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1、第5讲多倍体与单倍体 本节主要内容：1.多倍体育种 2.单倍体育种 本节关键问题：多倍体形成的原理与方法知识回顾染色质（Chromatin）是指细胞分裂间期遗传物质的存在形式。染色体（Chromosome）是指细胞有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚成的棒状结构。染色质（Chromatin）和染色体（Chromosome）是同一物质在不同的细胞周期中不同的形态表现。几个基本概念1.染色体组（Chromosomeset/Genome）生物体配子的全部染色体称为一个染色体组。同一物种的染色体数目是相对稳定的。配子染色体为单倍体（Haploid），用n表示，称为一个染色体组。体细胞为二倍体（Dipl
2、oid）以2n表示。多数生物体是二倍体：体细胞中染色体是两两成对的。例如，果蝇有4对共8条染色体(如图)，这4对染色体可以分成两组，每一组中包括3条常染色体和1条性染色体。 2.整倍体（euploid）体细胞内含有完整的染色体组的类型为整倍体。以小麦属为例。多个种的配子染色体数（n）都是以7个染色体为基数变化的。普通小麦 n=21，2n=42是7的六倍 3.非整倍体（aneuploid）体细胞内的染色体数目不是染色体组的完整倍数的称为非整倍体。多或少一个以至若干个染色体。4.染色体变异：染色体变异可体现在染色体数目和结构两个方面。 染色体数目能以个体或以染色体组为单位的增加或减少。 染色体组数
3、量改变：成倍性增减。 个体改变：一个细胞中的染色体数和正常二倍体的染色体数相比，出现了不规则的增多或减少，即为非整倍体畸变5.染色体工程 按照一定的设计，有计划地消减、添加或代换同种或异种染色体，从而达到定向改变遗传性和选育新品种的目的的技术。 广义上讲它还应包括染色体内部的部分遗传操作技术，因此也称为染色体操作。第一部分 多倍体多倍体（polyploid）：是指个体细胞中含有超过正常染色体组数的个体。是由Winkler于1916首先使用的。同源多倍体（autopolyploid）：多倍体的染色体来自于同一物种或在原有染色组的基础上加倍而成。异源多倍体（allopolyploid）：多倍体的染
4、色体来自于不同一物种。自然界中存在的多倍体大多是异源多倍体。常见多倍体有三、四、五、六和八倍体。在被子植物中，至少有1/3的物种是多倍体。例如，普通小麦、棉花、烟草、苹果、梨、菊、水仙等都是多倍体 。马铃薯是四倍体，普通小麦是六倍体 。二 特点（1）形态上的巨大性（2）优良性状：光合效率提高、生长速度快、营养成分提高等。（3）抗病能力强：在对逆境的耐抗性方面会得到增强。（4）多倍体高度不育 三倍体桑树：表现为体细胞较大、叶肉厚、叶色深、叶质较好、抗寒性增强。 花卉：三倍体花器官增大、色彩更鲜艳，同时还能使花期延迟，大大提高了花卉的观赏价值和商业价值。 三倍体鲍鱼：具有高度不育性，因而使体细胞生
