1-第一章绪论.ppt

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1、授课教材：,1、朱军主编遗传学（第三版）中国农业出版社，2002 2、景士西主编，园艺植物育种学总论中国农业出版社，2000,1、张天真主编作物育种学总论中国农业出版社，2003 2、王亚馥等主编遗传学高等教育出版社，1999 3、刘祖洞主编遗传学（第二版）高等教育出版社，1990 4、程金水编著园林植物遗传育种学中国林业出版社，2000 5、曹家树，申书兴主编园艺植物育种学中国农业大学出版社，2001,主要参考书,第1章 绪 言,第1节 遗传学的研究内容和发展历史 第2节 育种学的简介 第3节 品种与育种目标,第一节 遗传学的研究内容和发展历史,一、遗传学研究的对象和任务 二、遗传学的发展

2、三、遗传学在科学和生产发展中的作用,生物和非生物的本质区别之一是生物能够自我复制，从而构成生命的连续系统。 遗传和变异是生物界最普遍和最基本的两个特征。,一、遗传学研究的对象和任务,以微生物（细菌、真菌、病毒）、植物和动物以及人类为对象，研究其遗传变异规律。, 1遗传学研究的对象：, 2遗传学的研究内容：,(1).遗传学（genetics）是研究生物遗传和变异的科学。 遗传学与生命起源和生物进化有关。 (2).是研究生物体遗传信息和表达规律的科学： 解决问题：物种 代代相传； 性状 遗传。 (3).是研究和了解基因本质的科学： 遗传物质是什么？ 遗传物质 性状？,遗传学是一门涉及生命起源和生物

3、进化的理论科学，同时也是一门密切联系生产实际的基础科学，直接指导 医学研究和植物、动物、微生物育种。,遗传（heredity）：生物亲代与子代相似的现象。 种瓜得瓜、种豆得豆 人人 优良品种优良品种 遗传并不意味着亲代与子代完全相同。甚至一卵 双生的兄弟也不可能完全一模一样 。, 3遗传和变异的概念：,变异（variation）：同一生物种内个体之间的差异。亲代与子代之间、子代个体之间，总是存在着不同程度的差异的现象。,遗传与变异是一对矛盾对立统一的两个方面 遗传是相对的、保守的，没有遗传就没有物种的相对稳定，也就不存在变异的问题； 而变异是绝对的、发展的；没有变异生物就不会产生新的性状，也就

4、不能发展、进化。,遗传、变异和选择是生物进化和新品种选育的三大因素 生物进化就是环境条件(选择条件)对生物变异进行自然选择，在自然选择中得以保存的变异传递给子代(遗传) ，变异逐代积累导致物种演变、产生新物种。,动、植物和微生物新品种选育(育种)实际上是一个人工进化过程，只是以选择强度更大的人工选择代替了自然选择，其选择的条件是育种者的要求。,生物与环境统一,生物所表现出的性状是遗传物质（基因）和环境共同作用的结果。 由遗传物质改变而引起的变异可遗传(heritable)变异。 由环境改变引起的变异一般不能遗传不可遗传(non-heritable)变异。,某一品种（高株）,高株,矮株,相同的环

5、境,高株,不可遗传变异,理论综合题：,在某一种植物中发现一株具有异常性状的个体，请设计一个对该异常性状进行遗传分析的实验方案（包括方法、过程和可能取得的结果）。, 4遗传学研究的任务：,(1)阐明：生物遗传和变异现象 表现规律； (2)探索：遗传和变异原因 物质基础； (3)指导：动植物和微生物育种 提高人民生活水平。,二、遗传学的发展,广大劳动人民在长期的生产实践中，对遗传变异现象早就有所认识。早在公元前三世纪，希腊哲学家亚里士多德认为遗传就是孩子从父母那里接受了一部分血液，相似于父母，即亲缘关系。 到了十九世纪，有些国家进入了资本主义上升的时代，当时农牧业的发展促进了遗传学的发展，已有了进

6、行家禽、家畜的品种改良和植物的杂交育种。,1. 遗传学的产生,遗传学起源于育种实践： 人类 生产实践 遗传和变异 选择 育成优良品种。 这证实了恩格斯的断言：“科学的发生和发展一开始就是由生产力决定的”。,18世纪下半叶和19世纪上半叶期间，拉马克和达尔文对生物界遗传和变异进行了系统的研究：,(1)拉马克（Lamarck J. B., 17441829）：,环境条件改变是生物变异的根本原因；,用进废退学说和获得性状 遗传学说,如长颈鹿、家鸡翅膀。,近代遗传学的奠基,拉马克认为：遗传变异遵循“用进废退和获得性状遗传”规律，环境是引起生物变异的根本原因。 器官用进废退：生物变异的根本原因是环境条件

