¿Qué es la reproducción por mutación?
La mutagénesis física es un método que utiliza factores físicos como ultrasonido, alta temperatura, láser y varios rayos para inducir variación biológica. Entre ellos, la reproducción por radiación es el más utilizado.
Primero, el mejoramiento por radiación
El mejoramiento por radiación es un método de irradiar semillas de plantas, plántulas, polen o cuerpos vegetativos con radiación para provocar variación genética y cultivar nuevas variedades mediante selección artificial.
Los rayos de reproducción de radiación se pueden dividir en radiación de ondas electromagnéticas y radiación de partículas según sus propiedades. El primero utiliza comúnmente rayos X, rayos gamma y radioondas; el segundo transporta rayos alfa y beta, pero no neutrones. Entre los rayos mencionados anteriormente, los rayos de neutrones tienen la tasa de mutagenicidad más alta, seguidos de los rayos beta, y los rayos gamma y los rayos X son aún más bajos. Sin embargo, debido a diversas razones, como la fuente de radiación, las condiciones del equipo y la seguridad, los rayos gamma son actualmente los más utilizados.
La razón por la que la radiación causa mutaciones es que las moléculas o átomos en los organismos vivos son directa o indirectamente ionizados y excitados por la radiación ionizante, y los enlaces químicos dentro de los tejidos biológicos se rompen, cambiando así la estructura molecular o la actividad química. Algunos rayos, como los neutrones, también pueden reaccionar con ciertos elementos, o se añaden nuevos elementos al organismo debido a la desintegración de elementos radiactivos, cambiando la composición de las moléculas originales. Además, una gran cantidad de agua en las células biológicas, bajo la acción de la ionización, produce fuertes reacciones redox, cambia el metabolismo y, por tanto, produce mutaciones.
(1) El desarrollo de la reproducción radioactiva de plantas medicinales
Desde que Roentgen descubrió los rayos X en 1895 y Becquerel descubrió las sustancias radiactivas naturales en 1896, los biólogos comenzaron a utilizar la ionización. La radiación estudia los microorganismos. , insectos y plantas medicinales. En 1921, Blakesles irradió semillas de Datura por primera vez y obtuvo varios mutantes morfológicos. Después de la década de 1970, Michalski irradió dedaleras. La dosis fue de 20kR y se obtuvo una cepa con alto contenido en principios activos. Parimoo procesó semillas de Rauwolfia. Mediante la detección por rayos X, el contenido de alcaloides mutantes fue particularmente alto. Deril et al. irradiaron las semillas de Ichibahagi. -Arg. Utilizando mutagénesis de rayos γ, se seleccionó una cepa mutante de hojas de Hagi. -arg. Alto rendimiento. Getsadze utilizó rayos gamma de 10-11 kR para irradiar semillas de albahaca y los mutantes obtenidos no sólo tienen un alto contenido de aceite esencial, sino que también tienen la capacidad de resistir Fusarium oxysporum.
La cría de radiación en mi país comenzó en 1957. En la actualidad, casi todas las provincias, ciudades y regiones autónomas de mi país han instalado fuentes de rayos 60Co-γ, y algunas también han instalado fuentes de 137CS, fuentes de neutrones y viveros γ, lo que proporciona una base material para la generación de radiación y logra ciertos resultados. Por ejemplo, se desarrolló una nueva variedad de ajo, Afu No. 4, utilizando ajo morado Acheng purificado como material e irradiado con rayos 60Co-γ. El peso fresco promedio del ajo es más del doble que el de la variedad de control. No sólo es resistente a las enfermedades y al almacenamiento, sino que también madura 8 días antes. El Instituto de Medicina Tradicional China de Sichuan utilizó láser de CO2 para irradiar semillas de coix para desarrollar una nueva variedad de coix para todas las estaciones, 78-1, que tiene las ventajas de plantas cortas, muchos macollos y mil granos. Ha comenzado el cultivo por radiación de otras plantas medicinales como el ginseng y el yuanhu.
(2) Unidad de dosis de radiación y dosis de exposición
1. Unidad de dosis de radiación
Temperatura de Curie
Representa la radiación de materiales radiactivos. unidad de intensidad, 1Ci significa que un isótopo radiactivo sufre 3,7×1010 desintegraciones nucleares por segundo.
