全 文 :收稿日期 :2005209230
基金项目 :福建省科技攻关计划 (2005N007)
作者简介 :毕静华 (19802) ,女 ,山东威海人 ,硕士研究生 ,主要从事园艺植物生物技术与分子育种研究工作。刘永立为通讯作者 ,Tel &Fax :0571
86971655 ; Email :liuyongli @zju. edu. cn
文章编号 :100028551 (2006) 042287205
阔叶猕猴桃抗生素敏感性及遗传转化的研究
毕静华1 高 月1 刘永立1 叶庆富2
(11 浙江大学园艺系Π农业部园艺植物生长发育与生物技术重点开放实验室 ,浙江 杭州 310029 ;
21 浙江大学原子核农业科学研究所 , 浙江 杭州 310029)
摘 要 :以阔叶猕猴桃 ( Actinidia latifolia) 叶片为外植体 ,研究了各种抗生素对形态分化和器官形成的影
响 ,并以叶盘为受体 ,通过根癌农杆菌介导法获得了抗性愈伤组织和抗性芽 ,组织化学染色表明 gus 基
因已在植物组织中表达。研究结果表明 ,对不定芽分化来说 ,头孢霉素 (Cef) 效果明显好于羧苄青霉素
(Carb) 。Cef 浓度为 300mg·L - 1时效果最好 ,再生频率达 100 % ,平均再生芽数达最大为 9176 个芽Π外植
体。生根过程中高浓度的 Cef ( ≥200mg·L - 1 )明显抑制生根 ,而 Carb 对生根没有显著影响。在卡那霉素
( Kan)和 Carb 组合处理中 ,Carb 对生根没有显著影响 ,但 Kan 明显抑制生根。随着 Kan 浓度的升高 ,生
根率和平均根数迅速减少 ,当浓度升高到 50mg·L - 1时 ,生根完全被抑制。因此 ,农杆菌介导的阔叶猕猴
桃遗传转化中愈伤组织和不定芽诱导过程宜选用 300mg·L - 1 Cef 来抑制农杆菌生长 , Kan 筛选的临界浓
度为 20mg·L - 1 。在抗性芽生根过程中 Kan 浓度应该控制在 50mg·L - 1以内 ,并改用 Carb 作为杀菌剂 ,生
根效果会更好。该研究确定了农杆菌介导的阔叶猕猴桃叶片遗传转化中使用抗生素的种类和用量 ,为
通过基因工程对阔叶猕猴桃进行遗传改良奠定了基础。
关键词 :阔叶猕猴桃 ;根癌农杆菌 ;抗生素 ; Gus ;叶片 ;再生
STUDIES ON ANTIBIOTICS SENSITIVITY AND GENETIC
TRANSFORMATION OF Actinidia latifolia
BI Jing2hua1 GAO Yue1 LIU Yong2li1 YE Qing2Fu2
(1. The State Agriculture Ministry Lab of Horticultural Plant Growth , Development & BiotechnologyΠDepantment of Horticulture , Zhejiang University ,
Hangzhou , Zhejiang 310029 ;2. Institute of Nuclear Agricultural Science , Zhejiang University , Hangzhou , Zhejiang 310029)
Abstract :Effects of antibiotics on in vitro regeneration and organogenesis from leaf explants of Actinidia latifolia were studied.
Genetic transformation calli of A . latifolia were generated after co2cultivation of leaf segments with Agrobacterium tumef aciens
strain. Successful transformation was confirmed by histochemical analysis of gus activity in kanamycin2resistant calli and
leaves. Results showed that cefotaxime is superior to carbenicillin for shoot differentiation. When cefotaxime concentration was
300mg·L - 1 , shoot differentiation rate and mean number of shoots per explant both reached the highest levels , 100 % and 9176
shootsΠexplant . However , a negative effect on in vitro rooting of regenerated shoots by higher cefotaxime concentrations ( ≥
200mg·L - 1 ) was also seen. Carbenicillin had no marked influence on rooting. In the treatments of different combinations or
alone of kanamycin and carbenicillin on rooting , carbenicillin had no marked influence on rooting but kanamycin inhibited
markedly rooting. With the increase of kanamycin concentration , the rooting rate decreased sharply. Rooting was completely
inhibited on the media containing 50mg·L - 1 kanamycin. It was considered that for A . latifolia 300mg·L - 1 cefotaxime was
suitabie for elimination of Agrobacterium tumef aciens during transgenic shoot induction ; 20mg·L - 1 kanamycin was useful in the
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selection of transgenic versus false2positive shoots ; during rooting phase kanamycin concentration should be controlled under
50mg·L - 1 , and carbenicillin substitute for cefotaxime to elimination of Agrobacterium facilitated rooting. This study had
determined the type and concentration of antibiotics in Agrobacterium2mediated transformation of A . latifolia , and laid a good
foundation for germplasm improvement through genetic engineering.
