园林植物花卉育种学ppt课件第9章诱变育种.ppt

第九章 诱变育种,第一节 概述,一、概念诱变育种（mutation breeding）人工利用理化因素诱使植物材料发生遗传突变，并将优良突变体培育成新品种的育种方法包括辐射诱变育种（radiation breeding）化学诱变育种（chemical induced mutation breeding）,与芽变选种相比较：诱变育种：利用人工诱变芽变选种：利用自然突变,二、诱变育种的发展概况 1895年伦琴(Rontgen)发现了X射线1896年贝克勒耳(Becquerel)发现了具天然放射性的铀摩尔根等于1910年发现化学物质也能提高果蝇的突变率,1964年联合国粮农组织/国际原子能机构（FAO/IAEA）联合处的成立，建立起了交流网络。1969年，FAO/IAEA联合处开始举办“植物诱变育种”培训班，发行了突变育种手册这一年被认为是植物诱变育种的转折年。,至1995年，50多个国家，154种植物开展诱变育种工作已培育出1737个新品种。其中花卉等465个主要有菊花、大丽花、六出花、秋海棠、月季、杜鹃、百合及香石竹等仅诱变育成的菊花新品种就有170多个。,我国的诱变育种起步于1956年诱变育成的品种数量和种植面积均居世界首位。至1998年底，已在40多种植物育成新品种513个,在观赏植物中，我国培育了菊花、小苍兰、瓜叶菊、朱顶红、美人蕉、月季、紫罗兰、金鱼草、矮牵牛、杜鹃花、唐菖蒲及荷花等的新品种或优良变异类型近100个。如中国农科院等单位先后用辐射方法培育出40多个月季新品种；,北京林业大学培育的四季开花的菊花新品种，能耐-35低温安徽农业大学通过辐射育出了8个11月至1月开花的冬菊新品种；上海农科院育成了6个观赏性好、抗病性强的小苍兰新品种；中国农科院培育成5个瓜叶菊雄性不育系,并配制了优势杂交种等等。,三、诱变育种的特点优点 变异频率高，变异类型丰富 有利于品种单一性状的改良 打破原有的基因连锁，利于基因重组 改变植物育性，提高结实率（克服远缘杂交的不亲合性）诱发突变易于稳定，诱变育种周期短（只有少数基因变异）,1.变异频率高，变异类型丰富（与自然变异相比）突变率达3，是天然突变率的1001000倍。可在形态、组织结构、生理生化等方面，以及适应性、抗病虫、花色、花期、花型、株形及育性等为“标新立异”创造了条件。,2.有利于品种单一性状的改良（与杂交育种相比）诱发突变多为点突变。如Demol对郁金香辐射处理，获得各种花色突变类型。,3.打破原有的基因连锁，利于基因重组 使染色体断裂、易位，打破原有连锁关系后再进行杂交，经基因重组创造新品种。,缺失,重复,倒位,易位,染色体结构变异,4.改变植物育性，提高结实率辐射花粉，克服远缘杂交不亲和性和异花授粉植物的自交不亲和性有利受精结实，为培育自交系创造条件。,5.诱发突变易于稳定（纯合），诱变育种周期短 诱发突变仅是少数基因变异，突变性状稳定快尤其是突变性状多为隐性，经自交后即可获得纯合突变体，比常规的杂交育种快3年以上。,局限性：变异方向与性质难以预测和控制 改良的性状有限（少数性状）综合性状改良不宜使用变异性状具不稳定性（嵌合体）,第二节 辐射诱变,一、概念辐射育种 利用辐射诱导植物发生遗传突变，并将其优良的变异材料培育成新品种的育种方法。,二、花卉辐射育种的有利条件观赏植物的多样性；观赏性状的多向性（标新立异）无性繁殖技术的应用。,（一）种类1.根据辐射的性质分(1)电磁辐射（本质是波）以电场和磁场交变震荡的方式穿过物质和空间而传递能量的射线如X射线、射线、紫外线、微波和激光等(2)粒子辐射（本质是粒子）一种高速运动的粒子流，通过损失自己的动能把能量传递给其他物质如带电的射线、射线、质子、电子束、离子束和不带电的中子,三、射线的种类及其特征,电磁辐射(电磁波),粒子辐射,射线X射线紫外线激光微波,射线离子束中子 射线质子中子电子束,2.