生殖细胞工程PPT课件.ppt
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1、1,第五章 植物生殖细胞工程,第一节 花药与花粉培养第二节 植物胚胎培养 胚培养 胚乳培养 胚珠 子房培养,2,1、花药、花粉培养的基本概念及意义2、花药培养程序3、花粉及小孢子培养程序 4、花药和花粉培养中雄核发育的途径及影响因素5、单倍体形成的途径 6、花药及花粉植物的倍性及染色体加倍,第一节 花药与花粉培养,3,Ovary,花柱,柱头,花丝,胚珠,子房,花瓣,萼片,4,5,花药是位于花丝顶端的结构,可以算做是器官;花粉是花药里的花粉母细胞(或小孢子母细胞)通过一次减数分裂产生四个花粉粒(也叫小孢子,其中三个退化,另一个再通过一次有丝分裂形成两个精细胞)。,油菜成熟花药的结构,花粉囊,花粉
2、囊壁,成熟花粉粒,花药裂口,花药&花粉,6,1)基本概念(1)花药培养(anther culture):指把发育到一定阶段的花药接种到人工培养基上中,以形成花粉胚或花粉愈伤组织进而分化成植株。由于使用的外植体是植株的雄性器官,花药培养属于器官培养的范畴。1964年Guha等首次报道从毛曼陀罗的花药培养获得了单倍体。目前,已有23个科,52个属的250多种高等植物的花药培养获得了成功(胡道芬,1996)。我国的花药培养处于世界前列至少有32种谷类作、蔬菜和木本植物的花药培养再生植株由我国学者首先报道,如小麦、玉米、大豆、辣椒、白菜、柑橘等。,1、花药、花粉培养的基本概念及意义,花药培养&花粉培养
3、,7,花粉粒(n),药隔组织(2n),药壁(2n),花丝(2n),拟南芥花药,8,(2)花粉培养(pollen culture)又叫小孢子培养(microspore culture):从花药中分离出花粉粒,使之成为分散的或游离的状态,通过培养使药粉粒脱分化,进而发育成完整的植株的过程。花粉的发育期:花粉母细胞四分体期小孢子早期、中期和晚期有丝分裂期和双核花粉期(营养核和生殖核)一般将处于四分体到单核早期的花粉称小孢子;进入单核以后则称为花粉。,生殖核再次有丝分裂,形成两个精子,在花粉粒中进行,形成三细胞花粉,如白菜、小麦等,在花粉管中进行,形成二细胞花粉,如烟草、棉花等,9,10,2)花药、花
4、粉培养的意义 A.缩短育种年限 按照常规育种,杂种从F2代开始分离,继续自交,通过不断选择和淘汰,一般需到F5-F6代才能得到基因型纯合的后代。用花药或花粉(n)培养,先得到单倍体植株,再进行染色体加倍,即可获得纯合二倍体(2n)。这样,从杂交到纯合株系,只需2个世代,即可缩短3-4个育种世代。,11,B.提高选择效率 F1花粉母细胞减数分裂形成各种各样配子类型,进而发育成花粉。用花粉培养获得单倍体再生植株(n),配子基因型在再生植物体中完全表达,即再生植物基因型也是多种多样的,这为选育种提供了很广泛的变异类型。特别是隐性基因也可以得到充分的表达。因此,将花药花粉培养与常规育种相结合,就能大大
5、提高育种选择的效率。,12,2、花药培养程序,外植体的选择,材料的表面灭菌,接种,培养与植物再生,生根与移栽,13,1)外植体的选择直接关系到培养能否成功。供试材料的遗传背景 供试材料的生理状态 多年生植物中,幼年植株比老龄植物的花药诱导频率高;草本植物生长好、处于生殖生长高峰期的花药好,而徒长或营养不良的植物花药较差。,14,减数分裂过程图解示意,1.细线期 2.凝线期 3.染色体聚集成“花朵状”4.偶线期5.粗线期6.双线期 7.终变期8-9.中期I 10.后期I 11.末期I 12.二分体(减数分裂间期)13.前期 14.中期15.后期 16.末期17.四分体 18.幼龄单核花粉粒,花粉
