《植物體細胞雜交》PPT課件

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1、植物體細胞雜交,周有文,主要內(nèi)容,體細胞雜交研究歷程及一般概念,體細胞雜交的一般流程,雜交細胞的鑒定及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域,細胞雜交的相關(guān)文獻,4,1,2,3,我們從以下幾方面來探討植物體細胞雜交技術(shù)。,,發(fā)展歷程,70年代,技術(shù)建立和完善優(yōu)化 1972年獲得煙草種間體細胞雜種 1975年高Ca高pH加PEG融合方法,電融合法 大量成功報道,不少為異想天開的實驗 80年代初,由模式植物轉(zhuǎn)向農(nóng)作物/經(jīng)濟作物,對稱融合到非對稱融合,創(chuàng)造新種質(zhì)的技術(shù)手段 80年代末,大量木本植物細胞融合成功的報道 90年代至今,成為一種育種手段,,植物體細胞雜交的幾個重要進展,1960年,Kocking用酶法制備高等植物原

2、生質(zhì)體首次獲得成功; 1971年,Takebe首次從離體煙草原生質(zhì)體培養(yǎng)中獲得再生完整植株; 1972年,Carlson首次獲得粉藍煙草和郎氏煙草的細胞雜種,這是第一個植物體細胞雜種; 1974年,Kao將聚乙二醇(PEG)誘導(dǎo)融合法應(yīng)用于植物細胞融合并建立了相應(yīng)的融合技術(shù); 1978年,Melchers獲得第一個屬間體細胞雜種(番茄馬鈴薯); 1981年,Zimmerman發(fā)明了電融合儀,并首次提出了電融合概念; 1987年,Schweiger建立了單對原生質(zhì)體電融合技術(shù)程序。,體細胞雜交的一般概念,體細胞雜交,即原生質(zhì)體融合,將兩個不同親本的原生質(zhì)體,經(jīng)人工誘導(dǎo)融合并培養(yǎng)再生成株的過程,統(tǒng)

3、稱為體細胞雜交(A + B)。,,根據(jù)概念,在理論上任何細胞都可能通過體細胞雜交而成為新的生物資源。這對于種質(zhì)資源的開發(fā)和利用具有深遠的意義。 融合過程不存在有性雜交過程中的種性隔離機制的限制,為遠緣物種間的遺傳物質(zhì)交換提供了有效途徑。 體細胞雜交產(chǎn)生的雜種細胞含有來自雙親的核外遺傳系統(tǒng),在雜種的分裂和增殖過程中雙親的葉綠體、線粒體DNA亦可發(fā)生重組,從而產(chǎn)生新的核外遺傳系統(tǒng)。,體細胞雜交與有性雜交的異同,幾種不同的表述:,體細胞雜交:Somatic hybridization 細胞融合:Cell fusion 原生質(zhì)體融合:Protoplast fusion 無性雜交:asexual

4、hybridization 超性雜交:Parasexual hybridization 超性融合:Parasexual fusion 細胞操作:Cell manipulation 細胞工程(Cell engineering),體細胞雜交步驟:,1 原生質(zhì)體的制備 2 原生質(zhì)體的融合 3 雜種細胞選擇 4 雜種細胞培養(yǎng) 5 由愈傷組織再生植株 6 雜種植株的鑒定,植物體細胞雜交技術(shù)的過程:,,,雜交的兩個細胞,,再生細胞壁,雜種細胞,脫分化,再分化,(植物體細胞融合完成的標志),植物細胞融合,植物組織培養(yǎng),植物細胞A,植物細胞B,,去壁,去壁,原生質(zhì)體A,原生質(zhì)體B,,融合,融合的原生質(zhì)

5、體AB,,再生細胞壁,雜種細胞AB,脫分化,,,愈傷組織,雜種植株,再分化,,,植物細胞融合,,植物組織培養(yǎng),植物體細胞雜交,怎樣才能去除細胞壁但又不破壞細胞的生命活性呢?,酶解法,融合的原理及常用的融合方法?,物理方法:離心、振蕩、電刺激 化學(xué)方法:聚乙二醇(PEG),,融合可能的類型? 怎樣篩選雜種細胞?,植物體細胞雜交成功的標志是什么?,,利用雜種細胞獲得雜種植株所依據(jù)的原理?,植物細胞具全能性,酶的 專一性,生物膜的 流動性,獲得的雜種植株是否能表現(xiàn)出人們所期望的性狀?,雜種植株的鑒定,雜交細胞的篩選,細胞融合的方法及步驟,,,,聚乙二醇 PEG),,化學(xué)方法,細胞融合流程,,仙臺

