第八章 植物种质资源的保存(笔记)

2007－2008学年下学期课程名称：细胞工程任课教师：董玉梅第八章植物种质资源的保存第一节植物种质资源的概念及保存意义第二节种质资源的保存类型第三节种质资源的离体保存第一节植物种质资源的概念及保存意义一、种质资源的相关概念二、植物种质资源保存的意义一、种质资源的相关概念1.种质：是决定生物遗传性状，并将遗传信息从亲代传递给子代的遗传物质。种质资源也称为品种资源或遗传资源。2.种质资源：携带各种种质的材料称为种质资源二、植物种质资源保存的意义1.防止植物种质资源从地球上消亡，减缓生物多样性减少的步伐。2.广泛收集植物种质资源，经鉴定部分可直接应用于生产。3.主要目的还是用作品种选育的材料。什么是生物多样性？生物多样性指的是地球上生物圈中所有的生物，即动物、植物、微生物，以及它们所拥有的基因和生存环境。它包含三个层次：遗传多样性，物种多样性，生态系统多样性。生态系统多样性即群落和生态系统的丰富程度，是指生物圈内生境、生物群落和生态系统的多样性以及生态系统内生境差异、生态过程变化的多样性。物种多样性它指有生命的有机体即动物、植物、微生物物种的多样化。全世界科学家对物种数量还没有精确的估计，其变化幅度为500万至5000万种，甚至多达1亿种。而现在已定名或描述的物种仅有140万或170万种。基因或遗传多样性是指种内基因的丰富程度，包括同种的显著不同种群（如水稻的不同品种）和同一种群内的遗传变异。通常情况下，人们所说的生物多样性多指物种多样性。因此保存植物种质资源就是保护遗传多样性，或是保护生物多样性。生物多样性策略和行动计划世界上的保护区是极其重要的保护生物多样性的设施。与诸如动物园、植物园、种子库等迁地保护设施相结合，保护区能够保护世界生物多样性的大部分，而且有助于发挥其效益。同时，保护生物多样性的行动必须在人们工作与生活的地方深入开展。《生物多样性公约》（ConventiononBiologicalDiversity）是一项保护地球生物资源的国际性公约，于1992年６月１日在内罗毕通过，1992年６月５日，由签约国在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会上签署。公约于1993年12月29日正式生效。截止2004年２月，该公约的签字国有188个。中国于1992年６月11日签署该公约。生物多样性公约该公约是一项有法律约束力的公约，旨在保护濒临灭绝的植物和动物，最大限度地保护地球上的多种多样的生物资源，以造福于当代和子孙后代。国际生物多样性日1994年12月，联合国大会通过决议，将每年的12月29日定为“国际生物多样性日”，以提高人们对保护生物多样性重要性的认识。从2001年起，“国际生物多样性日”由原来的每年12月29日改为5月22日，以方便各国举办各种纪念活动。国际生物多样性日历年主题2001年“生物多样性与外来入侵物种管理”2002年“林业生物多样性”2003年生物多样性和减贫－对可持续发展的挑战2004年生物多样性：全人类食物、水和健康的保障2005年生物多样性——变化世界的生命保障2006年保护干旱地区的生物多样性2007年生物多样性与气候变化生物多样性减少目前世界上的生物物种正在以每天几种到几十种的速度消失。这是地球资源的巨大损失，因为物种一旦消失，就永不再生。消失的物种不仅会使人类失去一种自然资源，还会通过食物链引起其他物种的消失。世界育种史上的突破性成就如水稻籼稻矮源低脚乌尖、小麦矮源农林10号与世界范围“绿色革命”；水稻矮源矮脚南特和矮子粘与我国水稻矮秆育种；“世界杂交水稻之父”，袁隆平院士的“野败”与杂交水稻育种…因此作物育种成效取决于所掌握的种质资源数量的多少和对其性状表现及遗传规律研究的深入程度。