Key words : Actinidia latifolia ; Agrobacterium tumef aciens ; antibiotics ; gus ; regeneration
猕猴桃属于猕猴桃科猕猴桃属的多年生落叶藤本
植物 ,其果实营养丰富 ,人体必需的矿物质、纤维素和
维生素含量高 ,被誉为“水果之王”[1 ] 。生长在我国南
方的阔叶猕猴桃 ( Actinidia latifolia Merr. ) 果实可加工
食用 ,适合制作果汁和果酒[2 ] ,鲜果中维生素 C含量高
达 93918~2140mgΠ100g ,是目前发现的维生素 C 含量
最高的物种。猕猴桃的遗传转化研究始于 20 世纪 90
年代初期 ,Uematsu 等[3 ]用海沃德猕猴桃的下胚轴为材
料 ,通过根癌农杆菌 EHA101 介导 ,获得了表达 N PT II
和 gus 的猕猴桃转化体。Janssen 等[4 ]和 Fung 等[5 ]以叶
片为外植体 ,利用农杆菌介导法 ,将 gus 报告基因转入
美味猕猴桃 ,并获得转基因植株。1999 年郭卫东等[6 ]
利用 Lfy cDNA 转化猕猴桃 , 以期提高其早实性。
Nakamura 等[7 ]将大豆β21 ,32内切葡聚糖酶基因转入猕
猴桃 ,其转化植株的抗病性高于对照。樊军锋等[8 ] 在
建立秦美猕猴桃叶片最佳再生系统的基础上 ,利用叶
盘法和基因枪相结合的方法进行了秦美猕猴桃双价耐
盐基因 mtlDΠgutD 的转化研究 ,经诱导得到抗性转化植
株。然而 ,这些研究主要集中在栽培种美味猕猴桃材
料上 ,而至今尚无阔叶猕猴桃的相关报道。由于阔叶
猕猴桃维生素 C含量极高 ,被认为是最值得研究和开
发利用的野生猕猴桃种。阔叶猕猴桃再生与遗传转化
体系的建立 ,不仅可以改良其遗传性状以适应人们对
健康营养型果品的需求 ,还可以为研究猕猴桃果实中
维生素 C的合成机制与基因调控机理提供一个研究
平台。本试验以阔叶猕猴桃的叶片为外植体 ,探讨了
各种抗生素对愈伤组织和不定芽诱导以及生根的影
响 ,并通过根癌农杆菌介导法成功获得了转基因植株 ,
为通过基因工程对阔叶猕猴桃进行遗传改良奠定基
础。
1 材料和方法
111 植物材料和培养条件
材料为本实验室建立并保存的阔叶猕猴桃试管
苗。愈伤组织和不定芽再生培养基是 1Π2MS[9 ] +
011μmolΠL NAA + 5μmolΠL Zeatin ,生根培养基为 1Π2MS
+ 1μmolΠL NAA。所有培养基都附加 7gΠL 的琼脂粉和
20gΠL 的蔗糖 , pH 值调至 518 ,在 121 ℃高压 (112kgΠ
cm
2 )灭菌 20min。含有抗生素的培养基是高压灭菌后
冷却到 50 ℃左右时加入定量过滤灭菌的抗生素母液 ,
混匀分装备用。共培养阶段乙酰丁香酮也通过过滤灭
菌加入到再生培养基中。培养条件是 25 ℃±2 ℃,日
光灯照明的 16Π8h 光周期 ,光照强度 40μmolm - 2 s - 1 。
112 质粒及菌株
转化所用的质粒为 pBI121 含 CaMv 35S 启动子调
控的β2葡糖苷酸酶 ( gus)报告基因和抗卡那霉素 ( Kan)
筛选的新霉素磷酸转移酶 ( N PTII) 基因。质粒通过冻
融法转入根癌农杆菌菌株 EHA105 中。质粒结构如图
1 所示。
图 1 质粒 pBI121 的构建图
Fig. 1 Diagram of plasmid pBI121
113 方法
11311 抗生素的筛选 取 4 周苗龄的无菌苗的叶片 ,
去掉叶尖和叶缘 ,垂直叶片中脉切成叶盘 (015cm ×
015cm)作为外植体进行试验。将叶片外植体正面向上
接种到不含任何抗生素的再生培养基上暗培养 3d ,然
后转到含各种不同浓度抗生素的再生培养基上暗培养
21d ,再转到光下培养。每 2 周继代 1 次 ,研究抗生素
对愈伤组织和不定芽诱导的影响。每个处理有 7 个重
复 ,每个培养皿 (9cm 直径) 放 4 个外植体 ,共有 28 个
观察对象。以不加任何抗生素的再生培养基为对照。
统计愈伤组织和不定芽形成情况 ,并进行统计分析。
11312 农杆菌的培养和活化 选取包含质粒 pBI121
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的农杆菌 EHA105 单菌落 ,接种到含 Kan 50mg·L - 1 、链
