微生物诱变育种技术

2025-01-13 版权声明 我要投稿

微生物诱变育种技术(共7篇)

微生物诱变育种技术 篇1

高中生物知识点总结:杂交育种与诱变育种

一、杂交育种

1.概念:是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中一起,再经过选择和培育,获得新品种的方法。

2.原理:基因重组。通过基因重组产生新的基因型,从而产生新的优良性状。

3.优点:可以将两个或多个优良性状集中在一起。

4.缺点:不会产生新基因,且杂交后代会出现性状分离,育种过程缓慢,过程复杂。

二、诱变育种

1.概念:指利用物理或化学因素来处理生物,使生物产生基因突变,利用这些变异育成新品种的方法。

2.诱变原理:基因突变

3.诱变因素:(1)物理:X射线,紫外线,γ射线(2)化学:亚硝酸,硫酸二乙酯等。

4.优点:可以在较短时间内获得更多的优良性状。

微生物诱变育种技术 篇2

我国对该项技术的研究主要是从上世纪50年代末期开始的, 通过科研人员的辛勤努力我国终于从1996年开始相继培育成功鄂麦6号、太辐1号等多种诱变小麦新品种, 同时使我国诱变技术应用研究迈入世界先进行列。

据不完全统计, 目前我国培育成功并种植推广的诱变小麦新品种有50多种, 超过世界其它各国研究成果的总和, 在我国的种植面积高达300万公顷, 对我国的农业生产起到了积极作用, 并有效缓解了我国人口压力而带来的粮食问题。在这50多种小麦诱变新品种中, 有44种是直接利用突变技术培育成功的, 用间接方式研制成功的有7种, 即间接利用突变技术。这些品种相继在我国得到大面积的种植推广, 效果显著。其中山农辐63在1984年的种植面积已高达120万公顷, 鄂麦6号在1981的种植面积高达33万公顷, 除此之外还有许多品种在我国种植推广, 在此不再一一列举。另外还有一些小麦品种在我国的种植面积不是很大, 但这些品种有着其特殊的利用价值。

随着我国现代科技的迅速发展及边缘交叉学科领域研究的进步, 我国通过改变诱变方法, 研制出了新的诱变源并在植物品种改良中得到了应用。这些诱变新技术主要有:离子束注入、花粉辐射、空间育种等。以下就植物诱变新技术在小麦育种中的应用作以简要阐述。

1 石蜡油—EMS花粉诱变育种技术

EMS是烷化剂甲基磺酸乙酯的简称, 它作为诱变技术中最有效的化学诱变剂之一, 起着很大的作用, 它已成功应用于多种作物诱变品种当中。EMS在诱变中的工作机理是通过与其它分子直接反应来实现的。EMS的诱发突变体主要通过以下两个步骤来完成:第一步是被烷基化, 第二步在DNA的复制过程中通过配对, 进行碱基的交换, 即G:C变为A:T, 形成点突破。该项技术有着很大的优越性, 它由于直接作用于配子进行配对, 具有诱变范围广、诱变率较高的特点, 较传统的电离辐射技术具有很强的优越性。

早在上世纪60年代我国就已经开始对该项技术进行研究, 在研究初期采用EMS水溶液对植物种子进行处理的方式, 但通过这种方式产生的诱变率很低。1978年以来我国开始对这种方式进行改进, 将EMS溶解于石蜡油中对玉米花粉进行处理, 并取得成功, 由此石蜡油—EMS技术在我国开始应用推广, 并在全世界传播开来。我国著名育种专家刘治先先生应用该技术研究得出高油酸突变体, 并通过该项技术培育出了玉米新品种, 在我国得以推广, 同时这还为特用玉米育种的研究提供了宝贵的资源材料。在此方法的推动下我国育种专家相继研制出了显性核突变不育突变体等。

德国在进行抗病育种的研究中采用EMS、快中子更换处理的方法培育成了抗多种病虫害的小麦新品种, 在种植推广的过程中取得了很好的效果, 这些新品种的主要抗病虫害的功能有:秆锈、叶锈、颖枯病等。我国运用该技术成功研制出了抗逆性和适应性很强的小麦品种, 这种品种落黄性红、对跳锈与白粉病具有持久性抵御作用。

2 离子束注入诱变育种技术

这项技术在我国的应用研究有着一定的历史原因, 上世纪80年代, 低能重离子注入生物学作为一个边缘学科在我国兴起, 这一边缘学科的诞生在我国有着极其重大的意义, 它有着广阔的应用前景备受世界关注。离子束注入诱变育种技术的育种原理主要是, 采用荷能离子注入到农作物的种子或器官的某一组成部分上, 引起基因突变, 以达到培育出新品种的目的。这种方式具有许多的优点, 它育出的种子具有损伤轻微、突变率较高、易推广的特点, 是人工育种技术的新发展。

利用该技术进行育种, 它采用离子注入与生物体相互作用, 注入的离子与生物体的互相作用是局部的、双重的、并具有不易修复的特征。这种荷能离子注入使染色体易位、倒位、重复等从而引起基因突变。离子注入的生物学效应十分明显, 植物细胞受到离子束的作用后, 细胞壁变薄, 细胞膜受损, 有的则削去了一部分的细胞壁, 离子束注入引起基因突变, 使作物的果实早熟、增大等作用。采用该方法进行育种, 在离子注入后对有的小麦品系的发芽率、发芽期都有一定的影响, 并有一定的降低作用, 这种作用与剂的用量成正比。

3 花粉辐照诱变育种技术

该种育种技术的工作原理主要是:小麦花粉成熟后, 在其处于一种单倍性的比较稳定的状态时用适当的辐射剂量进行处理, 已发生位点突变为主, 且各花粉粒发生突变的位点不尽相同。用这些具有新基因的花粉进行授粉, 这样可以有效的使其后代发生种类繁多的变异, 且这些变异会带来一系列的反应, 如有的可以使农作物的产量增加等。

