2023學(xué)年完整公開課版多倍體育種

多倍體育種農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位耕地占世界的7%（15億畝左右）糧食總量占世界的24%（5億噸左右）養(yǎng)活人口占世界的22%（超過13億）

人均糧食不到400公斤人口還在增長耕地還在減少（城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工業(yè)用地擴(kuò)大）對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和多樣化的需求還在增長怎么解決上述矛盾？

依靠科學(xué)技術(shù)，提高作物的生產(chǎn)水平，即通過作物的遺傳改良（即選育優(yōu)良品種）和作物生長條件的改善（即作物栽培技術(shù)）兩個相互結(jié)合的途徑來實現(xiàn)。一、農(nóng)業(yè)新技術(shù)革命的主要內(nèi)容

(一)世界近代三次產(chǎn)業(yè)革命(又稱三次浪潮)

第一次產(chǎn)業(yè)革命：機(jī)器革命

第二次產(chǎn)業(yè)革命：電子革命(自動化)

第三次產(chǎn)業(yè)革命：信息革命（含生物遺傳信息）

(二)當(dāng)今世界新技術(shù)革命的四大主要內(nèi)容

1.新能源2.新材料3.信息技術(shù)4.生物技術(shù)

(三)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新技術(shù)革命的主要內(nèi)容

生物工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

電子計算機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用二、現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展簡況50年代：Watson&Click發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，科學(xué)家相繼揭開生物遺傳學(xué)分子結(jié)構(gòu)和遺傳信息之秘。70年代：DNA重組技術(shù)取得成功，細(xì)胞融合技術(shù)、單細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、生物反應(yīng)技術(shù)(生物反應(yīng)器)取得突破性發(fā)展，帶來了一場深遠(yuǎn)的生物技術(shù)革命。短短20年內(nèi)，就產(chǎn)生了許多生物技術(shù)邊緣學(xué)科。產(chǎn)生了現(xiàn)代的基因工程、細(xì)胞工程、染色體工程、酶工程、發(fā)酵工程(微生物工程)等生物技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域。90年代：基因工程和分子生物技術(shù)取得了大批應(yīng)用成果——轉(zhuǎn)基因植物及動物、基因工程藥物等。生物技術(shù)：生物技術(shù)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物的特性或功能，設(shè)計構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，以及與工程原理和技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行社會生產(chǎn)或為社會服務(wù)的綜合性技術(shù)領(lǐng)域。

生物技術(shù)(Biotechnology)應(yīng)用于作物育種，可以解決傳統(tǒng)育種的一些特殊困難，擴(kuò)大育種的基因來源，提高鑒定和選擇的可靠性，加快育種進(jìn)程，加速繁殖，提高育種效率等，對于解決新世紀(jì)人口與食物問題，以及生物能源問題，具有十分重要意義。一、作物育種方法1.雜交育種有性生殖的減數(shù)第一次分裂后期或四分體時期概念發(fā)生時期原理利用作物具有不同遺傳性的品種或類型相互雜交，創(chuàng)造遺傳變異，然后再通過選擇和系統(tǒng)的試驗鑒定，培育成新品種的方法?；蛑亟M(主要是基因的自由組合)方法不同個體間雜交產(chǎn)生后代，然后連續(xù)自交，篩選所需純合子。即：雜交—自交—選優(yōu)—自交—選純。（一）雜交育種的遺傳學(xué)原理2.基因重組綜合雙親優(yōu)良性狀早熟不抗病AAbb×晚熟抗病

aaBBAaBbA-B-(AABB)AabbaaBBaabb（一）雜交育種的遺傳學(xué)原理3.基因互作產(chǎn)生新的性狀感病品種×感病品種

RRssrrSSRrSsR-S-RRssrrSSrrss9抗:7感（一）雜交育種的遺傳學(xué)原理4.基因積累產(chǎn)生超親性狀早熟×早熟

AabbaaBBAaBbA-B-AAbbaaBBaabb更早早晚

9：6：1（二）雜交的組合方式1.單交（singlecross）:即兩個親本成對雜交，用A*B或A/B表示。特點：①只進(jìn)行一次雜交，簡單易行。②分離時間短，穩(wěn)定的快。③雜交的數(shù)量和后代群體規(guī)模小。（二）雜交的組合方式2.復(fù)交（multiplecross）：指多個親本之間的雜交。復(fù)交三交（A×B）×CA/B//C雙交（A×B）×（C×D）A/B//C/D