5、长方面的能量相对增加，增强了鲍鱼的抗逆性和抗病能力，提高了生长速度。此外，还可以延长鱼类寿命、控制过度繁殖。 减数分裂时同源染色体联会（synapsis，同源染色体配对）时发生紊乱，很难将完整的一套染色体分配到一个配子中去。几率是（1/2）n-1，这里n是一个染色体组中的染色体个数。如果是6对以上染色体，三倍体几乎全部不育。三倍体高度不育好处？ 食用方便：三倍体的西瓜因为很少产生有功能的生殖细胞，所以没有种子，无籽西瓜。食用方便，且含糖量高。利用的是三倍体高度不育性： 生物安全：可以户外人工种植或养殖，与正常品种一起。 其他优良性状：巨大、花期长等。三倍体的杜鹃花因为不育，所以开花时间特别长。
6、抗逆、生长快、寿命长等植物多倍体现象普遍，多为异源多倍体。Grant(1971)估计，多倍体的频率：被子植物中占47，其中双子叶植物占43，单子叶植物占57，禾本科植物大约有2/3是多倍体。在裸子植物中占38，在松柏科植物中仅占1.5，在蕨类植物中占95。动物多倍体少，并多为同源多倍体。例如：甲壳类中的一种丰年鱼为四倍体；线形动物中的马蛔虫为同源四倍体(4n=4)；昆虫（孤雌生殖）：双翅目毛蠓科有三倍体的毛蠓；膜翅目的叶蜂科有四倍体的雌蜂。问题：为什么动物的多倍体比植物少？植物：（1）大多数植物是雌雄同体或雌雄同花的，它们的精原细胞和卵原细胞可能同时发生不正常的减数分裂，使配子中染色体数目不减
7、半，这种配子通过自体受精而自然形成了多倍体。（2）植物的繁殖比较容易，如果多倍体植物不能形成种子，它还能依靠营养器官的无性繁殖来产生后代，因此在生物进化过程中，植物多倍体有可能被保存下来。动物：（1）高等动物的远源杂交能力很弱，这样难以形成杂种个体。（2）多倍体动物高度不育，染色体异常通常会造成胚胎死亡，因此很难得到多倍体的子代个体。三 多倍体产生原理与诱导方法 1.植物多倍体 （1）产生原理 主要是体细胞在有丝分裂的过程中，染色体完成了复制，但是细胞受到外界环境条件(如温度骤变)或生物内部因素的干扰，纺锤体的形成受到破坏，以致染色体不能被拉向两极，细胞也不能分裂成两个子细胞，于是就形成染色体
8、数目加倍的细胞。（2）诱导方法A 化学方法细胞松弛素B：能抑制肌动蛋白聚合成微丝，从而抑制细胞分裂。秋水仙素：分子式为C22H25O612H2O，是从一种百合科秋水仙属植物器官中提取的一种生物碱。能特异性地与细胞中的微管蛋白质分子结合，从而使正在分裂的细胞中的纺锤丝合成受阻，导致复制后的染色体无法向细胞两极移动，最终形成染色体加倍的核。细胞可以在药剂去除后恢复正常分裂。秋水仙素处理方法 处理部位：只有处理正在分裂的细胞才能获得多倍体。通常以植物茎端分生组织或发育期的幼胚为材料。 处理方式：秋水仙素一般用水溶液，选择以下处理方法：浸渍法、涂抹法、棉花球滴渍法、喷雾法、注射法、药剂培养基法等。 药
9、剂浓度：不同植物对秋水仙素的敏感性不同。实践证明，秋水仙素的有效浓度一般在0.01-0.4%，以0.2%左右的浓度最为常用。 处理时间：一般不少于24小时。浓度高时处理时间可相应短些。 处理温度：一般在18-25之间。B 生物方法生物学方法主要指体细胞杂交，利用染色体加倍个体与未加倍个体杂交繁殖多倍体后代，经常与化学与物理方法结合使用。异源多倍体培育：小黑麦，它是由小麦（6 （6n=42，AABBDD）和黑麦（2n=14，RR）杂交而成的。普通小麦的染色组是ABD，黑麦的染色体组是R，最后获得的杂种的染色体组是ABDR。异源多倍体（21+7）子一代不育，但只要将它的染色体加倍(42+14)，这
