第九章 生物技术在药用植物育种中的应用第一节 细胞工程育种第二节 基因工程育种第三节 分子标记辅助育种生物技术是二十一世纪的战略技术，有人分析生物技术是二十一世纪的战略技术，有人分析预测，到预测，到21002100年生物技术将成为推动世界经济增长的主年生物技术将成为推动世界经济增长的主要技术动力，并在技术、经济、社会活动中扮演重要角要技术动力，并在技术、经济、社会活动中扮演重要角色，同时也将在医药业、农业、食品制造、化工、环保色，同时也将在医药业、农业、食品制造、化工、环保、新能源以及传统产业改造升级等方面大放异彩，届时、新能源以及传统产业改造升级等方面大放异彩，届时，生物技术将同信息技术一样，遍布人们生活的方方面，生物技术将同信息技术一样，遍布人们生活的方方面面，并且将使世界的经济及社会产生根本性的变化。因面，并且将使世界的经济及社会产生根本性的变化。因此，世界各国都将生物技术作为战略性技术重点大力推此，世界各国都将生物技术作为战略性技术重点大力推 动发展。目前世界上正在形成一条动发展。目前世界上正在形成一条“ “以资源为基础，以以资源为基础，以基因为核心，以品种为载体基因为核心，以品种为载体” ”的生物技术产业。的生物技术产业。面对许多野生的药用植物濒于灭绝，一些特殊环境下的药用植物引种困难等问题，生物技术在药用植物育种上的应用研究已成为当今中药研究的热点，如育出了茎尖地黄新品系，已在产区应用，并将使传统中药进入一个崭新的时代。什么是生物技术？n生物技术（Biotechnology ）：Bio Biology Technology ApplicationThe application of Biology for the benefit of humansWhat is Biotechnology ?What is Biotechnology ?ppTraditional/old biotechnologyTraditional/old biotechnology The conventional techniques that have The conventional techniques that have been used to produce beer, wine, cheese, been used to produce beer, wine, cheese, many other foodmany other food. .Beer, Bread, and Wine Making are Centuries Old.Ancient Egyptian drawing of a cylinder seal impression on a jar stopper bearing the name of Khasekhemwy, a Dynasty 2 pharoah. It shows a grapevine trained to run along a trellis or arbor. (around 2700 b.c.)远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了 醇香可口的饮料-人类最早发明的酒微生物发酵qqNew/modern biotechnologyNew/modern biotechnology All methods of genetic modification by All methods of genetic modification by recombinant DNA and cell fusion techniques, recombinant DNA and cell fusion techniques, together with the modern development of together with the modern development of traditional biotechnological processtraditional biotechnological process. .组织培养Micropropagation白菜白菜甘蓝甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝体细胞杂交基因工程重组乙肝疫苗基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污 染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因 工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃 类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解 DDT等毒害物质。通过基因工程的方式 创造了能合成人干扰素的 大肠杆菌，每1Kg的培养液 可提取420mg干扰素，若 从人血中提取干扰素， 300L血才提取1mg！人造血液及其生产Science Vol. 222, Nov. 1983Time Magazine, March 19971983 SCIENCE Cover Transgenic Mice 1997 TIME Cover - Dolly“黄金”大米通过转基因技术，转 化胡萝卜素合成酶基 因，使大米富含胡萝 卜素，从而解决人们 缺乏维生素A的问题 ，而大米也成了金黄 色的“黄金大米”。