（A×B）×（A×C）A/B//A/C四交[（A×B）×C]×DA/B//C/3/D五交{[（A×B）×C]×D}×EA/B//C/3/D/4/E聚合雜交

[（A×B）×（C×D）]×[（E×F）×（G×H）]（二）雜交的組合方式特點：①遺傳基礎(chǔ)豐富。②分離早，分離時間長，類型多。③雜交的數(shù)量和后代群體規(guī)模相對大。一般用當(dāng)?shù)赝茝V品種或優(yōu)點較多的品種作為最后一次雜交的親本，以增加該親本性狀在雜種后代遺傳中的比重。（二）雜交的組合方式3.回交（backcross）

(A*B)*B或（A*B）*A：指兩個親本的雜交后代再與親本之一重復(fù)雜交。用來重復(fù)雜交的親本稱為輪回親本(recurrentparent)。

親本圃

選種圃

鑒定圃

品比試驗生產(chǎn)試驗區(qū)域試驗栽培試驗

種子繁殖

大田推廣雜交育種一般程序1.雜交育種是改良作物品質(zhì)、提高農(nóng)作物產(chǎn)量的常規(guī)方法，用于家畜、家禽優(yōu)良品種的選育。優(yōu)點應(yīng)用缺點操作簡單，目的性強，能使同種生物的不同優(yōu)良性狀集中于同一個體，具有預(yù)見性。⑴育種年限長。⑵只適用于有性生殖的生物，存在遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙。舉例選育矮稈抗銹病小麥、選育中國荷斯坦牛。一、作物育種方法2.誘變育種有絲分裂間期或減數(shù)第一次分裂間期概念發(fā)生時期原理是指利用物理或化學(xué)的因素來處理生物，使生物發(fā)生基因突變，從中選育出具有優(yōu)良性狀個體的育種方法。基因突變方法⑴物理因素(如X射線、紫外線、等)

⑵化學(xué)因素(如亞硝酸、硫酸二乙酯等各種化學(xué)藥劑)或空間誘變育種(用宇宙強輻射、微重力等條件)來處理生物。一、作物育種方法（一）物理誘變劑的類別和選擇表各種輻射源的特性

紫外線：是一種波長較長（200-390nm）、能量較低的低能電磁不能使物質(zhì)發(fā)生電離，故屬非電離輻射。X射線：是—種核外電磁輻射，是原子中的電子從能級較高的激發(fā)狀態(tài)躍遷到能級較低狀態(tài)時發(fā)出的射線。X射線的波長能量，對組織的穿透力和電離能力取決于工作電壓和靶材料（鎢、鉬）γ-射線核內(nèi)電磁輻射，是原子核從能級較高的激發(fā)狀態(tài)躍遷到能級較低的狀態(tài)時發(fā)出的射線，能量可達(dá)幾百萬電子伏，可穿人組織很多厘米，防護(hù)要求用鉛或水泥墻。放射源：鈷-60（60Co）和銫—137（137Cs）。?射線：放射性同位素32P、35S、14C、131I，穿透力遠(yuǎn)小于r射線（mm）、電離密度大，內(nèi)照射：同位素溶液浸泡、注射處理，常用32P。

α射線：氦的原子核。穿透力更弱，電離密度更大。對有機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷，誘發(fā)染色體斷裂的能力很強。

航天育種利用太空微重力、高能粒子、高真空、缺氧和交變磁場等綜合物理誘變因子進(jìn)行誘變和選擇育種研究。特點：誘變作用強、變異幅度大、微突變類型多和有益變異多等優(yōu)點，因此對于產(chǎn)量和品質(zhì)等經(jīng)濟(jì)性狀改良作用大。

外照射：指被照射的種子或植株所受的輻射來自外部某一輻射源。急性照射、慢性照射、連續(xù)照射、分次照射內(nèi)照射：是將輻射源引入生物體組織和細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行照射的一種方法。常用射源：32P、35S、131I、14C等β射線源主要方法：（1）浸泡法

（2）注入法

（3）施入法

（4）合成法（二）輻射處理的方法黑龍江農(nóng)科院的60Coγ射線溫室（慢照射）

（1）烷化劑：帶有一個或多個烷基在堿性條件下，置換堿基（G）中的氧原子，烷化堿基，酸性條件沒有誘變能力，但毒性大，能致癌，易揮發(fā)，使用時必須注意通風(fēng)。主要烷化劑：甲基磺酸乙酯（

EMS）、硫酸二乙酯（DES）（2）疊氮化鈉:

等電點PI4.8，在酸性條件下，產(chǎn)生NH3，替代堿基上其它基團(tuán)，影響DNA的正常合成，它只作用于復(fù)制中的DNA，充氧溶液提高誘變效果，堿性條件下無效，對多倍體無效。（二）化學(xué)誘變劑的類別與性質(zhì)（3）堿基類似物

DNA堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu)相類似的一些物質(zhì)滲入DNA取代原有堿基，導(dǎo)致堿基錯配

