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植物多倍体诱导及其细胞学鉴定

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一、目的要求
通过实验掌握诱导植物多倍体的方法和技术,观察多倍体的特点及染色体加倍后的细胞学表现。利用染色体分析的方法对多倍体的细胞作出准确判断。

二、基本原理
生物 体的细胞核中都有相对稳定的染色体数目,这是物种的基本特征之一。如玉米的体细胞具有20 条染色体,人类则具有46 条染色体,但是这些细胞核内的染色体并不是杂乱无序的,而是组成一个或多个染色体组(genome),或称基因组。在同一染色体组内所有的染色体在形态上以及染色体上携带的基因都不相同,但是它们包含了这一物种最基本的全套遗传物质,并以完整而协调的方式发生作用,构成了完整、协调的基因体系。在进化过程中由于选择压力的影响,这些基因以其平衡、协调的方式与环境相互作用,缺乏染色体组中的任何成分将面临淘汰的危险。
每个染色体组所包含的染色体数目称为基数(basic nμmber) ,通常以X 表示。例如玉米的20条染色体包含了2 个染色体组,X=10。两组染色体之间有成对的同源染色体( homologous chromosome ) ,在减数分裂过程中,每对同源染色体的2 个成员分到2 个子细胞中,因此配子细胞只含有体细胞中2 组染色体中的1 组。一倍体(monoploid)是指细胞核中具有一个染色体组,而单倍体(haploid)是指其细胞核内所含的染色体数与该物种配子中所含的染色体数目一样。就个体发育而言 生物 体生殖细胞是单倍的,但是由于产生配子的生物体的倍性水平不同,配子可以是一倍的也可是非一倍的。
多倍体是在细胞中具有3 个或3 个以上的染色体组的生物体。自然界中有许多植物是多倍体的,是变异发生的重要途径之一。多倍体植物在形态上较二倍体的植物个体大,叶片上的气孔也很大,因此很容易辨认。多倍体的研究在育种工作中非常重要,因为利用多倍体可以改良作物的某些经济性状,同时还可利用多倍体克服远缘杂交过程中的障碍。利用一些诱发因素可以人工诱导植物产生多倍体。这些因素包括物理的因素,如温度的剧变、射线处理等,还有化学因素,如植物碱、植物生长激素等。在众多的化学药品中,秋水仙素是诱导多倍体形成最为有效和常用的药品之一。在适宜浓度的秋水仙素的作用下,它既可以有效地阻止纺锤体的形成,又不至于对细胞发生较大的毒害。因此,当细胞继续分裂后,可以使细胞的染色体数加倍。如果用秋水仙素处理植物的根尖,则在根尖分生区内可检测到大量染色体加倍的细胞,若处理植物幼苗的芽,则可以得到染色体加倍的植株。

三、器材
搪瓷盘、镊子、剪刀、烧杯、培养皿、恒温水浴锅、纱布、 试管 、2.0~4.0g/L 秋水仙素水溶液、改良苯酚品红染液、蚕豆、洋葱、小麦种子、小麦幼苗、Carnoy 固定液。

四、操作步骤
1.蚕豆材料的处理:在盛有蛭石和沙土的花盆内埋入蚕豆种子,在盆内浇适量清水。将花盆放在窗台上阳光充足的地方进行萌发。经常进行观察,约4~6d 蚕豆的主根长到3cm 左右,侧根长到1~1.5cm 时,将蚕豆取出。用清水将蚕豆上的泥土冲净,然后放入盛有4.0g/L 的秋水仙素水溶液的小 烧杯 内继续培养3~4d,待观察到根尖膨大时取材固定。与在水中培养的蚕豆做对照,进行染色体分析。
2. 洋葱的处理:将搪瓷盘的盘口用线绳编织成许多网格,在盘内注人清水。把洋葱的鳞茎洗干净,用刀片将鳞茎上的老根削除,再把其放在搪瓷盘的网格上,使其生根部位恰好接触到水面,在25℃下培养几日。待新根刚刚长出时,将搪瓷盘内的清水换成4.0g/L 的秋水仙素水溶液,用继续在水中培养的洋葱鳞茎作对照。培养几日后,在处理液中培养的根尖明显比对照根尖肥大,此时便可用解剖剪将根尖取下,长度大约在1.5cm 左右,放入固定液中固定24h 。然后可按照常规的压片法进行细胞学制片,用显微镜观察并计数。
3. 小麦种子的处理:先将小麦种子在清水中浸泡24h ,在培养皿内铺上一块纱布,用少许清水将纱布浸湿后将小麦种子放在上面进行培养。当种子刚刚萌发长出km 的根时,将纱布换掉,以4.0g/L 的秋水仙素替代清水在25℃下继续培养,此时要注意及时补充培养皿内的处理液,保证处理液的浓度不变。当长出的根出现膨大时就应及时取材固定。
4. 小麦幼苗的处理:在小麦苗的幼芽长到3~5mm 时,用解剖刀在芽上作一纵切,然后用一浸有秋水仙素溶液的纱布条包在切口处,纱布条的另一端浸在一个盛有秋水仙素水溶液的小 烧杯 内,烧杯的口用 封口膜 封好以防处理液蒸发,处理12h。隔天后再处理1 次,然后将幼苗洗净,种到花盆内或大田中。
5. 形态观察和细胞学鉴定:比较处理植株与对照的外部形态有什么差异。将叶面的表皮撕下,在显微镜下进行观察,多倍体植株的气孔比二倍体大很多,叶片也比较肥厚。用根尖压片法制成染色体载玻片标本,在显微镜下认真观察和计数,与对照进行对比。
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