生物工程技术

生物工程是60年代发展起来的新型学科，它是以分子生物学理论为基础，结合化学、物理等学科的新型技术而产生的，它包含的内容很多。生物工程技术在农作物育种中的使用，应该是70年代植物组织培养技术的日趋成熟而实现的。它包括单倍体育种、多倍体育种、体细胞杂交、基因工程等多方面。

在植物细胞内，控制植物遗传性状的基因是存在于染色体上的，每个物种的染色数量是恒定的，染色体组成一个个染色体组，每一个染色体组内包括一定数量的染色体。同一组内每个染色体的形态、功能各不相同。每个染色体组内所包含的染色体数称为染色体基数，通常用n表示。凡体细胞内含有一个完整染色体组的生物称为一倍体或单倍体;具有两个染色体组的生物称为二倍体，自然界中多数物种是二倍体;体细胞内含有二组以上染色体的生物称为多倍体。

植物体细胞中含有来自父、母本双方的两套染色体，经过减数分裂后产生的生殖细胞仅具有一套染色体。由生殖细胞直接发育长成的植物体就是单倍体。单倍体人工诱变处理后可产生纯合二倍体。由于它们是纯合体，遗传性状得到完全表现，因此在育种中有重要的意义。如果是二倍体经过染色体加倍处理后，就会形成多倍体。多倍体往往是个体比正常二倍体的大，如果是奇数(3，5)多倍体，还可以形成雄性不育。这些在育种中同样具有重要的意义。

单倍体育种最常见的是通过花粉或花药的培养，产生单倍体植株。利用花粉培养进行单倍体育种的过程大致是：

①原材料的准备。包括优良亲本的选择，花药及花粉的采集，消毒灭菌等工作;

②培养基的选择与配制。不同作物要求不同的培养基，必须通过试验，才能选择出合适的培养基。其中培养基中的植物激素的种类、含量往往是成功与否的关键，特别是生长素与细胞分裂素的含量比，调节着花粉的生长发育的方向;

③花粉与花药的接种。在灭菌的条件下将已灭菌的花粉或花药接种到培养基中，一般每毫升培养基接种花粉1000～10000粒，每管接种花药30～40枚;

④花粉的离体培养，在一定的温度、光照时间和光照强度等培养条件下，首先诱导产生愈伤组织，再从愈伤组织中诱导分化出胚状体，并进一步生长成单倍体幼苗和植株;

⑤染色体加倍处理、选择及鉴定。花粉植株是单倍体，不能正常结实，而要进行染色体人工加倍。一般用秋水仙素处理。双子叶植物可用1.5份的0.1%～0.4%秋水仙素和一份羊毛叶脂混合调成糊状乳液，直接涂抹在单倍体植株的腋芽或生长点，促使芽的染色体数加倍;禾谷类植物如水稻、小麦，可将幼苗或新生的分蘖株基部浸在0.04%～0.1%的秋水仙素溶液中，在20～25℃下经1～4天后取出，用清水洗去残液，栽入土中，可获得染色体加倍的植株。这样的纯合体植株作为父或母本，供有性杂交，其子代可表现出很强的杂种优势。用秋水仙来处理后形成的植株，要进行细胞的染色体数目的鉴定，来断定是否真正发生了染色体加倍。鉴定一般取6～8毫米的根尖，经过固定、染色、压片后，直接在显微镜下检查染色体数目。

多倍体育种的意义，除了由于多倍体植物在形态特征、生理生化特性和某些优良特性是二倍体所没有的以外，其主要的意义在于克服远缘杂交中的不孕性上。杂交育种中，父母本之间的亲缘关系越远，其杂种优势越强，如品种间、种间、属间，甚至不同科间的植物杂交，以得到杂种的优势。但是亲缘关系远的植物之间的杂交，其后代往往是不育的，其原因是子代中来自父本和母本的染色体是非同源染色体，它们在减数分裂时不能进行正常的配对，从而得不到可育的花粉。以种子为收获目标的农作物生产，如果不能结种子，则其他任何性状再好也是没有用的。因此用秋水仙素，对甲苯磺硫苯胺苯汞等化学药品，处理子代植株的腋芽或生长点，让其细胞中染色体数量加倍(异源的二倍体变成同染的四倍体)，使减数分裂时染色体配对，分裂平衡，花粉与胚珠都可育，从而得到了一代的种子。这种种子具有父母双亲的优点，而且还能出现比双亲优点之和更多的良好性状，即表现出强烈的杂种优势。

体细胞杂交或体细胞融合是区别于有性细胞融合而言的。它是指以植物体细胞作为材料，通过物理或化学因子的诱导，使两个物种的体细胞融合成的杂种细胞。再进一步通过植物细胞培养形成完整的杂种植株。由于植物细胞外有由纤维素为主要成分组成的坚硬的细胞壁，直接用理化因子诱导是不可能融合的，必须把细胞降解掉，以没有细胞壁的原生质体来进行融合，因此对植物细胞来说，体细胞杂交更确切的说法应该是原生质体融合。

体细胞杂交可以得到种间、属间、科间的杂交后代，是进行远缘杂交的最理想方法。由于体细胞多为二倍体，融合后形成四倍体，其减数分裂产生的生殖细胞(花粉和胚珠)是可育的，其后代可表现出明显的杂种优势。

体细胞杂交的方法大致如下：

①两种亲本的原生质体分离。一般是用纤维素酶和果胶酶处理亲本细胞，将细胞壁降解，产生原生质体;②理化因子诱导融合。将亲本的原生质体混合在一起，经过化学、物理的因子诱导，使两亲的原生质体融合。如使用Ca(NO3)2、高pH(10.5)、聚乙二醇、电激、高温等方法，促进原生质体的融合;③杂种细胞的选择。在双亲原生质体的融合中，会产生三种类型的融合细胞，除了父、母本原生属体融合外，还会发生父本与父本、母本与母本的原生质体融合。因此要应用互补选择法、离心法、分类法等方法，将杂种细胞挑选出来;④杂种细胞的培养及植株再生得到的杂种细胞，在合适的培养基和培养条件下培养，可以重新生成细胞壁，经过细胞分裂产生愈伤组织，然后再分化产生胚状体，形成杂种植株;⑤杂种植株的鉴定。在再生后的植株用于品种选育前，要进行鉴定，以确定真正是来自双亲的杂种。常用的方法有染色体组型分析、同工酶酶谱分析、形态学分析等。

基因工程技术是将已知的控制某一优良性状的基因，从一个植物中分离出来，利用某些特殊的方法导入目标植物，使其在该植物中得以表达，产生所要的性状。它是一门现代高精尖的技术，不仅要求有高素质的人才，还要求有先进的仪器设备。该技术使得人们完全可以根据自身的需求，来随意地改变植物的性状。它包括以下几个主要过程：