10、样就能顺利地进行减数分裂而形成正常的雌雄配子，变为可育。培育出的八倍体小黑麦形态上像小麦，但穗子、籽粒显著大于小麦，同时能抗寒冷、干旱、贫瘠等不良条件，在高寒地区和盐碱地区具有一般小麦不具有的优势，而且增产效果较明显，营养价值（如蛋白质）也有了较大改善。2 动物多倍体 （1）产生原理：染色体的加倍可以通过保留受精卵第二极体即抑制卵子的第二次成熟分裂或抑制受精卵的第一次卵裂来实现。（2）诱导方法A 物理方法机制主要是通过破坏微管形成，使由微管蛋白聚合成的微管解体或阻止微管的聚合过程，使染色体失去移动的动力，人为抑制染色体向两极移动，形成多倍体细胞。（1）温度休克法：即用略高于或略低于致死温度的冷
11、或热休克来诱导三倍体(抑制第二极体排放)或四倍体(抑制第一次卵裂)的方法。根据处理温度的高低分为热休克法和冷休克法。一般冷水性鱼类如蛙科鱼类，宜用热休克，温度范围为28 -36;温水性鱼类宜用冷休克，温度范围为0左右。 通过温度调控技术诱导多倍体是物理方法中简便而效果佳的方法之一。（2）水静压法：采用较高的水静压（如65kg/cm2）可抑制卵母细胞第二极体的释放或者抑制第一次卵裂诱导产生多倍体的方法。静水压处理破坏了有丝分裂器中的纺锤丝即纺锤体和星体，从而暂时阻断了有丝分裂的进程。该方法易于掌握，处理程序易于标准化，诱导率较高。但需专门的设备如水压机等，同时样品室容量有限，不适宜大规模生产。此
12、外，静水压处理还使染色体发生了不同程度的凝缩，导致染色体在后来的发育过程中呈现不同的变化。静水压处理不当还可能使受精卵的结构发生某些物理和化学变化，得到的子代不可避免地产生轻微的染色体畸变造成发育受阻。由于上述原因加上处理时对设备的要求生产中应用较少。B 化学法细胞松弛素诱导法：细胞松弛素B(CB)导致极体的保留是通过阻止卵子微丝环的收缩和极体的分离来实现的。CB处理比其他物理方法如温度、水压等能更有效地诱导三倍体的形成。6-甲氨基嘌呤诱导法： 6DMAP 是一种蛋白激素酶抑制剂。当6DMAP 与微管蛋白二聚体结合以后对微管正常的结构和功能起到了抗有丝分裂的作用，因此可以产生三倍体。除了有效的
13、抑制受精卵的染色体分离和原核的移动，6DMAP会造成染色质分散从而使极体排放受阻诱导出三倍体。C 生物法：瑞齐（Rasch）等于1965首先证明了三倍体脊椎动物可通过四倍体个体与二倍体个体杂交产生。四多倍体倍性的鉴定人工诱导不能百分之百地成功诱导出多倍体，处理过的群体可能是由多倍体、二倍体甚至是多倍体与二倍体构成的嵌合体等混合群体，所以需要鉴定染色体的倍性，从中筛选出需要的多倍体。常用的多倍体倍性鉴定鉴定方法有用间接法（如核体积测量、形态学检查等）和直接法（如染色体计数以及DNA含量测定等）两类。（1）核体积测量法：一般而言，细胞核大小与染色体数目成比例，为了维持恒定的核质比例，随着细胞核的增
14、大，细胞大小也按比例增加。因此多倍体细胞及细胞核通常要比二倍体大一些。因此，通过体细胞核体积的测定可以鉴定染色体的倍性。缺点是比较费时、准确性不高。（2）染色体计数法：将细胞固定制片、染色后观察染色体个数。由于染色体制片技术比较成熟，因此该方法仍是目前鉴定多倍体倍性的一种直观、准确的方法，缺点是比较费时。（3）DNA含量测定：细胞DNA含量测定是倍性鉴定的另一个比较有效的直接鉴定方法。可以测定单个细胞的DNA含量，再根据细胞DNA比较来推断出细胞的倍性。如果发现杂种的DNA含量是其亲本的一倍半，就可以确定这些杂种是三倍体。DNA含量测定法快速准确，能测出嵌合体，但是缺点是需要专门仪器。五 三倍
