第三章 种质资源 第一节 种质资源的概念及意义 第二节 作物起源中心 第三节 园艺植物的分类 第四节 种质资源的收集与保存 第五节 种质资源的评价（研究） 第六节 种质资源的创新与利用 第一节 种质资源的概念及意义 一、概念 1、种质（ Germplasm） 是指决定生物遗传性状，并将其遗传信息从亲 代传给后代的遗传物质，在遗传学上称为基因 （gene ）。 种质是客观存在的实体，其表现形式可能是： 种、品种、植株、种子、枝条、细胞、 DNA片断 2、种质资源（ Germplasm resources） 遗传资源（genetic resources ） 基因库（genebank） 在遗传、育种及生产上有利用价值 的一切植物材料。 野生种（或变种） 诱变材料 半野生种（或变种） 杂交材料 栽培品种（或类型） 细胞融合材料 人工创造的种质材料 转基因材料 基因克隆 二、种质资源的意义 1、种质资源是人类生存和国民经济可持续发展 的物质基础，是一个国家安全的重要组成部分。 目前的发展趋势越来越明确地显示出： 国家安全 不仅意味着 ——军事与经济的强大 还意味着 有一个健康、受过良好教育高素质的大众 有一个富饶、保护良好的自然环境（生物 多样性） 遗传多样性 生物多样性 物种多样性 （ Biological diversity） 生态系统多样性 2、种质资源是植物育种的物质基础 “巧妇难做无米之炊 ” 世界的粮 食安全 ——主要取决于 粮食总产量 粮食总产量的提高 ——主要取决于 单位面积产量 单位面积产量的提高 ——主要取决于 品 种 品 种的突 破 ——主要取决于 种 质 （基因） 三、作物起源中心 （一）意义 果树品种生物学习性的形成，一方面与遗传有关，同 时受环境条件的影响。因此，研究果树的起源与演化，不 仅有助于丰富和发展生物进化理论，而且对果树引种、区 域化栽培及新品种选育都有重大意义。 （二）研究方法 果树起源、演化的研究要采取野外调查、室内实验及 文献查证相结合的办法，主要依据及方法有： 1、古文献资料的分析与查证 2、考古资料（化石等）的分析 3、现有野生果树资源的分布及多样性调查 （三）世界作物起源中心 这里所讲的起源中心（ Original centre）有两 层含义： 一是指物种多样性中心 二是指一个物种种内的遗传变异中心 或多样性中心或基因中心 包括初生中心和次生中心 对世界作物起源中心的研究，有影响的研究者 有三人： 1、瑞典的 De candle,他于 1904年发表《栽培植物的起 源》，将世界果树分为东部原生种群区和西部原生种群 区。 2、前苏联的瓦维洛夫，他于1923～1933年， 带领考察队到亚洲、欧洲等68个国家进行了 为期8年的全球性考察，采集植物标本25余万 份，先后发表了 “育种的植物地理基础 ”等研 究论文，首次提出了栽培植物起源中心学 说，创立了八大起源中心。瓦维洛夫被誉为 20世纪的 “达尔文 ”。 3、前苏联的茹考夫斯基，他瓦维洛夫研究工 作的基础上，于1970年发表了 “栽培植物的新 发源地 ”等论文，补充了四个，成为十二个起 源中心。 