Equivalente en gramo de radio
Es la unidad de intensidad de radiación obtenida por la relación entre la intensidad de los rayos gamma emitidos por la radiación y la intensidad de los rayos gamma emitidos por un determinado peso de radio.
Roentgen
Es una unidad de irradiación que se utiliza únicamente para rayos X y rayos gamma y representa la cantidad de radiación incidente. En 1g de aire se pueden producir 83Gy de energía radiante, que es 1R.
Rad
Es una unidad aplicable a cualquier radiación. Representa la unidad de dosis absorbida por el objeto irradiado. La dosis de 100Gy de energía de irradiación absorbida por 1g de material irradiado se denomina 1rad.
Flujo global
Es decir, el número de neutrones por centímetro cuadrado (número de neutrones/cm2). Las unidades de neutrones suelen estar representadas por él o por los dorsales.
2. Dosis de radiación
Dosis semiletal
Es decir, la tasa de supervivencia de las plantas tras la irradiación supone el 50% de la dosis de irradiación.
Exposición letal
Es decir, la cantidad de radiación que mata a todas las plantas tras la exposición.
Exposición crítica
Es decir, la tasa de supervivencia de las plantas tras la irradiación supone el 40% de la dosis de irradiación. La dosis de irradiación crítica se utiliza generalmente como dosis de irradiación adecuada para la reproducción por radiación. Sin embargo, también es útil utilizar "exposición semiletal" o superior.
Tasa de dosis de radiación
Representa la dosis de radiación por unidad de tiempo. Las unidades más utilizadas son rpm, rpm y rpm.
La dosis de radiación adecuada y la tasa de dosis para la reproducción por radiación varían de una planta a otra. En términos generales, las Brassicaceae tienen una alta resistencia a la radiación y las legumbres tienen una baja resistencia a la radiación. Dentro de una misma especie, los poliploides son más resistentes a la radiación que los diploides, y los diploides son más resistentes a la radiación que los haploides. Las plantas tienen diferentes tolerancias a la radiación en diferentes etapas de desarrollo. Las células y los tejidos que se dividen activamente son más sensibles a la radiación que las células y los tejidos senescentes. El núcleo es más sensible que el citoplasma.
Dentro de un cierto rango de irradiación, la mutagenicidad aumenta con el aumento de la dosis de irradiación, pero el efecto dañino también aumenta. Por lo tanto, es necesario seleccionar la dosis de irradiación y la tasa de dosis adecuadas para lograr ambas. alta tasa de mutación y hay suficientes plantas para elegir. Por ejemplo, el Instituto de Desarrollo de Recursos de Plantas Medicinales de la Academia China de Ciencias Médicas (1979-1982) descubrió mediante muchos experimentos que las semillas partidas de ginseng eran irradiadas con rayos 60Co-γ. Cuando la tasa de dosis es de 50 R/min, la dosis de irradiación es de 1500-2000 r. A esta dosis, las tasas de emergencia de las plántulas fueron 83,3 y 37,5 respectivamente en comparación con el control, y casi todas las hojas de las plántulas anuales tuvieron distintos grados de variación. La situación normal son tres hojas. Después de la irradiación, se convierte en un folíolo, dos folíolos, hojas de cola larga o tres folíolos extremadamente irregulares. Algunas hojas sobresalen y otras tienen muescas. Las cepas mutantes representaron más del 79% de las plántulas (Tabla 8-3). Las pruebas muestran que cuando la temperatura es superior a 10000R, no emergerán plántulas, y cuando la temperatura es inferior a 500R, la tasa de mutación de las hojas es muy baja.
Tabla 8-3 60Prueba de semilla de ginseng por irradiación de rayos Co-γ
(3) Métodos básicos de reproducción por radiación
1. Selección de materiales de radiación. es una nueva tecnología desarrollada sobre la base de la selección convencional, por lo que los requisitos de materiales deberían ser mayores. La reproducción por radiación es más adecuada para cambiar una o dos condiciones no saludables. Sólo eligiendo materiales con excelentes propiedades integrales y claras deficiencias que deben superarse se podrán lograr los resultados esperados.
