第三章離體培養(yǎng)下的遺傳與變異

Larkin和Scowcroft（1981）提出把由任何形式的細(xì)胞培養(yǎng)所產(chǎn)生的植株統(tǒng)稱為體細(xì)胞無(wú)性系（somaclones），而把這些植株所表現(xiàn)出來(lái)的變異稱之為體細(xì)胞無(wú)性系變異（somaclonalvariation）。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異從對(duì)生物遺傳的影響而言，細(xì)胞工程技術(shù)本身即包含了雙重性：遺傳穩(wěn)定性和變異性。對(duì)于單純的繁殖技術(shù)而言，離體培養(yǎng)的技術(shù)操作是細(xì)胞或組織或個(gè)體的不斷復(fù)制。然而因?yàn)槠鹗寂囵B(yǎng)的材料、培養(yǎng)基成分以及培養(yǎng)時(shí)間的不同，使其產(chǎn)生的無(wú)性后代的遺傳穩(wěn)定性也有了一定差異，這些變異是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的，屬于隨機(jī)性變異。細(xì)胞工程還有一類技術(shù)操作，其目的就在于創(chuàng)造變異，如體細(xì)胞人工突變、基因轉(zhuǎn)移、體細(xì)胞融合等。這些離體操作技術(shù)，在某種程度上說(shuō)具有一定的目的性和方向性，可以在短期內(nèi)獲得從自然界可能要經(jīng)過(guò)幾年乃至上百年的進(jìn)化才能獲得的性狀，從而加速了生物進(jìn)化的進(jìn)程。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異離體培養(yǎng)中的遺傳與變異特點(diǎn)體細(xì)胞變異的細(xì)胞遺傳學(xué)基礎(chǔ)體細(xì)胞無(wú)性系變異誘導(dǎo)與選擇應(yīng)用體細(xì)胞變異的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異1離體培養(yǎng)中的遺傳穩(wěn)定性2離體培養(yǎng)下變異3影響體細(xì)胞遺傳與變異的因素第一節(jié)離體培養(yǎng)中的遺傳與變異特點(diǎn)4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異一.離體培養(yǎng)中的遺傳穩(wěn)定性

離體培養(yǎng)的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)是有絲分裂，有絲分裂的DNA半保留復(fù)制和染色體的均等分裂機(jī)制，從理論上可以保證離體培養(yǎng)物在一般情況下的遺傳穩(wěn)定性。在準(zhǔn)確選擇培養(yǎng)方式的前提下，離體無(wú)性繁殖可以具有較高的遺傳穩(wěn)定性（Phillip等，1994）。正是基于這一理論，利用離體培養(yǎng)技術(shù)建立了多種植物的無(wú)性繁殖體系。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異離體培養(yǎng)的遺傳穩(wěn)定性表現(xiàn)的另一個(gè)方面是即使發(fā)生某些變異，只需根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)方式進(jìn)行離體繁殖，即可以淘汰或選擇變異、或分離純合體。離體培養(yǎng)下的變異均屬于無(wú)性變異，即使變異發(fā)生，從個(gè)體的角度講只會(huì)發(fā)生在少數(shù)性狀上，因此，很容易從群體中剔除變異個(gè)體，從而可以維持離體培養(yǎng)群體的遺傳穩(wěn)定性?？焖俜敝臣词遣捎眠@一技術(shù)途徑來(lái)保持所繁殖對(duì)象的品種典型性。變異也可以通過(guò)離體培養(yǎng)選擇保留并快速純化，這亦是離體培養(yǎng)遺傳穩(wěn)定性利用的途徑之一。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異二.離體培養(yǎng)下變異特點(diǎn)

變異的普遍性變異的局限性（特點(diǎn)）嵌合性4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異部分植物離體培養(yǎng)再生植株的表型變異頻率植物種類再生植株來(lái)源變異頻率(%)煙草體細(xì)胞愈傷組織10水稻胚愈傷組織71.9甘蔗幼葉愈傷組織>18玉米體細(xì)胞愈傷組織14大麥花粉植株10-15馬鈴薯葉肉原生質(zhì)體100菠蘿冠芽愈傷組織7

腋芽愈傷組織34

幼果愈傷組織1004離體培養(yǎng)下的遺傳與變異就單個(gè)變異體來(lái)講，離體培養(yǎng)中變異性狀往往是單一的，或少數(shù)幾個(gè)性狀的變異。分析水稻種子愈傷組織起源的植株變異顯示，在來(lái)自75個(gè)愈傷組織的1121個(gè)再生植株中，發(fā)生變異的植株，與供體品種比較只有1個(gè)性狀表現(xiàn)差異的占72％，2個(gè)以上性狀表現(xiàn)差異的只占28％。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異然而就同一培養(yǎng)體系的再生群體而言，變異又具有多樣性。黑云杉(shan)（P.mariana）65個(gè)系的7047個(gè)體細(xì)胞胚植株和白云杉（P.glauca）22個(gè)系的3995個(gè)體細(xì)胞植株的表型變異分析顯示，盡管兩個(gè)種的體細(xì)胞胚植株變異頻率分別只有1.0%和1.6%，但分析發(fā)生變異的植株變異范圍確較大，按形態(tài)變異即可分為9類，僅在矮化型變異一個(gè)性狀上也表現(xiàn)出一系列程度上的顯著不同，生長(zhǎng)4－5年后其植株高度呈現(xiàn)一系列變異類型，一些極度生長(zhǎng)限制型矮化的株高只有幾厘米，最矮類型的株高只有2－3cm，4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異與有性重組相比，體細(xì)胞突變性狀具有一定局限性從表型上看，在不同植物類型中經(jīng)常發(fā)生的變異主要是植株形態(tài)（株高、葉形、葉色等）、生長(zhǎng)勢(shì)、育性、某些抗性等性狀的變異。從生理生化特性上看容易出現(xiàn)同功酶譜、次生代謝的消長(zhǎng)等變異。一些單基因控制的性狀不僅發(fā)生隱形突變，也發(fā)生顯性突變。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異嵌合性是指同一有機(jī)體中同時(shí)存在有遺傳組成不同的細(xì)胞，它是組織培養(yǎng)中常見(jiàn)的現(xiàn)象。實(shí)際上，愈傷組織在大多數(shù)情況下是一種具有不同染色體數(shù)和遺傳變異程度不同的細(xì)胞組成的嵌合體，這些細(xì)胞各自進(jìn)行不同步的分裂。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異

