第十三章生物技术在园艺植物 育种中的应用 第一节细胞和组织培养在植物 育种中的应用 第二节植物原生质体培养与体细胞 杂交的意义 第三节基因工程在植物育种 中的应用 第四节分子标记的特点 * 生物技术（biotechnology）又 称生物工程 （bioengineering），是以生命 科学为基础，利用生物体的特性 和功能，设计、构建具有预期性 状的新物种、新品种、新品系， 以及与工程原理相结合，进行加 工生产，为社会提供商品和服务 的综合技术体系。 通常所说的细胞工程、基因 工程、酶工程、发酵工程、 生化工程和蛋白质工程等均属 此范畴。 本章主要介绍细胞和组织培养 在园艺植物育种中的应用。 并简介原生质体培养与体细胞 杂交、基因工程和分子标记在育 种中的意义。 第一节细胞和组织培养在植物 育种中的应用 ?广义的植物组织细胞培养 （plant tissue or cell culture）是指 将植物体的各种结构（如细胞、原 生质体、组织、器官以及幼小植 株）放在离体的、无菌的人工环境 中让其生长发育的方法。因此组织 培养也叫离体培养（culture in vitro）。 一、离体培养技术的应用 ? 1．花粉、花药、胚珠 和子房培养 ?花粉、花药胚珠和子 房在离体条件下无菌 培养，让其进一步发 育以至形成幼苗的过 程。 ?根据胚珠和子房受精与 否分为两类： ? 1、受精子房和胚珠的 培养主要是打破种子的 休眠和挽救胚的发育， 如核果类的桃杏育种中 通过胚抢救进行早熟品 种的选育； ? 2、未受精子房、胚珠 及花粉、花药的培养主 要为了获得单倍体。 2．离体受精 ?离体受精（in vitro fertilization），也称为植物体外 受精，是在人工条件下使卵细胞 受精形成合子，再将形成的合子 离体培养使之发育成植株的过 程。离体受精主要解决远缘杂交 不亲和、不孕和不结实。 这项技术分为： （1）花粉和子房（或胚珠） 的收集 子房的收集，通常是把开花前一 天的花蕾取下，经表面消毒，剥去 花被和雄蕊，保留子房及花萼，花 萼的存在有助于提高种子的结实 率。也可以剥出胚珠培养。 （2）离体授粉和受精有两种方法用 于花粉与卵细胞的体外受精。 A、共培养法，先将花粉撒于一个适 宜于花粉萌发的培养基上，再将胚 珠置于撒播的花粉中间。 B、二是人工受精法，将花粉撒在 离体的子房或胚珠上，让其受精。 受精后的子房或胚珠继续培养可发 育成成熟的种子。 3、离体胚的培养 植物的胚培养主要有两种培养方 式：一种是以幼胚为外植体诱 导愈伤组织細胞，通过器官发生 或胚胎发生产生再生植株； 另一种是使发育完全的胚直接萌 发，获得完整的植株。离体胚培 养在植物育种中的应用主要包括 以下三个方面： （1）克服远缘杂交不育 （2）促进核果类植物胚的形成 ?核果类早熟品种与晚熟品种的 区别是胚发育不健全、生活力不 强，而以早熟品种为母本与晚熟 品种杂交，很难得到杂交后代。 如果用幼胚离体培养就能得到杂 交后代。 （3）．打破种子的休眠期 许多植物的种子存在明显的 休眠期，有些植物的休眠期很 长。由于种子结构而存在的休眠 可以用常规方法消除，而由于胚 乳抑制物质所引起的休眠只能通 过胚的离体培养才能获得理想的 效果。 4、组织和器官培养 ?（1）外植体：根尖、茎尖、叶原基、花原 基、微管形成层、储藏薄壁组织、胚乳等。 ?（2）意义： ? 1）优良单系的快速繁殖。 ? 2）自交不亲和系、雄性不育系的无性繁殖。 ? 3）无性繁殖园艺植物的脱毒与快繁。 ? 4）突变体的诱导与分离。 ?（3）组织和器官培养的生物 学基础 ?细胞的全能性和植物的再生能 力。 ?（4）组织和器官培养的基本 过程 ?外植体-------脱分化----------再 分化。 