6、病毒 (Sendai virus),自發(fā)融合 在酶解細胞壁的過程中,有些相鄰的原生質(zhì)體能彼此融合形成同核體(homokaryon),每個同核體包含240個核。 形成的原因:由不同細胞間胞間連絲的擴展和粘連造成的。 減少自發(fā)融合的措施:在用酶液處理之前,使細胞受到強烈的質(zhì)壁分離藥物的作用,切斷胞間連絲。,,NaNO3處理,高PH-高濃度Ga2+,飛秒激光誘導(dǎo)融合,電融合芯片,空間細胞融合,原生質(zhì)體融合的有關(guān)名詞,對稱雜種(雙親給雜種貢獻的遺傳物質(zhì)均為100%) 非對稱雜種(雙親給雜種貢獻的遺傳物質(zhì)不等(相對值) 胞質(zhì)雜種(cytoplasmic hybrid, Cybrid):細胞質(zhì)

7、重組,細胞核未重組 對稱融合(symmetric fusion) 也稱標準融合(Standard fusion) 非對稱融合(asymmetric fusion):融合前對一方進行處理,使其染色體丟失一部分,原生質(zhì)體融合的有關(guān)名詞-II,供-受體融合:Donor-recipient fusion 體配融合(gameto-somatic fusion)(性細胞與體細胞融合) 亞原生質(zhì)體-原生質(zhì)體融合: Subprotoplast-protoplast fusion 小原生質(zhì)體:Miniprotoplast 微原生質(zhì)體:Microprotoplast 胞質(zhì)體:Cytoplast 胞質(zhì)體

8、-原生質(zhì)體融合: Cytoplast-protoplast fusion,微原生質(zhì)體融合,植物微原生質(zhì)體融合是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將一種植物的一條或幾條染色體轉(zhuǎn)移到另一種植物中的新的非對稱原生質(zhì)體融合的方法。 其原理是采用適當濃度的微核誘導(dǎo)劑,包含DNA合成抑制劑和紡錘體毒素兩大類,常用的如秋水仙素(COL)、安磺靈(oryzalin)、草胺磷除草劑(eremart)、甲基氨草磷(ApM)、甲氨喋吟(MTx)、氯苯胺靈(CIPC)等。 這些藥劑可使正在分裂的植物細胞停留在有絲分裂中期,數(shù)小時后,染色體解開螺旋,形成內(nèi)含多個微原生質(zhì)體的微核化細胞,每個微原生質(zhì)體內(nèi)含有一條或幾條染色體,由于有絲分

9、裂停留在中期,每條染色體的兩個姐妹染色單體仍在一起,著絲點不分開。通過酶解去掉微核化細胞的細胞壁獲得微核化原生質(zhì)體,再用離心等技術(shù)分離出帶有一條或幾條染色體的微原生質(zhì)體,誘導(dǎo)其與完整的受體原生質(zhì)體融合,從而實現(xiàn)部分基因組的轉(zhuǎn)移。 微原生質(zhì)體融合主要包括3個步驟:微原生質(zhì)體誘導(dǎo)、分離以及富集、微原生質(zhì)體融合和植株再生。,,微核是細胞的染色體發(fā)生斷裂后,細胞進入下一次分裂時,染色體片段不能隨有絲分裂進入子細胞,而在細胞漿中形成直徑小于主核的,嗜色與主核一致,完全與主核分開的圓形或橢圓形微小核 ,位于細胞漿中獨立于主核的核小體,其染色同主核,但比主核淡,其直徑小于主核1/3,主要由外界損害因素(生物

