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作物育种学：第十三章抗逆育种

花匠小妙招
2024-11-18 03:00

1、第十三章抗逆育种,抗逆性育种利用作物本身的遗传特性培育获得逆境条件下能保持相对稳定的产量和品质的新品种作物逆境种类,第十三章抗逆育种,第一节作物抗旱育种一、意义全球：荒漠化土地面积3600万平方公里，占全球陆地面积的1/4，相当于俄、加、中、美四国国土的总和，并以每年5万至7万平方公里的速度扩大。 1/3耕地面积供水不足，其它耕地周期性缺水。我国：85的自然灾害为气象灾害，干旱灾害又占气象灾害的50左右， 3/4的耕地面积遭受不同程度干旱的威胁， 20世纪九十年代我国北方干旱频繁发生，特别是西北地区出现了1995年和1997年的严重干旱，而南方部分地区近几年也频繁发生干旱

2、。,第十三章抗逆育种,摩洛哥干旱缺水地区特有一景：羊上树,第十三章抗逆育种,2003年湖南旱灾农民不得不下井底获取饮用水,第十三章抗逆育种,2004秋至2005年春海南省连续干旱缺雨,第十三章抗逆育种,旱灾后的水稻,第十三章抗逆育种,2006年7月-8月重庆持续一个多月的高温干旱,第十三章抗逆育种,我国“十五”期间投入4.2亿元科研经费，用于“现代农业节水”的技术体系攻关。重点突出生物节水、农艺节水、工程节水与管理节水的有机结合，加强节水农业新产品与节水农业技术的创新集成和产业化示范。项目首次把小麦、玉米及林草的抗旱节水种质资源创新与新品种选育，列入重点研发内容。 200

3、5年我国启动水稻节水新品种与节水技术项目旱稻品种的选育、审定与推广,第十三章抗逆育种,二、作物抗旱性免旱性：在生长环境中水分不足时，植物体内仍能保持水分免受伤害，以至能进行正常生长的性能。包括保持水分的吸收和减少水分的损失。免旱性的主要特点大都表现在形态结构上。耐旱性：作物忍受组织水势低的能力，不受伤害或减轻损害。耐旱的主要特点则大都表现在生理上抗旱。免旱性和耐旱性属于真正的抗旱性。作物避旱性：通过早熟或发育的可塑性，在时间上避开干旱的危害，不属于抗旱性。,第十三章抗逆育种,三、抗旱性鉴定技术和指标鉴定技术：自然田间鉴定田间水分控制人工气候箱鉴定 PEG模拟干旱

4、抗旱育种要求在作物的品种间、分离群体内获得最大的表型变异度水分敏感期鉴定鉴定指标： 1、产量指标：抗旱系数 = 干旱胁迫下产量/非胁迫下的产量干旱敏感指数 =（1-抗旱系数）/胁迫强度抗旱指数=抗旱系数*旱地产量/所有品种旱地平均产量,第十三章抗逆育种,2、形态指标：发芽能力、幼苗存活与生长状况；根长或扎根深度、根冠比大、根系长与数量多叶小、直立、角质层厚、气孔少、气孔下陷维管束紧密、导管多直径大芽鞘长度：小麦低水势下芽鞘长度与干旱条件下产量的相关性,不耐旱叶片表皮极度密集的气孔,仙人掌表面向内凹陷的气孔,双子叶植物开放的气孔单子叶植物的气孔,第十三章抗逆育种,3、生理

5、生化指标离体叶片持水能力、根冠淀粉水解状况；花粉败育率；叶绿素稳定性；气孔开度、ABA、叶水势、耐高温承受力和冠层温度气孔调节膜透性、叶片导性； SOD 酶活性渗透调节： K+、Ca+、无机盐脯氨酸（渗透胁迫下积累的1 种相容渗透剂,提高细胞内渗透势、保护细胞蛋白质结构和防止酶变性的作用）甘露醇、甜菜碱、糖,气孔的开闭的调节因子有昼夜节律、红蓝光、脱落酸（ABA）、乙酰胆碱、二氧化碳浓度、大气湿度、温度等因素的调节,第十三章抗逆育种,四、作物抗旱性遗传与育种作物抗旱表现型受多个性状的综合作用不同作物的不同指标（各种形态、生理的）遗传分析表明都是多基因遗传；加性效应和非加

6、性效应, 而且还受制于正反交效应的影响；有的为加性-显性模型；抗旱有关的渗透调节表现为质量数量性状遗传；抗旱相关性状的不同性状的一些QTLs 集中分布在染色体的某个或某些区间, 形成基因簇；如水稻根系形态性状、田间抗旱能力以及渗透调节相关QTLs被定位在Chr.8 的同一区间。玉米Chr.3 的一个区间,同时聚有与玉米在干旱条件下的籽粒产量、开花-吐须间隔时间及单株穗数有关的QTLs；渗透调节基因(or)：分别定位于小麦的7AS、水稻的Chr.8 、大麦的Chr.1 的短臂，这些区域同源。与其他一些抗旱相关基因成簇。小麦控制脯氨酸、游离糖、叶片水势的位点定位在5A 和5D 染色体