中国农业科学院作物研究学专家以中国普通春小麦J-11为母本, 分别用5、9、15、30Gy的射线辐照黑麦散粉期穗子, 并将其花粉授予普通小麦J-11, 结果表明:低剂量下结实率略有提高。各种处理剂量的辐射对杂种幼胚和胚乳发育均有伤害作用, 杂交种子含胚率、杂种幼胚含胚率、杂种幼胚成苗率百分之百。

4 空间诱变育种技术

农作物空间诱变技术主要是利用太空环境对农作物的种子产生有益变异的育种方法, 它主要采用升入高空的气球或返回式的卫星将种子带入太空与环境相互作用, 然后将返回的种子在地面进行加工孕育而形成新材料、新品种。它的变异原理是, 种子在太空中受到微重力, 宇宙射线及高真空、近地磁场的作用, 这些环境都是在地球环境中所无法获取的, 通过这种环境刺激诱变, 引起植物细胞及细胞结构与功能发生相应的变异。

空间诱变育种有一系列的优越性, 比一般常规育种提早2个世代的稳定, 具有育种进程快, 周期短, 育种效率高等优点。近年来, 随着我国航天事业的发展, 为这项技术在我国的应用提供了充分的条件, 从1987年到2001年我国成功进行了10次植物种子的搭载实验, 这些实验涉及的领域主要有:粮棉油、瓜果蔬菜等方面, 经过地面农业育种专家的辛勤实验, 培育出一系列植物优良品种, 具有优质、早熟、抗病虫害能力强等特点。

5 结论

综上所述, 利用诱变技术培育出的小麦品种有着许多优良性能, 以上几种诱变技术各有其特点, 由于其应用的时间还比较短, 在实际的操作过程中还存在着许多问题, 还需进一步去探索研究, 基于作者能力的限制, 文中的不足之处望行业同仁多多指正, 在今后的工作当中亦会加强相关理论知识的学习, 争取为植物诱变育种技术研究做出更大的贡献。

参考文献

[1]余增亮, 何建军, 邓建国, 等.离子注入水稻诱变育种机理初探[J].安徽农业科学, 1989 (1) .

[2]李桂花, 张衍荣, 曹健.农业空间诱变育种研究进展[J].长江蔬菜, 2003 (12) .

微生物诱变育种技术 篇3

摘 要 综述EMS诱变的原理和关键技术,简述一些EMS诱变技术在水稻育种中的应用。EMS对水稻成熟胚的愈伤组织的诱变、对水稻种子的诱变、对水稻幼穗的突变等;总结了EMS诱变育种技术存在缺点和不足;提出了今后EMS诱变技术应用在水稻育种方面的展望和发展方向。

关键词 EMS诱变;水稻;育种

中图分类号:S336 文献标志码:B 文章编号:1673-890X(2016)06--03

EMS(Ethy Methan Sulfonate)属于一种烷化试剂,是目前公认的一种最为有效且应用比较多的化学诱变试剂。EMS诱变水稻所产生的突变体,后代分离的基因数量很少,且稳定性较好,但不同的株系之间产生的突变类型比较丰富[1]。当前,水稻种质资源库新的基因极其缺乏、遗传资源日益枯竭的状态,采用EMS诱变水稻技术、创造有用目基因有重要意义。对水稻分子育种提供理论基础。

1 EMS诱变的原理

EMS诱变技术改变DNA的一些结构,通常它带有一个或者多个活性烷基,此烷基可以转移到电子密度高的碱基上,发生烷化反应,置换出氢原子,进而改变氢键的能力,使DNA结构改变。其诱导表现为嘌呤和嘧啶的转换,DNA的N-7位置的H离子被活性烷基取代后,成为一个带正电荷的集团,易发生转变型突变和置换型突变两种遗传效应。EMS诱变原理见图1。

图1 EMS诱变原理

1.1 转变型突变

烷化了的鸟嘌呤(G)不再与胞嘧啶(C)配对,从而造成G≡C碱基对变成T=A碱基对,EMS诱变大部分表现为转换型突变。

1.2 置换型突变

活化的鸟嘌呤(G)由于糖苷键发生断裂,造成了脱嘌呤,而原来鸟嘌呤的位置成了一个空位,当DNA分子在下一步复制的时候,4种碱基都有可能进入到其互补位置,造成突变,但是这种现象的可能性较小。

2 EMS诱变的关键技术

EMS具有操作比较简单、突变频率较高、突变专一及多效等优点,其诱变成败的关键技术如下。

2.1 适当的诱变剂量

处理材料时,用适当的EMS剂量以便于产生较多的变异,减少植株的不必要损伤。诱变过程中对材料造成半致死效应的剂量通常作为诱变的最适剂量,或者设置诱变剂的浓度梯度及时间梯度来筛选最适诱变剂量。

2.2 适当的筛选

表型筛选鉴定、生物技术、生理生化检测、遗传学分析等方法筛选出产生的突变体。

2.3 突变性状的遗传分析及基因定位

根据突变后代F2、F3表现性状,分析为主效基因或者是微效基因,然后采用两点测验或者三点测验的方法进行基因定位。微效基因定位一般采用标记分析、区间作图以及复杂区间作图等。

3 EMS誘变技术在水稻育种中的应用

3.1 EMS对水稻成熟胚的愈伤组织的诱导

在一定范围内,随着诱变剂量或者浓度增加,诱变频率也会随之增加,如果超过一定的剂量范围,植株死亡和细胞受损就会极大增加,因而被筛选掉的有利变异也会增加,进而使育种效率降低。