7、的改变 获得性状遗传：所有生物变异(获得性状)都是可遗传的，并在生物世代间积累。,用进废退,获得性遗传,拉马克：用进废退和获得性状遗传,(2). 达尔文（Darwin C.，18091882）： 广泛研究遗传变异与生物进化关系。 1859年发表物种起源著作，提出了自然选择和人工选择的进化学说，认为生物是由简单复杂、低级 高级逐渐进化而来的。 承认获得性状遗传的一些 论点提出“泛生论”假说。,达尔文以博物学家的身份进行了 5 年的环球考察工作。,“贝克尔“号巡洋,达尔文在解释生物进化时也对生物的遗传、变异机制进行了假设，1868年提出了泛生假说，认为： 遗传物质是存在于生物器官中的“泛子/泛生粒

8、”；可以分裂繁殖，流动到生殖器官，形成生殖细胞。受精卵发育成成体时，泛生粒就进入各器官发挥作用而表现亲代的性状。如果亲代泛生粒发生变异，则子代表现变异。,达尔文：泛生假说,种质连续论：种质是世代连续不绝的； 支持选择理论； 否定后天获得性遗传：老鼠22代割尾巴试验。,魏斯曼 （Weismann A.，18341914）,25, 1892年，魏斯曼提出种质连续论(theory of continuity of germplasm)，否定获得性状遗传。 多细胞生物由种质和体质组成：种质指生殖细胞，负责生殖和遗传；体质指体细胞，负责营养活动。 种质是“潜在的”，世代相传，不受体质和环境影响，所以获得

9、性状不能遗传；体质由种质产生，不能遗传。 种质在世代间连续，遗传是由具有一定化学成分和一定分子性质的物质(种质)在世代间传递实现的。,种质连续论,26,孟德尔 （Mendel G. J.，18221884）,系统地研究了生物的遗传和变异。 豌豆杂交试验（18561864）： 1866年发表植物杂交试验，提出 分离规律和独立分配规律； 假定细胞中有 “遗传因子”，认为遗传 是受细胞里的遗传因子所控制的。, 1900年，三位植物科学家 狄弗里斯（De Vris H.） 柴马克（VonTschermak E.） 柯伦斯(Correns C. ),2 遗传学的发展 初创时期(19001910),在不同

10、国家用多种植物进行杂交试验 获得与孟德尔 相似的解释 证实孟德尔遗传规律 确认重大意义。 1900年孟德尔遗传规律的重新发现 标志着遗传学的 建立和开始发展 孟德尔被公认为现代遗传学的创始人。,纪念孟德尔先生：在其修道院建立了纪念馆。,2 遗传学的发展 初创时期(19001910), 1903年，Sutton和Boveri分别提出染色体遗传理论，认为：遗传因子位于细胞核内染色体上，从而将孟德尔遗传规律与细胞学研究结合起来。,遗传学第一章,30,狄费里斯（de Vries H.，18481935）：,提出“突变学说”（19011903）： 认为突变是生物进化因素。,詹森斯（Janssens F.

11、 A.，1909）：,观察到染色体在减数分裂时呈交叉现象， 为解释基因连锁现象提供了基础。,约翰生（Johannsen W.，18591927）：,. 1909年发表“纯系学说”： 明确区别基因型和表现型； . 最先提出“基因”一词： 替代遗传因子概念。,大麦纯系, 细胞遗传学/经典遗传学(1910-1940) 1910，摩尔根（Morgan）创立基因理论，确定了性状遗传的物质基础。同时，发现了遗传学中的第三个基本规律性状连锁遗传规律。 数量遗传学与群体遗传学基础 (1920-) 费希尔（Fisher）等发展了数理统计方法在遗传分析中的应用。 微生物遗传学及生化遗传学 (1940-1953)