15、体培育应用举例举例1：三倍体西瓜培育同源多倍体代表性的例子无籽西瓜的果实由于没有籽、品质好、食用方便、高产抗病、耐贮运等优点而深受欢迎。原理普通西瓜为二倍体植物，即体内有2组染色体（2n22）。三倍体（3n=33）减数分裂联会时期会发生紊乱，所以它本身是高度不育，一般没有种子。如用秋水仙素(一种植物碱)处理二倍体西瓜的种子或幼苗，使其在细胞分裂的中期，阻碍纺锤丝和初生壁的生成，使已经复制的染色体组不能分向两极，并在中间形成次生壁。结果就形成了染色体组加倍的细胞，使普通二倍体西瓜染色体组加倍而得到四倍体西瓜植株。然后与二倍体西瓜植株 (作为父本)杂交，从而得到三倍体种子。三倍体的种子发育成的三倍
16、体植株，由于减数过程中，同源染色体的联会紊乱，不能形成正常的生殖细胞。再用普通西瓜二倍体的成熟花粉刺激三倍体植株花的子房而成为三倍体果实，因其胚珠不能发育成种子，因而称为三倍体无籽西瓜。原理子房发育成果实，胚珠发育为种子。在子房发育成为果实的过程中，需要一定量的生长素。生长素在植物体内的合成部位是叶原基、嫩叶和发育中的种子。在二倍体西瓜的花粉中，除含有少量的生长素外，同样也含有使色氨酸转变成生长素（吲哚乙酸）的酶系。三倍体无籽西瓜因为不形成种子，所以缺乏由幼嫩种子产生的生长素，所以要刺激子房发育成果实，就要授以成熟的花粉。把三倍体和二倍体相间种植，以保证有足够的二倍体植株的花粉传到三倍体植株的
17、雌花上去，提供生长素。步骤（1）四倍体母本的获得：用 0.20.4的秋水仙素液体将二倍体普通西瓜的种子浸泡1224小时，或在每天下午67点钟用 0.20.4的秋水仙素液体滴在其幼苗茎尖生长点上，连续进行四天。令二倍体西瓜植株细胞染色体成为 4倍体（4n44），这种4倍体西瓜能正常开花结果，种子能正常萌发成长。(2）处理后的种子或幼苗，要用清水洗干净。处理及缓苗期间，应将植株置于散光下，以免日光直接照射，致使秋水仙素分解破坏。同时亦切忌高温，因为在高温情况下，秋水仙素对植物的毒性增强，容易造成死苗。因此，在成活前应给予良好的栽培条件和精心管理。（3）多倍体的鉴定：（3）多倍体的鉴定：用秋水仙素溶
18、液处理后，应注意观察多倍体植株。若形成多倍体，它萌芽的肥厚度明显增加，幼根尖端发生膨大现象；考察植株的体型，多倍体具有体型较大的特点。如叶片较大，根茎变粗，花、果实、种子都较大，茎叶组织比较粗糙，颜色深绿，有时有皱缩现象；四倍体叶面的气孔较大，单位面积气孔数目相对减少，花粉粒较二倍体的花粉粒大一倍以上；为了鉴定的准确起见，尚须直接在显微镜下检查染色体数目是否已经加倍(普通二倍体西瓜 瓜2n=22，四倍体西瓜4n= 44)。 （4）三倍体西瓜制种：用四倍体西瓜作母本，授以二倍体的花粉粒，结出三倍体的西瓜种子(存在于四倍体的子房发育成的西瓜中)。 小面积制种，按照西瓜开花习性，在每天下午按时套袋(
19、防止自由传粉)。第二天早晨进行人工授粉，同时挂上标记。大面积制种时则需要分区隔离，按一定比例培植四倍体母本和二倍体父本的植株，且要及时为母本去雄使四倍体植株接受二倍体父本植株的花粉，以产生三倍体种子备用。 （5）在第二年，将三倍体种子与二倍体种子间种，自然或用人工的方法，让二倍体花粉刺激三倍体植株的子房发育成西瓜，即成三倍体无籽西瓜。 在大田生产中三倍体种子也可以不与二倍体种子间种，而是只种三倍体种子。在其植株开花期间，用低浓度 度2.4-D(2-4-二氯苯氧乙酸)喷洒在花蕾上，使子房发育成无籽西瓜果实。 第一年得到的西瓜应是四倍体西瓜，其中的种子是三倍体的。确切地说，该种子的胚是三倍体的，而