霉素 (Str) 50mg·L - 1的 5ml 液体 YEP 培养基中 ,180rpm
28 ℃振荡培养 24h。取该菌液 2ml 加入到 40ml 含同样
抗生素的新鲜液体 YEP 培养基中继续振荡培养 4h 至
对数生长期 ,然后于 4000rpm 4 ℃离心 15min ,沉淀用液
体 1Π2MS 培养基 (pH512)等体积悬浮备用。
11313 根癌农杆菌对外植体的浸染与共培养 切好
的叶片外植体直接浸入农杆菌悬浮液中浸泡 ,轻微振
荡使农杆菌能与外植体充分接触 ,15min 后取出外植
体用无菌滤纸吸去多余菌液 ,置含 200μmolΠL·L - 1乙酰
丁香酮 (AS)的再生培养基上暗培养 3d 取出 ,用无菌水
冲洗 3 次 ,接种到含 Kan 20 mg·L - 1 、Cef 300mg·L - 1的
再生培养基上 ,每 2 周继代 1 次 ,先暗培养 21d 然后转
到光下培养。
11314 gus 基因瞬间表达的组织化学分析 gus 基因
瞬时表达的检测采用 Jefferson 等[10 ]的方法进行。组织
化学染色液的组成为 100 mmol·L - 1磷酸缓冲液、011 %
Triton X2100、110 mmol·L - 1 EDTA、015 mmol·L - 1 K3 Fe
(CN) 6 、0105 mmol·L - 1 K4 ( CN) 6 、1 mmol·L - 1 X2Gluc。
筛选培养 7d、90d 后分别取叶盘、抗性愈伤组织用添加
Cef 300mg·L - 1的液体培养基振荡培养 2h[11 ] ,再用蒸馏
水充分洗涤 5~6 次 ,滤纸吸干[12 ] ,37 ℃染色过夜 ,70 %
乙醇脱色后观察结果。
2 结果与讨论
211 抗生素对愈伤组织和不定芽诱导的影响
从表 1 中可见 ,随着培养基中 Kan 浓度的增加 ,叶
片的分化受到明显的抑制。当 Kan 浓度达到 15mg·
L - 1时叶片虽然能形成少量愈伤组织 (愈伤形成率
7114 %) ,但没有不定芽的分化 ,当超过 20mg·L - 1 时 ,
愈伤组织和不定芽的形成完全被抑制 ,外植体的颜色
逐渐变浅直至发白死亡。Kan 是一种能抑制细胞中核
糖体蛋白质合成的内酰胺类抗生素 ,当 Kan 达到一定
浓度时抑制细胞生长。不同植物种类耐 Kan 能力各不
相同 ,确定其外植体耐 Kan 的最高浓度 ,即确定了筛选
培养基中的临界浓度。试验表明阔叶猕猴桃叶片再分
化对 Kan 比较敏感 ,其遗传转化中 Kan 筛选的临界浓
度为 20mg·L - 1 。
表 1 卡那霉素对叶片外植体愈伤组织和不定芽诱导的影响
Table 1 Effects of kanamycin on callus induction and shoot differentiation from leaf explants
卡那霉素浓度
kanamycin concentration
(mg·L - 1)
培养 4 周
4 weeks culture
培养 5 周
5 weeks culture
愈伤组织形成率
callus induction
rate ( %)
不定芽再生率
shoot differentiation
rate ( %)
平均芽数
number of shoots
per explant
愈伤组织形成率
callus induction
rate ( %)
不定芽再生率
shoot differentiation
rate ( %)
平均芽数
number of shoots
per explant
0 100 53157 2164 ±0152a 100 85171 6171 ±1109a
5 71143 3157 1100 ±0100b 82114 21174 2120 ±0195b
10 14128 0 0 39128 10171 1133 ±0117c
15 0 0 0 7114 0 0
20 0 0 0 0 0 0
25 0 0 0 0 0 0
30 0 0 0 0 0 0
注 :同列中不同字母表示邓肯氏新复极差检验在 0105 水平上呈显著差异。下表同。
Note :Different letters within one column showed significance at 0105 level by Duncan’s new multiple range test . The same as following Tables.
