第十章植物体细胞无性系变异

第十章植物体细胞无性系变异一、概念•LarkinScowcroft（1981）提出把由任何形式的细胞培养所产生的植株统称为体细胞无性系（somaclones）。•在培养阶段发生变异，进而导致再生植株亦发生遗传改变的现象，称为体细胞无性系变异（somaclonalvariation）。第一节植物体细胞无性系变异的变异及其应用二、变异主要涉及两个方面：•表型变异包括形态特征、生长习性、抗性等•染色体变异数目、结构（缺失、互换、易位、倒位）三、体细胞变异的优缺点：•优点：适用于各种组培植物；持续快速提供变异源；消除优良品种的一个或几个缺陷；提供新型变异株系。•缺点：继代多次后，植株再生能力减弱；变异不稳定，经杂交或自交后发生变化；变异没有可预见性，常产生不适变异。四、体细胞无性系变异的诱导与离体筛选体细胞无性系变异的筛选有以下明显的优点：－可以小空间内对大量个体进行选择；－筛选可以在几个细胞周期内完成，且不受季节限制；－诱变和筛选条件可精确控制，试验重复性好；－突变体来源于单细胞，避免了植株出现嵌合体；－在细胞培养系统中，诱变剂可较均匀地接触细胞，突变率高，选择机会多。步骤：诱变材料的选择突变体筛选细胞诱变自发变异突变体稳定性鉴定（一）诱导起始材料的选择选择起始材料原则目标性状的可行性试验植物细胞培养技术水平适当的细胞类型（二）自发突变一般来讲，长期营养繁殖的植物、培养时间较长或继代次数多等，均容易出现较高的变异率。另外，培养类型中，原生质体、细胞、愈伤组织培养等所出现的变异频率要高于组织或器官培养的变异。（三）诱变物理诱变化学诱变转座子插入化学诱变常用的化学诱变剂：-烷化剂如DES，可改变DNA结构而引起突变；-碱基类似物，核酸复制时，可掺入到新合成的DNA分子中引起错配；-移码诱变剂，如ICR化合物。转座子插入诱变•转座子插入诱变是近年来利用分子生物学技术发展起来的新的体细胞诱变方法。转座子既可直接将外源基因带入细胞内获得新性状，又可以独立插入通过其转座功能诱导变异。•目前，使用较多的转座子体系是玉米的Ac/Ds系统。首先采用基因转化的方法将Ac/Ds导入受体细胞，再通过体细胞培养或再生植株的自交或测交使Ac因子切除，由于转座子插入的随机性，即可在切除Ac的植株中筛选出不同变异。利用这一途径已在苜蓿、马铃薯、番茄、甘蓝等多种植物上获得可利用的体细胞变异植株。（四）突变体选择直接筛选间接筛选直接选择其方法是用一种含有特定物质的选择培养基，在此培养基上只有突变细胞能够生长，非突变细胞不能生长，从而直接筛选出突变性。贾敬芬等以小麦幼胚愈伤组织为材料，在含有1.4%NaCl的N6培养基上直接筛选出小麦耐盐系。郑企成等曾将小麦“京花1号”花药经γ射线处理后，再经0.5NaCl培养基直接筛选出耐盐再生株系。间接选择间接选择是一种借助于与突变表现有关的性状作为选择指标的筛选方法。Dorffling等以羟脯氨酸（HYP）为选择剂，获得了耐HYP的体细胞变异系，其抗寒性比供体亲本增强，且能稳定遗传。林定波等将锦橙株心细胞愈伤组织的悬浮细胞经γ射线照射，然后在高浓度脯氨酸培养基中培养筛选，获得了抗寒体细胞变异愈伤组织，其再生植株抗寒性比供体植株提高2.4℃。（五）突变体稳定性鉴定•突变细胞或组织鉴定•在正常培养基上继代培养几次进行鉴定。•突变植株鉴定•当代鉴定或自交后代鉴定二、体细胞无性系变异的应用改良作物品种拓宽种质资源遗传学研究发育生物学研究代谢研究加强外源基因向栽培种的渐渗一、改良作物品种、拓宽种质资源•据统计，诱导突变已被用来改良诸如小麦、水稻、大麦、棉花、花生和菜豆这些种子繁殖的重要作物。•在全世界50多个国家中已发放了1000多个由直接突变获得的或由这些突变相互杂交而衍生的品种。在各国现有通过体细胞诱变选育的谷类作物品种中，品质得到不同程度改良的占34.3%。•在水稻方面，国外至少育成了12个米质优良的品种。