硬粒小麥(Triticumdurum)6個(gè)無(wú)性系植株體細(xì)胞染色體數(shù)(括號(hào)外為個(gè)體數(shù)，括號(hào)內(nèi)為染色體數(shù))序號(hào)2n<142n=142n=15～272n=282n=29～552n=562n>5811(7)737(16～24,26)768(29,39,40)422

35(17,20,23)111(33)

135(9,11,12)621(15,18,21～27)333

43(7)14(16,21,22,27)223

51(11)65(15,22,26)141(32)

62(12)118(18,20～26)211(40)

24離體培養(yǎng)下的遺傳與變異影響體細(xì)胞遺傳與變異的因素

供體植物培養(yǎng)基和培養(yǎng)方式繼代培養(yǎng)的次數(shù)4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異供體植物的遺傳背景對(duì)體細(xì)胞變異具有直接影響。供體植株原有的倍性水平在培養(yǎng)細(xì)胞多倍化過(guò)程中起著重要作用，處于二倍體水平上的細(xì)胞比處于單倍體水平上的細(xì)胞較為穩(wěn)定。植物種內(nèi)基因型間變異頻率差異較大。Tremblay等（1999）比較研究黑云杉和白云杉體細(xì)胞變異時(shí)也顯示，黑云杉中體細(xì)胞變異頻率最大的基因型可達(dá)57.6％，而有些基因型變異率則為0。白云杉種內(nèi)不同基因型的體細(xì)胞變異，變異率最高的基因型可達(dá)42.6％，而有些基因型則根本不發(fā)生變異。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異

谷子體細(xì)胞無(wú)性系R2的變異頻率基因型R2株系數(shù)未變異株系變異株系總變異％株系數(shù)％穩(wěn)定變異％分離變異％豫谷1號(hào)豫谷5號(hào)高39鄭407冀谷14號(hào)C445矮寧黃210120170121557010020110415211039478395.786.789.490.970.967.183.0053340604.282.57.306.09111581223114.39.18.86.621.832.911.04.313.310.69.129.132.917.04離體培養(yǎng)下的遺傳與變異以分生組織為外植體的再生植株通?？梢跃S持供體植物的典型性，體細(xì)胞變異頻率很低。在分化組織中，由于細(xì)胞分化過(guò)程中的核內(nèi)有絲分裂或核內(nèi)復(fù)制，其結(jié)果是在活體內(nèi)組織分化期間就會(huì)出現(xiàn)體細(xì)胞多倍性。在植物體內(nèi)，這些多倍性細(xì)胞在正常情況下不再發(fā)生分裂以維持正常分化細(xì)胞的功能，然而在離體培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)基中的激素以及培養(yǎng)環(huán)境，就有可能刺激這些多倍性細(xì)胞分裂，進(jìn)而分化形成多倍體植株。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異普遍認(rèn)為，培養(yǎng)方式、激素以及其它附加成分均會(huì)誘導(dǎo)體細(xì)胞變異的發(fā)生，因?yàn)殡x體培養(yǎng)本身可能即是一種變異誘導(dǎo)的過(guò)程。培養(yǎng)基激素濃度和不同激素配比對(duì)再生植株的染色體倍性有一定影響。在豌豆根段培養(yǎng)物和細(xì)胞培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，2，4－D0.25mgL-1能增加多倍體細(xì)胞的有絲分裂，減少二倍體細(xì)胞的有絲分裂，而高濃度（20mgL-1）則能促進(jìn)二倍體細(xì)胞的分裂。在0.02mgL-1激動(dòng)素和1mgL-1NAA的培養(yǎng)基上建立起來(lái)的纖細(xì)單冠菊幼苗愈傷組織，保存80天以后，其中多數(shù)細(xì)胞為二倍體，少數(shù)為四倍體。將這些愈傷組織轉(zhuǎn)移到含不同激素水平的培養(yǎng)基上，發(fā)現(xiàn)其多倍體細(xì)胞的分裂頻率不同。0.02mgL-1激動(dòng)素和4mgL-1NAA的多倍體分裂頻率為20％，而0.02mgL-1激動(dòng)素和1mgL-1NAA時(shí)的多倍體分裂頻率為100％。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)槎啾扼w細(xì)胞通常具有較強(qiáng)的環(huán)境忍耐能力，能夠通過(guò)一些自體調(diào)節(jié)使細(xì)胞分裂。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異激素除了引起染色體倍性的增加外，在一些培養(yǎng)中還發(fā)現(xiàn)染色體倍性減少的現(xiàn)象。首次報(bào)道培養(yǎng)過(guò)程中的染色體減數(shù)是在1948年（Huskins，1948），以后一些研究者在他們的工作中也相繼發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，但有關(guān)體細(xì)胞倍性減數(shù)的資料還十分有限。顧蔚（1999）在蠶豆組織培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，體細(xì)胞染色體減數(shù)與使用極端的激素濃度有關(guān)，在他的試驗(yàn)中不含激素的培養(yǎng)基其多倍體發(fā)生頻率為6.31％，在10mgL-1NNA和2.5mgL-1KT的培養(yǎng)基中，單倍體發(fā)生頻率可達(dá)13.03％。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異