朴铁夫、原亚萍[2]等在离体培养条件下,EMS处理水稻成熟胚诱导的愈伤组织,观察处理后愈伤组织的生长变化、细胞染色体畸变和株体的分化情况。设定EMS的浓度梯度且每个梯度设置5次重复后取平均值。结果显示,低浓度EMS处理水稻成熟胚的愈伤组织有刺激生长的作用,而高浓度EMS处理对水稻成熟胚愈伤组织生长则有抑制作用,这种抑制作用随着EMS浓度的增高而加强;伴随着EMS浓度的增高,愈伤组织细胞染色体具有微核细胞数明显增加;从愈伤组织分化出来幼苗的情况看,低浓度EMS处理的愈伤组织分化出来的绿苗明显比对照多,分化率较高,高浓度的EMS处理分化出来的绿苗明显比对照少。其中最高浓度EMS处理的分化率最低。此试验表明,低浓度的EMS处理对水稻成熟胚愈伤组织的生长和分化有促进作用,而高浓度的EMS有抑制作用。低浓度的EMS对细胞呼吸强度及细胞色素氧化酶活性有刺激作用,高浓度EMS则表现为抑制作用。

刘丕庆[3]从水稻品种中丹二号的花药和幼穗中分别诱导出二倍体、四倍体的愈伤组织,并利用EMS处理愈伤组织,调查处理的愈伤组织耐盐细胞频率的变化试说明耐盐变异体筛选过程中使用诱变剂的重要。实验经过培养基配制、诱变处理、愈伤组织的筛选、相对生长量、耐盐细胞频率和细胞的计算等方法,测定EMS对愈伤组织生长的抑制作用和EMS处理后愈伤组织耐盐细胞频率的变化。EMS在较低浓度下,愈伤组织生长和对照相差比较少。EMS浓度达到一定浓度,愈伤组织生长会受到抑制,有些愈伤组织变褐死亡且相对生长量约是对照的40%。当EMS浓度达到一定量时,直到接种约20 d才有愈伤块,很多愈伤块已死亡。当EMS浓度达到最大时,所有的愈伤块都死亡。而经EMS处理后的愈伤组织的耐盐细胞频率表没有显著高于或低于对照。此实验说明EMS诱导水稻愈伤组织,可以刺激或者抑制水稻愈伤组织的生长,但是对愈伤组织耐盐细胞频率的变化几乎没有影响。

张小玲、王元辉[4]采用EMS处理水稻体细胞愈伤组织,诱导其产生变异。采用浸渍法及滴加法处理水稻体细胞愈伤组织,确定半致死质量浓度。经过与对照比较,确定再生植株株系的图变频率。试验配制3种培养基(诱导愈伤组织培养基,继代培养基,分化再生植株培养基),诱导愈伤组织,EMS处理,最后将再生植株D1代移栽到温室,成熟后单株收货构成D2代,D2代田间种植,以原品种为对照,生育期间观察记录变异情况。结果显示浸渍法处理水稻愈伤组织,EMS对水稻愈伤组织的半致死量为1~5 g/L;滴加法处理,水稻愈伤组织的半致死量为50 g/L。从实验结果来看,浸渍法的有点是愈伤组织各部分能与EMS充分作用,愈伤组织吸收EMS比较均匀,但是在浸渍和清洗过程中愈伤组织表面分生能力强的细胞容易脱落,提高愈伤组织的死亡率;而滴加法的优点是愈伤组织经过一段时间的恢复生长后,进一步处理时的存活率比较高,其缺点是愈伤组织与EMS作用不均匀,EMS长期留在培养基中会产生一些分解物质,对愈伤组织和绿苗有毒害作用。

试验上看,高浓度的处理得不到再生植株。另外,从有关EMS处理的报道中获悉,EMS处理并不是浓度越高变异频率就越高,较低的EMS浓度反而有较高的变异频率。

3.2 EMS对水稻种子的诱导

EMS对水稻种子胚的诱变伤害稍轻,不像物理诱变的抑制或损伤效果那么强烈,物理诱变如电离辐射,其穿透力较强且容易被染色体组吸收,对染色体结构的破坏性很大,强烈抑制水稻种子的萌发和根、芽的生长。

李学宝、杨学荣[5]等通过研究EMS对水稻萌发种子呼吸强度及多种酶活性影响,分析呼吸代谢、种子发芽率、幼苗生长高度和根系活力等之间的关系。选取饱满的水稻品种籼稻“广陆矮4号”预浸泡后用不同濃度的EMS震荡处理。用TTC法、微量检压法、3,5-二硝基水杨酸比色法及愈创木酚法等对种子的发芽率、发芽势、呼吸强度、细胞色素氧化酶活性以及α-淀粉酶活性等进行测定。结果显示EMS对水稻种子的发芽势、发芽率和幼苗生长高度等的影响随处理浓度的高低而异。低浓度的EMS提高幼苗的根系活力,根尖还原TTC的量明显高于对照组;当浓度进一步增加时,根系活力受到抑制并下降,最高浓度处理的TTCH含量达不到对照组的60%。较高浓度EMS的处理,根生长速度降低并且根长和根数明显少于对照组。EMS对水稻萌发种子呼吸的影响、α-淀粉酶活性的影响均存在某一“临界剂量”,在该剂量之下表现为促进作用;超过此剂量后,变为抑制作用,EMS作用的变化符合诱变剂作用的“剂量曲线”。但是EMS对氧化物酶活性的影响比较特殊:低浓度的EMS对过氧化物酶活性的影响不大;高于此剂量时,则该酶活性下降。该研究不仅研究了水稻种子萌发生长初期形态学上的效应,还对植物体内发生的生理生化变化进行了研究,为水稻EMS诱变育种提供了有力的科学依据。

陈灿,徐庆国[6]等采用不同种类的化学诱变剂(EMS、NaN3和MNU)处理水稻种子,研究其萌发和生长状况。测定发芽势,统计发芽率:稻种的胚根长度以与种子长度相等为标准,胚芽长度约以种子长的1/2为标准。计算发芽率的同时还要测量水稻的根长和芽长。