拥有丰富多样的种质资源，并对其进行保护，是创造或选育新品种的物质基础。植物种质资源保存是指利用天然或人工创造的适宜环境保存种质资源，使个体中所包含遗传物质保持其遗传完整性和活力，并能通过繁殖将其遗传特性传递下去。第二节种质资源的保存类型按保存的地理位置一、原生境保存（原地保存）二、非原生境保存（异地保存、迁地保存）一、原生境保存（原地保存）是将植物的遗传材料保存在它们的自然生境中。原生境保存的地方多是植物保护区，它是保存植物整个群落的最好方法。中国国家级自然保护区名录，截止到2007年8月为303个。原生境保存农田种植保存，即将原生境植物种植在农田中进行保护。云南水稻就是这种保护方式的一个例子，数以千计的云南水稻农家品种种植在农田中得以保护。二、非原生境保存是将植物的遗传材料保存在不是它们的自然生境的地方。非原生境保存方式有植物园、种子库、种质圃、试管苗库、超低温库等。植物园从英国皇家植物园到我国的南京中山植物园、北京植物园、昆明植物园等，其主要任务为发掘野生植物资源，引进国内外重要经济植物，调查收集珍稀和濒危植物种类，丰富本国栽培植物的种类和品种，为生产实践服务。调查、采集、鉴定、引种、驯化、保存和推广利用植物的科研单位，以及普及植物科学知识，并供群众游憩的园地。目前国际和国内均有一些机构或组织进行各种植物遗传资源的保存。1.保护植物种质资源的国际机构，如国际小麦研究中心、国际马铃薯中心、国际水稻研究中心、国际遗传资源研究所等。2.国家植物种质资源平台及其7个平台子系统。3.保护植物种质资源的32个国家级种质圃。4.保护植物种质资源的13个国家级种质中期库。种质存入国家种质库有何意义植物种质资源是在不同生态条件下经过上千年的自然演变形成的，蕴藏着各种潜在可利用基因，是国家的宝贵财富，是人类繁衍生存和发展的物质基础。因此，从大的方面来讲，国家把这些资源收集起来作为战略资源加于保存，以备子孙后代加以利用，其意义重大。从小的方面讲，资源存入国家种质库，除对国家有重要作用外，对个人和单位也是非常有益处的。例1998年以来，已有云南农科院、山西农科院、江苏盐都农科所、湖南水稻所、湖南原子能农业应用研究所、中国农科院烟草所、中国农业科学院作物所等十多个单位，从国家长期库取出他们早期存入的种子，其取种的原因是他们自己保存的种子已丧失发芽率，或者因保存条件差及人员的变动，使得原材料已绝种。这些单位取出材料已应用于育种项目，或者用于申请国家重大科研项目。送种途径属于农作物种质资源，按目前入库保存渠道，由各作物牵头单位负责统一编目、统一安排繁种送交国家长期库保存。例如，某单位现有几百份麻类种质资源，且未存入国家长期库保存，则可与中国农科院麻类所联系，由该所来协调统一编目和繁种，然后送交国家长期库保存。属于农作物以外的种质资源或按目前入库渠道，没有指定单位负责的作物种质资源，可直接与国家种质库联系。取种途径因国家种质库长期库保存资源是作为国家战略资源加以长期保存，按国际上通行做法，原则上国家长期库保存资源不对外分发供种。只有一种情况下才可从国家种质库（长期库）提取种子，即原提供单位绝种的种质材料。若想获取种质资源，可向国家各作物中期库获取，国家中期库主要职责是负责种质资源的中期保存和分发供种。非原生境保存的具体方法1.种植保存2.贮藏保存3.离体保存4.基因文库保存1、种植保存为了保持品种资源的种子或无性繁殖器官的生活力,并不断补充其数量,品种资源材抖须每隔一定时间播种种植一次,即种植保存。