12、1941，比德尔（Beadle）等：一个基因一个酶 1944，阿委瑞（Avery）：肺炎双球菌转化（DNA） 1952，赫尔歇（Hershey）等：噬菌体重组 其它研究方向 1927，穆勒（Muller）等：人工诱变 1937，布莱克斯里（Blakeslee）等：植物多倍体诱导 杂种优势的遗传理论 这一时期，形成了近代遗传学的主要内容与研究领域，也是本课程的重要内容 。,2 遗传学的发展 全面发展时期(19101952),3. 分子遗传学时期（1953现在）,40年代细胞遗传学、微生物遗传学和生化 遗传学取得了巨大成就，一些物理学家对研究 生物学问题产生浓厚兴趣。 在量子力学家薛定谔生命是什么

13、?（1944）一书影响下，一些物理学家和化学家 研究遗传的分子基础和基因的自我复制两个生物学的中心问题。,3. 分子遗传学时期(1953),（1）.1953年Watson和 Crick提出DNA分子双螺旋(double helix)模型，是分子遗传学及以之为核心的分子生物学建立的标志。,克里克（Crick F. H. C.， 1961）等用实验证明他 1958年提出的关于遗传 三联密码的推测。 1957年，尼伦伯格（Nirenberg M. W.）等开始解译 遗传密码，经多人努力，至1969年全部解译出64种遗传密码。 60年代先后明确mRNA、tRNA和核糖体功能。,雅各布（Jacob F.

14、）和莫诺（Monod J.）： 1961年提出了大肠杆菌的 操纵子学说，阐明微生物基因表达的调节问题。,至60年代末已基本明白蛋白质生物合成的过程，验证了1958年克里克提出的 “中心法则”。而这一法则因1970年逆转录酶的发现而作了修正。,遗传密码的破译解决遗传信息本身的物质基础及含义的问题。 “中心法则”解决遗传信息的传递途径和流向问题。,分子遗传学的许多成就是来自对原核生物的研究，70年代开始在此基础上开展对真核生物的研究。 *细菌质粒、噬菌体、限制性核酸内切酶、人工分离和合成基因取得进展，1973年成功实现DNA的体外重组 人类开始进入按照需要设计并能动改造物种和创造新物种的新时代。,

15、当代遗传学中已成功： 人工分离或合成基因； 人工有目的转移基因； 动植物体细胞克隆技术。,目前：基因工程 定向改变遗传性状。 更自由和有效地改变生物性状； 打破物种界限，克服远缘杂交困难； 培育优良动、植物新品种； 治疗人类的一些遗传性疾病。,8090年代： 基因工程取得重大进展 人类基因组计划（Human Genome Project，HGP） 及模式生物和重要生物基因组计划。 形成了 基因组学（Genomics）蛋白质组学（Protemics ） 生物信息学（Bioinformatics ）,Genomics,Building Upon Genomics: Too Much, Too So

16、on, Too Unbalanced!,Biocomputing,Proteomics,Bioinformatics,Transcriptomics,Ever-more-omics,SNPs,New Drugs New Targets,Gene chips,2000年5月中国完成了人类基因组3p区域（3pter-D3S3610）“工作框架图”的任务，即 “1 % 项目”。由中国承担的由我所人类基因组中心完成的人类3号染色体短臂上的一个约30 Mb的区域的测序任务。由于该区域约占人类整个基因组的1 %，因此简称“1 % 项目”。,2000年，完成HGP 1 % 项目,籼稻基因组序列草图的测定和初

17、步分析。覆盖整个水稻基因组92的草图显示，籼稻基因组共包含4.66亿个碱基对，基因数目在4.6万至5.6万之间。他们还发现，籼稻基因组有约70以上的基因出现重复现象。,2002年 水稻基因组序列草图,其它动植物基因组计划： . 美、英国际植物基因研究中心的研究对象，已从拟南芥基因图谱入手（2001年12月宣布绘制出拟南芥基因组的完整图谱）逐渐扩大到玉米、小麦等主要农作物； . 欧洲科学家正在英国爱丁堡动物生理和遗传学研究所进行中国梅山猪基因图谱的工作； . 美国农业部肉类动物研究中心也在进行牲畜基因图谱工作。,迄今，现代遗传学已发展有三十多个分支，如细胞遗传学、数量遗传学、发育遗传学、进化遗传