除了培養(yǎng)基的外源激素可以引起變異外，培養(yǎng)基的物理狀態(tài)以及培養(yǎng)類型也會(huì)引起細(xì)胞的變異。一般來(lái)講，懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞較半固體培養(yǎng)的細(xì)胞易產(chǎn)生變異。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異原生質(zhì)體培養(yǎng)的體細(xì)胞變異大于細(xì)胞培養(yǎng)的變異，而細(xì)胞培養(yǎng)的變異又大于組織器官培養(yǎng)的變異。在細(xì)胞培養(yǎng)中，性細(xì)胞培養(yǎng)再生植株的變異要大于體細(xì)胞培養(yǎng)的植株。馬鈴薯原生質(zhì)體培養(yǎng)再生植株的變異達(dá)到100％，而莖尖培養(yǎng)再生植株基本沒(méi)有變異。在因培養(yǎng)類型引起的變異中，不僅有染色體倍性的異常變異，同時(shí)基因突變、染色體結(jié)構(gòu)變異、以及非DNA水平引起的變異亦相繼增加。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異由繼代次數(shù)引起的體細(xì)胞變異幾乎在各種類型的植物中均有報(bào)道。一般來(lái)講，繼代時(shí)間越長(zhǎng)，繼代次數(shù)越多，細(xì)胞變異的機(jī)率就越高。煙草繼代培養(yǎng)5年的愈傷組織，其再生植株與供體基因型相比，幾乎沒(méi)有形態(tài)正常的植株。染色體分析顯示，這些植株大多為非整倍體和多倍體。玉米從剛誘導(dǎo)的愈傷組織中分化的植株，在形態(tài)上與供體基因型基本一致，但培養(yǎng)3年后愈傷組織的再生能力顯著下降，再生植株生長(zhǎng)異常，細(xì)胞學(xué)分析顯示出染色體斷裂和帶型變異。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異

培養(yǎng)時(shí)間對(duì)掌葉半夏愈傷組織染色體變異的影響培養(yǎng)時(shí)間（月）觀察細(xì)胞數(shù)亞二倍體二倍體多倍體和非整倍體細(xì)胞數(shù)％細(xì)胞數(shù)％細(xì)胞數(shù)％13121892515083146152915.211.830.034.965392733

70.776.554.039.8967199.811.814.022.94離體培養(yǎng)下的遺傳與變異第二節(jié)體細(xì)胞變異的細(xì)胞遺傳學(xué)基礎(chǔ)

離體培養(yǎng)的體細(xì)胞變異，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是細(xì)胞對(duì)環(huán)境壓力的應(yīng)答機(jī)制的調(diào)整。有學(xué)者認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)這一機(jī)制調(diào)整的始發(fā)點(diǎn)是放棄自然條件下的細(xì)胞學(xué)控制程序，重建新的細(xì)胞學(xué)控制程序，這種程序重建的結(jié)果導(dǎo)致了染色體數(shù)量和結(jié)構(gòu)的改變（Phillips等，1994）。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異DNA重復(fù)復(fù)制染色體斷裂與重組非正常有絲分裂4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異一.DNA核內(nèi)重復(fù)復(fù)制(endoreduplication）

DNA重復(fù)復(fù)制但不發(fā)生細(xì)胞分裂，其結(jié)果是染色體組數(shù)增加，形成同源多倍體。如果這種DNA重復(fù)復(fù)制多次發(fā)生，細(xì)胞內(nèi)DNA含量就會(huì)不斷上升。Salon和Earle（1998）在硬粒小麥(Tripsacumdactyloides)的非成熟胚培養(yǎng)中觀察到，存活的再生植株均為二倍體和四倍體，加倍后的植株在形態(tài)和發(fā)育方面均很正常。

DNA的核內(nèi)再?gòu)?fù)制在有些情況下可以反復(fù)進(jìn)行。D’Amato等（1980）報(bào)道，紅花菜豆（Phaseoluscoecineu，2n＝22）幼胚離體培養(yǎng)形成的愈傷組織，正常二倍體細(xì)胞只占二分之一，由于DNA核內(nèi)多次復(fù)制，有的細(xì)胞核內(nèi)DNA值達(dá)到128c。

一些中間類型的倍數(shù)性的形成，有研究認(rèn)為可能是由于DNA經(jīng)過(guò)重復(fù)復(fù)制后，在以后的復(fù)制中出現(xiàn)非同步復(fù)制或核融合所致。如第一次DNA復(fù)制沒(méi)有發(fā)生分裂的4n核，在此后的分裂進(jìn)程中，與正常分裂的2n核發(fā)生融合，從而形成六倍體（張冬生，1989）。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異