20、种皮则是四倍体的(该种皮由四倍体的珠被发育而成)。 第二年得到的西瓜才是三倍体西瓜，其内无籽确切地说是只有种皮(三倍体的胚珠发育而成) 而无胚(授粉不受精，不能形成受精卵，因而无胚）。第二部分 单倍体单倍体：细胞中含有正常体细胞的一半染色体数，即具有配子染色体数目的个体。思考题：单倍体是不是就是一倍体？ 水稻是二倍体,其单倍体是一倍体(n=x=12) 普通烟草是异源四倍体，单倍体是二倍体（n=2x=Ts=24） 普通小麦是异源六倍体 单倍体是三倍体（n=3x=ABD=21）二 特点二倍体杂合植物两套染色体：显性基因（dominant gene）：控制显性性状发育的基因。在二倍体生物中，杂合状态
21、下能在表型中得到表现的基因。隐性基因：支配隐性性状的基因。在二倍体的生物中，在纯合状态时能在表型上显示出来，但在杂合状态时就不能显示出来的基因。由于单倍体只具有一套染色体，染色体上的每个基因都能表现相应的性状，所以极易发现所产生的突变，尤其是隐性突变，所以单倍体是进行染色体遗传分析的理想实验材料。由于通过人工方法使单倍体的染色体加倍就可以获得纯合二倍体，因此在育种上具有极高价值。单倍体是否也高度不育呢？ 由配子产生的个体高度不育，原因是配子中的染色体减数分裂时随机向两极移动,只有到达一极的染色体完全时 配子才是可育的。 在减数第一次分裂的中期，它们的染色体都是单价体，没有可以配对的同源染色体，
22、是被随机的分向两极，每一条染色体分到这一极或那一极的机会都是12 (n-1)，例如：对于一组的12条染色体都分到一极的机会是 11024，可见单倍体是高度不育的。三单倍体产生原理与方法 假受精：远缘花粉刺激未受精卵细胞分裂发育成单倍性的胚。 组织培养：花药、花粉（雄配子）、未授粉的子房胚珠（雌配子）的培养。 雄核发育(Androgenesis)或孤雄生殖：卵细胞不受精，卵核消失，或卵细胞受精前失活，由精核在卵细胞内单独发育成单倍体，因此只含有一套雄配子染色体。这类单倍体的发生频率很低。 雌核发育(Gynogenesis)或孤雌生殖：精核进入卵细胞后未与卵核融合而退化，卵核未经受精而单独发育成单
23、倍体。四植物单倍体与纯合二倍体花药和花粉培养（Anther and pollenpulture）指离体培养花药和花粉，形成花粉植株，从中鉴定出单倍体植株并使之二倍化的细胞工程技术。由于花粉（雄配子，n）的染色体只有体细胞的一半，因此获得的植株是单倍性的。1.利于得到纯合体单倍体加倍、后代形状一致，利于加快纯合的二倍体的筛选时间。2.直接从杂交的优良品系的花粉培养筛选，减少优良品系筛选时间 3.利于筛选隐性突变体，提高诱变效率4.利于获得优良植株：例如：芦笋是一种耐寒多年生蔬菜，属于百合科。提供了丰富的碳水化合物，维生素A，核黄素，烟酸，维生素B1，磷。芦笋雌雄异株植物，XX、XY。雄株生长旺盛