2. Métodos de radioterapia
(1) Irradiación externa
Las semillas, el polen, los ovarios y los órganos vegetativos de las plantas se ven afectados por los rayos X, γ-. rayos y radiaciones.
(2) Irradiación interna
Existen muchos métodos.
① Mezcle isótopos radiactivos como 82P y 35S en una solución con la concentración específica adecuada y remoje las semillas u órganos vegetativos.
(2) Aplicar isótopos radiactivos al suelo para que las plantas los absorban.
③Inyecte la solución de isótopos radiactivos en las partes relevantes de la planta.
(4) El CO2 14C se suministra al área de la planta y los isótopos de 14C se asimilan en metabolitos.
⑤ Pegue isótopos radiactivos a los botones florales o puntos de crecimiento de las plantas de cierta manera para hacer que germinen.
El uso del método anterior requiere cierto equipo de protección para evitar la contaminación por material radiactivo. El material tratado no debe comerse ni alimentarse.
3. Crianza de la descendencia por radiación
El método de selección de la cría por radiación es básicamente el mismo que el del cruzamiento, pero las características genéticas de la descendencia por radiación no son exactamente las mismas que aquellas. descendencia híbrida, por lo que los métodos de tratamiento de la descendencia también son diferentes.
(1) Tratamiento de la producción de radiación
Los descendientes de la radiación generalmente están representados por m, y la radiación de primera, segunda y tercera generación están representadas por M1, M2 y M3 respectivamente. También se puede representar mediante la primera letra del nombre del rayo. Por ejemplo, X1, γ1 y n1 se utilizan para representar la primera generación de X, γ y la irradiación de neutrones, respectivamente.
Dado que la mayoría de los rasgos de la generación M1 son recesivos y no se pueden expresar, generalmente no se seleccionan. Si los recursos humanos y materiales son insuficientes, se pueden dejar una o varias semillas por planta, pero el número de individuos seleccionados para la generación M2 generalmente no debe ser inferior a 65.438.000 plantas.
(2) Seleccione 2) Generación M2
La generación M2 es la generación con mayor separación, y la mayor parte de la variación heredable ocurre en M2. Por lo tanto, se debe seleccionar una gran cantidad de plantas individuales en la generación M2 para eliminar individuos indeseables.
(3) Selección de la generación M3
La generación M3 todavía está separada, pero esta separación es muy pequeña. Por lo tanto, la generación M3 selecciona principalmente sistemas excelentes, en los que se pueden seguir seleccionando plantas individuales para su identificación y selección continua por parte de la próxima generación.
(4) Después de la generación 4)M4, los rasgos son básicamente estables y los procedimientos de reproducción posteriores son los mismos que los de la reproducción convencional.
(5) Cultivo de órganos vegetativos por radiación
La base genética de las plantas medicinales asexuales es mayoritariamente heterocigota mientras aparezca la generación M1, aparecerá variación de radiación, por lo que la generación M1. debe ser seleccionado. , la separación no ocurrirá después de la reproducción asexual. Sin embargo, si los órganos reproducidos asexualmente mutan, las células se dividirán lentamente, tendrán una vitalidad débil y no crecerán ni se desarrollarán tan bien como las células normales. Para crear buenas condiciones para el crecimiento y desarrollo de las células mutantes, se pueden utilizar múltiples esquejes de yemas superiores y ramas laterales para promover el crecimiento de las ramas laterales en los tallos mutantes, y luego propagarlos mediante esquejes o injertos para aumentar las posibilidades de selección.
En segundo lugar, el mejoramiento por mutación química
(A) Descripción general del desarrollo
Algunas sustancias químicas pueden inducir variación genética, y hubo algunos estudios ya en 1910. Mcdongl (1911), Baur (1916), Sacharov (1936) y otros descubrieron que las sustancias químicas pueden aumentar la tasa de mutación de animales y plantas, pero en las plantas, en general, se cree que las sustancias químicas pueden inducir mutaciones.