硬粒小麥中胚軸培養(yǎng)中DNA值的變化培養(yǎng)天數(shù)不同DNA值細(xì)胞比例（％）<2c2c～4c<8c8c或>8c0

88.311.7

5

80.716.82.5134.879.56.69.1179.781.57.90.94離體培養(yǎng)下的遺傳與變異近年研究顯示，DNA核內(nèi)重復(fù)復(fù)制的發(fā)生與細(xì)胞分裂周期的調(diào)控有關(guān)。在離體條件下，一些進(jìn)入S期的細(xì)胞，在完成DNA復(fù)制后不進(jìn)入下一階段完成分裂，從而使細(xì)胞內(nèi)DNA值和染色體倍性增加一倍。這種細(xì)胞進(jìn)入間期后又開(kāi)始DNA合成，如果分裂能正常進(jìn)行，則由此而產(chǎn)生的細(xì)胞即為四倍體。如果分裂仍然不能進(jìn)行，則DNA值和染色體倍性就會(huì)再增加一倍，從而使細(xì)胞內(nèi)DNA值和染色體倍性成2n形式增加。玉米胚乳和子葉發(fā)育研究顯示，DNA重復(fù)復(fù)制可能與M期的不同CDK活性有關(guān)，而此時(shí)的CDK活性又受到磷酸化和去磷酸化的影響。同時(shí)，在玉米中還發(fā)現(xiàn)了CDK的抑制子CKI，DNA核內(nèi)復(fù)制通過(guò)CDK的調(diào)控在動(dòng)物發(fā)育和病理細(xì)胞中已被證實(shí)。因此，Larkins等認(rèn)為，這一機(jī)制可能是DNA核內(nèi)重復(fù)復(fù)制的重要調(diào)控途徑。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異擬南芥髓組織、成熟葉片以及托葉細(xì)胞多倍體發(fā)生過(guò)程的研究顯示，一個(gè)在G2期表達(dá)的CDK基因CKS1At參與調(diào)節(jié)了DNA重復(fù)復(fù)制過(guò)程（Jacqmard等，1999）。此外，Cebolla等（1999）在他們的研究中發(fā)現(xiàn)，一個(gè)與Cyclins降解有關(guān)的基因ccs52也與DNA重復(fù)復(fù)制和多倍體細(xì)胞產(chǎn)生有關(guān)?，F(xiàn)有資料顯示，DNA的核內(nèi)重復(fù)復(fù)制可能涉及到一些與細(xì)胞周期調(diào)控基因的開(kāi)啟與關(guān)閉。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異二.染色體斷裂與重組染色體結(jié)構(gòu)變異是體細(xì)胞變異的另一重要類型。染色體斷裂與重組是離體培養(yǎng)中染色體結(jié)構(gòu)變異的主要原因之一，也是體細(xì)胞變異中經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，其細(xì)胞學(xué)特征是分裂中期出現(xiàn)斷裂的染色體片段、落后染色體以及染色體橋，其結(jié)果是在體細(xì)胞中出現(xiàn)染色體易位、缺失、倒位等多種類型的結(jié)構(gòu)變異。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異染色體橋落后染色體4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異近年的研究認(rèn)為，染色體斷裂與DNA甲基化程度有關(guān)。增加DNA甲基化，亦會(huì)引起染色體斷裂。分析認(rèn)為，甲基化程度的增加可能抑制DNA的復(fù)制效率，使得DNA復(fù)制不能同步，從而造成后期橋的產(chǎn)生和染色體的斷裂。染色體結(jié)構(gòu)變異既可發(fā)生在愈傷組織細(xì)胞中，也可發(fā)生在再生植株中，有時(shí)在一些再生植株的有性后代中也能觀察到。產(chǎn)生染色體結(jié)構(gòu)變異的再生植株一般生長(zhǎng)不正常，生活力低下，很難長(zhǎng)期生存，因此以保存種質(zhì)資源為目的的離體培養(yǎng)應(yīng)盡可能避免這種變異發(fā)生，以免造成基因資源流失。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異三.非正常有絲分裂

離體培養(yǎng)中，染色體除了整倍性變異外，還可觀察到大量的非整倍性變異，這種愈傷組織往往分化能力低下，再生植株大多生長(zhǎng)不正常，有性繁殖遺傳穩(wěn)定差。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異紡錘體形成異常使得有絲分裂不正常是其原因之一。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異核裂經(jīng)常導(dǎo)致雙核與多核細(xì)胞的出現(xiàn)。在紅花菜豆的胚培養(yǎng)愈傷組織中，雙核細(xì)胞有70％有核裂現(xiàn)象，蠶豆子葉誘導(dǎo)的愈傷組織細(xì)胞的雙核和多核細(xì)胞出現(xiàn)的頻率也相當(dāng)高。在核裂出現(xiàn)頻率高的材料中，多倍體、亞多倍體和非整倍體細(xì)胞的出現(xiàn)頻率亦相應(yīng)提高。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異第三節(jié)體細(xì)胞變異的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)