6、的发育时期,大多数植物而言,当花粉发育处于单核中期到单核晚期的花药较好。,花粉母细胞的减数分裂(引自李扬汉),15,花粉发育时期的确定花粉发育时期与花药大小、花蕾大小、花冠展开程度之间的关系,判断花粉发育时期。(环境条件)如:柑橘花冠露白时,大多数花药处于单核晚期;马铃薯花冠露出萼片一半时,大多数花药处于单核晚期;烟草则在花冠露出1/3-1/2时为花药的最佳培养时期。,16,2)材料预处理和灭菌-材料预处理:不同的植物种类、品种和生理状态所要求的预处理不同。预处理方式:高温、低温、离心、预培养 预处理的目的:从形态上改变其极性分布,从生理生化上改变其细胞生理状态,以改变其分列方式和发育途径。-
7、合适的灭菌方法:经过预处理的材料多采用70乙醇浸泡花蕾或幼穗1 min,然后在饱和漂白粉溶液中浸泡10-15 min,无菌水冲洗3-5次即可。,17,3)接种 操作:在超净工作台上剥取花药,避免损伤花药,以免刺激花药壁形成愈伤组织。应尽量减少花药在空气中暴露的时间。接种密度:由培养方式而定。固体培养:三角瓶(50-100 ml)接种10-20个,培养皿(9 cm)接种20-40个;液体培养:每10 ml液体培养基接种50个左右。培养基的选择:随植物种类不同而不同。MS、Nitsch、N6茄属植物;B5芸苔属及豆科植物;B5、N6禾谷类植物。,18,4)培养与植株再生 培养条件:一般在25-28
8、、光照1000-2000 Lx、光周期14 h的条件下进行培养。植株再生:有两条途径,一是花粉诱导形成胚状体,二是花粉愈伤组织途径。培养3-8周后,可形成肉眼可见的愈伤,当愈伤长到2-3 mm时,转移到分化培养基中,约10-20 d即可出现芽的分化。,19,5)生根与移栽 当花粉植株长到3-5 cm高时,转移至壮苗培养基上,促进根系的发育与壮苗。双子叶植物可转移至附加0.1-0.5 mg/L IBA的MS培养基,而禾谷类可转移到N6培养基上,可形成大量不定根。,20,3、花粉培养程序,取材时期的确定及预处理,花粉的分离,花粉培养方法,材料的灭菌,21,1)取材时期的确定及预处理取材时期的确定:
9、较花药培养的取材时期更早,大多在花粉处于四分体到单核早期。通过镜检观察花粉的发育时期,根据发育时期与花蕾大小、外观形态和颜色等指标的相关关系,选择适宜时期的花蕾。,22,预处理:预处理可以提高获得再生植株的频率,可采用低温、高温或预培养等方式。一般低温处理是在3-5处理3-10天,高温处理则在35处理1-3天。为避免花蕾失水,可将花蕾置于装有浸湿滤纸的培养皿中,完成温度预处理。,23,2)花粉的分离,花药有药壁(2n)、药隔(2n)、花粉(n)等,因此,再生植株有可能来自药壁(2n)、药隔(2n)、或起源于多个花粉(n)的嵌合体。如果采用游离花粉粒进行培养,则再生植株一般为同质体。花粉分离的方
10、法:挤压法、自然释放法和器械法。,花粉粒(n),药隔组织(2n),药壁(2n),花丝(2n),24,过滤(孔径比花粉直径大10 m),加入液体培养基悬浮,100-1000 r/m离心1-5 min,弃上清。重复2-3次,计数确定接种密度,104-105个/mL,将花药置于液体培养中或与培养基等渗的蔗糖溶液中,用玻璃棒或注射器内管挤压花药,使其散出花粉,特点:简单易行,但可能对花粉有一定的损伤。,(1)挤压法,25,(2)自然释放法 将花药接种于液体培养基中,1-7 d后待花药自然开裂,释放出花粉。特点:对花粉无损伤,但分离出花粉数量相对较少。,(3)器械法 将花药接种于液体培养基中,放入磁棒,
11、在磁力搅拌器上,低速转至花药呈透明状。特点:分离较彻底,但对花粉有不同程度的机械损伤。,26,3)花粉培养方法 看护培养、悬浮培养(微室培养)、液体浅层培养、双层培养(1)看护培养,27,(2)微室培养,28,(3)液体浅层培养与双层培养,29,4、花药和花粉培养中雄核发育的途径及影响因素,正常条件下,营养核,生殖核,营养细胞萌发形成花粉管进行正常的受精,30,花药、花粉培养中,花粉的发育可能出现的5种情况:,败育,变成肥大花粉,花粉发芽,经愈伤组织形成不定芽,直接分化产生胚状体,31,败育,变成肥大花粉,花粉发芽,经愈伤组织形成不定芽,直接分化产生胚状体,离体条件下花粉的发育形态,32,2)