10、、物理、化學(xué))作用細胞后,導(dǎo)致細胞染色體丟失或斷裂,從而在胞漿中形成1個或數(shù)個小核。,根據(jù)融合時細胞的完整程度,原生質(zhì)體融合可分為兩大方式:,對稱融合(symmetric fusion)即兩個完整的細胞原生質(zhì)體融合。 非對稱融合(asymmetric fusion)利用物理或化學(xué)方法使某親本的核或細胞質(zhì)失活后再進行融合。,1.PEG誘導(dǎo)融合法 【Polyethylene glycol (PEG)】,PEG誘導(dǎo)融合的特點:優(yōu)點是融合成本低,勿需特殊設(shè)備;融合子產(chǎn)生的異核率較高;融合過程不受物種限制。缺點是融合過程繁瑣,PEG可能對細胞有毒害。 PEG作用機理: Kao等認為,由于PEG分子具

11、有輕微的負極性,故可以與具有正極性基團的水、蛋白質(zhì)和碳水化合物等形成H鍵,從而在原生質(zhì)體之間形成分子橋,其結(jié)果使原生質(zhì)體發(fā)生粘連進而促進原生質(zhì)體融合;另外,PEG能增加類脂膜的流動性,也使原生質(zhì)體的核、細胞器發(fā)生融合成為可能。,在細胞工程中普遍認為聚乙二醇(PEG)分子能改變各類細胞的生物膜結(jié)構(gòu),使兩細胞接觸點處質(zhì)膜的脂類分子發(fā)生疏散和重組,由于兩細胞接口處雙分子層質(zhì)膜的相互親和以及彼此的表面張力作用,從而使細胞發(fā)生融合,從而形成雜種細胞,培養(yǎng)該雜種細胞(細胞質(zhì)雜種)可以獲得一些特殊的雜種植株。,PEG融合所需試劑,融合液:pH 5.6 CaCl2 2H2O 810mmol KH2PO4

12、 0.7mmol 甘露醇或山梨醇 0.51.0mol 誘導(dǎo)液:融合液PEG 2045 稀釋液: A液(g/100ml)pH6.0 B液 (g/100ml) pH10.5 葡萄糖 7.21 甘氨酸 0.375 CaCl2 2H2O 0.79 NaOH 0.169,一般PEG融合細胞流程,NaNO3處理,1909年,Kuster在一個發(fā)生了質(zhì)壁分離的表皮細胞中,低滲NaNO3溶液可以引起2個亞原生質(zhì)體的融合。 缺點:異核體(heterokaryon)形成頻率不高。,高PH-高濃度鈣離子處理,1973年,Keller和Melchers,用強堿性(PH10.5)的高濃度鈣離子

13、(50mmol.L-1)溶液在37下處理約30min,兩個品系的煙草葉肉原生質(zhì)體很容易融合。 但對于有些原生質(zhì)體系統(tǒng),這樣高的PH值是有毒的。,電融合儀的結(jié)構(gòu)特點: 交變電場部分 高頻直流電擊部分,電融合的基本過程:,細胞膜的接觸:當原生質(zhì)體置于電導(dǎo)率很低的溶液中時,電場通電后,電流即通過原生質(zhì)體而不是通過溶液,其結(jié)果是原生質(zhì)體在電場作用下極化而產(chǎn)生偶極子,從而使原生質(zhì)體緊密接觸排列成串; 膜的擊穿:原生質(zhì)體成串排列后,立即給予高頻直流脈沖就可以使原生質(zhì)膜擊穿,從而導(dǎo)致兩個緊密接觸的細胞融合在一起并圓球化。,關(guān)于融合參數(shù):,交流電壓 交變電場的振幅頻率 交變電場的處理時間 直流高頻電壓

14、脈沖寬度 脈沖次數(shù),細胞電融合過程中,細胞排隊、電穿孔和電融合過程都是在一定的電壓條件下完成的。因此,選擇合適的電壓信號成為了細胞電融合過程的關(guān)鍵所在。與電壓信號相關(guān)的參數(shù)有:電壓波形、電壓幅值、電壓頻率和電壓持續(xù)時間。,飛秒激光誘導(dǎo)細胞融合技術(shù),在實驗中,飛秒激光的中心波長為810 nm,脈沖重復(fù)頻率100 MHz,脈沖寬度為40 fs,作用在被融合細胞上的平均功率為55 mW。 首先使用葡聚糖酶去掉酵母細胞壁,制成原生質(zhì)體。在細胞融合之前加入體積分數(shù)為10%的聚乙二醇(PEG)和0.02 mol/L的CaCl2溶液,促使原生質(zhì)體細胞聚集并緊密接觸。選定緊密接觸的原生質(zhì)體細胞對,調(diào)整載物臺