體細(xì)胞變異除了發(fā)生在染色體水平上，更多的是在基因水平上的變異。從利用體細(xì)胞變異的角度看，染色體變異大多是一些畸形變異，真正可利用的染色體變異是十分有限的?；蛩缴系淖儺愒诒硇蜕洗蠖嘀皇莻€(gè)別性狀的改變，不會(huì)影響再生植株的正常生長(zhǎng)發(fā)育，因此，從再生植株的這些變異中就有可能篩選出有益的變異。基因水平上的變異從根本上講就是DNA水平上的堿基突變或修飾狀態(tài)的改變。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異１堿基突變２DNA序列的選擇性擴(kuò)增與丟失３轉(zhuǎn)座子活化４DNA甲基化4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異堿基突變是指DNA序列中堿基的改變。突變堿基的DNA序列處于結(jié)構(gòu)基因的位置或調(diào)控序列的位置時(shí)，即可導(dǎo)致遺傳狀態(tài)的改變。堿基突變是產(chǎn)生體細(xì)胞變異的重要途徑之一。一.堿基突變4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異對(duì)于單基因控制的遺傳性狀，大多數(shù)堿基突變可以穩(wěn)定遺傳而且符合孟德?tīng)栠z傳分離規(guī)律，這一點(diǎn)已在水稻、煙草和玉米的體細(xì)胞變異中得以證實(shí)。Brettell等從645株玉米雜種胚培養(yǎng)再生植株中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定突變體Adh1（乙醇脫氫酶突變體），克隆基因序列分析發(fā)現(xiàn)，該基因第七外顯子中一個(gè)編碼谷氨酸的GAG中的A轉(zhuǎn)換成為了T，使翻譯肽鏈中的谷氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槔i氨酸。植物的許多性狀特別是經(jīng)濟(jì)性狀均由多基因控制，對(duì)于多基因控制性狀的堿基突變可能由于技術(shù)上的復(fù)雜性，目前還沒(méi)有關(guān)于多基因控制性狀的堿基突變報(bào)道。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異早在上世紀(jì)80年代Larkin和Scoworoft即提出，DNA序列的擴(kuò)增與丟失也是體細(xì)胞無(wú)性系變異的原因之一。早期的研究認(rèn)為，DNA值的改變與倍性變異是一致的。但近年來(lái)的研究顯示，DNA值的變化是一個(gè)比較復(fù)雜的分子生物學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)DNA的c值以整倍性形式增加或減少時(shí)，其變化與染色體倍性的變異是一致的。然而，有些DNA值的變化卻與倍性沒(méi)有直接聯(lián)系，這種變化大多是DNA序列的選擇性擴(kuò)增或部分序列丟失造成在原核染色體中，DNA的量或真核細(xì)胞中單倍體DNA的量，稱為C值；C值與生物結(jié)構(gòu)與組成的復(fù)雜性不一致的現(xiàn)象，稱為C值矛盾。離體培養(yǎng)下DNA序列的選擇性擴(kuò)增包括兩種情況，一是重復(fù)序列的擴(kuò)增，二是基因的選擇性擴(kuò)增。二.DNA序列的選擇性擴(kuò)增與丟失4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異Lapitan等（1988）以生物素標(biāo)記的480bp重復(fù)序列DNA片段為探針，發(fā)現(xiàn)小黑麥雜種再生植株當(dāng)代7R染色體短臂端粒位置上的這種重復(fù)序列發(fā)生了選擇性擴(kuò)增，而且這種擴(kuò)增可以遺傳至少三代。在水稻、小麥等作物中也發(fā)現(xiàn)一些微衛(wèi)星DNA的擴(kuò)增。水稻懸浮培養(yǎng)細(xì)胞的DNA分析發(fā)現(xiàn)，未分化的培養(yǎng)細(xì)胞中一些高度重復(fù)序列的擴(kuò)增比供體材料高75倍，而不同品種的葉片這種擴(kuò)增差異只有2－3倍。亞麻衛(wèi)星DNA和小麥rDNA研究中也有類似現(xiàn)象。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異基因的選擇性擴(kuò)增在植物個(gè)體發(fā)育中經(jīng)?？吹?。離體培養(yǎng)下的基因選擇性擴(kuò)增被認(rèn)為是細(xì)胞在短期內(nèi)為滿足某種需要而產(chǎn)生足夠的基因產(chǎn)物的一種調(diào)控手段?？钩輨┎莞柿椎耐蛔兿稻褪且粋€(gè)典型的例子。草甘磷能抑制3-烯醇丙酮酸莽草酸鹽-5-磷酸合成酶（EPSPs）活性，抗草甘磷突變體則具有較高EPSPs活性。DNA分析顯示，這種突變體的EPSPs活性提高是因?yàn)閰⑴c編碼該酶的基因選擇性擴(kuò)增，增加了mRNA水平，從而增加了酶的含量。Peter等的研究顯示，在煙草抗草甘磷的突變體中，至少有2個(gè)與EPSPs合成相關(guān)的基因發(fā)生了選擇性擴(kuò)增，而且這些突變體在沒(méi)有草甘磷選擇壓力存在的情況下仍富含EPSPsmRNA。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異在離體培養(yǎng)中，有時(shí)也會(huì)發(fā)生DNA序列丟失的現(xiàn)象?，F(xiàn)有資料顯示，DNA序列丟失多發(fā)生在rDNA及其它們的間隔序列，某些重復(fù)序列DNA區(qū)域也易發(fā)生丟失。Landsmann利用DNA隨機(jī)克隆首先在馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)了再生植株有DNA片段的丟失，隨后Cullis和Clary采用類似的方法在亞麻再生植株中觀察到rDNA的減少。以后在大麥、小麥以及水稻的培養(yǎng)再生植株中均檢測(cè)到rDNA的減少。DNA的減少不僅發(fā)生在核DNA中，也有發(fā)生在葉綠體基因組中。一些DNA序列的減少只發(fā)生在愈傷組織形成階段，再生植株過(guò)程中又恢復(fù)到正常狀態(tài)，目前還不清楚這種變化的生物學(xué)意義。