发芽指数=∑Gt/Dt(GT为t时间内的发芽数,Dt为相应的发芽天数)

活力指数=发芽指数×苗长度

诱变处理的水稻种子萌发对3种不同的化学诱变剂刺激的反应基本相同,部分低剂量的诱变剂对水稻种子发芽刺激作用,但总的情况是随着3种诱变剂浓度的增加,稻种的发芽势、发芽率呈明显下降的趋势。低浓度的化学诱变剂对稻种发芽影响表现不大,高浓度的化学诱变剂如EMS和NaN3处理严重降低稻种的发芽率和发芽势。

3.3 EMS对水稻幼穗的诱导

李学宝[7]用不同的EMS处理水稻离体幼穗,测定培养初期的呼吸强度、细胞色素氧化酶和同工酶及苹果酸脱氢酶同工酶。采取幼穗,用含不同浓度EMS的液体培养基振荡处理后将幼穗切成段,接种在固体培养基上。

低剂量的EMS对诱导率和分化率有一定的促进作用;随着EMS剂量逐渐加大,幼穗体细胞愈伤组织的诱导与分化均受到抑制,诱导效率和分化效率都表现明显降低,处理组和对照组间差异显著;高浓度的EMS延长幼穗体细胞愈伤组织的产生,未处理和低浓度处理的幼穗培养到8~10 d,即可见有愈伤组织产生,高浓度处理需13~15 d才能看见有愈伤组织产生,比对照延迟了5~7 d,且愈伤组织生长缓慢。低浓度的EMS对幼穗呼吸有一定促进作用,在EMS较高浓度时,呼吸强度与EMS浓度呈负相关;EMS对培养幼穗具有持续的生理效应;EMS对细胞色素氧化酶和对苹果酸脱氢酶同工酶的影响与EMS对愈伤组织的影响相同。

3.4 EMS对水稻的其他诱导

EMS诱导水稻不单单表现在愈伤组织、种子、幼穗等,EMS对水稻右边育种还有其他的应用。

顾佳清、张智奇[8]等用化学诱变剂EMS对粳稻进行诱变处理,来构建突变体库。结果显示出0.5%浓度的EMS溶液处理水稻种子,再经过0.5%和0.7%EMS溶液复合处理,发生突变的频率12.4%,复合处理优于一次性处理的效果。EMS诱变产生的突变体后代分离的基因数量较少且稳定性比较好,不同株系产生的突变类型比较丰富。

陈忠明、王秀娥[9]等利用EMS对籼型水稻进行诱变处理,以构建基因突变群体。M1代单本移栽并单株收取。M2代播种了5 000个家系,根据各个生育期的表现,鉴别筛选出了发生突变的411个家系,且收获271个家系。M3代对M2代收获材料按照系谱法进行跟踪观察。表明形态性状的突变率是8.22%,一些突变体具有的优良性状,可能在以后的育种中得到充分利用。

4 EMS诱变在水稻育种中应用的展望

EMS的突变频率相对比较高、能诱发出各种有用的突变基,能够在原有遗传背景基本不变的情况下,分子水平上使植物体出现有用表现性状的变异。EMS对水稻诱变产生的突变主要有:穗部形态突变、籽粒形态突变、茎秆形态突变、叶片形态突变、育性突变及熟期突变等。在植物种质资源创造、功能基因组学研究等方面发挥了重要作用。EMS在水稻育种中应用的研究广泛,在诱导水稻成熟胚的愈伤组织中,确定EMS的最适诱变浓度和最大突变率;诱导水稻种子,研究EMS对水稻种子一些生理生化指标的变化;EMS诱导水稻幼穗,分析水稻呼吸强度、细胞色素氧化酶及苹果酸脱氢酶同工酶等指标的变化。此外,利用EMS诱变处理水稻,构建基因突变群体,试图得到新的基因类型,对新型水稻育种途径提供理论依据。但由于EMS本身有毒性、对诱变材料有损伤、突变的随机性大等特点,导致要求诱变群体的数量大,后期检测工作量多。所以,有必要加强EMS诱变的深度研究,来控制变异的方向和性质,进一步加强高通量突变筛选技术的研究,提高诱变效率。

参考文献

[1]崔清志.刘晓虹,陈惠明.EMS诱变技术研究进展[J].湖南农业科学,2013(5).

[2]朴铁生,原亚萍,郭筑英,等.EMS对水稻成熟胚愈伤组织生长和植株分化率的影响[J].核农学通报,1995,16(2).

[3]刘丕庆.EMS和5-氮胞苷处理的水稻愈伤组织对耐盐细胞频率的影响[J].核农学通报,1999,13(3).

[4]张小玲,林恭松,王元辉.烷化剂EMS处理水稻愈伤组织诱导突变的方法初探[J].安徽农业科学,1999(12).

[5]李学宝,杨学荣.EMS对水稻种子萌发生长初期的影响[J].湖北农业科学,1989(3).

[6]陈灿,徐庆国,彭波,等.不同化学诱变剂对水稻种子萌发和生长的影响[J].种子,2008,27(3).

[7]李学宝.甲基磺酸乙酯对水稻萌发种子的生理效应[J].武汉植物学研究,1991(10).

[8]顾佳清.张智奇,周音,等.EMS诱导水稻中花11突变体的筛选和鉴定[J].上海农业学报,2005(1).

[9]陈忠明,王秀娥,赵彦,等.水稻93-11EMS诱导突变体的分离与鉴定[J].分子植物育种,2004(3).