根据能量高低可分为(1)电离辐射：辐射能量较高，能直接或间接引起被照射物质的原子发生电离如射线、X射线、射线、离子束和中子等(2)非电离辐射：辐射能量较低，不具电离效应如紫外线,1.射线是一种高能电磁波，波长很短（10-810-11cm）。穿透力强，可深入植物组织几厘米。应用：能同时处理大量材料，并能于植物的整个生长期内在自然的田间条件下进行长期照射但必须有严格的安全防护设备和措施,（二）主要射线的种类及特征,2.X射线是由X光机产生的高能电磁波。波长比射线长，射程略近。穿透力不如射线强。可深入植物组织几毫米X射线最早应用于诱变工作。,3.射线在空气中的射程达数m，穿透力差，仅及植物组织数。用厚的纸板即可挡住。,4.射线 由两个质子和两个中子构成的氦原子流。与空气分子碰撞便丧失能量，可以被一张纸挡住。,射线,射线,射线,水泥墙,中子：不带电的粒子 根据其能量大小被分为：高能中子，快中子，中能中子，慢（热）中子育种上应用较多的是热中子和快中子中子穿透力较强，能深入植物组织数，需混凝土做成厚的防护墙保护。常用于照射种子,紫外线：是一种非电离射线，穿透力弱，可处理微生物和植物的花粉粒。,激光：导致体内某些分子原子的能态的激发，或离子化 可产生多种效应：光、热、光压、电磁，诱变效果好。,（一）电离辐射的物理作用：由辐射的能量转移而产生的电离作用。这种电离可能发生在染色体上及核质与细胞质的原子或分子之中。,四、辐射诱变的原理,(二)电离辐射的化学作用：由于活的生物组织含有约75%的水，因此水就成为电离辐射的最丰富的靶分子。水被辐射电离后产生自由基，这些自由基可通过一系列反应影响生物体内正常的生理功能 直接作用:H2O-OH-+H+H2O H2Oe-,hv,hv,（三）辐射对细胞的作用1.引起半透膜的损伤。2.细胞核膨大，染色体成团，细胞分裂异常。3.细胞质结构成分会发生变化如粘度改变，空泡形成，电解质及水分的渗透性升高4.使某些酶“失活”，引起细胞死亡。特别是数量少却参与重要物质（如维生素和激素）合成的某些酶的失活。,（四）辐射对遗传物质作用（1）染色体的结构或数目发生变化断裂、丢失、易位（2）基因突变,五、辐射诱变剂量 辐射诱变剂量（induced dose）：指对植物材料进行辐射诱变时使用的处理剂量。,辐射的剂量单位 照射剂量 吸收剂量 放射性强度 剂量率,照射剂量照射剂量：用来度量处理植物材料时所采用的辐射量大小的单位。包括照射量（X）中子通量。,照射量（X）：度量x射线及射线的单位。单位质量的空气中的电流量常用单位伦琴(R)SI库伦/千克（C/kg）。中子通量：度量中子照射量的剂量单位。中子通量(ncm2)是指每平方厘米的截面积上通过的中子数。,吸收剂量（D）是指受照射材料实际所得到的辐射能量。SI：戈瑞(Gray，Cy)=焦耳/千克（J/kg）,放射性强度：指一个放射源在单位时间内的核衰变次数是衡量放射源辐射强度的单位。SI：贝可（Bq）。1贝可(Bq)=放射性同位素发生1次核衰变s。,剂量率单位时间内植物材料所受的照射剂量或吸收剂量。剂量率的单位因照射剂量或吸收剂量的单位不同而不同。例如：照射剂量率的单位有Rh；Rmin；Rs；C/kg.s；ncm2.min等。吸收剂量率的单位有Radh；Radmin；Gys；Gymin等。,2.植物的辐射敏感性致死剂量（LD）：全部致死的剂量值。半致死剂量（LD50）：50%存活时的剂量值。半致矮剂 量(D50)：使被照射材料生长量为对照50的辐射剂量。临界剂量(LD60)：使被照射材料成活率或生长量为对照40的辐射剂量。,3.