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異上個(gè)世紀(jì)80年代，Larkin和Scowcroft首先提出，轉(zhuǎn)座因子的活化可能是體細(xì)胞無(wú)性系變異的原因之一。因?yàn)榕囵B(yǎng)中細(xì)胞快速分裂，異染色質(zhì)復(fù)制滯后，引起細(xì)胞分裂后期形成染色體橋和染色體斷裂。在斷裂部位的DNA修復(fù)過(guò)程中，位于異染色質(zhì)區(qū)的轉(zhuǎn)座子被活化繼而轉(zhuǎn)座，引起一系列的結(jié)構(gòu)基因活化、沉默以及位置變化，造成無(wú)性系變異。我國(guó)學(xué)者朱至清認(rèn)為，也可能是轉(zhuǎn)座子在培養(yǎng)環(huán)境中首先被激活而轉(zhuǎn)座，從而造成染色體的結(jié)構(gòu)變異。三.轉(zhuǎn)座子活化4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異Peschke等以玉米Ac轉(zhuǎn)座子測(cè)驗(yàn)系為母本，與1200個(gè)由未成熟胚再生的植株進(jìn)行測(cè)交，根據(jù)種子糊粉層顏色色素的變化來(lái)確定再生植株中是否攜帶有活化的Ac轉(zhuǎn)座子，結(jié)果在56株中檢測(cè)出Ac活化。苜宿組織培養(yǎng)再生植株中也觀察到因轉(zhuǎn)座子活化所引起的花色變異。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異利用Ds轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)進(jìn)行異源轉(zhuǎn)化，在一些作物中成功觀察到轉(zhuǎn)座子插入的體細(xì)胞突變，從而證明轉(zhuǎn)座因子確實(shí)誘導(dǎo)了體細(xì)胞變異。Mckenzie等為了建立一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽體系，將Ds/Ac轉(zhuǎn)座系統(tǒng)導(dǎo)入球莖甘藍(lán)中，獲得的攜帶有轉(zhuǎn)座系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化植株，在離體培養(yǎng)下增加選擇壓力，篩選穩(wěn)定的轉(zhuǎn)座子插入突變，結(jié)果觀察到在獲得到42個(gè)Ac切除的穩(wěn)定Ds插入再生植株中，有29個(gè)植株發(fā)生了Ds再轉(zhuǎn)座。足跡分析顯示，在DsDonor-site序列附近發(fā)生了大量的缺失和重組。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異DNA甲基化在基因表達(dá)調(diào)控中具有重要作用。DNA甲基化和去甲基化，不僅能通過(guò)調(diào)控基因的表達(dá)與關(guān)閉來(lái)控制生物的發(fā)育，同時(shí)也可以通過(guò)DNA甲基化途徑來(lái)適應(yīng)環(huán)境對(duì)生物體的壓力。目前甲基化研究主要利用HpaII和MspI兩種甲基化敏感的限制性核酸內(nèi)切酶進(jìn)行比較分析。HpaII和MspI的酶切位點(diǎn)均為CCGG，當(dāng)靠外的C被甲基化時(shí)，只能被HpaII酶切，當(dāng)靠?jī)?nèi)的C被甲基化時(shí)，只能被MspI酶切，在一般情況下，與G相鄰的C更容易被甲基化。利用兩種酶切片段的差異即可分析DNA甲基化的變化。四.DNA甲基化4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異離體培養(yǎng)再生植株的甲基化變化首先在玉米體細(xì)胞無(wú)性系再生植株中發(fā)現(xiàn)。來(lái)自玉米幼胚再生植株的某些無(wú)性系與供體相比發(fā)生了超甲基化，而另一些再生植株卻只在與G相鄰的C上發(fā)生甲基化，而且這種甲基化在基因組中的分布不均勻。胡蘿卜、番茄、馬鈴薯等多種植物的培養(yǎng)細(xì)胞或再生植株中，均報(bào)道發(fā)現(xiàn)了因DNA甲基化改變而產(chǎn)生的體細(xì)胞變異。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異Kova?ik等在煙草細(xì)胞懸浮系“TBY-2”培養(yǎng)中，觀察到由于滲透壓的改變，細(xì)胞DNA出現(xiàn)了超甲基化的現(xiàn)象。在培養(yǎng)基中加入NaCl或者甘露醇提高培養(yǎng)基滲透壓，然后提取細(xì)胞DNA檢測(cè)DNA甲基化變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在煙草基因組的2個(gè)異染色質(zhì)區(qū)（HRS60和GRS），其CCG三核苷酸重復(fù)區(qū)和CCGG四核苷酸重復(fù)區(qū)的C幾乎全部被甲基化。當(dāng)把細(xì)胞轉(zhuǎn)移培養(yǎng)到滲透壓正常的培養(yǎng)基中時(shí)，DNA甲基化程度又可恢復(fù)正常。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異除了DNA甲基化程度的增加外，離體培養(yǎng)中的某些變異也為DNA甲基化程度的降低所致，最典型的例子是油棕體細(xì)胞胚植株的雄蕊雌性化變異。Rival等發(fā)現(xiàn)油棕體細(xì)胞胚植株中，大約有5％的植株表現(xiàn)出雄蕊雌性化和完全不育。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種變異的愈傷組織有兩種類型，一種是瘤狀愈傷組織（NCC），另一種是快速生長(zhǎng)愈傷組織（FGC）。來(lái)自NCC的變異植株，在種植9年后，所有植株均可恢復(fù)正常。而來(lái)自FGC的變異植株只有50％能恢復(fù)正常。進(jìn)一步分析顯示，變異植株DNA甲基化程度分析顯示，來(lái)自NCC的變異植株，C的甲基化率比正常植株減少了0.5～2.5％。而來(lái)自FGC的變異植株，C的甲基化率比正常植株減少了4.5％4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異第四節(jié)體細(xì)胞無(wú)性系變異的誘導(dǎo)與選擇