7、上。,第十三章抗逆育种,1、抗旱资源筛选：野生种质、地方品种、育成品种 2、选择适当的鉴定方法与指标丰产潜力与抗旱性水旱交替选择不同生态环境及不同生产条件下选育（高产型小麦新品种晋麦60 号、临丰615） 3、方法：杂交、远缘杂交、分子标记辅助选择、转基因,第十三章抗逆育种,贵州省水土流失导致石漠化,第十三章抗逆育种,第二节耐盐性育种全世界有盐碱地6亿多公顷，次生盐渍化约有1亿公顷；我国有盐碱耕地面积约3000万公顷；一、作物耐盐性 1、避盐：选择吸收：细胞质膜隔离，阻止盐份进入细胞大麦稀释：大麦分泌Na+：细胞质膜隔离如玉米、高粱,第十三章抗逆育种,2、

8、耐盐：忍受盐份进入细胞的生理适应过程离子区隔化： H+泵出液泡 Na+进入液泡渗透调节：Na + ,K+ ,Ca2 + ,Cl 氨基酸（脯氨酸、甘氨酸）、有机酸、甜菜碱、糖醇：含有多个羟基,亲水能力强（山梨醇、甘露醇、海藻糖）能与盐结合、减轻盐对酶的毒害，来源于光合呼吸中间产物改变代谢途径：獐毛经高盐胁迫后将本身的C3 途径改变成C4 途径日中花 C3 途径改变成CAM 途径维护膜系统的完整性：电导率,第十三章抗逆育种,二、耐盐性鉴定技术与指标方法：含盐营养液（水培、砂培）盐土盆栽池培盐碱地栽培指标： 1、形态：发芽率、幼苗生长量、苗长、根长、根数、叶片数； 2、生

9、理：根系或地上部分的Na+ 和 K+含量、Na+ K+、相关酶活性、相关物质含量（脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱） 3、产量：实际产量、理论产量的构成因素,第十三章抗逆育种,三、耐盐性遗传与品种选育大多数多基因控制的数量性状，F2连续分布，显性、加性与非加性效应；也有的突变体表现显性单基因，如拟南芥SOS基因，大豆Nc1基因细胞质遗传：粗厚山羊草细胞质对小麦的耐盐性提高, 其效应值与核基因型有关, 特定的核质组合可明显提高小麦的耐盐性；育种方法资源筛选：不同浓度杂交选育诱变筛选：水稻花药诱变筛选获得耐盐显性主基因组织培养、体细胞变异：筛选和培育耐盐细胞系体细胞杂交,第十三章抗

10、逆育种,五、作物抗旱耐盐基因工程对低分子量渗透调节物质基因、隔离化相关蛋白基因的遗传操作，增强转基因植物对水分亏缺和盐胁迫的耐性。 1、甜菜碱合成关键酶基因胆碱到甜菜碱合成经2 步氧化（叶绿体基质）第1 步反应酶是胆碱单氧化酶(CMO) 第2 步反应酶是甜菜碱醛脱氢酶(BADH) 胆碱氧化酶codA基因的转基因水稻，在花椰菜花叶35S 启动子的调控下积累甘氨酸和甜菜碱, 获得抗旱耐盐能力；将胆碱氧化酶基因codA 与叶绿体靶向序列结合构成嵌合基因来转化水稻, 比起单独转化codA 基因更为有效地提高了水稻抗旱和耐盐性。,第十三章抗逆育种,2、脯氨酸的合成酶基因鸟氨酸途径和谷氨酸途径

11、（干旱、盐胁迫和缺氮）关键酶是吡咯琳-5-羧酸合成酶( P5CS) 转入乌头叶菜豆P5CS 基因来增加非盐生植物（水稻、小麦）细胞中脯氨酸的量，提高抗渗透胁迫和抗旱耐盐能力 3、糖醇合成关键酶基因糖醇是由光合作用或呼吸作用的中间产物转化而成，在干旱和盐胁迫条件下合成并积累。 1-磷酸甘露醇脱氢酶(MtlD)基因：将来源于大肠杆菌的 MtlD转入烟草，转基因植株能够更多合成和积累甘露醇,表现出对1. 45 %NaCl 的抗性和提高抗旱能力。山梨醇脱氢酶（GutD）基因：大肠杆菌起源的GutD 转入玉米中使得植株体内积累山梨醇,并表现出较高的抗旱耐盐性。,第十三章抗逆育种,4、离子区隔

