第11章 诱变育种一、*诱变育种的概念二、*诱变育种的意义和特点三、辐射育种1、诱变源种类及剂量测量2、辐射诱变的作用机理3、*辐射诱变的方法4、辐射育种程序四、化学诱变育种1、*化学诱变育种概念2、化学诱变的特点3、化学诱变源的种类4、化学诱变方法五、多倍体育种1、*多倍体育种相关概念2、多倍体的特点3、多倍体的意义第12章 细胞育种一、*细胞育种概念与意义二、植物细胞工程及其基本技术三、植物离体培养技术在育种中的应用四、体细胞无性系变异和突变体筛选利用1、植物体细胞无性系变异的概念2、植物体细胞无性系变异的机理3、*变异的影响因素五、植物体细胞突变体的育种应用六、原生质体培养与体细胞杂交1、原生质体培养和体细胞杂交的应用2、*原生质体融合的种类和方式七、单倍体育种1、单倍体概念2、*单倍体在育种上的重要性3、人工诱导单倍体的方法4、单倍体植株的染色体加倍第13章 分子育种一、转基因育种1、植物转基因技术的概念2、植物转基因育种的特点3、植物转基因技术的步骤和方法二、基因编辑育种1、基因编辑的概念2、基因编辑的原理3、基因编辑技术种类4、基因编辑在作物育种的应用5、基因编辑的优势及在作物育种中的应用挑战三、分子设计育种1、产生背景2、概念提出3、技术体系4、理论基础
第11章 诱变育种
一、*诱变育种的概念
利用物理和化学等因素诱发作物产生遗传变异，在短时间内获得有利用价值的突变体，经过选择和鉴定，直接或间接地育成新品种的育种途径。
二、*诱变育种的意义和特点
1、提高突变频率、扩大变异谱、创造新类型
变异频率高、变异类型多、变异范围广。
2、适于改良品种的个别性状
诱变处理容易诱发点突变。
3、处理简单、缩短育种年限
果树最明显。童期：实生数从种子萌发到具有开花潜能之前，采取任何措施都不能诱导开花的发育时期。
4、变异方向和性质不易控制
5、与其它育种方法结合使用可以发挥巨大作用
- 与杂交育种结合：常规育种预见性较强，诱变育种随机性较大，但可以创造农作物新性状、新类型
- 与远缘杂交结合：诱变处理花粉克服远缘杂交不亲和性。
- 与离体培养结合：通过诱变处理增加离体培养中的变异；短时间内能分离突变的体细胞。
三、辐射育种
1、诱变源种类及剂量测量
（1）诱变源：电离辐射（X射线等）、非电离辐射（紫外线等）
（2）剂量测量：放射性强度、照射量、吸收剂量
- 放射性强度：某一特定能态的放射性核在单位时间内的衰变数。
- 照射量：离放射源一定距离的物质受照射线的多少。
- 吸收剂量：受照物质在特定体积内，单位质量物质吸收的辐射能量。
2、辐射诱变的作用机理
（1）作用过程：物理阶段：直接电离、激发作用、刺激电离；化学阶段；生物阶段
（2）遗传效应：遗传分子结构改变（基因突变）、染色体畸变、染色体数量变化
3、*辐射诱变的方法
（1）照射方法：外照射、内照射、间接照射、快照射与慢照射
（2）*适宜计量的确定
致死剂量（LD100）：超过一定限度就会导致处理材料全部死亡的剂量。
半致死剂量（LD50）：照射种子或植物的某一器官成活率占50%的剂量。
临界剂量：照射种子或植物的某一器官成活率占40%的剂量。
实践中大多以临界剂量作为选择适宜剂量的标准。
4、辐射育种程序
（1）处理材料（原始材料及处理器官）的选择
（2）突变世代的划分
（3）分离世代群体数量的估计
（4）突变体的鉴定和选择
（5）基本程序
四、化学诱变育种
1、*化学诱变育种概念
采用化学诱变剂处理一定的植物材料，以诱发植物遗传物质的突变，进而引起特征、特性的变异，然后根据育种目标，对这些变异进行鉴定、培育和选择，育成新品种。
化学诱变剂：能与生物体的遗传物质发生作用，改变其结构，使后代产生变异的化学物质
2、化学诱变的特点