體細(xì)胞無(wú)性系變異的篩選有以下一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：可以在小空間內(nèi)對(duì)大量個(gè)體進(jìn)行選擇。篩選可以在幾個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)完成，且不受季節(jié)限制。因?yàn)樵囼?yàn)在人工培養(yǎng)條件下進(jìn)行，因此誘變和篩選條件可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而提高了試驗(yàn)的重復(fù)性。由于變異是在單細(xì)胞水平上進(jìn)行的，因此，一個(gè)突變體就是來(lái)自一個(gè)細(xì)胞，不會(huì)有非突變細(xì)胞的干擾，避免了整體植株水平上無(wú)性變異常呈現(xiàn)出的嵌合體。在細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中，誘變劑可較均勻的接觸細(xì)胞，因此可以引起培養(yǎng)細(xì)胞相對(duì)較高頻率的發(fā)生突變，增加了選擇機(jī)會(huì)。

4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異體細(xì)胞無(wú)性系變異的表示方法主要有兩種：一種是Chaleff提出的以R0、R1、R2、…分別代表體細(xì)胞無(wú)性系變異的當(dāng)代和自交以后的世代；另一種是由Larkin和Scowcroft提出的以SC1、RC2、RC3、…來(lái)分別代表體細(xì)胞無(wú)性系變異的當(dāng)代和自交以后的世代。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異１誘變材料的選擇２自發(fā)變異３細(xì)胞誘變４突變體篩選５體細(xì)胞變異的應(yīng)用4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異選擇起始材料需考慮以下幾方面的問(wèn)題:其一，目標(biāo)性狀的可行性。體細(xì)胞突變性狀是個(gè)別的，因此選擇綜合性狀良好的植物品種材料，通過(guò)誘變改變個(gè)別不良性狀是體細(xì)胞突變系選擇的目的。其二，必需充分考慮試驗(yàn)植物的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)水平。其三，適當(dāng)?shù)募?xì)胞類型亦是體細(xì)胞突變系篩選效率的重要條件。如原生質(zhì)體、單細(xì)胞、小孢子等有較高的誘變頻率。一.誘變起始材料的選擇4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異離體培養(yǎng)再生植株的自發(fā)變異比自然條件下的變異要高得多，一般可高出幾百甚至上千倍。體細(xì)胞無(wú)性系自發(fā)變異頻率既與培養(yǎng)物的遺傳背景、外植體類型及培養(yǎng)類型有關(guān)，同時(shí)也受培養(yǎng)時(shí)間、培養(yǎng)基成分等因素的影響。一般來(lái)講，長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)繁殖的植物、培養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng)或繼代次數(shù)多等，均容易出現(xiàn)較高的變異率。另外，培養(yǎng)類型中，原生質(zhì)體、細(xì)胞、愈傷組織培養(yǎng)等所出現(xiàn)的變異頻率要高于組織或器官培養(yǎng)的變異。

離體培養(yǎng)中體細(xì)胞自發(fā)突變產(chǎn)生的變異比較穩(wěn)定，沒(méi)有人工誘變的后續(xù)干擾，有利于分離培養(yǎng)。二.自發(fā)突變4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異物理誘變化學(xué)誘變轉(zhuǎn)座子插入

三.誘變4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異常用的射線處理包括：X射線、γ射線、快中子、紫外線等。選擇輻射類型應(yīng)根據(jù)培養(yǎng)類型進(jìn)行。以組織器官為誘導(dǎo)材料，可以選擇輻射強(qiáng)度較大的γ射線、快中子等進(jìn)行輻射。以細(xì)胞或原生質(zhì)體，則可以選擇X射線、紫外線等。特別是以原生質(zhì)體為誘導(dǎo)材料時(shí)，可以使用紫外線照射，因?yàn)槌Ｓ米贤饩€的波長(zhǎng)為270nm，與DNA吸收波長(zhǎng)260nm相近，而原生質(zhì)體因?yàn)闆](méi)有細(xì)胞壁的屏障，對(duì)紫外線的敏感性較強(qiáng)，從而可以達(dá)到較好的誘變效果。物理誘變4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異常用的化學(xué)誘變劑主要有：烷化劑（硫酸二乙酯DES、乙基磺酸乙酯EES、甲基黃酸乙酯EMS、環(huán)氧乙烷EO、乙烯亞胺EI），此類誘變劑有一個(gè)或多個(gè)活化烷基，可與DNA分子中的堿基或磷酸基結(jié)合，改變DNA的結(jié)構(gòu)而引起突變；堿基類似物（5－溴尿嘧啶是胸腺嘧啶類似物、2－氨基嘌呤是腺嘌呤類似物），在細(xì)胞內(nèi)核酸復(fù)制時(shí)，這些類似物可以摻入到新合成的DNA分子中引起錯(cuò)配；移碼誘變劑，如ICR化合物和吖啶類似物等。此外亞硝酸、羥胺等某些抗菌素等亦可引起突變產(chǎn)生。