5-溴尿嘧啶（5BU）和5-溴脫氧尿核苷（BUdR）是胸腺嘧啶（T）的類似物

5-氨基嘌呤（2-AP）是腺嘌呤（A）的類似物（4）其它化學(xué)誘變劑

抗菌素、亞硝酸、羥胺、吖啶類物質(zhì)誘變育種中的實用價值較低。

親本γ射線處理第一季M1

叢插，去雜除偽混收第二季M2

少本插，決選單穗第三季M3

株系種植，選系選株第四季M4

小區(qū)測產(chǎn)，決選優(yōu)系第五季M5

優(yōu)系進(jìn)行區(qū)試

第六季M6

區(qū)試和生產(chǎn)試驗第七季M7

生產(chǎn)試驗、繁殖種子

第八季M8

品種審定，推廣圖禾谷類作物輻射育種過程示意圖2.誘變育種在農(nóng)作物和微生物育種方面發(fā)揮重要作用。優(yōu)點應(yīng)用缺點1.擴(kuò)大突變譜，提高有益突變率，創(chuàng)作作物新類型。

2.打破有益性狀和不利性狀的連鎖，實現(xiàn)有利基因重組。

3.有效改良現(xiàn)有品種的某個單一性狀。

4.縮短育種年限。有利個體較少，需處理大量的供試材料。舉例我國用人工誘變培養(yǎng)成的水稻、小麥、棉花、玉米、大豆、油菜等作物品種都已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中?，F(xiàn)在臨床使用的青霉素高產(chǎn)菌株，也是通過人工誘變獲得的。倍性育種3.單倍體育種明顯縮短育種年限，加速育種進(jìn)程。原理優(yōu)點方法染色體數(shù)目變異選擇親本→有性雜交→F1產(chǎn)生的花粉離體培養(yǎng)獲得單倍體植株→誘導(dǎo)染色體加倍獲得可育純合子→選擇所需要的類型。缺點單倍體試管苗經(jīng)加倍即得純合體，缺少常規(guī)育種分離世代中基因的分離與重組，后代不能積累更多的優(yōu)良基因，技術(shù)較復(fù)雜，多限于植物。一、作物育種方法人工誘導(dǎo)：

1、組織培養(yǎng)：花藥培養(yǎng)、未受精胚珠培養(yǎng)（單倍體配子）

2、遠(yuǎn)緣雜交：獲得多元單倍體、誘發(fā)孤雌生殖

3、染色體的消失：球莖大麥技術(shù)

4、半配合生殖：海島棉發(fā)現(xiàn)

5、理化因素誘導(dǎo)：X射線處理花粉后授粉誘發(fā)孤雌生殖農(nóng)作物遠(yuǎn)緣雜交逆境誘變技術(shù)單倍體育種的主要步驟

1、誘導(dǎo)材料的選擇應(yīng)該選擇表現(xiàn)型優(yōu)良的個體作為誘導(dǎo)材料。

2、單倍體材料的獲得獲得單倍體的途徑主要有量個方面，一個是利用自然界的單倍體變異株；另一途徑是通過人工的方法誘導(dǎo)單倍體。3、單倍體材料染色體加倍經(jīng)過選擇獲得的單倍體經(jīng)過秋水仙素或其他方法加倍后，可獲得雙二倍體植株。

4、二倍體材料后代的選擇對于后代的二倍體材料按常規(guī)育種的方法進(jìn)行性狀的系統(tǒng)鑒定，從中選出符合育種目標(biāo)的優(yōu)良品系。單倍體加倍后，雙倍體植株的基因型是純合的，可進(jìn)行株系比較試驗及選擇，按選擇育種的方法進(jìn)行。單倍體的育種利用

1、縮短育種年限

2、克服遠(yuǎn)緣雜交不親和

3、提高誘變育種效率

4、合成育種新材料

單倍體的鑒定細(xì)胞學(xué)鑒定、表型鑒定1N2N4N水稻單倍體二倍體4、多倍體育種（1）提高植株某些方面的性狀，如：獲得巨大型的器官，增加體內(nèi)有益生化物質(zhì)的合成量，以及提高植株抗性等。（2）克服遠(yuǎn)緣雜交的困難，綜合遠(yuǎn)緣種、屬植物的優(yōu)良性狀，作為種屬間的遺傳橋梁，進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移或漸滲。

原理優(yōu)點方法染色體數(shù)目變異用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗，從而使細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍，染色體數(shù)目加倍的細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行正常的有絲分裂，即可發(fā)育成多倍體植株。缺點技術(shù)復(fù)雜，發(fā)育延遲，結(jié)實率低，一般只適合于植物。作物育種方法多倍體育種

