导航菜单

体细胞杂交:变不可能为可能的神奇技术

bbin电子游戏网站

  30b32d3a8dc9433fb5c08a42af843018

  来源 | 梦飞科学艺术空间

  作者 | 卢宝荣

  ?常常有这样的比喻:“以不变应万变。”

  这是指事物会时常发生变化,让人无法预料。因此,要预知事物的可变性、静观其变、处变不惊,才能立于不败之地。

  这也告诉我们:变化是永恒的,而不变是暂时的。

  恰恰就是这永恒的变化,才开启了创造和创新之门。

  “道可道也,非恒道也。” 变化对天地万物的演绎和发展均至关重要。老子和达尔文都是在变化中悟到了天地万物和生物演化“道”之伟人。

  在人类文明的进程中,就是利用了各种植物产生的遗传变异,如种子落粒基因的变异、种子休眠基因的变异、高产基因的变异、以及控制蛋白质和营养物质含量基因的变异等等,才有幸通过选择,将野生物种逐渐驯化成为栽培的农作物。

  62cd70018a2f468dbd86d4b06bc7a7e5

  ○ 最早驯化的农作物范例:水稻、大麦、小米和大豆

  如果没有植物自身的遗传变异,没有我们祖先抓住那稍纵即逝的机遇,人类就不可能将野生植物变成为栽培的农作物。

  然而,只是坐等“老天爷”产生的天然变异,机会是很少的。人类的聪明就在于,他们总是在不断思索和寻找加速创造变异的方法,并以此来进一步改良农作物,使之更好地为自己服务。

  在上一集中,我们提到了利用人工杂交的方法来加速遗传变异,并创造农作物的新性状。利用有性杂交来改良植物性状的历史,可以追溯到二百多年前,虽然那时人们还讲不清楚其中的道理。

  244ecbdc1f464abb9e8543d406428532

  ○ 格雷戈尔孟德尔在做豌豆的人工杂交实验

  回想到二十多年前,我曾经在越南的一个偏僻村寨考察水稻,看见一个农民将手中的野生稻种子撒到稻田中,我觉得非常纳闷,就问他在干什么。他笑呵呵地说:“用这个(野生稻)给它们(栽培稻)结一下婚,以后它们就会长得好一些。”显然,这就是一种非常原始的杂交方法,尽管这位农民大哥可能并不知道其中的原理。

  通过种农作物不同品种之间的杂交,或者是农作物品种与其野生近缘种进行种间的杂交,再进行不断的回交或自交,就可以将农作物品种或野生近缘种包含的有益基因,如抗病、抗虫、优良品质等基因,转移到需要对其进行改良的品种中,达到培育农作物优良新品种的目的。

  cd37c6949920488280b3a3504b4a87b3

  ○ 小麦在人工杂交之前要除去雄蕊,然后再进行授粉

  但是,通过有性杂交的方法进行品种改良还有一个非常大的局限,就是用于杂交的双亲必须有足够近的亲缘关系(血缘关系),否则就很难将它们进行杂交。

  亲缘关系是指不同生物类群在演化的历史过程中形成的远近亲疏关系。在杂交的过程中,植物双亲要经过花粉识别、配子亲合性、受精后生殖隔离等,一系列复杂的相互检验和接受的过程。如果双亲的亲缘关系太远,就无法成功进行有性杂交。

  17477277873c4ba2b93ea657ddd225a4

  ○ 李振声院士利用小麦与偃麦草远缘杂交并育成了小偃麦系列品种

  生长在沙漠中的胡杨树具有很好的抗旱、耐寒等优良性状,我们希望通过有性杂交的方式,将胡杨树的这些控制优良性状的基因转移到水稻、小麦和玉米等常见的农作物,以便增强它们的耐寒性、抗旱性,但这是绝对不可能成功的。遇到亲缘关系更远的物种,杂交更是“门”都没有!

  a6012e855a84478b9aecacc2c6fa188f

  ○ 生长在沙漠中具有很好的抗旱、耐寒性的胡杨树

  那么,遇到这些亲缘关系比较远、但是又包含了许多有益性状的野生物种,是不是就只有眼睁睁地看着,丝毫没有办法将其中的有益基因转移到栽培作物品种,加以利用呢?

  好消息是,聪明的科学家研究和创造出了一个非常巧妙的物种间杂交技术,立即就将不可能变成了可能,这种技术就叫做体细胞杂交(或称原生质体融合)。利用体细胞杂交就可以避免生殖隔离障碍,将亲缘关系很远的植物都“杂交”在一起,并将野生近缘种的优良性状转移到栽培作物中。

  6ff57582263c4d04be1fa02a3e78f41f

  ○ 刚刚开始融合(上)和已经融合(下)的原生质体

  我晕!又出现了新概念,啥叫体细胞杂交?啥叫原生质体融合啊?