化學(xué)誘變4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異轉(zhuǎn)座子插入誘變是近年來(lái)利用分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新的體細(xì)胞變異誘導(dǎo)方法。轉(zhuǎn)座子既可直接將外源基因帶入細(xì)胞內(nèi)獲得新性狀，又可以獨(dú)立插入通過(guò)其轉(zhuǎn)座功能誘導(dǎo)變異。目前，使用較多的轉(zhuǎn)座子體系主要是玉米的Ac/Ds系統(tǒng)，其主要操作過(guò)程是首先采用基因轉(zhuǎn)化的方法將Ac/Ds導(dǎo)入受體細(xì)胞，再通過(guò)體細(xì)胞培養(yǎng)或再生植株的自交或測(cè)交使Ac因子切除，由于轉(zhuǎn)座子插入的隨機(jī)性，即可在切除Ac的植株中篩選出不同變異。利用這一途徑已在苜宿、馬鈴薯、番茄、甘藍(lán)等多種植物上獲得可利用的體細(xì)胞變異植株。轉(zhuǎn)座子插入誘變4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異直接篩選間接篩選四.突變體的選擇4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異其方法是用一種含有特定物質(zhì)的選擇培養(yǎng)基，在此培養(yǎng)基上只有突變細(xì)胞能夠生長(zhǎng)，非突變細(xì)胞不能生長(zhǎng)，從而直接篩選出突變體。如抗除草劑、抗鹽堿突變體的篩選，均可直接在培養(yǎng)基中加入一定濃度的除草劑或增加滲透壓的物質(zhì)。目前采用這一途徑，已從多種植物中篩選出可利用的體細(xì)胞變異體。賈敬芬等以小麥幼胚愈傷組織為材料，在含有1.4％NaCl的N6培養(yǎng)基上直接篩選出小麥耐鹽系。分析顯示，耐鹽系游離氨基酸含量是供體親本的4.1倍。鄭企成等也曾將小麥“京花1號(hào)”花藥經(jīng)γ射線處理后，再經(jīng)0.5％NaCl培養(yǎng)基直接篩選獲得耐鹽再生株系。李愛(ài)賢等以甘薯“栗子香”為材料誘導(dǎo)胚性細(xì)胞系，從900個(gè)通過(guò)γ射線輻射的細(xì)胞團(tuán)中，在含有2.0％NaCl的培養(yǎng)基中進(jìn)行篩選，獲得22個(gè)抗鹽愈傷組織，并獲得20個(gè)抗鹽再生植株。直接選擇4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異Moon等將玉米愈傷組織培養(yǎng)在含有Al3+的培養(yǎng)基上，直接篩選出耐鋁的突變體Cat-100-6。經(jīng)過(guò)4代自交，突變系仍有較好的忍耐鋁的能力，與供體近交后代的耐鋁能力表現(xiàn)為中間類型。4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異間接選擇法是一種借助于與突變表現(xiàn)型有關(guān)的性狀作為選擇指標(biāo)的篩選方法。Dorffling等以Pro類似物羥脯氨酸（HYP）為選擇劑，獲得了耐HYP的體細(xì)胞變異系，其抗寒性比供體親本增強(qiáng)，且能穩(wěn)定遺傳。林定波等將錦橙株心細(xì)胞愈傷組織的懸浮細(xì)胞經(jīng)γ射線照射，然后在高濃度脯氨酸培養(yǎng)基中培養(yǎng)篩選，獲得了抗寒體細(xì)胞變異愈傷組織，并再生植株。鑒定顯示，抗寒愈傷組織及其再生植株的抗寒性分別比供體提高1.4℃和2.4℃，突變系體內(nèi)的Pro含量比供體增加了一倍。間接選擇4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異五.體細(xì)胞變異應(yīng)用１創(chuàng)造育種材料培育新品種２遺傳學(xué)研究４代謝研究３發(fā)育生物學(xué)研究4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異據(jù)統(tǒng)計(jì)，誘導(dǎo)突變已被用來(lái)改良諸如小麥、水稻、大麥、棉花、花生和菜豆這些種子繁殖的重要作物。在全世界50多個(gè)國(guó)家中已發(fā)放了1000多個(gè)由直接突變獲得的或由這些突變體相互雜交而衍生的品種。這些品種的主要特性包括品質(zhì)改良、增強(qiáng)抗病性、抗逆性等。創(chuàng)造育種中間材料或直接培育新品種4離體培養(yǎng)下的遺傳與變異在各國(guó)現(xiàn)有通過(guò)體細(xì)胞誘變選育的谷類作物品種中，品質(zhì)得到不同程度改良的占34.3％。意大利選育的硬粒小麥Creso，品質(zhì)好、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)，成為該國(guó)小麥種植主栽品種。通過(guò)射線處理選育的面包小麥SharbatiSo06ra，蛋白質(zhì)含量由原品種的13％提高到16％，賴氨酸含量從2.26％提高到2