适宜诱变剂量的确定 一般用半致死剂量(或半致矮剂量)或临界剂量照射剂量,六、辐射材料的选择,（一）选择材料的原则 综合性状好，个别性状有待改善；杂合子材料；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遗传差异十字花科禾本科豆科2.不同组织器官差异(与分化程度成反比)叶芽分生组织薄壁分生组织根尖分生组织小胞子母细胞发育中的小孢子根尖分生组织据报道：菊花不同器官的辐射的敏感性依次为：叶茎愈伤组织丛生芽生根小苗插条种子,不同发育阶段差异：幼老配子枝条种子胚胎:合子期原胚期分化胚。雄配子的强弱顺序：减数分裂期单核期二核期三核期。,七、辐射处理的主要方法,外照射内照射（一）外照射：是指植物材料所受的辐射来自外部的某一辐射源。外照常用：X射线，射线、快中子或热中子。方法简便安全，可大量处理，广为采用。,外照射处理植物的部位和方法：、种子 干种子（最常用）湿种子萌动种子处理干种子的优点是：处理量大；操作方便；便于运输和贮藏；受环境条件的影响小；经过辐射处理过的种子，没有污染和散射的问题。,、无性繁殖器官 一般采用枝条、块茎、鳞茎、球茎及根茎等有生长点的无性繁殖器官优点：得到好的突变体，可直接繁殖利用。,、花粉优点：很少产生嵌合体辐射后（1）可用于授粉（后代会分离）（2）可用于离体培养照射时期：双核期之前,、离体培养材料照射离体培养材料，细胞数量较少，容易产生不定芽，经辐射处理后，容易分离嵌合体如愈伤组织、单细胞、原生质体等,5.植株照射可用不同发育阶段的植株进行处理；可在整个生长期内进行慢照射也可以多次间隔性地照射。,（二）内照射：指辐射源被引进到植物体内部的照射。照射源：32P、36S、14C(放射性同位素或其化合物)等。照射方法：（1）浸泡种子或枝条；（2）注射入植物的茎杆、枝条、芽等部位；（3）施入土壤：使植物吸收；（4）饲养法：用14C供给植物，借助光合作用所形成的产物来进行内照射。,注意事项：内照射诱变需要一定的实验设备；试验过程中还需要防护，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放射性。,第二节 化学诱变育种,化学诱变育种概念：利用化学诱变剂诱发植物产生遗传变异，以选育新品种的育种方法。,一、化学诱变育种的特点,操作简便、价格低廉；少量诱变剂和简单设备即可专一性强；对某些遗传物质具有特定诱变效果马来酰肼对蚕豆第染色体的第14段特别起作用乙醇则对第染色体的19段有作用并不是所有的诱变剂都具有这种特殊效应。多数为点突变；靠化学物质与遗传物质发生反应引起A、G、C、T改变,二、化学诱变剂的种类,烷化剂：（EMS、EES、MMS、PPS、PMS、DES、NEH、NEU、NTG）核酸碱基类似物：（5-BU、5-BUdR)叠氮化物类（azide）无机化合物:抗生素类,烷化剂：（EMS、EES、MMS、PPS、PMS、DES、NEH、NEU、NTG）这类化合物带有活泼的烷基，可以置换氢原子。最常用,如果DNA 中的磷酸基被烷化，则形成不稳定的磷酸脂，这种磷酸脂易水解为磷酸和去氧核糖，导致DNA链断裂,CH3-,当DNA链的碱基被烷化后，也易水解使碱基从DNA链上水解下来，造成碱基缺失，并会进一步引起碱基的转移和颠换。,常用烷化剂的特性与使用方法,烷化剂致癌，须在通风橱中操作。其中EMS 毒性相对较小，诱变效果也好，是最常用的化学诱变剂之一。,核酸碱基类似物（引起错配）5-溴尿嘧啶（BU）5-溴脱氧尿嘧啶（BUdR）2-氨基嘌呤（AP）马来酰肼（MH）,T,A,U,3.叠氮化物类（azide）本来是一种呼吸抑制剂，也是一种高效诱变剂可替换正在复制中的DNA的碱基，引起基因的点突变，如叠氮化钠(NaN3)一般不引起染色体结构变异是一种诱变率高且安全的诱变剂。,4.抗生素类 破坏DNA及核酸，造成染色体断裂。