- 使用经济方便（少量的试剂和简易的设备就能完成）
- 有一定的专一性（不同药剂对植物的诱变效果不同）
- 化学诱变与辐射诱变的突变谱很不相同
- 辐射诱变主要是染色体结构变异；
- 化学诱变更多是基因点突变，几乎不产生染色体畸变。
- 诱变机制不同
- 辐射诱变靠高能量；化学诱变则是靠化学特性与生化反应；
- 辐射诱变的作用效果是即时的；化学诱变是“迟发突变”。
3、化学诱变源的种类
- 烷化剂
- 核酸碱基类似物
- 其他诱变剂：亚硝酸、叠氮化物
4、化学诱变方法
- 浸渍法
- 注入法
- 涂抹法和滴液法
- 熏蒸法
五、多倍体育种
1、*多倍体育种相关概念
- 多倍体：细胞内含有三个以上染色体组。芥菜是异源四倍体。
- 同源多倍体：多倍体所包含的染色体组来源相同。
- 异源多倍体：以远缘杂种为对象的染色体的加倍，包含的染色体组来源不同，因而为异源多倍体。
- 多倍体育种：根据育种目标要求，采用染色体加倍的方法选育作物新品种的途径。
2、多倍体的特点
- 巨大性
- 大多为无性繁殖，多年生
- 育性发生变化
- 生理生化变化
- 抗逆性和适应性
- 遗传变异性
3、多倍体的意义
- 产生同源多倍体（三倍体无籽西瓜）
- 克服远缘杂交困难：异源多倍体高度可育
- 作为不同倍性物种间杂交的桥梁
第12章 细胞育种
一、*细胞育种概念与意义
借助细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学等理论和技术手段，通过类似于工程学的步骤，以植物细胞为基本单位，在细胞水平上对植物进行遗传操作，重组细胞结构和内含物，使细胞的某些生物学性状发生改变，从而改良品种甚至创造新物种的过程。
- 利用离体培养中产生的细胞无性系变异分离筛选具有重要价值的突变体。
- 将不同植物的原生质体相互融合形成杂种细胞，经过人工培养诱导杂种细胞分化形成植株，以克服有性杂交中的某些障碍。
- 利用不同倍性的组织、器官进行离体培养获得单倍体或多倍体，或者对染色体进行加倍获得多倍体植物。
二、植物细胞工程及其基本技术
三、植物离体培养技术在育种中的应用
1、扩大变异范围
植物组织细胞培养物及其再生植株并非是遗传上同一的。体细胞无性系变异的变异谱以及随机性是相当广的。
比如有染色体变异、点突变、DNA序列扩增、缺失和转座、线粒体和叶绿体基因组的改变等等。
2、克服远缘杂交的一些障碍
自然条件下远缘杂交获得杂种植株存在各种困难，利用胚珠和子房培养进行试管授粉和受精，可以克服由于柱头和花柱等障碍所造成的杂交不亲和；
许多远缘杂交的失败，往往是由于胚的早期败育所致，比如在无菌条件下进行幼胚剥离和人工培养，使其继续发育，便有可能获得真正的杂种。
3、获得体细胞杂种
部分克服远缘杂交种之间的障碍，获得体细胞杂种，实现广泛杂交，对于以无性繁殖为主的园艺作物更有意义。
原生质体非对称融合已经被提倡作为转移细胞质遗传性状（比如雄性不育）的方法
产生添加系或者替代系：培养过程中有可能使一个染色体组的多数染色体优先淘汰。
4、倍性控制
通过植物的胚胎、器官及细胞培养，可以实现对再生植株的倍性控制。
胚乳培养：三倍体；
花粉或花药培养：单倍体；
染色体加倍：多倍体。
5、突变诱导和离体培养
6、加速亲本材料纯化
比如花粉花药培养。
7、快速无性繁殖
8、获得脱毒苗
9、种质资源试管保存
10、作为基因转化或编辑的受体系统
四、体细胞无性系变异和突变体筛选利用
1、植物体细胞无性系变异的概念
植物体细胞无性系变异：又称植物体细胞克隆变异，泛指在植物细胞、组织和器官培养过程中，培养细胞和再生植株中产生的遗传变异或者表观遗传变异。
2、植物体细胞无性系变异的机理
（1）变异原因：体细胞本身存在异质性；离体培养过程中产生了变异细胞