18、学、群体遗传学、辐射遗传学、医学遗传学、分子遗传学、基因组学和遗传工程等。其中分子遗传学和基因组学已经成为生物科学中最活跃和最有生命力的学科之一。,返回,第3节 遗传学的应用,1.对生命本质的探索 生命现象的遗传统一性 生命科学在分子水平上的统一 2.生物进化理论的基础 遗传学研究生物在少数几个世代繁育过程中表现出来的遗传、变异现象与规律 生物进化研究生物在长期历史过程中的遗传与变异规律及发展方向,第3节 遗传学的应用,3.指导动物、植物、微生物遗传改良工作 提高育种工作的预见性 创造新的遗传变异 提高选择可靠性与效率 定向创造和重组遗传变异 绿色革命、杂交水稻、矮孟牛,第3节 遗传学的应用,

19、4.提高医疗卫生水平 遗传病的遗传规律研究、诊断与治疗(基因制剂与基因疗法) 细胞组织癌变机制、诊断与防治 病原物(细菌、病毒) 致病的遗传机理及其防治 生物工程药物生产等,癌变,LCMD 获取细胞,蛋白分析,DNA分析,RNA分析,5当代遗传学特点,理论扎实,技术领先,实用性强,技术领先,三、品种的概念及良种的作用 国内外各书刊共同认为“品种是具有某些属性的家养动植物群体”。 品种：是在一定时期内主要经济性状符合生产和消费市场的需要；生物学特性适应于一定地区生态环境和农业技术的要求；可用适当的繁殖方式保持群体内不妨碍利用的整齐度和前后代遗传的稳定性，以及具有某些可区别于其它品种的标志性状的家

20、养动植物群体。 简述为，具有在特定条件下表现为不妨碍利用的优良、适应、整齐、稳定和特异性的家养动植物群体。,品种的属性包括：优良、适应、整齐、稳定和特异性 优良：主要性状或综合经济性状符合市场要求，有较高的经济价值。 适应：对一定地区生态环境（气候、土壤、逆境等）和农业技术（栽培管理方式、肥水等）的适应。 整齐：品种内个体间在株型、生长习性、物候期以及主要经济性状的相对整齐一致。 稳定：指采用该类品种的繁殖方式的情况下保持前后代遗传的稳定。 特异：至少有一个以上明显不同于其它品种的可辨认的标志性状。,良种的作用,1. 提高产量。 2. 改进品质。 3. 延长产品的供应和利用时期。 4. 减少污

21、染、节约能源。 5. 适应集约化管理、节约劳力。,四、园艺育种学的概念、性质、任务和内容 园艺植物育种：根据人类需要利用自然变异以及利用品种间杂交、远缘杂交、人工诱变、离体组织培养和DNA分子改造等途径来创造新的变异，按照一定的目标进行选择，筛选出新品种。新品种选育出后要加速繁育，尽快的推广应用。 园艺植物育种学：研究选育与繁殖园艺植物优良新品种的原理和方法的科学。,育种学的性质 人工进化的科学：作物育种学是人为地控制生物遗传变异的一门科学，是人类控制植物进化 的有效手段。 综合性的应用学科：作物育种学以遗传学、进化论为基础，涉 及 植物学、植物生态学、植物生理学、生 物化学、植物病理学、农业

22、昆虫学生农业 气象学、物统计与实验设计、生物技术、 农产品加工、作物栽培学等的知识。经常 需要多学科协同作战。 实践性强： 育种工作强调实践经验。,育种学的基本任务 1. 研究育种规律（性状遗传变异规律）； 2. 培育新品种，实现品种良种化： A 现有种质资源的利用：包括：野生种质资源的驯化与利用：猕猴桃、锥栗、山葡萄；现有栽培品种的利用：品种复查、引种。 B 育种：创造新品种选种、杂交、诱变、遗传转化。 3. 种质资源的研究与利用： 研究了解种质资源的植物学形态特性、孢粉学特性、生理生化特性、主要经济性状的遗传变异规律。调查、收集、保存、利用种质资源。 4. 研究良种繁育的方法与技术 。 防

23、止品种混杂、退化。,育种学的主要内容,育种对象的选择，育种目标的制定及实现目标的策略； 种质资源的搜集、保存、研究、利用和创新； 选择的理论和方法； 人工创新变异的途径、方法及技术； 杂种优势利用的途径和方法； 育种性状的遗传、鉴定和选育方法； 育种各阶段的田间实验技术； 新品种的审定、推广和繁育等 。,五、园艺植物育种的发展与展望 1. 原始的育种活动 我们的祖先在采栽野生植物种植时便开始了无意识的育种。 他们将大穗、大粒、好吃的个体留种，在病重的年份留下发病轻的个体等，经过漫长的岁月这种原始的无意识的育种活动将野生植物驯化成了栽培作物。,2. 现代的植物育种 现代作物育种学在继承传统的基础

