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bob.com植物组织培养在育种中的应用

发布时间:2023-03-08 点击量:744

  bob.com摘要 随着植物组织培养技术的日趋完善,在农业中应用越来越广泛,分别从单倍体育种、多倍体育种、远缘杂交育种、人工种子、bob.com筛选突变体、转基因育种和种质资源离体保存7个方面论述植物组织培养在育种中的应用。

  植物组织培养技术具有培养材料经济、培养条件可以人工控制、生产周期短和繁殖效率高等特点,广泛应用于农业生产,并对传统的植物育种方式产生了革新。目前国内外已将植物组织培养普遍应用于作物育种研究,并在单倍体育种、多倍体育种、远缘杂交育种、突变育种、转基因育种以及种质资源离体保存等方面取得了较大进展。笔者分别从单位体育种、多倍体育种、远缘杂交育种、人工种子、筛选突变体、转基因育种和种质资源保存等方面对植物组织培养在育种中的应用进行了综述。

  单倍体育种是植物育种手段之一,是常规纯和育种手段的革新。即利用植物组织培养技术对植物的生殖细胞进行离体培养诱导产生单倍体植株,再通过某种手段使染色体组加倍(常用秋水仙素处理),从而获得纯和的二倍体植株。常规的纯和育种一般需要经过8~10个世代选育,而通过单倍体育种只需要一个世代基因即可达到纯和,大大缩短了育种周期[1]。

  在自然界单倍体一般是通过孤雌生殖的方式产生,出现的频率极低,只有十万分之一,并没有得到广泛利用。bob.com随着单倍体在植物遗传育种领域中的重要性逐渐为人们所认知,世界各国纷纷开始了单倍体育种研究。目前,单倍体植株的获得主要是对花粉或花药和未受精的子房和胚珠进行离体培养。

  花药是植物雄性生殖器官,由2种不同倍性的细胞组成,药壁和药隔组织为二倍体细胞,雄性生殖细胞(花粉粒)为单倍体细胞。花药和花粉培养是改变花粉原来的发育途径,诱导花粉分裂增殖,形成愈伤组织,经过再分化,发育成单倍体植株[2]。

  自1964年Guha和Maheshwari首次用曼陀罗的花药进行培养获得单倍体植株以来,世界各国都相继进行了花药单倍体育种研究。我国的花药培养育种研究始于1972年,在世界上处于领先地位。1974年,我国利用单倍体培育出世界上第一个作物新品种——烟草单育1号[1]。近年来,花药培养的研究十分活跃,进展也很显著。已培育出烟草、水稻、小麦、玉米和辣椒等20多个新品种,如烟草“单育1号”、水稻“单丰1号”、水稻“中花9号”和小麦“花培1号”等[3]。我国科学家朱至清设计的花药培养基N6和改良N6培养基,在国内外被广泛应用。

  花药与花粉培养已与常规杂交育种、远缘杂交育种、诱变育种以及转基因育种技术相结合,发展形成了一套育种技术体系。由于花药和花粉培养的方法日趋完善,花药培养育种已成为生物技术在农作物育种中应用最广泛、最有成效的方法之一,逐渐成为作物改良和新品种培育工作的一个重要手段。

  胚珠是种子植物的大孢子囊,是雌配子孕育的场所,直接使用子房或者从胚囊中分离出未受精的胚珠,在人工控制的条件下进行离体培养,诱导大孢子或卵细胞增殖,形成单倍体植株,与花粉单倍体植株相同,可用于单倍体育种。

  虽然花粉(花药)培养是获得单倍体植株的主要途径,并广泛应用于生产,但对于花药培养诱导率过低和雄性不育的植物,要想获得单倍体植株,子房与胚珠培养是唯一可行的途径。此外,花粉植株的性状变异率较胚珠培养获得的单倍体植株高,在禾本科植物中,花粉植株试管苗玻璃化率较高,而子房和胚珠培养获得的单倍体植株试管苗玻璃化几率较低[4]。