12、化相关基因 Na+ H+逆向转运蛋白基因：选择性泵出Na+。我们从大米草中分离获得该基因，转基因水稻耐盐能力提高0.3% HAL1 基因：最早从啤酒酵母中克隆的，调节阳离子转移系统，增加细胞内K+ 含量,降低细胞内Na + 含量，调节K+ / Na + 比率。该基因过量表达的酵母转化后，耐NaCl 提高近2倍; 将酵母的HAL1 基因转入拟南芥、菜瓜、番茄中, 减少Na +吸收，增加K+浓度，提高耐盐性酵母的HAL2 基因第1 次转入木本植物柑桔中，表现出了较高的耐盐性 5、大麦脱水素Dhn 基因家族（胚胎发育晚期高丰度蛋白基因）该基因与抗旱、抗寒、抗盐等抗逆性关系非常密切。其中的Dh

13、n成员HVA1转移到水稻中，提高抗旱耐盐性； 6、逆境相关的转录因子基因及防卫反应调节,第十三章抗逆育种,第三节抗寒育种作物对低温伤害的抵抗与恢复能力。抗冻性：零度以下低温条件下作物具有延迟或避免细胞间隙或原生质结冰。抗冷性：零度以上低温条件下作物维持正常生长发育的特性。不同作物的主要低温胁迫：低温长日作物：越冬（冻、雪）、春季（冷、冻、霜）高温短日作物：春秋季节（冷、霜）,第十三章抗逆育种,抗寒性鉴定不同作物鉴定目的方法指标不同自然鉴定人工鉴定指标形态指标：发芽率、发芽势、幼苗形态、相对绿叶面积、幼苗死亡率、结实率生理生化指标：膜透性（电导率）亲水氨基酸（

14、脯氨酸）和蛋白质（稳定水势和活性分子结构）可溶性糖（蔗糖对防止脱水后的蛋白质变性，降低冰点，保护细胞及其膜系统）保护酶活性（SOD清除活性氧、POD） ABA 信号物质与受体蛋白结合，启动防卫反应,第十三章抗逆育种,抗寒育种资源：野生种、近缘种、地方品种、寒地品种育种：杂交与远缘杂交抗寒基因工程 1、鱼类抗冻基因途径抗冻蛋白AFP、AFGP：富含丙氨酸半胱氨酸，结合糖，低浓度下( 100ug/ ml)有抗冰晶化作用，抗冻性比糖、盐高出200倍以上。该基因转入番茄、烟草、玉米、马铃薯等植物均能提高抗寒能力。 afa 基因 Spa-afa5 基因编码葡萄球菌A 蛋白基因与极地

15、比目鱼afa5 基因之间的融合基因，转基因蕃茄组织中检测到融合蛋白及其抗冰晶化作用,第十三章抗逆育种,2、脂肪酸去饱和代谢关键酶基因途径（与膜脂相变温度有关）高等植物对低温敏感性与磷脂酰甘油(PG) 中脂肪酸不饱和度有关, 而甘油-3-磷酸酰基转移酶对PG的不饱和度起决定作用。把甘油-3-磷酸酰基转移酶基因导入到烟草与拟南芥菜中, 改变PG的脂肪酸组成,提高植物抗寒性。 atW23叶绿体脂肪酸去饱和酶基因：转烟草增加163 和183 脂肪酸获得抗寒性酵母的硬脂酰基辅酶A 去饱和酶基因菠菜的硬脂酰基载体蛋白去饱和酶基因增强了转基因烟草的抗寒性 3、超氧物岐化酶基因不同来源的SOD

16、基因转入到烟草、苜蓿、棉花中，发现转基因增强耐冷抗寒性。,第十三章抗逆育种,4、糖类基因途径细菌焦磷酸酶( Phyrophophatase) 基因转化到烟草，可溶性碳水化合物叶中积累，提高耐霜能力 5、植物抗寒相关的功能与调控蛋白 atCOR蛋白：只在冷冻诱导下表达，该基因的启动子中的有特定C重复顺式作用元件 atCBF：该类转录因子特异结合C重复顺式作用元件，启动下游COR基因表达 STHP-64：一种茄科植物叶片中发现，该蛋白C-末端含有10个连续的13个氨基酸序列重复，与昆虫抗冻蛋白一致。它受冷冻或寒冷季节的特异诱导，并激活抗寒相关基因的表达。转基因提高抗冷能力。,第十三章抗逆育