El mejoramiento mediante mutaciones químicas de plantas medicinales comenzó en la década de 1970. Kaul et al. trataron semillas de belladona con 0,025 y 0,05 de etilenimina. Las plantas mutantes eran altas y ramificadas, el rendimiento aumentó significativamente y el contenido de alcaloides aumentó entre 47,3 y 72,7. Kohgpatehko trató semillas de rubia con 0,05% de nitrosetil urea (NEU) y obtuvo una cepa con un contenido de derivado de antraquinona 0,38% mayor que el control. Arinshtein utilizó nitrosometilurea (NMU) para inducir a Salvia miltiorrhiza a florecer temprano, florecer tarde, tener más glándulas sebáceas por unidad de área foliar y tener una fuerte resistencia a las enfermedades. También obtuvo una rosa mutante que es adecuada para la cosecha mecanizada y tiene un alto rendimiento. aceites esenciales.
(2) Mutágenos químicos comúnmente utilizados en el cultivo de plantas medicinales
En los últimos años, los mutágenos químicos se han desarrollado rápidamente. Siempre que la concentración sea adecuada, las sustancias químicas pueden inducir altas tasas de mutación. Además, los productos químicos son más fáciles de obtener y utilizar que diversas fuentes de radiación y, por tanto, tienen más usuarios.
En la actualidad, los agentes alquilantes se utilizan principalmente en el cultivo de plantas medicinales y todos ellos tienen grupos alquilo activos. Con la ayuda de la alquilación de grupos fosfato y grupos purina, interactúa con el ADN o el ARN para provocar mutaciones genéticas. Por ejemplo, los productos de la mostaza de azufre pueden formar "entrecruzamientos" entre las dos hebras de la doble hélice del ADN, impidiendo la separación de las dobles hebras del ADN, dificultando la replicación normal y provocando mejoras en el código genético. Los mutágenos químicos comúnmente utilizados son los siguientes:
1. Muchos compuestos del gas mostaza, como la mostaza nitrogenada y la mostaza sulfurada.
2. Etilenimina (EI) y óxido de etileno.
3. Alquilsulfonatos y alquilsulfatos, tales como etanometanosulfonato (EMS), etanoetilsulfonato (EES), dimetilsulfato (DMS), dietilsulfato (DES), metiletilsulfato (MES), etc.
4. Compuestos nitroalquilados, como la nitrosometilurea (NMU) y la nitrosometilurea (NEU).
También existen compuestos básicos similares a los ácidos nucleicos, compuestos inorgánicos simples, diversos anestésicos, antibióticos y algunos compuestos poliméricos en la medicina herbaria china, como la vinblastina y la licorina.
(3) Métodos de tratamiento por mutagénesis química
Todas las partes de la planta se pueden tratar con métodos adecuados, siendo las semillas las que más se tratan, seguidas de los órganos vegetativos.
Las plantas se pueden tratar insertando un tallo medio partido en un tubo que contiene la solución mutagénica para absorberlo lentamente, o introduciendo la solución mutagénica en la planta con bolas de algodón, o inyectándola o aplicándola en el interior y exterior de los órganos de la planta. . La inducción de la autotetraploidía de Angelica sinensis se realiza seleccionando semillas de tamaño mediano almacenadas para pasar el invierno, cortando la parte media de la parte superior de las semillas verticalmente a 3-5 mm del punto de crecimiento superior con una cuchilla y luego sumergiéndolas en 0,01 Fuminnong. solución durante 72 horas.
El tratamiento de semillas generalmente adopta el método de remojo de semillas. Diferentes productos químicos y diferentes objetos de tratamiento tienen diferentes concentraciones y tiempos de remojo. Generalmente, es necesario encontrar las mejores condiciones mediante experimentos.
El polen se puede procesar en un sistema cerrado extendiéndolo en una capa y luego fumigándolo con vapor mutágeno.
Hay que tener cuidado al utilizar mutágenos químicos, algunos de los cuales son cancerígenos. Evite el contacto con la piel o la inhalación para prevenir la contaminación ambiental.
En tercer lugar, la reproducción poliploide
La reproducción poliploide es un método de reproducción por mutación, que duplica los cromosomas de las células y luego los reproduce selectivamente en nuevas variedades. Desde que la Datura datura fue tratada por primera vez con colchicina en 1937, ha florecido el cultivo poliploide de plantas medicinales. Mi país es rico en recursos de plantas medicinales y tiene amplias perspectivas para la cría de poliploides. Se han obtenido poliploides de Achyranthes bidentata y Angelica sinensis.