  多倍体在自然界广泛存在,较之二倍体植株,普遍具有植株巨型化、抗逆性增强、营养成分含量增加等优势,被广泛应用于育种研究中。被子植物的胚乳是双受精的产物,属于三倍体,通过被子植物的胚乳离体培养可以获得三倍体植株,三倍体品种具有产量高、观赏性提升及不结实等优势而备受育种工作者的关注。而将三倍体植株通过染色体加倍,可以获得六倍体植株,以解决三倍体不结实的问题,并用于培育多倍体新品种。常规的三倍体是采用2n×4n有性杂交获得,但此方法选育时间长,杂交难度大,而采用胚乳作为外植体进行组织培养获得再生植株,可以有效地解决这一难题。胚乳培养研究始于20世纪30年代,并首次在苹果上获得了三倍体,随后相继在马铃薯、水稻、小麦、苹果、枣、柑橘、梨、猕猴桃等植物中获得胚乳植株。目前已有40余种植物的胚乳培养取得突破,有近20种植物成功获得了胚乳再生植株[5]。

  在远缘杂交中,由于亲本亲缘关系较远,易发生生殖隔离的障碍,出现花粉与柱头不亲和,bob.com花粉在柱头上不能萌发,花粉管生长受抑而不能进入胚珠,花粉管在花柱中破裂等现象[6],使受精过程不能正常进行,导致不能形成合子,这些均属于受精前生殖隔离障碍。对于上述发生在受精前的生殖隔离障碍,可以采用离体授粉技术予以克服,即通过离体培养使花粉与柱头亲和,或者使花粉不经过柱头直接与胚珠接触。离体授粉是将未受精的子房或胚珠进行离体培养,然后授以无菌的花粉,使之在试管内完成受精的技术,又称为离体受精或试管受精。试管受精技术研究始于20世纪60年代初,Dulieu等分别在烟草和金鱼草、玉米上通过离体柱头授粉获得成功;Inomata等进行了有性杂交不亲和的油菜与甘蓝的离体子房受精研究,成功获得了种间杂种植株。叶树茂等在小麦中获得成功,得到了普通小麦×黑麦草和节节小麦×普通小麦的杂种植株。

  在远缘杂交中,虽然受精成功并形成了合子,但由于胚乳发育不正常或者杂种胚和胚乳之间生理上的不协调,易导致杂种胚在发育过程中夭折,这属于受精后的生殖隔离障碍。通过将远缘杂交获得的杂种幼胚进行离体培养,可以克服远缘杂交受精后的生殖隔离障碍,成功获得远缘杂种植株,这种应用在远缘杂交中的幼胚离体培养技术称为胚挽救,又称为胚拯救。将胚挽救与试管受精技术相结合,大大提高了远缘杂交的成功率。目前,已通过该方法获得了很多种间、甚至属间的杂种植株,扩大了杂种优势的利用范围。

  原生质体是指植物细胞经质壁分离后,除去细胞壁的细胞组织,与完整的单细胞相比,除没有细胞壁外,其他功能与活细胞相同,并具有植物细胞的全能性。1892年Klercker最早利用机械切割的方法分离得到原生质体,1960年英国植物生理学家Cocking首次利用纤维素酶从番茄根细胞分离得到原生质体[7]。原生质体经过分离、纯化后,进行离体培养,可以再生细胞壁,然后通过愈伤组织或胚状体途径,发育成完整植株。

  原生质体最大的研究价值在于这些除去细胞壁的裸细胞没有细胞壁的束缚,无论亲缘关系如何,都具有彼此融合的能力。采用物理或者化学的方法诱导,使不同物种之间由体细胞获得的原生质体发生融合,经组织培养体系再生成完整植株,称为体细胞杂交。通过体细胞杂交,不需要进行受精过程即可获得杂种植株,因此可以有效克服远缘杂交的不亲和性,培育出更多的新品种和创造新的物种。目前已经获得40余个种间、属间和科间的体细胞杂种植株。

  体细胞胚胎发生是指植物的体细胞经特定条件诱导,未经精卵融合,而形成与合子胚类似的结构,并通过与合子胚胎类似的发育途径形成植株的过程。这种与合子胚类似的结构称为体细胞胚胎或胚状体。自Reinert和Steward等于1985年从胡萝卜根培养中获得体细胞胚胎起,国内外不少学者开始从事该研究,体细胞胚胎发生已经被公认为是植物界的普遍现象,是离体培养植株再生的一个基本发育途径,并使人工种子的制作成为可能。