24、上随着生物技术、现代测试手段、信息技术、航天航空技术等相关学科的发展而不断进步。在改良作物产量、品质、抗性、适应性等性状方面做出了巨大贡献。作物育种技术也是现代生物技术产业的核心技术之一 。,分子标记辅助选择,航空育种,花药培养技术,转基因技术,航天育种概要,航天育种就是航天技术与生物技术、农业育种技术相结合的产物，是综合了宇航、遗传、辐射、育种等跨学科的高新技术。自1987年以来，我们成功地利用神舟号飞船和返回式卫星进行了13次搭载农作物种子及试管苗等的试验，其中包括有关粮食作物、经济作物、蔬菜、花卉等高附加值的作物。由于空间环境中高能粒子辐射、微重力、高真空等综合因素，使生物材料出现了某些

25、地球上不能获得的突变，通过地面进行选优及筛选，获得具有优良性状的品种。航天育种的特点是：变异频率高、变异辐度大，有益变异多，稳定性强，因而可以培育出高产、优质、早熟、抗病良种。目前已有13个品种通过了国家审定43个品系在大面积种植推广。 随着我国航天事业的飞速发展，空间环境在农业、生物技术及微生物制药方面，一定会发挥更大的作用，让空间环境更好地造福人类。,3航天育种,在太空中进行空间诱变是一项有效的人工诱变技术。 太空中大量存在着各种物理射线可诱发突变，其它如失重、超净、无地球磁场影响以及卫星发射和返回时剧烈震动等因素也是产生诱变的重要原因。 上述诱变因素的共同作用也会影响诱变效果。,2. 园

26、艺植物育种的发展趋势,1. 育种目标紧密结合生产和科技发展及市场竞争的需要：多样化。,1）“两高一优”中重视品质育种：不仅注重外观、整齐性、货架寿命等商品性状，还注重鲜食品质、加工品质、营养保健价值、有害成分的多少。 2）农药残留：农药的施用，会增加生产成本、污染环境（有机肥中铜的污染）、危害人体健康。解决办法：选育抗病虫（兼抗或多抗）的新品种；使用高效低毒或无毒农药（生物农药苏云金杆菌）；利用天敌。 3）抗逆性强：抗寒、抗旱、抗盐碱等，扩大种植区域。 4）高光效、高光能利用率 5）株型 6）机械化作业,2. 重视种质资源的收集、评价、保存和开发利用,资源调查、征集，建立种质资源库，建立完善的

27、规范化的资源工作体系（档案、检疫等），实行计算机管理。,3. 重视育种应用基础及育种技术的研究,主要经济性状（产量、品质、抗病性、株型、雄性不育等）的遗传和变异规律应用细胞学（染色体组型分析、染色体微分离）、生物化学（同工酶技术）、DNA分子标记技术来研究种质资源的亲缘关系和主要经济性状的遗传与变异规律。 育种新技术的研究：远缘杂交、理化诱变、倍性育种、太空育种技术、单细胞突变体的筛选、细胞融合技术、基因克隆技术、遗传转化技术。,4. 增加国家对育种事业的扶持力度,园艺植物的育种周期长、投入多、风险大、因此，许多发达国家都加大育种的投资力度，用于研究仪器设备的更新和研究手段的改进电子显微镜（透

28、射电镜、扫描电镜）、显微操作系统、多功能电泳系统（同工酶分析）、凝胶成像系统（分子标记）、mRNA 差异显示系统等。日本：来自农业的财政收入占1%，对农业的投入占总预算的10%，投资量高达农业总产值的150%。,5. 开展多学科交叉、协作的综合育种,抗病育种：植物病理学。抗逆性育种：植物生理学。食用品质育种：作物栽培学、生物化学。加工品质育种：食品加工、食品化学。转基因：分子生物学、基因工程、细胞工程。,6. 育种途径及育种方法、手段的更新,细胞工程、染色体工程、基因工程、分子辅助育种等手段，分析设备：对大批量的小样品进行快速准确的定量和定性鉴定、对含量极少的成分进行微量和超微量分析、扫描和透射电镜；利用分子标记技术标记有用性状；利用计算机技术分析实验数据和资料。,