（2）分子基础：核基因组和细胞质基因组的改变。包括染色体变异、点突变、基因拷贝数变化、转座因子激活、表观遗传变化
3、*变异的影响因素
（1）外植体来源：叶、根、细胞、原生质体变异大；腋芽、茎尖、分生组织变异小。
（2）再生途径
- 直接成苗
- 间接成苗：染色体变异的几率增加
（3）培养周期和继代次数
离体培养时间越长、体细胞变异发生的频率越大。
愈伤组织继代次数越多，再生植株发生染色体组倍性变异的频率越高；
每一次继代培养时间越久，变异发生的概率越大，尤其是细胞悬浮培养和愈伤组织培养时。
（4）培养环境
主要通过影响细胞周期诱发体细胞变异。
离体培养环境的不恰当控制会导致细胞分裂顺序打乱，导致染色体断裂。
离体培养中影响细胞周期调控的因素：温度、光照、培养基成分（盐/渗透压、生长调节因子）。
特定浓度的某些生长调节因子，或者与其它调节因子联合使用可以成为离体培养中的诱变剂。
（5）基因型
五、植物体细胞突变体的育种应用
体细胞无性系变异绝大多数可遗传，通过离体培养产生可遗传的变异，对植物品种改良和新品种选育具有重要的意义。
优势：
- 比其它遗传操作技术更经济、更方便；
- 已经在很多植物中建立了离体培养体系，但尚未建立体细胞杂交和转基因等其他技术体系；
- 无需鉴定遗传位点，也不需要克隆基因；
- 离体培养可以产生众多不同的变异，可以从基因组的不同位置产生；
- 如果突变是从细胞培养中获得的，不会产生嵌合表达。
特别适用于：
- 童期长的多年生果树；
- 自交衰退的种类；
- 自交或杂交不亲和的种类；
- 遗传基础狭窄的种类、尤其是观赏植物。
突变体应符合的条件：
- 去除选择压后，虽然经过较长时间的培养，突变体仍然是稳定的；
- 再生植株后，突变体仍然能保持其性状的稳定性；
- 突变的性状能够通过有性生殖传递给后代。
六、原生质体培养与体细胞杂交
1、原生质体培养和体细胞杂交的应用
原生质体融合：也称体细胞杂交，使不同植物的原生质体相互融合形成杂种细胞，再经过人工培养诱导杂种细胞分化形成植株。
2、*原生质体融合的种类和方式
（1）原生质体融合的种类：自发融合（同一植物组织相邻原生质体、应用价值不大）、诱导融合
（2）融合方式：
- 对称融合：两个完整的细胞原生质体融合；
- 非对称融合：对其中一方原生质体进行处理，使其细胞核部分或全部钝化；获得非对称杂种，两亲本对杂种细胞的遗传组成贡献是不对等的。
- 供-受体融合：获得具有亲本之一的细胞核和另一亲本的细胞质的杂合体。
七、单倍体育种
1、单倍体概念
单倍体：细胞内含有该物种配子染色体数目（n）
- 对于大多数二倍体植物而言，其单倍体只含有一个染色体组，即一倍体。
- 如果原始亲本是一个多倍体，那么由此形成的单倍体就不只含有一个染色体组，而是孢子体染色体数的一半。
- 单倍体不完全等于一倍体，严格来说是“半倍体”
2、*单倍体在育种上的重要性
- 获得纯合二倍体：快速获得自交系，大幅缩短育种年限。
- 加速育种进程：单倍体基因型完全可以由表型反映出来，与诱变育种结合，便于鉴定和选择。
- 合成育种新材料：远缘杂交F1产生单倍体后进行加倍，可以获得染色体附加系和由双亲部分遗传物质组成的新材料。
- 外源基因转化的受体系统：有利于外源基因的整合和表达。染色体加倍后可以避免外源基因丢失，从而稳定遗传。
3、人工诱导单倍体的方法
- 花粉/花药培养
- 未授粉的子房、胚珠培养
4、单倍体植株的染色体加倍
加倍前后需要通过细胞学检查确定倍性。
（1）自然加倍
- 通过花粉培养途径，自然加倍频率较高；
- 可以通过单倍体植株的分株繁殖或者修剪延长生长期，促进自然加倍；
- 单倍体植株存在低频率的自然结子现象。
影响因素：植物种类；培养基中的植物激素浓度。