如法国选育的Delta，以其良好的籽粒品质占该国水稻总面积的20%。•此外，还有丹麦无花青素原大麦Galant。•据不完全统计，诱变品种中大约有1/4是抗病品种，其中80%左右为抗真菌品种。•耐盐、抗旱、抗寒变异也已筛选出众多中间材料，有的已进入区域试验，有的已用于生产。二、加强外源基因向栽培种的渐渗•对远缘杂交的体细胞杂种、单体异附加系和异代换系等材料进行组织培养，能使它们发生遗传交换，提高外源基因向栽培种渐渗。三、遗传学研究•突变体直接用于基因功能鉴定•突变DNA序列用作分子标记进行遗传研究•利用突变体策略已分离出一些功能基因和抗病基因，如玉米乙醇脱氢酶基因ADH，赤霉素合成相关基因、生长素敏感性基因等。四、发育生物学研究•利用体细胞突变策略对植物发育的基因调控研究已在模式植物拟南芥和金鱼草等植物中广泛开展，并分离出一大批不同发育阶段和组织类型的突变体。•以突变体为工具，还从组织学和细胞学角度分析鉴定了一些基因的表达与植物发育的关系。•在烟草、玉米中均通过质体突变体分离鉴定了与植物叶绿体发育有关的核基因。玉米黄化突变体pun是一个在光照下不可逆转的突变体，分析显示，该突变体为一核单基因隐性突变，该基因的突变扰乱了叶绿体基因编码的蛋白质积累，进而使叶绿体膜系统发育不足，类囊体相关蛋白不能积累。五、代谢途径研究•突变体作为代谢活动调控研究的工具，具有十分便利和高效的优势。可根据需要建立某一代谢途径中每一个调节点的突变体，也可以与基因工程相结合，对一些关键调控过程进行修饰和改造，使代谢过程按照人类需要进行。因此而发展起来的新型学科领域称之为代谢工程。•近年来，通过体细胞突变研究激素、次生代谢产物等代谢途径的研究已有许多报道。如番茄推迟成熟的突变体Nr，与乙烯应答基因突变有关；玉米胚乳皱缩型突变sh可能涉及蔗糖代谢的相关酶基因的突变。第二节体细胞无性系变异的机理及影响因素•预先存在的变异表达•染色体数目变化•点突变•体细胞染色体DNA复制和缺失•转座因子的活化•DNA甲基化•胞质DNA的变化一、体细胞无性系变异的机理二、体细胞无性系变异的影响因素一、供体植物—生理状态•以分生组织为外植体的再生植株通常可以维持供体植物的典型性，体细胞变异频率很低。•以分化组织为外植体的再生植株容易发生体细胞变异，其频率与分化程度有关。一、供体植物—遗传背景•基因型：植物种基因型间变异频率差异较大。•倍性水平：多倍体和染色体数目较多的植物其变异频率比二倍体和单倍体高。二、培养基—激素•培养基激素浓度和不同激素配比对再生植株的染色体倍性有一定的影响。•激素引起的变异大多为倍性增加。•少数情况下激素引起类减数分裂而使倍性减少。二、培养基—物理状态•一般来讲，悬浮培养的细胞较半固体培养的细胞易产生变异。三、培养类型•原生质体培养的体细胞变异大于细胞培养，而细胞培养的变异又大于组织器官培养的变异。在细胞培养中，性细胞培养再生植株的变异要大于体细胞培养的植株。四、继代次数•由继代次数引起的体细胞变异普遍存在。一般来说，继代时间越长，继代次数越多，细胞变异的机率就越高。－烟草继代培养５年的愈伤组织，其再生植株与供体基因型相比，几乎没有形态正常的植株。染色体分析表明其大多为非整倍体和多倍体。－玉米从刚诱导的愈伤组织中分化的植株，在形态上与供体基因型基本一致，但培养３年后愈伤组织的再生能力显著下降，再生植株生长异常。细胞学分析显示染色体断裂和带型变异。小结•细胞工程技术对培养细胞具有遗传稳定性和变异性的双重影响•体细胞变异在培养类型中具有普遍性，在变异性状上具有局限性•体细胞变异可自发产生也可通过理化因子诱导产生•体细胞变异包括染色体数量和结构变异，但大多数可利用变异多为基因突变；•利用体细胞变异可以直接培育品种也可作为生物学相关研究的基础材料思考题：1、简述体细无性系变异的概念及优缺点。2、利用植物体细胞无性系变异现象，设计获得耐盐（或耐旱、抗病等）优良番茄株系的基本程序。