中国、日本起源中心 Ⅰ Ⅱ Ⅳ Ⅲ Ⅴ 起源于我国的园艺植物主要有： 果－－桃、李、杏、梨、栗、 梅、柿、栆、柑、桔、橙、柚等 菜－－姜、蒜、萝卜、白菜等 花－－牡丹、菊花、芍药、月 季、水仙、杜鹃、百合等 第三节 园艺植物的分类 观赏 果树作物 食用 兼用 蔬菜作物 观赏 食用 兼用 观赏植物 园艺植物 一、果树分类 一、果树分类 蔷薇科 苹果亚科 苹果属（ Malus） 梨属（ Pyrus） 木瓜属（ Chaenomeles） 山楂属（ Crataegus） 李亚科 李属（ Prunus） 桃属（ Amygdalus） 杏属（ Armeniaca） 樱桃属（ Cerasus） 蔷薇亚科 草莓属（ Fragaria） 葡萄科 葡萄属（ Vitis） 猕猴桃科 猕猴桃属（ Actinidia） 安石榴科 石榴属（ Punica） 仁果类 核果类 浆果类 银杏科 银杏属（Ginkgo） 核桃科 核桃属（Juglaus ） 山毛榉科 栗属（Castanea ） 桦木科 榛属（Corylus ） 鼠李科 枣属（ Zizyphus） 柿科 柿属（Diospyros） 坚果类 柿枣类 叶生长期 落叶果树（ deciduous fruit tree） 常绿果树（evergreen fruit tree ） 枝干生长 乔木果树（arbor fruit tree ） 灌木果树（ bush fruit tree ） 藤本果树（ liana fruit tree ） 草本果树（ herbaceous fruit tree ） 生态 寒带果树 （ cold-area fruit tree ） 温带果树 （ temperate-zone fruit tree ） 亚热带果树 （ subtropical fruit tree ） 热带果树 （tropical fruit tree ） 二、蔬菜分类 1、白菜类 8、薯芋类 2、直根类 9、水生蔬菜 3、茄果类 10、多年生蔬菜 4、瓜类 11、食用菌类 5、豆类 12、芽菜类 6、葱蒜类 13、野生蔬菜 7、绿叶菜类 第四节 种质资源的收集与保存 一、目的意义 1、防止流失 2、研究利用 二、方式与方法 就地保护－建立自然保护区 －系统工程 －政府重视 利用保存 异地保存 建库保存 建园保存 种子 花粉 枝条 组培物 基因文库 苹果、梨圃 桃、李、杏圃 板栗、核桃圃 普通冷库 （ -10~-20℃） 超低温 （液氮 -196℃） 建库保存 （ bank） 建圃保存 （ plot） 国家农业部第一批果树资源圃（ 1980年） 序号 单位 地址 果树种类 1 吉林农科院果树所 吉林公主岭 寒地果树 2 辽宁农科院果树所 辽宁熊岳 李、杏 3 中国农科院果树所 辽宁兴城 梨（白梨、秋子梨）、苹果 4 北京农科院林果所 北京 桃、草莓 5 山东农科院果树所 泰安 板栗、核桃 6 山西农科院果树所 山西太古 枣、葡萄 7 陕西农科院果树所 陕西眉县 柿 8 新疆农科院园艺所 新疆轮台 新疆名特果树 9 中国农科院郑州果树所 河南郑州 葡萄、桃 10 江苏农科院园艺所 江苏南京 桃、草莓 11 湖北农科院果茶所 湖北武昌 沙梨 12 中国农科院柑桔所 四川重庆 柑桔 13 云南农科院园艺所 云南昆明 云南特有果树 14 福建农科院果树所 福建福州 龙眼、枇杷 15 广东农科院果树所 广州 荔枝、香蕉 第五节 种质资源的评价（研究） 一、研究的目的意义 研究的主要目的是为了利用 种质资源工作的 20字方针是： 全面收集 科学保存 深入研究 有效利用 积极创新 二、资源评价的原则及特点 1、资源评价是对资源的种质特异性（或种 性，遗传性）的研究和认识过程，而种质特异性就 是一种资源区别另一种资源的遗传特异性。因此， 要获得正确的研究结论，果树种质资源的评价必须 坚持 “唯一差异 ”的原则： ①对遗传物质（染色体及其DNA的定性与定量 研究）的评价，其试验方法或程序必须具有稳定性 和重演性。 ②对资源植物学、农业生物学及同工酶学的评 价研究，要注意立地条件、管理措施及采样时期的 一致性，以便尽可能的消除环境效应对评价结果的 影响。 