二、培养条件 （一）培养基成分 1、无机成分 （1）大量元素：N、P、K、C、 H、O、Ca、S、Mg。 （2）微量元素：Cu、B、Mn、 Zn、Mo、Fe。 2、有机成分： （1）糖类：蔗糖、葡萄糖。 （2）维生素：VB1、VB6、肌醇。 （3）氨基酸 （4）碱基 （5）生长调节剂 （6）植物提取物 （7）琼脂 （二）环境条件 1、光 （1）光强：1000----10000Lx （2）光照时数：9---16小时。 （3）光质：日光灯。 2、温度：一般25°C 三、设施 1、准备室 2、培养基配制及消毒室。 3、接种室 4、培养室 5、温室 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 四、基本设备 1、衡器与量具 2、玻璃器皿 3、显微镜、解剖镜 4、灭菌锅 5、超净工作台 6、培养架 7、空调 8、日光灯 第二节植物原生质体培养 与体细胞杂交的意义 植物原生质体培养是指将植物细胞 去壁后，放在无菌条件下，使其进一 步生长发育的技术。 ?体细胞杂交（somatic hybridization）是在离体条件下将同 一物种或不同物种的原生质体融合 （protoplast fusion），培养并获得杂 种细胞的再生植株。 ? Takebe（1971）首次利用烟草叶 片分离原生质体，并培养获得再生植 株，至今已有280余种植物原生质体 再生植株问世。1972年Carlson获得 第一株烟草体细胞杂种植株以来，原 生质体融合技术在不断完善和发展。 原生质体融合克服了植物种属间 生殖障碍，为新种质的创造提供了一 条有效途径。 葡萄与柴胡的科间体细胞杂交 第三节基因工程在植物育种 中的应用 基因工程（gene engineering） 是指在体外将核酸分子插入病 毒、质粒或其它载体分子，构成遗 传物质的新组合，并使之参入到原 先没有这类分子的寄主细胞内，并 能持续稳定的繁殖。 ?基因工程概括起来包括 以下内容：①从复杂 的生物体基因组中，分 离出带有目的基因的 DNA片段；②在体外把 带有目的基因的外源 DNA片段连接到能够自 我复制的并具有选择标 记的载体分子上，形成 重组DNA分子； ?③将重组DNA分子转移到适当的受 体细胞（又称寄主细胞），并与之一 起增殖； ?④从大量的细胞繁殖群体中，筛选出 获得了重组DNA分子的受体细胞克 隆； ?⑤从这些筛选出来的受体细胞克隆， 提取出已经得到扩增的目的基因，供 进一步分析研究使用； ?⑥将目的基因克隆到表达载体上，导 入寄主细胞，使之在新的遗传背景下 实现功能表达，产生出人类所需要的 物质。 在植物育种中基因工程的 应用主要是通过对有重要经济 意义的目的基因的分离、改 造、利用，培育出具有改良的 重要经济性状的工程植株，以 及具有生物反应器功能的工程 植株。 ? ? ? 第四节分子标记的特点 *遗传标记（genetic marker）是指基因 型易于识别的表现形式。 目前把遗传标记区分为四种类型： 形态标记、细胞标记、生化标记 和分子标记。 *分子标记是在DNA水平上对基因型的 标记。 ?与其它标记相比具有以下优点： ?①直接以DNA形式表现，在植物的各个 组织、各发育时期均可检测到不受季 节、环境限制、不存在表达与否的问 题。 ?②数量多，遍及整个基因组； ?③多态性高； ?④不影响目标性状的表达,与不良性状无 必然的连锁； ?⑤许多分子标记表现为显性或其显性能 够鉴别出纯合和杂合的基因型。由于这 些特点，分子标记在育种中有着广泛的 应用。 ? 思考题 1、名词：生物技术、离体培养、体 细胞杂交、基因工程 2、离体胚的培养的意义 3、组织和器官培养的意义 4、离体培养的培养条件（论述） 5、基因工程的意义