由图 2 可见 ,当 Cef 浓度大于 300mg·L - 1时 ,再生
频率达 100 % ,平均再生芽数在 Cef 浓度为 300mg·L - 1
时达最大 ,为 9176 个芽Π外植体 , 而对照处理只有
85171 %和 5133 个Π外植体。较高浓度的 Cef 可以明显
提高不定芽再生频率和平均芽数。在 Carb 的处理中
100mg·L - 1 Carb 能显著促进不定芽分化 ,分化率达
100 % ,平均再生芽数最多达 8133 个Π外植体 ,但浓度
提高到 300~700mg·L - 1就会显著抑制不定芽的形成。
在本试验中 ,Cef 对阔叶猕猴桃不定芽分化的促进效果
明显好于 Carb ,然而对愈伤组织的诱导二者没有显著
差异 (数据未显示) 。
212 抗生素对不定芽生根的影响
在遗传转化研究中 ,抗性芽生根难是很常见的问
题 ,所以研究抗生素对生根的影响能很好地指导转基
因植株生根过程中抗生素的使用浓度 ,既可以更好对
抗性植株进行筛选又可以防止因抗生素使用浓度过高
导致转基因植株无法生根或生长不良甚至死亡。由表
2 可见 ,较高浓度的 Cef ( ≥200mg·L - 1 ) 明显抑制生根 ,
无论生根率还是平均根数根长都受到显著抑制 ,而
Carb 对生根没有显著不良影响。
982 4 期 阔叶猕猴桃抗生素敏感性及遗传转化的研究
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图 2 头孢霉素和羧苄青霉素对培养 4 周叶片再生的影响
Fig. 2 Effects of cefotaxime and carbenicillin on callus
induction and shoot differentiation from leaf explants after
4 weeks of culture
表 2 头孢霉素和羧苄青霉素对培养 4 周后生根的影响
Table 2 Effects of cefotaxime and carbenicillin on
rooting of shoots after 4 weeks of rooting culture
抗生素处理
antibiotics treatment
carbenicillin
(mg·L - 1)
cefotaxime
(mg·L - 1)
生根率
rate of root
formation( %)
平均根数
number of
rootsΠexplant 平均根长mean lengthof roots(cm)
0 0 100 1418 ±2111a 018 ±0123a
100 0 100 1610 ±2167a 110 ±0116a
200 0 100 1317 ±0195a 110 ±0111a
300 0 100 1110 ±3107a 017 ±0122a
400 0 100 1412 ±2100a 111 ±0111a
0 100 100 1013 ±3107a 017 ±0121a
0 200 6617 410 ±2157b 015 ±0117b
0 300 6617 810 ±2168b 017 ±0116a
0 400 50 717 ±2139b 015 ±0126b
在遗传转化研究中 ,生根通常与筛选和抑菌同时
进行 ,所以我们探讨了 Kan 和 Carb 组合对阔叶猕猴桃
生根的影响。如表 3 所示 ,Carb 对生根没有显著影响 ,
但 Kan 明显抑制生根 ,随着 Kan 浓度的升高 ,生根率和
平均根数迅速减少。当浓度为 1215mg·L - 1时 ,生根率
就从对照的 100 %降到 25 %左右 ,平均根数也显著下
降 ,从对照的 14 条Π外植体降低到 4 条Π外植体。当浓
度达 25mg·L - 1时生根率降低到 12 %左右 ,平均根数降
到 1~3 条Π外植体。当浓度升高到 50mg·L - 1时 ,生根
完全被抑制。就平均根长而言 ,当 Kan 的浓度达到
25mg·L - 1以上时才受到明显影响。
表 3 不同的卡那霉素和羧苄青霉素浓度组合
对外植体生根的影响
Table 3 Effects of different combinations or alone of kana2