是指利用人工誘變或自然變異等，通過增加染色體組數(shù)以改造生物遺傳基礎(chǔ)，從而培育出符合人類需要的新品種的育種方法。

人工誘導(dǎo)多倍體的途徑（1）物理方法是指利用溫度激變、機(jī)械創(chuàng)傷、電離輻射、非電離輻射等方法誘導(dǎo)染色體加倍。（2）生物方法指利用胚乳培養(yǎng)、體細(xì)胞雜交等技術(shù)產(chǎn)生多倍體。胚乳培養(yǎng)在被子植物中，胚乳是雙受精的產(chǎn)物，由兩個極核和一個雄配子融合而形成的胚乳核發(fā)育而成，所以在倍性上大多屬于三倍體，如三倍體獼猴桃。體細(xì)胞雜交也稱細(xì)胞融合，是用人工的方法把分離的不同屬或種的原生質(zhì)體誘導(dǎo)成為融合細(xì)胞，然后再經(jīng)離體培養(yǎng)、誘導(dǎo)分化到再生完整植株的整個過程。其程序大致為：制備親本的原生質(zhì)體,原生質(zhì)體融合、培養(yǎng)、再生植株,雜種鑒定。（3）化學(xué)方法

是指通過使用秋水仙素、異生長素等化學(xué)藥劑處理正在進(jìn)行分裂的細(xì)胞以誘導(dǎo)加倍其染色體的方法。由于其具成本低、見效快和操作簡單等特點，目前是倍性育種中應(yīng)用最普遍的人工誘導(dǎo)方法。

秋水仙素能誘導(dǎo)染色體加倍，用秋水仙素滴在萌發(fā)的種子或幼苗上，秋水仙素的作用在細(xì)胞有絲分裂前期(前期細(xì)胞內(nèi)形成紡錘體)。秋水仙素會抑制紡錘體的形成，導(dǎo)致染色體不分離，從而引起細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍。在單倍體育種和多倍體育種中，都應(yīng)用了秋水仙素的這一特性。多倍體的鑒定目前對經(jīng)多倍體育種所得的植株主要是通過間接鑒定、直接鑒定和分子生物技術(shù)鑒定這三種技術(shù)手段進(jìn)行倍性鑒定。（1）間接鑒定包括形態(tài)學(xué)和細(xì)胞學(xué)兩種鑒定方法，主要通過觀察被測植株的果實、種子、葉片、氣孔、花器和花粉粒等的形態(tài)和大小來進(jìn)行鑒別。（2）直接鑒定一般采用染色體計數(shù)法，對分生旺盛的器官和組織細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目進(jìn)行直接計數(shù)鑒定。（3）分子生物技術(shù)鑒定采用掃描細(xì)胞光度儀和流式細(xì)胞儀對細(xì)胞中DNA含量進(jìn)行分析，從而檢測出細(xì)胞的倍性。多倍體育種舉例（1）三倍體無子西瓜的培育四倍體（♀）二倍體雜交第一年：①用秋水仙素處理二倍體西瓜幼苗，得到四倍體倍西瓜。②將四倍體西瓜作母本，二倍體西瓜作父本雜交。③在四倍體的植株上結(jié)出三倍體的種子。二倍體（♂）三倍體三倍體無子西瓜的培育過程示意圖聯(lián)會紊亂雜交第二年：①三倍體的種子種下后長成三倍體植株，但它高度不育。②采用三倍體西瓜與二倍體西瓜間作栽培的方法，在開花時二倍體的花粉傳到三倍體植株的雌花上，可刺激子房發(fā)育成果實，得無籽西瓜。5.基因工程育種目的性強是按照人們的意愿，把一種生物的個別基因復(fù)制出來，加以修飾改造，放到另一種生物的細(xì)胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。原理特點DNA重組技術(shù)(屬于基因重組范疇)舉例能分泌人類胰島素的大腸桿菌菌株的獲得，抗蟲棉，轉(zhuǎn)基因動物等。（1）把人們所需要的DNA片斷通過限制性內(nèi)切酶將基因剪切下來，然后通過一定的技術(shù)手段將基因分離出來。（2）用細(xì)菌的質(zhì)粒或某種病毒做運載體。（3）把分離出來的“目標(biāo)基因”與運載體連接起來，組成重組DNA分子。（4）把組成重組DNA分子引入到“受體”生物細(xì)胞中（如大腸桿菌等）（5）目的基因的檢測與表達(dá),使“目標(biāo)基因”在“受體生物”的細(xì)胞中與其DNA分子一起復(fù)制，并進(jìn)一步“表達(dá)”生產(chǎn)出人們需要的“目標(biāo)物質(zhì)”或改變“受體生物”的遺傳性狀。方法5.基因工程育種轉(zhuǎn)基因方法概括起來說主要有兩類：第一類是以載體為媒介