  不用着急,这里有两个新概念:一个是体细胞,另一个是细胞杂交,只要明白了它们俩,体细胞杂交也就很容易明白了。

  体细胞是生物的一类细胞,是相对于生殖细胞的一个概念。说得再直白一点,负责生殖的精细胞和卵细胞以及产生它们的母细胞(如植物中的花粉母细胞和大孢子母细胞)就是生殖细胞。那么,除了生殖细胞之外的所有细胞都是体细胞。

  高等生物的细胞绝大部分都属于体细胞。

  cb968e63c100450a832d8edca8f1a1f2

  ○ 植物的细胞都是被细胞壁所包裹

  细胞杂交又称原生质体融合,是指在特定的条件下将生物不同物种细胞的原生质体进行融合,获得兼具有双亲遗传性状融合细胞的过程。对融合后的细胞可以进行离体培养,再培育出新的杂种个体。

  通常,原生质体就是指裸露的细胞,植物的细胞是由细胞壁包裹住的,因此对于植物而言,除去了细胞壁所剩下的所有细胞物质就是原生质体。

  1c4349a3a0fc40ad94a7926a396d856b

  ○ 除去了细胞壁的植物(烟草)原生质体

  有了上面概念的解释,那么体细胞杂交就非常容易理解了吧。体细胞杂交是指利用体细胞来进行杂交,并通过离体培养,最终获得兼具有双亲遗传性状个体(如植株)的过程。

  1972年科学家首次成功获得了烟草不同物种之间的体细胞杂交再生植株。

  后来,科学家又尝试了西红柿和马铃薯的体细胞杂交并获成功。科学家曾幻想将马铃薯和西红柿进行体细胞杂交,使杂交细胞具有双亲的全套遗传信息,就能培育出一种新的农作物:地上部分可以结出美味可口的西红柿,而地下部分可以长出营养丰富的马铃薯,这样就可以充分利用地上和地下的生长空间,创造更高的产出。

  04625a5a09904a0cbd92ed430ab94e9f

  ○ 西红柿-马铃薯:这是梦想,还是现实?

  由于目前的技术不完善,科学家还没有达到理想的境界,培育出完美的“柿薯新作物”。亲爱的读者,你们认为将来会有这样的理想作物问世吗?如果有,你喜欢吃这样的西红柿和马铃薯吗?

  通过体细胞杂交,育种家就可以绕过植物有性生殖的障碍,将两个亲缘关系较远的物种(例如前面提到的水稻与胡杨)进行杂交了。通过对杂交成功细胞的离体培养和育种过程,就可以将野生近缘物种中有益的遗传性状或有益基因转移到已经商品化种植的农作物的品种中,从而创造出更加优良的农作物新品种。

  体细胞杂交或原生质体融合的技术,还可以进一步划分为更细致的方式,例如对称融合、非对称融合以及亚原生质体融合等等。读者们千万不要被这一连串的新名词吓唬住了,这只表明,体细胞杂交技术太能干了,能够解决多种问题。有兴趣的读者可以查一些相关资料来丰富自己的知识。

  如果有许多读者都觉得特别希望了解不同类型的原生质体融合技术,那请与小编(chunan5599)沟通,我会再写一集相关的科普故事。

  利用体细胞杂交来创造具有优良性状的农作物新品种,已经在国内外都有了大量成功的案例,例如马铃薯与西红柿、马铃薯与茄子、胡萝卜与羊角芹、甘蓝与白菜、小麦与其野生近缘种、棉花的不同物种、香蕉的不同物种、以及柑橘的种间及属间等植物的体细胞杂种。

  7de035703d154d46aef0af02101b463d

  ○ 理想的马铃薯与茄子的细胞杂种

  现实中已经有了非常成功的例子,我国山东大学生命科学学院的植物细胞工程研究团队,就在体细胞杂交创造小麦优良新品种中做出了突出的贡献。

  该团队利用小麦族的野生近缘种,例如簇毛麦、长穗偃麦草、中间偃麦草,以及玉米和燕麦等与优良小麦品种的体细胞进行融合,将优质、大穗、矮杆、抗病、耐寒和耐盐等性状转移到了小麦品种,从而改良了小麦的这些性状,培养出了众多优良小麦品系。

  e1426b78688b47d6ba549d0e3f79bb8f

  ○ 小麦与中间偃麦草体细胞渐渗系,左上角杂种幼苗,左下角杂种结的种子,右杂种的染色体。(图片由山东大学夏光敏教授提供)

  9c15092a3af54e90a2f461b64e312e19

  ○ 小麦与野生近缘种体细胞杂种渐渗系中出现的大穗、优质、矮秆、抗病、抗旱和抗盐品系。(图片由山东大学夏光敏教授提供)

  该团队培育出的小麦与偃麦草体细胞杂种渐渗系耐盐新品种“山融3号”,2004年就通过了品种审定,2006年成为了山东省主推品种,至2018年仍然被列为盐碱地种植的推荐品种,在黄河三角洲广泛种植。

  ac54d39a67ad44c8a45cea4fca58c39e

  ○ 小麦与偃麦草体细胞杂交渐渗系培育的耐盐新品种“山融3号”。(图片由山东大学夏光敏教授提供)

  由此可见,利用体细胞杂交来绕过有性生殖障碍,对农作物进行改良并创造具有特殊性状的农作物新品种,已经不再是神话。技术的进步和完善,将让体细胞杂交培育农作物新品种甚至新物种,变得更加容易。

  有了这样的技术,我们在民以食为天和确保粮食安全高效育种的艰难路途上,又增加了另一种选择和成功的希望。

  c3e04aae3d974efd8ff2325c03978692

  卢宝荣教授

  生物学家,博士

  复旦大学特聘教授,博导

  国务院学位委员会学科评议组成员

  科学与艺术的追梦人

  d99ee429945a4dd48a37f68190c8eb30

  关于“墨子沙龙”

  墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办、上海市浦东新区科学技术协会及中国科大新创校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣、热爱科普的普通民众,力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。

达到当天最大量