24、，枝叶茂密，发茎数多，品质好，产量高，雌株枝叶稀疏，发茎数少，产量低。因此培育全雄系成为芦笋育种的首选方向。利用花药培养可以很快获得雄性（YY）芦笋。举例2：花药培养生成单倍体加倍小麦的过程花粉的获得：剪下小麦穗子。花药制备与培养：剪掉叶子，只留叶鞘，将穗子插入有水的烧杯，放在4冰箱预先处理3-5天。然后用70%的乙醇擦拭叶鞘，在无菌条件下剥取花药，接种于适当的培养基中，25-28条件下培养。愈伤组织诱导与增殖培养：当愈伤组织长到1.5-2.0 0毫米时转移到含奈乙酸、蔗糖等成分的培养基上，于25、光照条件下培养。移栽：当愈伤组织长出根系后，把苗从培养基中取出，移栽于土壤中。染色体加倍获得二倍
25、体：当花粉植物处于分蘖盛期时，从土壤中取出植株， 入0.02% 秋水仙素溶液中，于10-15下、散射光照处理2-4天，洗去药液，栽入土中。筛选得到二倍体小麦。自然界的单倍体动物单倍体动物：例如雄性的蜜蜂和蚂蚁雄蜂：较雌性小，专司交配，交配后即死亡。由经减数分裂的未受精卵单性发育出来。属于单性生殖的孤雌生殖。蜂王（雌蜂）：专营产卵生殖；正常有性生殖获得的个体。工蜂：是生殖器发育不全的雌蜂，专司筑巢、采集食料、哺育幼虫、清理巢室和调节巢湿等。雄蚁：或称父蚁。有发达的生殖器官和外生殖器，主要职能是与蚁后交配。蚁后：有生殖能力的雌性，或称母蚁，主要职责是产卵、繁殖后代和统管这个群体大家庭。工蚁：又称职
26、蚁。数量最多。兵蚁：保卫群体。8、每天早上醒来，你荷包里的最大资产是24个小时你生命宇宙中尚未制造的材料。11. 如果寒暄只是打个招呼就了事的话，那与猴子的呼叫声有什么不同呢?事实上，正确的寒暄必须在短短一句话中明显地表露出你他的关怀。9. 岩石下的小草教我们坚强，峭壁上的野百合教我们执著，山顶上的松树教我们拼搏风雨，严寒中的腊梅教我们笑迎冰雪。15. 不要轻易用过去来衡量生活的幸与不幸!每个人的生命都是可以绽放美丽，只要你珍惜。11. 失去金钱的人损失甚少，失去健康的人损失极多，失去勇气的人损失一切。9、伟大的事业不是靠力气、速度和身体的敏捷完成的，而是靠性格、意志和知识的力量完成的。8.
27、不要问别人为你做了什么，而要问你为别人做了什么。20. 当乌云布满天空时，悲观的人看到的是“黑云压城城欲摧”，乐观的人看到的是“甲光向日金鳞开”。无论处在什么厄运中，只要保持乐观的心态，总能找到这样奇特的草莓。13. 要无条件自信，即使在做错的时候。14. 投资知识是明智的，投资网络中的知识就更加明智。5、当你感到悲哀痛苦时，最好是去学些什么东西。学习会使你永远立于不败之地。13. 有志者事竟成。5. 人一般的时候眼睛是黑的，心是红的。可当眼睛的红的时候心就黑了。4. 既不懈的追求生活，又不敢奢望生活过多的报酬和宠爱，而是理智而清醒的面对着现实。2. 很多时候，生活不会是一副完美的样子，能完美
28、的不是人生，想完美的是人心。但平凡的人有平凡的心，拥有平凡的渴望和平凡的心情，用平凡淡然拼凑永恒的日子。真实而简单的活着，才是最真，最美，最快乐的事情。3. 美的东西不一定伟大，伟大的东西总是美的。14. 投资知识是明智的，投资网络中的知识就更加明智。3. 母爱是一缕阳光，让你的心灵即便在寒冷的冬天也能感受到温暖如春;母爱是一泓清泉，让你的情感即使蒙上岁月的风尘仍然清澈澄净。5、每一个人都拥有生命，但并非每个人都懂得生命，乃至于珍惜生命。不了解生命的人，生命对他来说，是一种惩罚。13. 别人可以违背因果，别人可以害我们，打我们，毁谤我们。可是我们不能因此而憎恨别人，为什么?我们一定要保有一颗完整的本性和一颗清净的心。1. 成功呈概率分布，关键是你能不能坚持到成功开始呈现的那一刻。12. 书本也是好老师，活用才能成功。