15、,使飛秒激光聚焦在質(zhì)膜緊密接觸的區(qū)域,通過光快門控制融合細胞被輻照時間。實驗采用0.25 s的輻照時間,以CCD錄像系統(tǒng)監(jiān)測靶細胞的融合過程。實驗表明,靶細胞被曝光后160 min便可融合成一個細胞。,激光誘導(dǎo)細胞融合技術(shù)具有顯著的優(yōu)點,如: 1)高度的選擇性,可以選擇任意的兩個細胞之間進行融合,易于實現(xiàn)特定細胞融合。 2)激光作用于細胞所產(chǎn)生的應(yīng)力小、定時和定位性強、損傷小,從而提高了融合細胞的生存能力。而且,激光參數(shù)易于控制、操作方便、融合過程利于觀察,實驗重復(fù)性好。 3)激光操控時無菌、無毒性。激光誘導(dǎo)細胞融合技術(shù)也有自身的缺點,如: a.技術(shù)不夠成熟,需要進一步完善。 b.設(shè)備非常

16、昂貴。 c.它是一種微操作技術(shù),對實驗人員和操作技術(shù)要求高,通常需要專門培訓(xùn)。 同時,該技術(shù)每次只能靠人工操作一對細胞,過程繁瑣,工作效率極差,產(chǎn)量也很低。,細胞電融合芯片,在細胞電融合研究向微芯片技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展過程中,微電極間距縮小到幾十微米,而電融合中細胞排隊(約100700 V/cm)與電穿孔(約18 kV/cm)所需電場條件基本不變。根據(jù)電場強度與加載電壓的關(guān)系式E=V/d(E為電場強度,V為微電極兩側(cè)施加的電壓,d為微電極間距),如果電極間距d=1 mm,則排隊電壓需要1070 V,擊穿電壓則高達100800 V。如果電極間距縮小到d=50m,則排隊電壓需要0.52.5 V,擊穿

17、電壓只需要540 V。因此,當通過微加工工藝使微電極間距縮小后,所需電壓信號就會大大降低,使細胞電融合系統(tǒng)成為可用電池供電的便攜式系統(tǒng)。由此可見,融合芯片的研究對細胞電融合微系統(tǒng)整體的實現(xiàn)有極其重要的意義,將是該研究的一個重要內(nèi)容,也是該系統(tǒng)發(fā)展成微全分析系統(tǒng)(micro total analysis system,-TAS)的基礎(chǔ)。,,,,電融合芯片缺點,常規(guī)電融合系統(tǒng)中異源細胞的準確配型難以實現(xiàn)與生物和化學(xué)融合方法相比,電融合方法由于效率較高、操作簡便、對細胞無毒害、便于觀察、適于儀器應(yīng)用和規(guī)范操作,成為了主要的手段。不過,常規(guī)融合系統(tǒng)中融合配型難以控制,目標配型的產(chǎn)率仍然很低。因此,細胞

18、電融合技術(shù)的研究進入微觀層次,希望通過微操作方法來實現(xiàn)精確的細胞操作,從而解決融合配對特異性差的缺陷,同時提高自動化程度和融合效率。目前,顯微操作的應(yīng)用雖可以提高配型的準確度,但自動化程度和效率都很低。 現(xiàn)有電融合系統(tǒng)中微電極數(shù)目偏少,難以提高細胞融合效率現(xiàn)有的電融合系統(tǒng)中融合電極一般只有少數(shù)幾對,可以同時控制和融合的細胞有限,造成融合效率不高。 常規(guī)融合儀器中融合電壓很高,有潛在安全隱患,也不利于設(shè)備微型化現(xiàn)有細胞電融合儀器中電極間距一般為2001000m,細胞電穿孔所需電壓在幾百伏特以上。過高的電壓對實驗者造成不安全因素,同時,對融合后的細胞存活率也帶來不利的影響。另外,所需電壓越高,細胞