杂交育种与诱变育种教学反思 篇4

张丽萍

生物组

《杂交育种与诱变育种》是人教版生物必修二第六章的内容,基于学生已经学习了第五章,对于变异有了一定的认识,也学习了两种育种方法,多倍体育种与单倍体育种,相对而言,本节课的教学任务要轻松一些,本周,我在我所任教的三个理科班上了本节内容,现就讲我的基本设计与教后反思整理如下。

一、教学设计

引言:我们小的时候都学过唐朝李绅的一首《悯农》诗,大家还记得吗?“锄禾日当午,汗滴禾下土。谁知盘中餐,粒粒皆辛苦。”(同学齐声背诵)这首诗描写的是烈日当头,劳动人民辛勤劳作的情景。我们已经学习了遗传变异的知识,那么如何提高农作物的产量和品质,使农民不再辛苦呢?今天我们就共同走进第六章《从杂交育种到基因工程》(书写章标题)。

大约在一万年以前,我们古人就开始栽培植物,驯化野生动物,在生产实践中,人们总是选个大品质好的个体来传种,这样通过长期选择,汰劣留良,就形成了品质好的优良个体。这种育种方法我们称之为“选择育种”,选择育种经历的周期长,可供选择的范围也是有限的。育种学家们又摸索出更好的育种方法———《杂交育种和诱变育种》(板书节标题)

现在我手头有两种材料,一种是高秆抗锈病的小麦,一种是矮秆不抗锈病的小麦,已知小麦的高秆D对矮秆d是显性,抗锈病T对易染锈病t是显性。假如你是袁隆平,如何培育出能稳定遗传的矮秆抗锈病的新品种?(找学生到黑板前面写出遗传图解,老师总结)

像这样的育种反思就叫做杂交育种,给出杂交育种的含义,方法(杂交—自交—选优—自交),学生归纳优点与不足。这种方法也可以用在培育家禽和家畜上(引导学生阅读教材),举出实例。杂交育种除了用于选育新品种之外,有的时候是利用的是它的“杂种优势”。分析我们当地大田种植的玉米,农民年年要购买种子,说明玉米种子是杂合子,利用的 就是杂种玉米籽粒饱满,长势整齐健壮,成熟期早的优点。还有家畜中的骡子也是利用的杂种优势,具有个体健壮,体力好,耐力好的马与驴兼之的优点。

杂交育种不能产生新的基因,只是原有的基因的重新组合,而且育种时间比较长,那么有没有更好的育种方法可以弥补这种缺陷呢?(引入诱变育种)

引导学生分析诱变育种的含义、方法、优点与缺点,其中物理诱变中提出用各种射线处理生物,联想到太空的环境,于是育种学家们利用太空资源成为了现实。从1987年开始,我们国家利用自己研制的返回式卫星和“神舟”号飞船先后进行了11次实验。其中“神舟六号”飞船载着两位英雄宇航员返航时,一批特殊的旅客也返回地球,那就是“生物菌种、作物组培苗、农作物和花卉种子”,科学家们还将对它们继续在大地上做试验。除了这些例子之外现实中你还知道哪些利用诱变育种的实例呢?(引导学生思考,举例太空椒,青霉素高产 菌株的培育)

本节课我们学习了杂交育种和诱变育种的方法,联系我们上节课学习了单倍体育种和多倍体育种,比较一下各有什么不同。(还是以上课时提出的两种实验材料为例,找同学说出如果利用单倍体育种,如何操作?找同学到黑板前面写出育种方案),诱变育种的方向,我们是无法控制的,那么有没有一种变异能按照我们的意愿改变呢,那就是基因工程育种,是下节课要学习的内容。

二、教后反思

杂交育种中的很多性状都是由基因控制的,学生理解有一定的难度,且在书写遗传图解的时候,很多学生由于第一章的基本功不扎实,暴露出各种各样的问题,因此,在教学过程中,灵活的处理,着重强调基本功,要求学生人人动手画,才能起到一定的作用。

微生物诱变育种技术 篇5

精讲点拨:

1.限制酶:具有专一性,即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并且在特定的位点上切割DNA分子。

限制酶作用部位是DNA分子上的磷酸二酯键,切割后露出两个碱基互补的黏性末端。

在转基因技术过程中,切割目的基因和切割运载体所用的是同一种限制酶。

2.DNA连接酶:把两个碱基互补的黏性末端链接起来,形成磷酸二酯键。

3.运载体:最常用的运载体是质粒。

4.目的基因的制备:可通过DNA合成仪用化学方法直接合成;也可以RNA为模板,在逆转录酶的作用下合成DNA。

5. 将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法和电击法等,其中最常用的是农杆菌转化法。将目的基因导入动物细胞的方法是显微注射法,常以受精卵作为受体细胞。

典型例题1:(2008年山东35改编)为扩大可耕地面积,增加粮食产量,黄河三角洲等盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐基因培育出了耐盐水稻新品系。

我国水稻辐射诱变育种现状 篇6

关键词:诱变育种,水稻,辐射

1927年,美国科学家H.J.Muller用X射线诱变果蝇基因,开启了世界范围内辐射诱变研究的热潮[1]。中国的辐射诱变育种研究始于1957年,虽比国外晚30年,但经过多年的努力,至2009年9月,以辐射诱变为主,与其他育种方法相结合,已累计育成新品种约802个,位居世界之首[2]。辐射诱变技术在培育新品种和创制种质新资源方面发挥了重要作用,其中以水稻的诱变成果最突出。

1 水稻辐射诱变育种现状

1.1 突变新品种及其应用

我国水稻诱变育种工作得到了快速发展,经过50多年的努力,已育成318个品种[3]。水稻突变品种的成功应用,有效促进了农业增产,创造了显著的经济效益。

突出的突变品种是1973年浙江省农业科学院培育的“原丰”水稻,生育期提前45天,产量比同期相同的其他品种增加1倍左右,成为当时的主栽品种[4]。1980年,浙江农业大学育成的“浙辐802”早籼品种,比“原丰早”增产9.2%~25.3%。此品种抗病、苗期耐寒,可作二熟制、三熟制、晚稻栽培应用,连续9年居全国常规水稻推广面积之首[5]。中国科学院等离子体研究所和安徽芜湖农业实用技术研究所培育的优质高产水稻新品种1139-3,可早晚两季直播,在生产上成功地进行示范。该品系的成功培育为水稻轻型栽培提供了新的途径,大大减轻了农民的劳动强度[6]。“杨稻6号”,“浙辐910”,“新稻12号”,“威优辐26”,“陆18S”[7,8,9,10]等众多诱变品种也在农业生产中发挥着重要作用。我国也以突出的诱变成绩获得了“亚太地区核农学牵头国”的美誉。

