作物抗逆育種課件

逆境(stressenvironment)或脅迫(stress)生存在自然界的植物，常常遇到某種對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生傷害的環(huán)境因子抗逆育種抗病育種抗蟲(chóng)育種抗旱與耐鹽育種抗寒和耐熱育種耐濕性與耐弱光育種抗除草劑育種

植物逆境信號(hào)傳遞與抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種防治逆境危害的基本途徑采取一些合理、有效的農(nóng)業(yè)措施，防治或減輕逆境對(duì)作物造成的危害，提高植物的抗逆性(即植物抵抗各種脅迫因子的能力作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種第一節(jié)抗旱與耐鹽育種全球：荒漠化土地面積3600萬(wàn)平方公里，占全球陸地面積的1/4，相當(dāng)于俄、加、中、美四國(guó)國(guó)土的總和，并以每年5萬(wàn)至7萬(wàn)平方公里的速度擴(kuò)大。1/3耕地面積供水不足，其它耕地周期性缺水。作物抗逆育種我國(guó)：85％的自然災(zāi)害為氣象災(zāi)害，干旱災(zāi)害又占?xì)庀鬄?zāi)害的50％左右，3/4的耕地面積遭受不同程度干旱的威脅，20世紀(jì)九十年代我國(guó)北方干旱頻繁發(fā)生，特別是西北地區(qū)出現(xiàn)了1995年和1997年的嚴(yán)重干旱，而南方部分地區(qū)近幾年也頻繁發(fā)生干旱。作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種（一）作物抗旱性免旱性在生長(zhǎng)環(huán)境中水分不足時(shí)，植物體內(nèi)仍能保持水分免受傷害，以至能進(jìn)行正常生長(zhǎng)的性能。包括保持水分的吸收和減少水分的損失。免旱性的主要特點(diǎn)大都表現(xiàn)在形態(tài)結(jié)構(gòu)上。耐旱性作物忍受組織水勢(shì)低的能力，不受傷害或減輕損害。耐旱的主要特點(diǎn)則大都表現(xiàn)在生理上抗旱。免旱性和耐旱性屬于真正的抗旱性。避旱性通過(guò)早熟或發(fā)育的可塑性，在時(shí)間上避開(kāi)干旱的危害，不屬于抗旱性。作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種干旱傷害與抗旱生理

(二)干旱傷害水分虧缺傷害是由于長(zhǎng)期無(wú)降水或降水顯著偏少，以及無(wú)水灌溉或灌溉不足即干旱，使植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的水分得不到滿足而造成的傷害現(xiàn)象。作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種(三)抗旱生理氣孔是植物體與外界進(jìn)行H2O和CO2等氣體交換的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，既能使光合作用所需的CO2通過(guò)，又能防止過(guò)多水分散失。當(dāng)空氣干燥時(shí)，在空氣飽和差引起葉水勢(shì)的進(jìn)一步下降。干旱、鹽漬都會(huì)構(gòu)成對(duì)植物的滲透脅迫，在一定范圍內(nèi)，植物能通過(guò)自身細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)作用來(lái)抵抗外界的滲透脅迫。植物不同種或品種的這種調(diào)節(jié)能力差異很大，這種差別表現(xiàn)為植物種或品種的抗旱性的不同。作物抗逆育種四、抗旱性鑒定(一)抗旱鑒定的方法1.田間直接鑒定法

將待鑒定的材料直接播種或定植于大田利用自然降水不足或控制澆水等方法，造成干旱脅迫，在整個(gè)生育期內(nèi)測(cè)定一些與抗旱有關(guān)的形態(tài)或生理生化指標(biāo)，最后測(cè)定產(chǎn)量，計(jì)算抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)等。2．盆栽鑒定法

將鑒定材料種質(zhì)于花盆內(nèi)，人工控制澆水，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模谌魏紊趦?nèi)進(jìn)行不同程度的干早脅迫處理，但工作量大，不能大批量進(jìn)行。作物抗逆育種3．人工氣候室與旱棚鑒定法效果好，結(jié)果穩(wěn)定但投資大，設(shè)備復(fù)雜，只能用于對(duì)少量材料的深入研究。4．室內(nèi)模擬干旱脅迫法

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工模擬干旱條件用PEG、甘露醇或發(fā)芽墊蒸干等方法，造成干旱脅迫，方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，但只能做萌發(fā)期、苗期鑒定，后期鑒定比較困難。作物抗逆育種生理生化指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)(1)葉水勢(shì)(LWP)御旱作物能夠通過(guò)維持較高的組織含水量來(lái)抵抗干旱脅迫，其葉水勢(shì)值較高；耐旱作物其葉水勢(shì)值較低，它們是在組織內(nèi)部水分虧缺的情況下耐受干旱脅迫，繼續(xù)生存和繁殖。(2)葉片相對(duì)含水量(RWC)和水分飽和虧(WSD)