19、融合儀設(shè)備制造難度也相應(yīng)提高。設(shè)備研制成本很高,體積較大,難以實現(xiàn)便攜化,限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。 多核融合細胞比例過高現(xiàn)有細胞電融合方法中,多細胞排列成細胞串的比例很高,由此帶來的一個嚴重問題是融合細胞中多核細胞(多個細胞融合而成)的比例也相當高。這種細胞難以存活和分化,也大大降低了實際融合效率。 電融合芯片技術(shù)不甚完善現(xiàn)有電融合芯片技術(shù)還處于相當初級的階段,電極數(shù)量少、細胞控制困難、融合配對準確性和融合效率難以同時得到保障,與其它微流控細胞研究技術(shù)的集成度也很低。,空間細胞融合技術(shù),植物細胞融合過程中由于地球重力的存在,有無液泡的原生質(zhì)體密度差很大,異源細胞融合率低。 20世紀80年代以

20、來,在空間材料科學(xué)的啟發(fā)下,試圖利用空間微重力條件改進細胞融合技術(shù)。 空間細胞融合技術(shù)是直接為生物加工服務(wù)的,例如將抗藥性或胞質(zhì)雄性不育等細胞質(zhì)基因?qū)肓硪粋€體細胞,有可能形成新的核質(zhì)雜種;通過誘導(dǎo)不同種間、科屬間原生質(zhì)體融合,可以打破遠源雜交不親和性,廣泛組合各種基因型,形成正常重力下無法獲得的新型雜種植株。,生物誘導(dǎo)融合法仙臺病毒法,仙臺病毒是一類被膜病毒,屬于附黏液病毒族,它是多形性顆粒,直徑為5060 nm,由兩層磷脂組成的外膜包裹著RNA和蛋白質(zhì)復(fù)合體,外膜上有兩種糖蛋白,一種是HANA蛋白質(zhì),一種是F蛋白質(zhì),前者具有神經(jīng)氨酸酶和血凝活性(分子量較大),后者具有融合和溶血作用(分子

21、量較?。? 仙臺病毒誘導(dǎo)細胞融合的機理是:病毒被膜上的兩種糖蛋白可和細胞膜表面的糖蛋白發(fā)生相互作用,從而使兩個細胞可以互相接觸,在電鏡下觀察到在相接觸的相鄰細胞表面之間將產(chǎn)生一些微小的細胞質(zhì)橋。隨著時間的推移,細胞質(zhì)橋數(shù)量和橋的體積也在增加,最后相鄰細胞的細胞質(zhì)就結(jié)合在一起了,形成細胞凝集塊再通過膜上蛋白質(zhì)分子的重新排列,使膜中脂類分子重排而打開質(zhì)膜,最后導(dǎo)致細胞融合。,,在利用仙臺病毒誘導(dǎo)細胞融合實驗中主要包括以下四個步驟:(1)先將親本細胞(待融合的細胞)分別制成懸浮液、混合離心;(2)將沉積細胞懸于滅活的仙臺病毒懸液里,在4oC低溫下?lián)u動20分鐘,使細胞形成凝集塊;(3)再將溫度升至

22、37oC,間歇搖動30分鐘,使其融合;(4)洗去病毒,將融合細胞浮于選擇性培養(yǎng)基進行培養(yǎng)。由于4oC低溫利于細胞聚集,在融合時需要提高溫度,否則融合不會發(fā)生。,體細胞雜種的鑒定及應(yīng)用領(lǐng)域,細胞融合產(chǎn)生的雜種及后代需經(jīng)過雜種性質(zhì)的鑒定,而體細胞雜種用于育種實踐時,則應(yīng)進行再生植株及后代的遺傳分析,一般包括形態(tài)學(xué)標記、細胞學(xué)標記、原位雜交分析以及各種生化及分子標記分析。,,形態(tài)標記,形態(tài)標記即植物的外部特征,如花的形狀及顏色、果實(種子)的形狀及顏色、葉型、表皮毛、株型、穗型、千粒重、耐逆性以及對疾病的抗性等。形態(tài)標記簡單直觀,但是標記少、多態(tài)性差、易受環(huán)境條件和其它修飾基因的影響,并且許多性狀為