2、评价的项目及内容应标准化、规范 化，使评价结论作为“ 共同语言” ，便于 交流和利用。 3、一般而论，生理研究是对园艺植物生 长发育及物质代谢等一般规律（共性） 的认识过程，所用的试验材料较少，一 般在3~4个品种或类型； 而资源评价是对资源个性或种质特异 性的认识过程，所用的试材应尽可能的 多而全，且具有足够的代表性。 三、 三、 种质资源评价体系 种质资源评价体系 植物学 植物学 农业生物学 农业生物学 化学组分 化学组分 遗传学 遗传学 同工酶学 同工酶学 孢粉学 孢粉学 细胞学 细胞学 分子生物学 分子生物学 田 田 间 间 实验室 形态 细胞 分子 四、同工酶分析 在一定时期、一定器官的同工酶酶谱能反映 资源的种属特异性。 五、孢粉学 花粉等有性繁殖器官是非生态性状，根据花 粉形态及表面纹饰，结合聚类分析，可探讨果树品 种的起源及亲缘关系。 戊二醛固定的花粉 风干花粉 杏品种的花 粉形态及表 面纹饰 六、细胞学 细胞学 体细胞及细 胞核的大小 体细胞染色体 数量 C带 核型 （karyotype ） G带 带型 （bandingtype ） R带 DNA含量 N带 核型 ——是指体细胞染色体在光学显微镜下所有可测 定的表型特征的总称。 染色体显带 (chromosome)，也称染色体分染 （differential staining of chromosome ），是六十年 代末发展起来的一项细胞学技术，是通过热、碱和盐等处 理，再经过染色，使染色体臂上显示出一系列着色浓淡相 间的横条纹，即染色体带型。 （一）细胞 核及核仁的 大小 （二）染色体数目 植物染色体的数目变异较大， 从单冠毛菊2N=4 ，到瓶尔小草 的2N=1260 果树上， 2N=2X=16 X=8 2N=4X=116 X=29 （三）核型分析 1、取样数量：5 个以上个体，5 个以 上细胞 2、染色体长度： 相对长度（% ）= 染色体长度 （平均值） /染色体组总长度×100 3、臂比 =长臂/短臂及着丝点位置 4、核型图 5、模式图 6、核型公式 普通小麦 2N=2X=42 N带 Ag——NOR染色 （四）染色体显带 芍药 2N=2X=42 C—带 牡丹 2N=3X=15 （五）染色体制片技术 压片法 去壁低渗法 取材 预处理 固定（卡诺液 ） 前低渗（0.075mol/L KCI ） 酸解离 (5N盐酸 16~20min) 固定 （卡诺液 ） 酶解离（ 1~3%） 后低渗（蒸馏水 10~15分钟） 再固定（甲醇：冰乙酸 3：1， 10分钟~ 数小时） 涂片、火焰干燥 Giemsa染色 压片 染色 （铁矾 -苏木精） 七、分子生物学 遗传标记： 是鉴别基因组中基 因位点的手段，是 易于识别可遗传的 实体。 形态标记 细胞标记 生化标记 分子标记 以基因表达的 产物为基础， 多态性不高， 信息量小，易 受环境干扰。 目前已有 目前已有 10余种分子标记技术，但常用的主要有： 余种分子标记技术，但常用的主要有： 1、 、 RFLP（ （ Restriction Fragment Length Polymorphism，限制性片段长度多态性），以 ，限制性片段长度多态性），以 Southern杂交为基础，为共显性遗传，可靠性高，但操 杂交为基础，为共显性遗传，可靠性高，但操 作烦琐，放射性大。 作烦琐，放射性大。 （一）常用的分子标记及其特点 2、 RAPD（ （ Randomly Amplified Polymorphic DNA， ， 随机扩增的多态性 随机扩增的多态性 DNA） ） 以PCR 技术为基 础（ PCR技术的 出现极大地推进 了分子生物学的 发展，其发明人 Mullis博士因此 获得 1993年诺贝 尔化学奖），大 多为显性遗传， 操作简便，自动 化程度高，但稳 定性较差。 