作物抗逆育種(3)質(zhì)膜透性測(cè)定電導(dǎo)率即可了解質(zhì)膜傷害程度?？购敌詮?qiáng)的品種細(xì)胞膜透性增加少，電解質(zhì)外滲量少。(4)氣孔擴(kuò)散阻力氣孔是CO2進(jìn)入與水分蒸騰的主要通道。氣孔的開(kāi)閉大小對(duì)作物抗旱起重要作用。(5)保護(hù)酶活性超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)都是植物組織防御系統(tǒng)中的重要保護(hù)酶，抗旱性強(qiáng)的品種在水分脅迫條件下，SUD、CAT和POD活性明顯高于抗旱性弱的品種。作物抗逆育種2、形態(tài)指標(biāo)：發(fā)芽能力、幼苗存活與生長(zhǎng)狀況；根長(zhǎng)或扎根深度、根冠比大、根系長(zhǎng)與數(shù)量多葉小、直立、角質(zhì)層厚、氣孔少、氣孔下陷維管束緊密、導(dǎo)管多直徑大芽鞘長(zhǎng)度：小麥低水勢(shì)下芽鞘長(zhǎng)度與干旱條件下產(chǎn)量的相關(guān)性不耐旱葉片表皮極度密集的氣孔仙人掌表面向內(nèi)凹陷的氣孔雙子葉植物開(kāi)放的氣孔單子葉植物的氣孔作物抗逆育種3、生理生化指標(biāo)離體葉片持水能力、根冠淀粉水解狀況；花粉敗育率；葉綠素穩(wěn)定性；氣孔開(kāi)度、ABA、葉水勢(shì)、耐高溫承受力和冠層溫度氣孔調(diào)節(jié)膜透性、葉片導(dǎo)性；SOD酶活性滲透調(diào)節(jié)：

K+、Ca+、無(wú)機(jī)鹽脯氨酸（滲透脅迫下積累的1種相容滲透劑,降低細(xì)胞內(nèi)滲透勢(shì)、保護(hù)細(xì)胞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和防止酶變性的作用）甘露醇、甜菜堿、糖氣孔的開(kāi)閉的調(diào)節(jié)因子有晝夜節(jié)律、紅藍(lán)光、脫落酸（ABA）、乙酰膽堿、二氧化碳濃度、大氣濕度、溫度等因素的調(diào)節(jié)作物抗逆育種鑒定指標(biāo)：產(chǎn)量指標(biāo)：抗旱系數(shù)=干旱脅迫下產(chǎn)量/非脅迫下的產(chǎn)量

干旱敏感指數(shù)=（1-抗旱系數(shù)）/脅迫強(qiáng)度

抗旱指數(shù)=抗旱系數(shù)*旱地產(chǎn)量/所有品種旱地平均產(chǎn)量作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種第二節(jié)抗鹽堿育種