在种植保存时,种植条件尽可能与原产地相似,以减少由于生态条件的改变而引起的变异和自然选择的影响。在种植过程中应尽可能避免或减少天然杂交和人为混杂。2、贮藏保存贮藏保存就是用控制贮藏条件(主要是温度和湿度)的方法,来保持品种资源种子的生活力。低温、干燥、缺氧可抑制总之呼吸，是延长种子寿命的有效措施。贮藏保存当种子含水率在4%~14%时，含水率每下降1%，种子寿命可延长一倍；贮藏温度在0~30℃时，温度每降低5℃，种子寿命可延长一倍。贮藏条件温度：-18℃＋1℃相对湿度50%含水量干燥脱水至5％～7％，大豆为8％种子寿命在50年以上3、基因文库保存利用利用人工方法，从植物材料中获取总DNA，然后用限制性内切酶将DNA切成许多片段并与载体连接，然后转移到大肠杆菌或酵母中进行繁殖，使生物体内的所有基因都得到保存。如拟南芥、水稻等基因文库。4.离体保存是将植物外植体在无菌的环境中利用组织培养技术进行植物种质资源保存的方法。它是利用细胞工程技术对植物种质资源进行保存的一种方法。如甘薯试管苗库和马铃薯试管苗库。第三节植物资源离体保存一、低温保存二、超低温保存三、生长抑制剂保存一、低温保存是通过控制培养温度来限制培养物各种限制因子的作用，使培养物生长减少到最低限度。植物对低温的耐受力与它们的起源和最适生长的生态条件有关，热带植物对低温的耐受力较温带作物差。二、超低温保存（一）超低温保存的原理（二）超低温保存基本程序（三）影响超低温保存效果的因素（四）超低温保存后细胞和组织活力检测（一）超低温保存的原理冷冻防护剂的用途（二）超低温保存基本程序1.冷冻前材料预处理预处理方法：将保存材料放在高糖浓度、添加二甲基亚砜（DMSO）、脯氨酸等冷冻防护剂的培养基中，在接近零度下培养数日。2、冷冻处理（1）快速冷冻将植物材料从0℃或者其它预处理温度直接投入液氮中保存的方法。降温速度为1000℃/min。植物体内的水分在降温冷冻过程中，从-10℃—-140℃范围内是冰晶形成和增长的危险温度区，到-140℃时完全停止增长，关键是利用高速降温越过冰晶增长的危险温度区，不能形成致死的冰晶，细胞内水分固化，不会破坏细胞结构。（2）慢速冷冻法将植物材料从0℃或者其它预处理温度以降温速度为1~2℃/min从起始温度降到-100℃，稳定1h后投入液氮中保存或以此降温速度降至-196℃。在这种降温速度下，细胞内水分有充分的时间不断渗入到细胞外结冰，使细胞内水分减少到最底限度，避免细胞内结冰。（3）预冷冻法投入液氮前，需经过短暂时间的低温锻炼的方法①两步冷冻：采用1~2℃/min慢速冷冻至-40℃，停留一段时间，快速冷冻。②逐级冷冻：当无程序降温仪时，材料通过不同温度等级降温至-40℃，停留一段时间，投入液氮快速冷冻。（4）干燥冷冻将材料置于27~29℃烘箱内降低植物含水量，在投入液氮中保存。此法可以防止材料冻死。3、冷冻保存-196℃液氮冰箱中或液氮罐中保存。4、保存材料解冻（1）快速解冻法保存材料直接投入到37~40℃水浴中进行解冻的方法。-50~-10℃是再结冰的温度区（2）慢速解冻先置于0℃解冻，在逐渐升温至室温。可以使水分慢慢渗入细胞内。5、保存材料复苏培养保存材料解冻后，需用液体培养基冲洗几遍，除去冷冻防护剂的残留毒害。然后可以在固体培养基上进行培养，进行正常生长，再生植株。重新生长的细胞（组织）存活率=100%解冻的细胞（组织）（三）影响超低温保存效果的因素1.植物材料2.冷冻防护剂（四）超低温保存后细胞和组织活力检测再培养三、生长抑制剂保存法1.高渗保存法2.生长抑制剂保存法3.抑制生长的其他保存法