1.2 突变种质资源及其利用

辐射诱变技术在培育新品种方面发挥了重要作用,更重要的是诱变获得的特色多样的突变体丰富了种质资源。这些突变种质资源可被直接或间接培育成新品种,加快了育种速度,扩大了育种方向,其发展潜力不容小觑。

浙江大学原子核农业科学研究所经诱变获得粒色为红黑色的有色突变体RK1722-1和粒色为红褐色的有色突变体RK1722-2,丰富了色稻特色资源[11]。四川省原子能研究院选育的强恢复力水稻品种辐恢838,不仅适应性广,还为选育水稻新恢复系和新组合提供了良好的遗传基础,直接应用其组配出25个品种,间接应用其选育出12个品种。其中Ⅱ优838品种成为我国近年来主要的出口越南东南亚等国家的杂交水稻品种[12]。福建农林大学获得巨胚突变系,建立了巨胚杂交稻的育种体系,创制出常规育种手段不易获得的水稻巨胚不育系、糯性保持系和恢复系种质材料,培育出巨胚杂交稻和杂交糯稻品种,并应用于生产[13]。以上研究说明辐射诱变技术容易获得常规育种方法不易得到的有色稻、糯性保持系和恢复系等特色种质材料,可提高水稻对低温、高温和其他逆境的适应性。

1.3 突变基因资源及其用途

突变种质资源在诱变育种中的价值主要是由突变体所携带的优良基因所致。水稻是单子叶植物研究的模式植物,因此,其诱变新基因的定位、克隆、结构和功能方面的研究进展迅速,而诱变获得的优良基因已成为定向育种的重要资源。

江苏里下河地区农科所诱变育成的品种“扬稻6”是突出的优良品种,被间接利用培育出多个品种,还为水稻基因组学研究作出了重要贡献[14]。福建农林大学诱变获得的穗颈伸长新基因eui2,对从分子水平上了解eui基因的表达机理提供了帮助,培育包含该基因的水稻品系,解决了水稻制种中存在的穗颈不能正常伸长的问题[15]。湖北省农科院作物所诱变获得的水稻隐性化学致死基因bel和浙江大学核农学研究所获得的白化转绿型叶色突变基因gra,均被用于快速简便地鉴定杂交水稻种子的纯度,为生产放心种子提供了可靠的技术支撑[16]。

2 水稻辐射诱变育种特点

通过总结利用辐射技术诱变水稻的经验发现,经辐射处理的水稻细胞能发生染色体、基因及核外突变等多种突变,其中以基因突变为主[17]。水稻辐射诱变易获得耐肥抗倒的矮生性、早熟性、粒型、优质、产量和抗病等性状的突变[4]。

粳稻和籼稻对射线的敏感性有一定的差距,粳稻比籼稻敏感,推广品种比农家品种敏感[17];γ射线以30kR育成的品种数最多;在总照射剂量为一定时,照剂量率为86.5rad/min时矮秆和迟熟变异较多;辐照剂量率为86.5~461.7rad/min时早熟变异较多;辐照剂量率为188.9rad/min时变异谱最广[18]。

为进一步提高水稻的辐射诱变效率,用不同的诱变源复合处理水稻种子(如60CO-γ射线处理与Ar+、CO2、远红外等激光处理相结合[19],137Cs-γ射线与叠氮化钠相结合[20],空间搭载与60CO-γ射线处理相结合等),发现复合处理的辐射损伤远比γ射线单独处理的要轻,其诱变频率比单个诱变源处理的高。γ射线与空间诱变相结合的复合处理中出现了极少见的基因型变异,通过地面γ辐射敏感性来预测空间环境诱变敏感性,发现复合率仅为25%[21],说明不同诱变源具有不同的诱变机理。因此在诱变育种工作中,除结合以上经验有选择地育种之外,还应针对不同的诱变源系统研究其诱变机理。

3 展望与建议

辐射诱变育种技术的经济效益在核农技术领域最为显著。但是,随着科技体制的改革,核农技术正面临着滑坡,国家投入资金正在逐渐减少。因此,应鼓励、引导和支持企业对辐射诱变技术创新的资金投入,保证农业核技术的持续发展。同时,组织全国核农有关单位从事战略性和国际前沿课题的研究,承担我国核农学知识创新和关键技术产业化的任务。

微生物诱变育种技术 篇7

关键词:EMS;化学诱变;小麦育种;研究;应用

中图分类号: S512.103.52文献标志码: A文章编号:1002-1302(2014)09-0080-03

收稿日期:2013-11-20

基金项目:江苏省连云港市科技计划农业攻关(编号:CN1202、CG1128)。

作者简介:任立凯(1981—),男,江苏徐州人,副研究员,主要从事小麦育种工作。E-mail:renlikai@163.com。小麦EMS(ethyl methane sulfonste,中文名:甲基磺酸乙酯)诱变育种技术就是用EMS作为化学诱变剂处理小麦,诱发其遗传基因突变,使在短期内获得有利用价值的突变体,从而为种质创新、新品种培育及基因功能的研究等创造条件。小麦EMS诱变育种与常规育种相比,具有种质创新频率高、遗传变异谱宽、育种周期短等特性,有效弥补了小麦常规育种方法短时间难以获得新性状和新基因的不足,为丰富遗传背景、完整构建小麦种子资源库提供支持。