如重氮丝氨酸、丝裂霉素C、链霉黑素及放线菌素等,三、化学诱变剂处理的步骤与方法,化学诱变的步骤包括前处理诱变剂处理后处理,药剂配制水溶性；有的需要酒精溶解；pH值的调整,（一）前处理清水浸泡作用：提高膜透性，代谢活跃，加速渗入，缩短处理时间,（二）处理方法浸种法涂抹法滴液法注入法熏蒸法施入法。,浸种法种子、接穗、块茎、块根等浸于其中 开花前的花枝插入诱变剂溶液中，开花时收集花粉对于小苗，可用诱变剂直接浸根,涂抹法将含诱变剂成分的羊毛脂涂抹在植物材料的生长点或芽眼上滴液法将适宜浓度的诱变剂滴于材料的顶芽或侧芽上。,注入法用注射器向植株或植物的组织、器官注入药液 熏蒸法花粉、花序或幼苗置于密封小箱，用药剂熏蒸。施入法 在培养基(液)中加入低浓度诱变剂，通过根部进入植物体,（三）后处理所谓“后处理”，是指终止诱变剂发挥作用的措施（1）对处理材料或处理部位用流水冲洗一般冲洗1030min(最好在2低温下进行)。（2）选用一些化学“清除剂”如甘氨酸可解除NaN3的作用等等。,五、化学诱变的剂量(制约因素)1.诱变剂浓度 在一定的范围内，浓度越高，变异率越高，但毒性也较大。高浓度，时间应短。,2 处理时间原则：保证药剂充分作用于处理材料。完全浸透并有足够的药量进入到分生组织。一些研究表明，低浓度长时间处理效果更好。,3 处理温度温度对药剂的水解速度影响很大。低温下缺：药剂的水解速度慢，有效作用弱优：诱变剂能保持一定的稳定性高温下优：具有活泼的化学活性与诱变效果，缺：加速药剂变性过程。常用方法：先低温后高温,4.诱变剂溶液的pH值 有些诱变剂作用与pH值有关常用缓冲液配制,第三节 诱变植物材料的筛选与利用,一、诱变植物材料的选择 综合性状好，个别性状有待改善的品种杂合子材料；3 选用单细胞或单倍体（减少嵌合体，隐性突变易表现）4 处理材料的类型应多样化（增加选择机会）诱变材料再处理（理化因子复合处理法，提高效果）,二、突变体的利用符合育种目标者，可直接进行比较试验、区域化试验、当作新品种推广有的变异体可作为种质资源（中间材料）比如，用作杂交或作远缘杂交的亲本等。,当各种生物离开它们固有的地球上的生态环境进入太空以后，其形态建成、代谢、遗传特性及经济性状均会受到不同程度影响。,第三节 空间诱变育种,一、空间诱变的条件和方式二、我国空间诱变育种技术发展概况三、空间诱变育种的前景,一、空间诱变的条件及方式1.宇宙空间的特殊条件高真空微重力强辐射超洁净,通过研究表明：微重力对植物生长发育会在组织水平、细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平上产生影响。,1994年7月7日我国发射的JB-B-94073型返地式科学搭载卫星距地175350km，微重力优于110-3g，真空气压110-3Pa，辐射量为12.8mGy/天，总剂量约为191mGy（14天19小时）,空间诱变育种的主要搭载方式（1）返地式卫星搭载（2）高空气球。,二、我国空间诱变育种的发展简况自1987年以来，我国利用返地式卫星和高空气球搭载了多种植物种子，选育出了一些新的突变类型和具有优良性状的新品种。,例如东北林业大学用自然授粉的小菊种子搭载返回式卫星距地200300km，飞行15天诱变三代出现矮化和超矮化变异,三、空间诱变育种前景与展望1空间诱变已选育出一些高产、优质品种相信在不远的将来将会有更多新品种是通过空间诱变途径得到的。,2丰富植物的种质资源。空间诱变为获得在地面上无法获得的新的种质资源提供了一种快速的途径。,3可进行机理方面的研究，为地面模拟实验提供科学依据研究者掌握这些具体条件以后，有可能在地面人为创造出一系列诱变育种材料。,物理、化学诱导,发生多种变异,人工选择,新品种,诱变育种：,思考题,射线的种类有哪些；辐射诱变的方法化学诱变处理的方法；试比较常规育种和诱变育种的异同点,