23、數(shù)量性狀,由幾個位點控制,表現(xiàn)為一個范圍,而不是簡單的性狀差異。,細胞學(xué)標記,細胞標記主要包括染色體核型(染色體數(shù)目、大小、隨體、著絲點位置等)和帶型(C帶、N帶、G帶等)。細胞學(xué)標記位點較少,而且對于親緣關(guān)系較近的物種,由于細胞學(xué)標記差別不明顯,所以很難根據(jù)細胞學(xué)特征來區(qū)分。,同工酶標記,同工酶為共顯性,父本和母本的基因可以同時在后代中表達,不受環(huán)境因素影響,中僅有相對穩(wěn)定;分析操作簡便,所需材料較少;不足之處是位點數(shù)較少,植物1020種同工酶表現(xiàn)出位點的多態(tài)性,覆蓋的基因組范圍有限。,染色體原位雜交,染色體原位雜交(Genomic in situ hybridization,GISH)是一

24、項利用標記的DNA探針與染色體上的DNA雜交,在染色體上直接進行檢測的分子標記技術(shù)。通常用同位素或生物素、地高辛標記的DNA探針與染色體DNA雜交,通過放射自顯影或通過抗原抗體反應(yīng),在熒光顯微鏡下觀察DNA探針與其互補的DNA序列結(jié)合的位置。最大優(yōu)點是可以顯示在體細胞雜種中哪條染色體來源于這個親本,哪條染色體來源于另一個親本,因而更準確、直觀。,分子生物學(xué)標記,植物的分子標記主要有RApD、盯LP、AFLP、SSR、ISSR、EST等。,,下面是研究得出的新品種,植物體細胞雜交方式有對稱體細胞雜交、不對稱體細胞雜交。 對稱體細胞雜交是指雙方原生質(zhì)體直接進行融合,雙親完整原生質(zhì)體融合使所有遺傳物

25、質(zhì)均勻混合和重組形成對稱雜種。利用體細胞雜交可創(chuàng)造新物種,研究物種的起源與進化。Sundberg(1986)在進行蕓薹屬白菜型油菜(Brassica competris)與甘藍(B.oleracea)體細胞雜交時成功地得到與甘藍型油菜(B.napus)十分相似的合成種,為三者之間親緣關(guān)系提供了有力的證據(jù)(Sundberg et al,1986)。對稱融合也可能產(chǎn)生非對稱雜種和胞質(zhì)雜種,非對稱雜種和胞質(zhì)雜種是由于一方親本染色體被排除而形成,親緣關(guān)系較遠的兩個親本進行融合時常出現(xiàn)染色體被消減的現(xiàn)象。 不對稱雜交是在原生質(zhì)體融合前用物理射線(X、、紫外線)照射其中一個親本使核基因組失活,然后與正常的

26、或經(jīng)化學(xué)物質(zhì)(碘乙酸鹽、若丹明6G)處理的原生質(zhì)進行融合。物理射線(X、、紫外線)照射可打斷破壞親本一方完整的染色體結(jié)構(gòu),使部分染色體被破壞失活,通過改變X、、紫外線的劑量可調(diào)節(jié)染色體的失活程度,可獲得各種各樣核基因組組成的不對稱雜種?;瘜W(xué)試劑主要包括2種,一種是碘乙酰胺或碘乙酸(Iodoacetate,IOA),另一種是若丹明6G。碘乙酰胺或碘乙酸作用機理上不清楚,若丹明6G是細胞線粒體氧化磷酸化的專性抑制劑。,原生質(zhì)體融合轉(zhuǎn)移CMS性狀的研究現(xiàn)狀細胞質(zhì)雄性不育(CMS),在植物有性雜交中,由于胞質(zhì)基因組一般具有母性遺傳的特點,因此在大多數(shù)情況下得到的后代往往只具有母本的胞質(zhì)基因組。相對而言,原生質(zhì)體融合技術(shù)能夠創(chuàng)造大量新的胞質(zhì)基因組和新的核一質(zhì)互作模式,因此在通過轉(zhuǎn)移胞質(zhì)基因組控制的優(yōu)良農(nóng)藝性狀培育有潛在價值的植物資源方面具有極大的優(yōu)勢。在一些己經(jīng)發(fā)現(xiàn)胞質(zhì)基因組控制的性狀中,胞質(zhì)雄性不育(CMS)是最受關(guān)注的重要農(nóng)藝性狀之一。CMS具有使植物產(chǎn)生沒有正常功能花粉的特點,因此在一些作物的制種方面有重要的意義。,謝謝大家,請大家指教,周有文,

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