐低氧，故可适用于低氧环境养殖；►三倍体香鱼对声音和光线的感受能力比二倍体香鱼略显迟钝，适于在噪音较大的环境中放养。6、多倍育种中存在的问题►准确的处理时间；►诱导率、成活率及孵化率的提高；►准确可靠的倍性鉴定方法的确定。二、单倍体育种1．单倍体优点（1）由于单倍体只具有一套染色体，染色体上的每个基因都能表现相应的性状，所以极易发现所产生的突变，尤其是隐性突变，所以单倍体是研究基因或基因剂量效应，进行染色体遗传分析的理想材料。（2）由于通过人工方法使单倍体的染色体加倍就可以获得纯合二倍体，在育种上具有极高的价值。单倍体育种：指将具有单套染色体的单倍体植物，经人工染色体加倍，使其成为纯合二倍体。从中选出具有优良性状的个体，直接繁育成新品种；或选出具有单一优良性状的个体，作为杂交育种的原理材料。2．单倍体育种的优越性（1）可以克服杂种分离的困难,缩短杂交育种时间,一般只需一年就可迅速获得自交系,两年可获得纯系。（2）大大提高选育效率。（3）能克服远缘杂交的不孕性，创造出新物种。3．人工诱导单倍体的方法远缘杂交标记花粉的利用延迟授粉核置换射线照射染色体有选择地消失未授粉子房培养和花粉培养（最佳）4．小麦花药培养生成单倍体加倍植株过程（1）花粉的获得（2）花药制备与培养（3）愈伤组织培养（4）移栽（5）染色体加倍获得二倍体三、雌雄核发育雌核发育：俗称假受精，指精子虽正常钻进和激活卵子，但是精子的细胞核并未参与卵球的发育，精子在染色体中很快消失，胚胎的发育仅在母体遗传的控制下进行的一种发育方式。雄核发育：指经过紫外线、X射线或γ射线处理后的卵子与精子受精，再适当进行冷、热、高压等物理处理，促进入卵精子染色体加倍而发育成父本形状二倍体。单倍体鱼1．人工诱导雌核发育的方法精子遗传物质的失活辐射处理：γ射线、X射线和紫外线化学处理：甲苯胺蓝、乙烯尿素和二甲基硫酸显微手术法：直接除去受精卵中的