  人工种子又称为合成种子或无性种子,是将通过体细胞胚胎发生产生的胚状体包裹在有养分和具有保护功能的介质中形成类似于植物天然种子的结构,由体细胞胚、人工胚乳和人工种皮3部分构成。人工种子不仅能像天然种子一样可以播种和发育成植株,而且还具有许多优点:①不受季节和环境的影响,繁殖快,有利于工厂化生产;②在制作人工种子时加入生长调节物质和抗生素等可以人为地赋予种子各种优良品质;③人工种子在本质上属于无性繁殖,可以固定杂种优势;④人工种子体积小,无内源菌,不易霉变,便于保存与运输[2]。

  在植物组织培养过程中会出现各种变异,其中通过愈伤组织途径获得的再生植株出现突变的频率较不定芽途径高,细胞培养获得的再生植株出现的突变频率较器官和组织培养的突变频率高。原因在于愈伤组织和悬浮培养的细胞,处于旺盛的分裂状态,加之缺乏有组织的结构,易受培养条件和诱变因素的影响而产生变异。从中可以筛选出对人类有用的突变体,从而育成新品种。对于诱发突变较为困难、突变率较低的一些性状,在细胞培养时期进行诱发和筛选,由于细胞数目十分巨大,因此一些突变率极低的性状也可以从中选择出来,为进一步选育提供了丰富的变异类型。目前,在组织培养过程中已筛选出抗病虫害、耐盐、耐旱、高赖氨酸、高蛋白的突变体,有些已应用于生产。

  植物转基因技术是把从动植物或微生物中分离获得的目的基因片段,通过各种方法整合到植物基因组中,使之稳定遗传,并赋予植物抗病、抗虫、抗逆、高产、优质等新的性状。目前,植物基因转化方法主要是通过农杆菌介导和基因枪法[8],使用的转化受体均为离体培养的植物细胞,经转化后的植物细胞,需要借助植物组织培养试验体系进行植株再生。因此,植物组织培养技术为转基因植物提供了重要的技术平台,建立高效稳定的组织培养再生体系是转基因育种的重要前提。研究认为用于基因转化的受体系统,应具有80%以上的再生频率[1] 。

  自1983年获得第一株转基因植物以来,目前已有100余种植物成功获得转基因植株。利用植物遗传转化技术创建的很多品种,如玉米、大豆油菜、马铃薯等已推广利用,并产生了巨大的经济效益和社会效益。

  种质资源是植物育种的基础,自然灾害和人类活动造成相当数量的植物物种正逐年消失,搜集和保存种质资源已受到世界各国的重视。但常规的种质资源保存方法是采用原生境保存,需要建立植物园或种质圃,不仅需要耗费大量的人力、物力和土地,且易遭受灾害和病虫害的侵袭,造成种质资源流失。1975年,Henshaw和Morel首次提出了离体保存的方法[9]。种质资源离体保存是将离体培养的小植株、器官、组织、细胞或原生质体等材料,采用限制、延缓或者停止其生长的方法使之保存,在需要时可重新恢复其生长,并再生植株的方法。种质资源离体保存有以下优点:所占空间少,节省大量的人力和财力;便于种质资源的交流与利用;需要时,可以用离体培养方法很快大量繁殖;避免自然灾害引起的种质丢失。目前,已有许多种植物在离体条件下,通过抑制生长的方法,使组织培养物能长期保存,并保持其生活力。但种质资源离体保存时需要定期进行继代培养,多次继代培养可能造成遗传性变异及培养物的分化和再生能力的逐渐降低,研究人员建立了离体种质资源冷冻保存技术,有效地降低了继代周期,随着种质资源离体保存技术的不断发展和完善,bob.com使将来建立离体种质资源库成为可能。

  张东旭,bob.com周增产,卜云龙,等.植物组织培养技术应用研究进展[J].北方园艺,2011(6):209-213.

  [3] 王学利,孙世海,王震星,等.植物组织培养及其在农业上的应用[J].天津农林科技,2005(4):25-27.

  [4] 杨江义,李旭锋.植物雌性单倍体的离体诱导[J].植物学通报,2002,19(5):522-559.

  [6] 王蒂.植物组织培养[M].北京:中国农业出版社,2004:79-81.

  [7] 李永欣,王义强.植物组织培养的应用研究概述[J].江苏林技,2005,32(3):44-46.

  [8] 张东旭.大豆胚尖再生体系的建立及E-2基因遗传转化[D].石家庄:河北农业大学,2008.

  [9] 马慧,张立军,阮燕烨,等.植物组织培养技术的现状及发展趋势[J].安徽农业科学,2007,35(6):1602-1604.

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