(1) El concepto de poliploidía
El número de cromosomas en varios organismos es relativamente estable. El número de cromosomas en cualquier célula vegetal es un múltiplo de la base del cromosoma (X). de la especie. Generalmente, el número de cromosomas en las células somáticas vegetales es el doble del número base de cromosomas, lo que se denomina "diploidía"; el número de cromosomas en las células vegetales es tres veces o más que el número base, lo que se denomina "poliploidía". Los cromosomas de los gametocitos se reducen a la mitad mediante la meiosis, por lo que las células somáticas tienen el doble de cromosomas que los gametocitos. x se usa generalmente para representar el número de cromosomas de la especie y n representa el número de cromosomas del gametocito. 2n representa el número de cromosomas de las células somáticas. Por ejemplo, los cromosomas de Datura son n=x=12, 2n=2x=24. Los cromosomas de Angelica sinensis son n=x=11, 2n=2x=22. La poliploidía cromosómica está muy extendida en el reino vegetal y más de la mitad de las angiospermas son poliploides. La mayoría de los cultivos comerciales que se cultivan actualmente son poliploides. También hay muchos poliploides en las plantas medicinales. Por ejemplo, Potentilla distribuida en América del Norte tiene este tipo de series poliploides en forma de especie finifima. Potentilla 2n = 2x = 14 es diploide. Potentilla binzhouensis es tetraploide; Potentilla bipinata 2n = 8x = 56 es octoploide. Se ha observado que los cromosomas del Corydalis medicinal chino también tienen series poliploides, entre las que Corydalis es poliploide. y C. turtschaninovii Bess. Ambos son diploides, 2n = 2x = 16; Corydalis y Corydalis procumbata. 〳)Pers. Todos son tetraploides, 2n = 4x = 32 pasto remy de hojas redondas. Es hexaploide, 2n=6x=48.
En la poliploidía, según el origen y propiedades del genoma, se puede dividir en dos categorías: autopoliploidía y alopoliploidía.
1. Autopoliploidía
Los poliploides con el mismo origen genómico y dos o más genomas se denominan autopoliploides. Las células diploides normales se vuelven autotetraploides después de la duplicación de los cromosomas. Tanto la autotetraploidía como la diploidía normal pueden producir autotriploidía. Las plantas triploides son muy estériles porque los cromosomas se desordenan durante la meiosis y no pueden aparearse.
2. Alopoliploidía
La poliploidía con diferentes fuentes genómicas y más de dos genomas se llama alopoliploidía. La alopoliploidía generalmente se forma mediante el cruce entre diferentes especies y luego la duplicación de los cromosomas.
Las plantas poliploides presentan muchas ventajas morfológicas y fisiológicas respecto a las plantas diploides. Generalmente, tienen células y órganos vegetativos más grandes, mayor resistencia a las enfermedades y mayores capacidades biosintéticas, por lo que el contenido de ingredientes activos es mayor. Pero no es que cuanto mayor sea el aumento cromosómico mejor, sino que hay un cierto límite. En general, se cree que la triploidía y la tetraploidía tienen las mayores ventajas.
(2) Modelo de aplicación del mejoramiento poliploide
Después de que las personas dominaron las reglas de la formación poliploide y controlaron su aparición, el mejoramiento poliploide se ha convertido en un medio importante para cultivar semillas mejoradas.
En la actualidad, existen principalmente las siguientes aplicaciones.
(1) Mediante la hibridación a distancia, los cromosomas de los híbridos estériles se duplican, superando así la esterilidad de los híbridos lejanos. Un ejemplo típico es la hibridación del trigo y el centeno chinos para crear una nueva variedad de triticale mundialmente famosa con fuerte resistencia al estrés, alto rendimiento y alto contenido de proteínas. Los alopoliploides artificiales también se obtienen cruzando dos especies de plantas medicinales. Albizia xs. avicular var Brisbane NSE.
(2) Inducir plantas medicinales diploides a autopoliploides para su utilización. Por ejemplo, las yemas axilares de Datura datura se tratan con colchicina para producir plantas tetraploides (2n=4x=48), y el peso de las hojas del fármaco crudo es aproximadamente 1,7 veces mayor que el de las plantas diploides. Las flores tetraploides (2n = 36) que contienen componentes antiinflamatorios cultivadas por Mitsuhiko Hiroshi a partir de manzanilla (2n = 18) son superiores a las flores diploides en tamaño y contenido de ingrediente activo. La cepa poliploide (2n=144) inducida por la menta no sólo tiene un alto contenido de aceite esencial, sino que también es tolerante a la sequía, al frío y a las enfermedades.