全世界有鹽堿地6億多公頃，次生鹽漬化約有1億公頃；我國(guó)有鹽堿耕地面積約3000萬(wàn)公頃(一)鹽害表現(xiàn)鹽害是植物在含水溶性鹽類較多的土壤上栽培，而造成的生長(zhǎng)不良、產(chǎn)量下降、甚至死亡。作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種鹽害的特點(diǎn)①新葉生長(zhǎng)速率減慢是植物對(duì)鹽漬響應(yīng)最敏感的生理過(guò)程，生長(zhǎng)減慢的程度與根際滲透壓呈正比②鹽漬條件下，無(wú)排鹽結(jié)構(gòu)的植物，由于蒸騰作用，地上部鹽分不斷積累，造成葉片含鹽量過(guò)高，老葉死亡。③當(dāng)葉片死亡率大于生長(zhǎng)速率時(shí)，單位葉面積下降，貯存的糖類越來(lái)越少，不能滿足生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)的需要，導(dǎo)致植株死亡。作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種(二)植物的耐鹽性植物對(duì)土壤的反應(yīng)因物種而異，即使同一種內(nèi)不同品種，也存在著明顯的差異。耐鹽性：指植物在鹽脅迫下維持生長(zhǎng)、形成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量或完成生活史的能力植物按照對(duì)鹽漬的反應(yīng)鹽生植物淡土植物作物抗逆育種降低地上部鹽分濃度是植物耐鹽的重要機(jī)理之一，膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性是控制離子運(yùn)輸和分配的主導(dǎo)因子，膜系統(tǒng)是植物鹽害的主要部位。滲透調(diào)節(jié)能力是植物耐鹽的最基本特征之一，與耐旱性不同，參與鹽漬中植物滲透調(diào)節(jié)過(guò)程的不僅包括小分子有機(jī)物，還有多種無(wú)機(jī)鹽離子(K+、Na+、Cl—等)。雖然從能量消耗角度看，積累有機(jī)溶質(zhì)需要多消耗幾十倍的能量，但作為“親和性溶質(zhì)”，對(duì)于植物生存是必要的作物抗逆育種(二)耐鹽性鑒定1．萌發(fā)試驗(yàn)法在裝有能控制鹽分濃度的土壤或砂的容器中播種根據(jù)種子萌發(fā)和幼苗發(fā)育的表現(xiàn)來(lái)鑒定植物的耐鹽性。2．營(yíng)養(yǎng)液栽培法將供試材料進(jìn)行砂培或水培，控制培養(yǎng)液的鹽分和營(yíng)養(yǎng)成分，根據(jù)其生長(zhǎng)表現(xiàn)測(cè)定其耐鹽性。3，田間試驗(yàn)法將供試材料在適當(dāng)程度的鹽堿地上進(jìn)行栽培試驗(yàn)，根據(jù)植株的生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量表現(xiàn)評(píng)定其耐鹽性。作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種植物抗鹽育種的常規(guī)方法62作物抗逆育種四、植物抗旱耐鹽的基因工程滲透調(diào)節(jié)作為一種植物抗旱耐鹽機(jī)制脯氨酸、甜菜堿、甘油、山梨醇、甘露醇、肌醇及其衍生物，在植物或微生物中的代謝途徑已基本明確。因此，改造代謝以提高這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的生物合成水平也就成為植物抗旱耐鹽基因工程的首選策略。作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種作物抗逆育種1、甜菜堿合成關(guān)鍵酶基因膽堿到甜菜堿合成經(jīng)2步氧化（葉綠體基質(zhì)）第1步反應(yīng)酶是膽堿單氧化酶(CMO)

第2步反應(yīng)酶是甜菜堿醛脫氫酶(BADH)

膽堿氧化酶codA基因的轉(zhuǎn)基因水稻，在花椰菜花葉35S啟動(dòng)子的調(diào)控下積累甘氨酸和甜菜堿,獲得抗旱耐鹽能力；將膽堿氧化酶基因codA與葉綠體靶向序列結(jié)合構(gòu)成嵌合基因來(lái)轉(zhuǎn)化水稻,比起單獨(dú)轉(zhuǎn)化codA基因更為有效地提高了水稻抗旱和耐鹽性。作物抗逆育種2、脯氨酸的合成酶基因鳥(niǎo)氨酸途徑和谷氨酸途徑（干旱、鹽脅迫和缺氮）關(guān)鍵酶是吡咯琳-5-羧酸合成酶(P5CS)

轉(zhuǎn)入烏頭葉菜豆P5CS基因來(lái)增加非鹽生植物（水稻、小麥）細(xì)胞中脯氨酸的量，提高抗?jié)B透脅迫和抗旱耐鹽能力作物抗逆育種3、糖醇合成關(guān)鍵酶基因糖醇是由光合作用或呼吸作用的中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化而成，在干旱和鹽脅迫條件下合成并積累。1-磷酸甘露醇脫氫酶(MtlD)基因：將來(lái)源于大腸桿菌的MtlD轉(zhuǎn)入煙草，轉(zhuǎn)基因植株能夠更多合成和積累甘露醇,表現(xiàn)出對(duì)1.45%NaCl的抗性和提高抗旱能力。山梨醇脫氫酶（GutD）基因：大腸桿菌起源的GutD

轉(zhuǎn)入玉米中使得植株體內(nèi)積累山梨醇,并表現(xiàn)出較高的抗旱耐鹽性。作物抗逆育種4、離子區(qū)隔化相關(guān)基因Na+?H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因：選擇性泵出Na+。從大米草中分離獲得該基因，轉(zhuǎn)基因水稻耐鹽能力提高0.3%HAL1基因：最早從啤酒酵母中克隆的，調(diào)節(jié)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，增加細(xì)胞內(nèi)K+含量,降低細(xì)胞內(nèi)Na+含量，調(diào)節(jié)K+/Na+比率。該基因過(guò)量表達(dá)的酵母轉(zhuǎn)化后，耐NaCl提高近2倍;

將酵母的HAL1