1EMS诱变育种机理及诱变效应

EMS是一种改变 DNA 结构的烷化剂。自1953年Kolmark首次研究报道双环氧烷可以有效诱导物种突变[1],烷化剂就广泛应用于作物的诱变育种,至今已走过60年的历程。烷化剂带有的活泼烷基能够转移到其他电子密度高的DNA分子上去,使碱基许多位置上增加了烷基,正是这种烷化作用改变了氢键的能力,导致DNA结构发生变化。烷化剂中的功能烷基并不是越多越好,烷基越多带来的毒性越大,可致供试材料死亡,因此,育种中常用含单功能基的EMS进行处理材料。EMS的烷化作用主要发生在 DNA鸟嘌呤(G)N-7位置上,烷基取代H离子后,使之成为1个带正电荷的季铵基团,并产生2种效应:一是烷化的鸟嘌呤与胸腺嘧啶配对,导致碱基替换,即G—C变为A—T,发生转换型的突变;二是鸟嘌呤的N7烷基活化为季铵基团,减弱了N9位上的N-糖苷键,致糖苷键断裂造成脱嘌呤。尽管大部分的无嘌呤位点都可以被无嘌呤内切酶系统所修复,但是有时复制在修复之前进行,脱去鸟嘌呤的DNA分子会在进一步复制时,原来的鸟嘌呤位置成了1个空位,其互补位置上的碱基就不受严格的配对限制,4种碱基都有机会进入,原来的G—C对可以变为任何碱基对如G—C、C—G、A—T、T—A,既有转换又有颠换,这种单一碱基对改变而形成的点突变是品种改良和退化特性恢复的价值所在。此外,EMS还可与核苷结构的磷酸发生反应,形成酯类而将核苷酸从磷酸与糖分子之间切断,产生染色体的缺失,从而造成置换现象。EMS所诱发的DNA结构上的变化,都可能促使不表达的基因或区段被激活,并让被掩盖的性状表现出来[2-3]。

EMS诱变频率与其他诱变剂相比,其诱变后产生的显性突变体相对较多,易于进行突变体筛选。另外,EMS化学诱变产生高频率的点突变,致使染色体畸变相对较少,生理损伤轻,在用于对诱变对象的某一特殊性状进行改良时,容易得到高产、优质的突变体。EMS诱变范围广,产生的突变体类型也相对更丰富[4]。

2小麦EMS诱变育种的研究进展

研究人员用EMS处理大麦种子成功获得突变体[5]后,就开启了EMS在小麦育种上应用的大幕,并经多年不懈探索,EMS诱变育种技术在小麦突变体筛选鉴定、种质改良创新等方面取得了很大进展。在国外,Kuraparthy等从构建EMS突变体库中筛选到控制分蘖的tin3基因,提高了小麦的有效分蘖[6]。Yasui等利用0.5% EMS乙醇溶液(乙醇濃度7%)诱变处理面包小麦cv.Kanto种子,在M2种子中发现了糯质小麦突变体,经过多代选择鉴定,在世界上首次育成了糯质普通小麦新品系K107wx1和K107wx2[7]。Bernd等用EMS诱导出1个小麦Ge2突变体[8]。Colbert等通过EMS创建了2 500 株普通软质小麦突变体库,并推算发现,每12 kb就会有一突变体产生,其创制的突变体库是目前报道突变频率最高的[9]。Slade等创建了普通小麦和硬粒小麦的突变体库,同时以小麦颗粒淀粉合成酶Ⅰ(granule bound starch synthase Ⅰ,GBSSⅠ)基因片段为引物,筛选出1 920个糯性基因小麦突变体,在此基础上,进一步将EMS化学诱变技术与定向诱导基因组局部突变技术(Targeting Induced Local Lesions IN Genomes,TILLING)相结合,从中再筛选到了246个等位基因,获得了更加丰富的遗传信息和有价值的突变个体,并育成糯性较好的小麦新品种[10-11]。