12、影响雄核发育的因素(1)供体植株的基因型 基因型是影响花药和花粉培养形成单倍体最重要的因素之一。不同植物属间、种间或品种间均存在很大的差异。茄科、十字花科作物花药和花粉培养较易培养成功。水稻中粳稻比籼稻容易培养,粳稻的花药愈伤诱导率平均可达10,而籼稻只有1-2;在31个大豆栽培种中,所有的基因型都产生了愈伤组织,但诱导率的变异范围为2.2-36.6,33,(2)供体植株的生理状态 供体植株的生理状态对花药培养效率有直接的影响(初花期至盛花期较好;花序年龄等)。特别是供体植株所处的环境条件会影响到花药对离体培养的反应,这些环境因子有光照强度、光周期、温度、营养条件等。,34,(3)花粉发育的时
13、期 选择合适的花粉发育时期是培养成功的关键因素之一。不同基因型,最适宜培养的花粉发育时期有差别,总体上看,以单核早期到单核晚期较为适宜。烟草花粉发育时期与胚状体诱导频率 花粉发育时期 胚状体诱导频率 减数分裂期 0 单核早期 14 单核晚期 40 双核早期 5.5,35,(4)预处理 将花粉或花药从植株上取下来直接培养,往往诱导率很低。而采用低温、高温、离心等预处理,则可以促进花粉细胞的启动,显著提高再生频率。A.低温处理:一般将欲接种的材料置于0-10的条件下处理3-10 d。,低温预处理的作用机理:a.引起花药花粉中内源激素发生变化,改变了小孢子(花粉粒)第一次有丝分裂的正常发育过程(正常
14、发育时,两次有丝分裂形成三核花粉粒),进而形成愈伤组织或胚状体。b.提高了小孢子的生活力,延缓衰老速度,从而提高诱导率。c.引起小孢子的孤立化,即小孢子从花药中分离出来。因为在低温处理过程中,花药内薄壁细胞和绒毡层逐渐退化,从而切断了与小孢子之间的联系。,36,B.热处理:通常在30-35 处理1-3 d。芸苔属中的某些植物,将花芽或完整植株在30下处理24 h或40 下处理1 h,能够刺激花粉胚胎的发生。马铃薯中也有类似的情况。,37,(5)培养条件培养基成份和环境条件 培养基成份 无机盐:特别是硝态氮和氨态氮的浓度和比值,是影响花药培养形成愈伤组织的重要因素;如N6培养基(高硝态氮)。碳源
15、:蔗糖是较好的碳源,还起着调节渗透压的重要作用。不同的作物要求的蔗糖浓度不同,早期通常使用5-10。高浓度(6-12)对禾谷类作物有利,十字花科芸薹属作物要求13-16。培养基形态:一般液体培养好于固体培养。,38,激素:在花药的诱导培养期间,需要有较适宜的细胞分裂素和生长素配比,从而有效地诱导细胞启动分裂。但同时又要控制二倍体细胞的分裂(要求较高浓度的激素)。激素种类及浓度对花药花粉培养起着决定作用,并且因植物不同而不同。生长素类,2,4-D最常用。2,4-D浓度较高时,诱导胚胎发生;浓度较低时,诱导器官形成。除2,4-D外,IAA、NAA也能诱导胚胎发生和器官形成。细胞分裂素类中,KT、B
16、A比较常用。,39,活性炭:有利于花粉胚状体或愈伤组织的发生,从而提高花粉植物的诱导。在烟草、马铃薯、玉米、小麦的花药培养中,加入0.5-1.0的活性炭可以有效提高花粉植株的数量。环境条件 温度:对温度较为敏感。大多数植物而言,25-28的温度下进行花药和花粉培养是适宜的。早期短时间的高温培养能提高某些植物胚和愈伤诱导率。光照:分阶段进行调控。如禾谷类作物,在愈伤诱导阶段以暗培养或弱光培养效果好,而分化培养阶段,光照则有利于绿苗的分化。培养密度:芸薹属和番茄1-10万粒/ml,苹果1-3万粒/ml。,40,(6)药壁因子,小孢子的启动发育对药壁组织有相当大的依赖性。经许多试验已证实,花药壁组织
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