17、种,第四节耐铝毒育种铝是土壤最丰富的金属元素,其平均含量约8 %。大部分以固定态铝形式存在，对植物和环境没有毒害作用。而离子态铝才对作物和环境有危害。土壤铝包括：难溶态铝、聚合态铝、络合态铝、无机铝化合物、无机离子态铝无机离子态铝：Al 3+ 、(AlOH) 2 + 、Al (OH) 2 + 对植物根系毒害最大；铝复合物：Al (OH) 3、Al (OH) -4 、硫酸铝复合体、磷酸铝复合体、氧化铝复合体、有机酸铝，其毒性较小；土壤铝经过水解、聚合、配合、沉淀和结晶等反应相互转化，形成不同结构、性质和形态的铝。,第十三章抗逆育种,降低pH值，提高离子态铝浓度，铝害主要发生

18、在酸性土壤（Ph 5.5以下）土壤中可溶性铝过量导致作物生长抑制（4 15mol/ L以上）在栽培上通常利用石灰或碱性肥料改善。一、植物铝毒危害铝在植物体集中于根系中。器官表现：植物根系、茎、叶片生长停止，分蘖少，组织坏死；根系：主根伸长生长受到抑制，侧根少、短粗而脆、棕褐色，根尖卷曲呈鱼钩状，根毛减少，根冠脱落；细胞：抑制细胞伸长、破坏膜的结构和功能、抑制有丝分裂与DNA 的合成；代谢：影响矿质营养的吸收和代谢、影响酶的活性、破坏激素平衡。,第十三章抗逆育种,二、植物抗铝毒机理 1、外部排斥指植物根系将大量铝毒拒之于根表以外。细胞壁对铝的固定：果胶纤维素的甲基化吸附，

19、根系分泌的大分子粘胶物质能有效络合铝离子质膜对铝的选择透性诱导产生pH 屏障：质外体或根际维持较高的pH值有机螯合剂解毒：多OH/COOH基团的柠檬酸、草酸和酒石酸能高效解毒无机磷的分泌：Al2Pi 复合物和Al (OH) 2H2 PO4沉淀，减少铝毒性 Al3+ 跨膜外流 2、内部解毒细胞内溶物质的螯合液泡的分隔化形成铝结合蛋白诱导耐铝酶系统的形成,第十三章抗逆育种,三、耐铝毒鉴定指标根系长度：含铝土培或水培1周，检测根系长度苏木精染色：铝溶液处理后染色比较，不染色为能够正常生长的根系耐铝指数：铝处理的根系重量/非处理根重四、耐铝育种遗传：主效基因小麦耐铝基因

20、：小麦耐铝性显性单基因Alt1，与编码苹果酸通道蛋白有关； 5A S 2D L 4D L 小黑麦3R 短臂上的耐铝基因与有机酸分泌关系密切拟南芥耐铝性多显性和半显性性状水稻耐铝基因：alu1 alu2 ，而在一些品种分析为部分显性育种：传统杂交与远缘杂交诱变铝溶液筛选分子标记辅助选择转基因：柠檬酸合成酶基因,第十三章抗逆育种,第五节耐湿性育种一、湿害土壤中水分过多，造成土壤中空气不足而引起作物生育障碍的现象。在世界的许多地方,如中国、日本、印度、巴基斯坦、澳大利亚等许多国家,湿害已严重威胁着旱作生产。在我国的南方广大地区,常年大麦生育期间的降水量多在500mm 以上；

21、其次,因麦作的前茬为水稻,土壤粘重,排水效果较差,所以很容易造成湿害渍水会造成麦作叶片早枯,根部发褐,植株矮化,分蘖减少,抽穗推迟,千粒重下降,最终导致减产。后期湿害重于前期，后期湿害,造成根系早衰腐烂严重,叶面积指数下降很大,很难恢复。对株高的影响以孕穗或拔节期最大;穗数以拔节期或分蘖期处理减少最多;千粒重以灌浆期处理下降最大;而减产的幅度以拔节期或孕穗期的幅度最大湿害以拔节期至成熟期最为明显, 湿害的敏感期为拔节期或孕穗期秋冬湿害，使越冬作物幼苗损伤；春季或夏季湿害，此时麦类作物正处于拔节到成熟的阶段，对产量影响很大，其中孕穗期受湿危害最大。,第十三章抗逆育种,二、湿害机理根系缺氧，影响呼吸作用,抑制光合作用,使植株外部形态出现一系列变化。组织：茎、叶、根的通气组织不发达,根尖细胞的排列不但间隙小而且是斜的, 更易受湿害影响生理危害：由于土壤空气受到限制,土壤性质发生变化,土壤的氧化还原电位下降,产生氧化亚铁,硫化氢、水溶性锰等有害还原物质,这些物质被根部吸收后,使细胞的生理机能下降,引起根腐坏死和木质化,至使养分吸收困难,根系生长停止直至死亡;另外缺氧促进无氧呼吸,使乙醇、乳酸等物质大量积累,对根系产生危害。,第十三章抗逆育种,生理干旱：淹水后植株根系生理功能削弱,尽管土壤中并不缺水,但也不能被植株吸收利用