在国内,EMS诱变育种技术也取得显著进展。(1)在抗性诱变育种方面,张晓勤等利用EMS诱变获得了大麦抗叶锈病、早熟等突变体[12];陈洋等用EMS处理抗黄矮病的小麦-中间偃麦草易位系YW642种子,从M2中筛选出32类不同性状的突变体73株[13],为小麦抗黄矮病基因克隆和功能基因组学的进一步研究奠定了坚实的材料基础;姚秋燕等以EMS为诱变剂进行抗条锈Yr近等基因系筛选毒性变异,结果表明,弱毒性菌株CY17和强毒性菌株CY31为小种毒性突变的出发菌株,并证实毒性突变是小麦条锈病菌毒性变异的重要途径[14],这为小麦条锈菌致病基因和无毒基因的克隆创建了材料;沈银柱等以盐迫为选择压力,利用EMS诱发小麦花药愈伤组织获得耐盐再生植株,获得的耐盐变异株离开盐胁迫3代后经盐池鉴定,后代中有52.9%的品系达到一级耐盐,表现了一定的遗传稳定性,耐盐品系的结实率也逐渐得到恢复,达到92.4%[15];王瑾等用EMS对温麦6 号和周麦17的花药愈伤组织和幼胚愈伤组织进行处理,对EMS诱变处理后分化的224株再生植株,接种到PEG浓度为80 s/L的生根培养基中进行抗旱筛选,共得到13株抗旱植株,平均变异率为5.8%[16]。(2)在小麦EMS诱变材料的选择方面,其范围已从常用种子处理扩展到对花粉、分生组织、愈伤组织等的处理,这样使EMS诱变摆脱了植物生命周期的限制,提高了突变率。施巾帼等用0.3%~0.4%EMS处理冬小麦品种“农大139”授粉7~13 h的休眠合子,发现其M1损伤明显,M2代的有益突变频率达12.5%[17];许耀奎等用化学诱变剂EMS处理春小麦合子,发现合子总突变率为7.91%,比种子处理高405%,合子期处理的突变率是种子期处理的2倍多[18];周祉祯等用浸泡法处理春小麦合子,发现处理受精卵的突变率是处理种子的2.25倍[19];崔秋华等采用注射法以不同浓度EMS处理春小麦活体植株的幼穗,染色体畸变率和微核率明显提高,并发现EMS 在0.1%~0.2%浓度下,染色体畸变率高、出愈率低,高浓度EMS处理降低了出愈率[20];朴连恩等利用EMS处理小麦合子,进行小麦高蛋白突变体的诱发、筛选和鉴定研究,获得了比原品种蛋白质含量高3%~4%的突变体[21]。(3)在小麦种质改良创新、品种选育方面,赵天祥等利用EMS突变技术创建了小麦品种偃展4110的突变体库,并进行形态学分析和鉴定,获得了幼苗、叶、茎、穗及成熟期等生物学特性与主要农艺性状的变异体和突变体,特别是发现了自然突变中少见的变异类型,如株高在10~15 cm左右的特矮变异类型[22];蒋方山等以EMS处理获取小麦基部小穗不孕突变体材料,观察农艺性状与基部不孕小穗的关系,构建了饱和突变体基因库[23];薛芳等在高抗性淀粉诱变育种中以春小麦新春11为材料,筛选出7个抗性淀粉含量高且综合性状优良的M2突变家系[24];中国科学院石家庄农业现代化研究所利用EMS处理冬小麦品种,M1代变异率达到15.7%以上,获得9个早熟、矮秆突变系,比原品种增产2.8%~205%;徐艳花等通过EMS 诱变获得722份叶、茎、穗和其他性状发生变异的突变体,利用SDSPAGE 对突变体的高分子量麦谷蛋白亚基进行分析筛选,共发现有21个缺失不同类型亚基的突变体[25];施巾帼等利用0.3% EMS与200 Gy γ射线复合处理原东3号小麦品种,选育出了抗逆性和适应性强、落黄性好、对条锈与白粉病具有持久抗性、株高85 cm的矮原东3号;李劲松等利用EMS诱变育成了抗条锈、根腐病能力较强的面包型春小麦新品种甘春20号[26]。

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3小麦EMS诱变育种技术在连云港的应用

连云港市为黄淮海中强筋专用小麦生产优势区。近几年,通过与南京农业大学较深入的科研合作,开展了小麦EMS诱变育种技术应用研究,重点在3个方面取得了一些进展。

3.1利用EMS创建了连麦2号突变体库

用0.7%EMS磷酸缓冲液对自育主栽品种连麦2号种子进行诱变处理,对获得的 M2 代植株进行农艺性状表型筛选,获得802份叶、茎、穗和其他性状如育性、生育期、早衰等发生变异的突变体,其中,叶片性状突变151份、茎性状突变174份、穗部和籽粒性状突变197份、育性突变64份、生育期突变102份、早衰突变32份、落黄性突变28份、不抽穗突变47份、死亡突变7份,突变频率分别为1.83%、2.11%、2.39%、078%、1.24%、0.39%、0.34%、0.57%、0.08%。 为黄淮麦区初步构建了适合当地种植、突变基因丰富的连麦2号 EMS突变体库,为本地区小麦功能基因组研究和新品种选育提供了基础材料。

3.2EMS对小麦耐盐性诱发突变效果较好

从2007年至今,利用EMS诱变技术进行小麦抗盐突变体研究,并结合盐浓度梯度对M1、M2进行胁迫方法筛选,这种定向筛选方法对抗逆品种的筛选特别有效。目前,筛选出耐盐种质中间材料12份,这些材料均在不同程度上表现出优良的耐盐特性和较好的遗传配合力。其中,一些已直接纳入系圃进行系统选育,并已选到2个特异性突出的穗行,分别为耐盐早熟的M582-16和耐盐抗倒的M26-7-2;还有一些作为耐盐亲本中间材料参与构成新的常规组合,如用耐盐性强的中间材料M62-503组配了3个组合0765×M62-503、(0709×济22)×M62-503、5152×M62-503,在含盐045%的鉴定圃上盐害指数分别仅为0.21、0.34、0.28,其产量分别比亲本对照高6.9%、8.1%和9.7%,表现出了较好的综合抗逆特性。

3.3EMS对小麦粒重诱发突变效果明显

在黄淮海麦区小麦产量构成中,粒重是影响产量构成要素的短板。随着施肥水平的提高,小麦育种应以增加穗粒重为主攻方向。选用当地表现适应性强、综合性状良好的主栽品种烟农19和淮麦20,用0.5% EMS进行诱变,并对诱变后代粒重突变进行选择,取得了明显的选择效果。共选中突变系86份,千粒质量变幅为32.7~58.1 g,48 g以上8份,比原亲平均千粒质量45.2 g高2.8 g;穗粒增重0.33~0.73 g的有13份,增加5 g以上的有2份,其中,突变系M20l -7千粒质量 54 g,增加6.8 g,且綜合性状较好;突变体M301-07-4千粒质量达58 g,较原亲本增加12.8 g,主穗粒重增加 0.64 g,株高在 105 cm 左右,落黄好,是珍贵的大粒资源。

4展望

小麦EMS诱变育种可以创造新的种质资源,在小麦育种实践中发挥不可替代的作用,但是,应清楚认识到化学突变很多都是不定向的,有些突变会对诱变育种不利。有效添加选择压来控制诱变方向,实现定向诱变,进一步提高化学诱变的效率,并对突变后代各变异类型的发生频率及遗传规律进行高效分析,对提高突变体的利用效率和选择的准确性进行深层次的研究,这是EMS诱变育种努力的目标。

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