（2）人工诱导加倍：秋水仙素
（3）从愈伤组织再生二倍体植株：利用单倍体细胞的不稳定特性。
第13章 分子育种
在分子遗传学、分子生物学、基因组学、生物信息学、生物工程学等学科发展的基础上，通过导入功能明确的外源基因，或者对植物体本身基因组特定目标基因进行删除或者替换等遗传操作，直接深入到DNA分子水平改变遗传物质，从而创造出新品种甚至新物种的过程。是一种具有快速、定向、精准、高效特点的现代育种途径。
一、转基因育种
1、植物转基因技术的概念
将不同生物体DNA（或者基因）分离提取出来，在体外进行酶切和连接等分子操作，构成重组DNA分子，转化到受体细胞中复制增殖，然后借助生物或理化方法，将外源基因导入植物细胞进行转译或表达。
注意与基因编辑技术相区分。
2、植物转基因育种的特点
- 目的基因可以从人、动物、植物、微生物中获取。基因可以在不同生物系统之间进行交流或转移，实现优良基因共享。
- 有针对性引入已知功能的基因，基因多为单个主效基因，转基因植物分离纯合快，从而加快育种进程。
- 由于目的基因控制的性状明确，导入植物细胞后，可以预知赋予植物的性状，因此具有定向改良的特点。
3、植物转基因技术的步骤和方法
- 目的基因的获取
- 正向遗传学途径：以待克隆的基因所表现的功能为基础，通过鉴定基因的表达产物或表型性状进行分离。比如功能克隆、表型克隆。
- 反向遗传学途径：着眼于基因本身特定序列或在基因组中特定位置进行克隆。比如图位克隆、同源序列法克隆。
- 含有目的基因的重组质粒的构建
- 受体材料的选择和再生系统的建立
- 转基因方法的确定和外源基因的转化
- 载体转化系统：农杆菌介导的遗传转化、病毒介导的遗传转化
- 物理化学的DNA介导转化
- 种质转化系统
- 转化体的筛选和鉴定
- 遗传转化后获得芽、完整的植株等为T0代，由它们通过有性繁殖产生的后代分别为T1、T2等
- 转基因植株的育种利用：表型选择、遗传稳定性鉴定
二、基因编辑育种
1、基因编辑的概念
基因编辑，又称基因组编辑，是在有机体或细胞基因组的特定位点进行DNA的插入、删除和替换，是一种新兴的能精确对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。通常通过人工核酸酶得以实现。
注意与转基因技术相区分。
2、基因编辑的原理
- DNA双链断裂(DSB)修复途径
- 非同源末端连接NHEJ：低保真度的修复
- 同源重组HR：相对高保真度的修复
基因编辑技术借助特异性DSB激活细胞天然修复机制。
3、基因编辑技术种类
- 第一代：锌指核酸酶（ZFN）
- 第二代：类转录激活因子效应物核酸酶技术（TALENs）
- 第三代：RNA引导的CRISPR/Cas核酸酶技术
4、基因编辑在作物育种的应用
- 可进行基因插入，实现外源基因的遗传转化，剔除不良基因；
- 许多重要农艺性状是由基因组中的单个或少数核苷酸的改变或突变造成的。
- 定向修饰目标性状基因，有可能大幅提高目标性状聚合的精准度和加快聚合育种进程，是实现作物精准育种的技术突破。
5、基因编辑的优势及在作物育种中的应用挑战
- 相比传统的转基因育种，基因编辑系统在靶向修饰特定基因后，能通过自交或者杂交剔除外源基因以消除转基因的安全顾虑。
- 面临政策法规和技术优化两方面的挑战。
三、分子设计育种
1、产生背景
- 传统育种理论滞后
- 学科发展促进相关理论技术飞速进步
2、概念提出
- 设计育种
- 基因设计育种
- 分子设计育种
- 基因组学辅助育种
- 分子模块设计育种
3、技术体系
找基因、找目标、找途径
4、理论基础
- 农业基因组学
- 重要农艺性状基因的克隆和定位
- 复杂性状的遗传调控网络