转基因技术转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基 因的番茄S sensitive plantsR resistant plants PCR-RFLP marker linked to nematode resistance gene Mi分子标记辅助育种Biotechnology: A collection of technologiesThe Applications of BiotechnologyThe Applications of BiotechnologyqqMedical BiotechnologyMedical BiotechnologyvvDiagnosticsDiagnosticsvvTherapeuticsTherapeuticsvvVaccinesVaccinesqqAgricultural BiotechnologyAgricultural BiotechnologyPlant agriculturePlant agricultureAnimal agricultureAnimal agricultureFood processingFood processingqqEnvironmental BiotechnologyEnvironmental BiotechnologyCleaning through bioremediationCleaning through bioremediationPreventing environmental problemsPreventing environmental problemsMonitoring the environmentMonitoring the environment第一节 细胞工程育种 n植物细胞工程指以植物细胞为操纵对象，在体外进行培养、繁殖，或人 为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改 良生物品种和创造新品种，加速繁育植物个体或获得某种有用物 质的过程。一、植物离体培养技术 二、体细胞变异及突变体筛选 三、原生质体培养和体细胞杂交 四、染色体工程一、离体培养技术（in vitro culture）植物细胞的全能性（Cell Totipotency）一个植物细胞能产生一个完整植株的固有能力称之为细胞的全能性。即广义的组织培养，是现代生物技术的一个重要组成部分，它是指运用无菌操作技术，将 从植物体分离的符合需要的组织、器官或细胞 （包括去壁后的原生质体）等，接种在人工培 养基上，置于人工控制的环境条件下进行培养 ，以获得再生的完整植株或生产具有经济价值 的其它生物产品的技术。 切取接种愈伤组织的形成分化形成小芽或根试管苗的形成移栽植物离体培养主要包括：1、胚珠和子房培养 2、离体胚的培养 3、组织或愈伤组织培养 4、细胞培养 5、原生质体培养离体培养技术在药用植物育种上的应用 1、种质创新克服远缘杂交障碍获得远缘杂种 远缘杂交的障碍： 杂交不亲和性（cross-imcompatibility）试管授粉受精 杂种不育性（hybrid invability）幼胚培养和胚胎拯救、体细胞融合 杂种不稔性（hybrid infertility）获得体细胞杂种（ somatic hybrid ）体细胞杂交可以获得通过有性杂交不能获得的属间或 种间杂种，转移胞质遗传性状（如雄性不育性）以及非豆 科作物转移固氮基因，或高光合效率的基因转移。A somatic hybrid (center) between cultivated potato (left) and wild species (right).突变诱发与体细胞无性系筛选体细胞无性系变异（somaclonal variation）是选择变异的一个 重要来源。为了筛选出特殊的突变类型，可以把某种选择因素结合到培养 基或环境逐个进行筛选。通过这一途径，已分离出广谱的变异细胞系，如 抗药物、抗除草剂、抗病、抗不良环境条件细胞系，从而成功进行离体选 择 Example of somaclonal variation; a dwarf banana after micropropagation Carrot family lines regenerated from tissue- culture. Both have been grown for 12 weeks in a glasshouse after 10 weeks vernalisation. Family 16 (LHS) are flowering abundantly, while Family 17 (RHS) have not flowered. 遗传转化受体系统 进行高效遗传转化的前提是建立良好的离体再生系统。 以原生质体、叶片或愈伤组织等外植体作为受体进行遗传 转化，培养出转基因植株，在作物改良上具有巨大的潜力 倍性育种（胚乳培养、花药培养）利用花药及花 粉培养进行单倍体 育种，将优良的单 倍体进行染色体加 倍，便可迅速地获 得纯合的二倍体， 从而加速亲本材料 的纯化。三倍体植 物也可通过胚乳培 养再生植株的途径 获得。单倍体育种程序： 材料采集 接种培养 诱导愈伤组织 获得再生植株 染色体加倍 幼苗培育和 品种选择2、无病毒苗木繁育对于无性繁殖植物感 染病毒引起退化的品种 可以通过分生组织培养 或再结合如热处理等其 它处理，有效地进行脱 毒，从而获得了脱毒苗 。如马铃薯、大蒜、草莓 、甘薯等脱毒3、种质资源保存中国 农业 科学 院国 家种 质资 源库利用茎尖培养 结合低温或超低温冷 冻贮藏来保存种质资 源，特别是对一些无 性繁殖作物的种质资 源保存更有价值。它 不仅节约空间，又可 减少病虫为害，也便 于运输利种质资源的 交换。 n4、生产人工种子种皮胚芽胚根现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘 、咖啡、棉花、玉米、水稻、 橡胶等几十种植物的人工种子 试种成功。胚乳或子叶二、体细胞变异与突变体的筛选1、体细胞变异及突变体类型Larkint Scowcroft把由任何形式的细胞培养所产生的植 株统称为体细胞无性系，而把这些植株所表现出来的变异称为 体细胞无性系变异。植物细胞在离体培养过程中，细胞、愈伤组织以及再 生植株因各种外部因素的影响可能会发生一定频率的变异。发 生了可遗传变异的体细胞或再生植株等个体称为突变体。 突变体类型： 抗性突变体 不育性突变体 营养缺陷型突变体 形态特征和生物学特性突变体体细胞突变体的诱发和筛选n材料选择目标性状明确；细胞培养技术可行；细胞类型适当n突变诱发采用物理或化学人工诱变n突变体筛选直接筛选法，间接筛选法n突变体鉴定筛选后先转移到非选择培养基上，再转到分化培养基