En comparación con el diploide, el poliploide de Achyranthes bidentata inducido por colchicina tiene las ventajas de raíces agrandadas, lignificación ligera y alto rendimiento.
(3) Aprovecha el vigor híbrido y la esterilidad de las plantas triploides. Las plantas triploides tienen un vigor híbrido evidente y no tienen semillas debido a la esterilidad. Los cultivos comerciales de remolacha azucarera y sandía sin semillas son ejemplos típicos de aplicaciones triploides. Entre las plantas medicinales, Trease et al. sugirieron que entre los niveles de ploidía de la adormidera, los triploides contienen las mayores cantidades de morfina. Jankulov informó que la producción promedio de alcaloides de los híbridos triploides de Datura era más de 4 veces mayor que la de los híbridos diploides y más de 3 veces mayor que la de los híbridos tetraploides.
(3) Métodos y principios para inducir artificialmente la poliploidía
1. Fármacos de uso común y métodos de uso.
La poliploidía más utilizada con mejor efecto en la actualidad. El mutágeno corporal es una solución acuosa de colchicina 0,05-0,2, seguida de una solución acuosa de Fuminlong 0,01-0,03. La colchicina es fácilmente soluble en agua y es muy tóxica. Pequeñas cantidades de gotas en los ojos pueden provocar ceguera, por lo que hay que tener especial cuidado. El efecto de la mutación de la colchicina es prevenir la formación de filamentos del huso durante la división celular y los cromosomas no se pueden dividir en dos células para formar una poliploidía. Fuminlong tiene buenos efectos, precio bajo y fácil promoción, pero es insoluble en agua. Al usarlo, puede pesar 1 g de polvo medicinal puro, verterlo en 25 ml de acetona, calentarlo en un baño de agua a 80 °C, agitar el recipiente para favorecer la disolución y verter la solución medicinal disuelta en 1000 ml de agua destilada mientras se caliente y revuelva continuamente para obtener 0,1 solución original de Fuminlong. Luego diluya al nivel deseado.
El método de tratamiento generalmente es remojo, pero también se pueden utilizar goteo, inyección, limpieza, pulverización y otros métodos.
2. Principio de la mutagénesis artificial poliploide
(1) Materiales mutacionales
En una misma planta, las especies con menos cromosomas tienen más probabilidades de producir poliploidía, el poliploide resultante tiende a mostrar ventajas en morfología y fisiología. Ya es poliploide y una mayor poliploidización puede provocar un rendimiento deficiente. Por tanto, es aconsejable seleccionar especies con menos cromosomas como materiales de mutagénesis.
(2) Tiempo de tratamiento
El tiempo de tratamiento depende de los diferentes tipos de plantas medicinales y su estado. El tiempo de tratamiento para las semillas latentes o la siembra debe ser más largo y el tiempo para las semillas o plántulas germinadas debe acortarse adecuadamente. Dado que los brotes de las plantas o las raíces jóvenes tienen una tolerancia débil a la toxicidad y la hipoxia, se pueden remojar en la solución medicinal durante un período de tiempo (como 12 horas) y mantener húmedos en el aire durante un período de tiempo (como 12 horas). ), entonces 3- El efecto es mejor después de 4 días.
(3) Temperatura de tratamiento
La temperatura óptima para la división de las células vegetales es de aproximadamente 65438 ± 00 ℃ para las semillas de ginseng y de aproximadamente 20 ℃ para el astrágalo y la baya de goji. Las bajas temperaturas y la alta humedad son adecuadas para el período de recuperación después del tratamiento.
(4) Identificación de la poliploidía
La poliploidía se caracteriza por plantas grandes, hojas, órganos florales y granos de polen, hojas gruesas, estomas y cloroplastos por unidad de área de células epidérmicas. Cuantitativamente diferente del diploide. Estas características pueden usarse como base para identificar la poliploidía, pero el método más confiable es observar el número de cromosomas de las células.