2002年建立了红丰及新世纪等 15 个杏品种的 DNA 指纹图谱，为鉴定品种真伪提供了科学方法。 3、 、 AFLP（ （ Amplified Fragment Length Polymorphism， ， 扩增片段 扩增片段 长度多态性） 长度多态性） ▲以 PCR技术为基础， 为共显性遗传。 ▲具有 RFLP、 、 RAPD的优 的优 点， 点， 多态性（分辨率）高， 稳定性强。 ▲但费用较高，操作人员素 质要求高。尽管如此， AFLP高效可靠的特点在基 高效可靠的特点在基 因组研究中仍具广阔应用前 因组研究中仍具广阔应用前 景。 景。 与 与 RFLP、 、 RAPD 相比， 相比， AFLP的主要 的主要 优势是： 优势是： ① ① 高质量的指纹图谱 高质量的指纹图谱 最适合做品种纯度鉴 最适合做品种纯度鉴 定（品种权保护依 定（品种权保护依 据）。 据）。 ② ② 芽变鉴定，而 芽变鉴定，而 RAPD则很难鉴定少 则很难鉴定少 数基因位点的突变。 数基因位点的突变。 ③ ③ 高效率地构建高密 高效率地构建高密 度遗传图谱。 度遗传图谱。 4、微卫星 DNA (Microsatelite DNA) 以重复序列为基 础，共显性标 记，多态性很 高，稳定性好， 主要用于遗传图 谱构建。 （二）分子标记在果树资源研究中的应用 1、果树种质资源鉴定与管理 ①遗传多样性与亲缘关系 ②亲子鉴定 ③指纹图谱的绘制和品种鉴定 ④突变体鉴定 2、构建遗传图谱 3、基因标记 连锁图法(linkage map) 近等位基因系法 (near isogenic lines) 集群分离分析法(BSA) (bulked segregent analysis) 4、分子标记辅助育种 （Marker Assisted selection,MAS） 5、基因的定位与克隆 6、基因组比较 分子标记 辅助育种 Marker Assisted Selection MAS 第六节 第六节 种质创新及技术体系 种质创新及技术体系 一、种质创新的目标 一、种质创新的目标 1、遗传研究工具材料 、遗传研究工具材料 2、育种亲本材料 、育种亲本材料 3、新品种 、新品种 二、种质创新的途径 二、种质创新的途径 1、自然突变与选择 、自然突变与选择 2、常规杂交与远缘杂交 、常规杂交与远缘杂交 3、生物技术 、生物技术 三、 三、 现代高新技术与果树种质创新 现代高新技术与果树种质创新 （一）胚抢救（ （一）胚抢救（ Embryo Rescue ） ） 1、核果类果树早熟品种选育 、核果类果树早熟品种选育 新世纪果个大新世纪果个大 新世纪与 凯特比较 （青果为 凯特） 新世纪果个大新世纪果个大 目前已我国三北地区 推广近2 万亩，将为退 耕还林、农民增收做 出积极的贡献。 表 借助胚抢救技术培育出的桃、杏新品种 果树 种类 品种名称 亲本组合 果实发育期 （天数） 作者及年份 桃 京早３号 早生水蜜×桔早生 65 北京农科所等1974 春蕾 砂子早生×白香露 56 庄恩及等， 1982 早花露 雨花露自然授粉 56~58 汪祖华等， 1987 Mayfire（五 月火油桃） Armking自然授粉 60~65 Ramming等， 1987 春花 北农２号×春蕾 60 庄恩及等， 1991 早霞露 砂子早生×雨花露 55 胡征令等， 1991 杏 新世纪 二花槽×红荷包 58 陈学森等， 2001 红丰 二花槽×红荷包 57 陈学森等， 2001 2、克服远缘杂种的败育性 （二）细胞融合 （二）细胞融合 （体细胞杂交） （体细胞杂交） 1、融合过程 二倍体细胞 18 chromosomes 2、杂种鉴定 M：Microcitrus papuana R:rough lemon 1-6:再生植株 体细胞杂种 亲 本 一 亲 本 二 3、研究进展 、研究进展 ① 体细胞杂交克服 体细胞杂交克服 了有性杂交的一些生 了有性杂交的一些生 殖障碍，实现了种、 殖障碍，实现了种、 属间基因重组与交 属间基因重组与交 流，获得了一批新种 流，获得了一批新种 质。柑橘、苹果、 质。柑橘、苹果、 梨、柿、猕猴桃及葡 梨、柿、猕猴桃及葡 萄等都融合成功，其 萄等都融合成功，其 中柑橘最容易，进展 中柑橘最容易，进展 最快。但银杏、桃及 最快。但银杏、桃及 杏等果树原生质体再 杏等果树原生质体再 生困难，可能与这些 生困难，可能与这些 果树在二倍体水平上 果树在二倍体水平上 进化有关 进化有关。 ②融合技术的重演性及稳定性差，再生植株的频率低，不 能满足育种的需要。 ③原生质体融合研究，重视植株再生（Plant Regeneration），忽视了应用。 ④原生质体融合后，所有的遗传物质融合在一起，综合优 良性状的同时，很难排除不良性状的进入。 ⑤每一种果树在长期进化过程中，都形成了其最适倍性。 高倍化后，往往降低实用价值。 如，柑橘的有些四倍体的体细胞杂种，表现结果晚，皮厚 肉粗，产量低。 ⑥体细胞杂种的染色体分裂及性状遗传出现一些异常现 象，有待进一步深入研究。 （三）基因工程育种 （三）基因工程育种 1983年，首次转基因植物获得成功 年，首次转基因植物获得成功 1986年，首批转基因植物（ 年，首批转基因植物（ 40种）被批准进入田间实验 种）被批准进入田间实验 1992年，转基因植物进入商业化开发利用阶段 年，转基因植物进入商业化开发利用阶段 2000年，全球种植的转基因植物面积达 年，全球种植的转基因植物面积达 3990万公顷 万公顷 国家 国家 作物种类 作物种类 目的基因 目的基因 美 美 国 国 72% 大豆 大豆 54% 抗除草剂 抗除草剂 71% 阿根廷 阿根廷 17% 玉米 玉米 28% 抗虫 抗虫 22% 加拿大 加拿大 10% 棉花 棉花 9% 抗除草剂 抗除草剂 +抗虫 抗虫 6% 中国 中国 1% 油菜 油菜 8% 抗病毒 抗病毒 1% 马铃薯等 马铃薯等 1% 苹果叶片胚状体发生与再生体系研究 （达克东博士） 豇豆胰蛋白酶抑制剂基因 (抗虫基因 )转化苹果的研究 （达克东博士） （四）空间诱变育种 利用返回式卫星搭载植物材料（干种子）进行空间诱 变育种仅有 10余的历史（国内第一个成果鉴定会于 1991 年在黑龙江农科院召开），目前已获得大量的有益突变 体，是种质创新的重要途径之一，已受到国内外普遍重 视， 2002年被列入国家高新技术研究 “863计划 ”重大专 项（ 2亿元）。 1、空间诱变育种的特点 ① 小麦、玉米、水稻、番茄及辣椒等干种子卫星搭载 后，许多性状发生变异，表现产量高，果个大，抗性强。 ②变异的范围广，有益突变频率高，能为选育优良种质提 供丰富的遗传资源。 ③ 变异容易稳定。 2、空间诱变的机理 目前关于空间诱变的机理，提出了一些假 说，多缺乏足够的实验支持。 )微重力说，在卫星近地空间条件下，各种 物质都处于微重力状态。在这种状态下，细 胞核畸形，分裂紊乱，从而引起遗传物质的 改变。 )空间辐射说，空间存在着各种射线，能穿 透飞行器的外壁，作用于飞行器内的植物材 料，是有效的诱变源。这种复杂的诱变因素 可能是导致空间诱变有益突变频率高的一个 重要原因。 End !