mycin and carbenicillin on rooting of in vitro regenerated
shoots in A . latifolia after 4 weeks of rooting culture
抗生素处理
antibiotics treatments
carbenicillin
concentration
(mg·L - 1)
kanamycin
concentration
(mg·L - 1)
生根率
rate of root
formation( %)
平均根数
number of
rootsΠexplant 平均根长mean length ofroots(cm)
0 0 100 1418 ±2111a 018 ±0123a
200 0 100 1317 ±0195a 110 ±0111a
400 0 100 1412 ±2100a 111 ±0111a
0 1215 2715 419 ±0193b 111 ±0111a
200 1215 2816 415 ±1115b 019 ±0110a
400 1215 2415 213 ±0156b 017 ±0110a
0 25 1117 310 ±0141b 012 ±0100b
200 25 1318 211 ±0135b 012 ±0100b
400 25 1215 110 ±0100b 012 ±0100b
0 50 0 0 0
200 50 0 0 0
400 50 0 0 0
213 抗性愈伤组织和抗性芽的形成及 gus 基因化学
染色
叶片外植体经农杆菌 EHA105ΠpBI121 感染后培养
3d 接到筛选培养基上培养。观察发现 ,筛选过程中愈
伤组织形成较容易 ,并不断增大 ,但不定芽的分化率很
低 (8 %以下) ,并且生长缓慢。有的不定芽在筛选中慢
慢发白死亡 ,应是 Kan 对未转化细胞的抑制作用导致
假阳性不定芽的死亡。存活的抗性芽组织染色证明
gus 基因已在植株中表达。
经农杆菌浸染后筛选培养 7d 的叶盘和筛选培养
90d 的愈伤组织 ,采用 Jefferson 等[10 ]的方法进行 gus 基
因表达的检测。经 gus 基因组织化学染色 ,可见蓝色
斑点 (图 32D) , gus 瞬时表达率可达 90 % ,蓝色斑点多
出现在叶盘边缘的叶脉处。从筛选培养 90d 后的抗性
愈伤组织染色来看 , gus 基因在整个愈伤组织中都有
表达 ,表明本试验筛选的抗生素种类和临界浓度以及
所采用的农杆菌介导法对阔叶猕猴桃叶片的遗传转化
是有效的。从转基因再生植株叶片的 gus 基因组织化
学染色 (图 32E)结果来看 ,整个叶片全部呈现蓝色 ,说
明 gus 基因已经转入阔叶猕猴桃的基因组中 ,并得到
稳定表达。而未经遗传转化的叶片 ,未被染色 (图 32E
左侧叶片) 。
092 核 农 学 报 20 卷
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图 3 阔叶猕猴桃转基因再生植株及组织化学染色
Fig. 3 Antibiotics sensitivity and genetic transformation of Actinidia latifolia
A :叶片外 :植体在含 300mg·L - 1 Cef 的培养基上培养 5 周后愈伤组织和不定芽的形成 ;B :在含 300mg·L - 1 Carb 的生根培养基上培养 4 周后根的形
成 ;C :筛选培养 5 周后抗性愈伤组织和抗性芽的形成 ;D :筛选培养 7d 后的叶盘和筛选培养 90d 后的愈伤组织 gus 基因组织化学染色 (左 :
阴性对照) ; E :转基因再生植株叶片的 gus 基因组织化学染色 (左 :阴性对照) ;R :阔叶猕猴桃转基因的再生植株。
A :Shoot regeneration via callus induced from in vitro leaves in 300mg·L - 1 cefotaxime treatment after 5 weeks of culture ; B : Root formation of a regenerated shoot on
the rooting medium containing 300mg·L - 1 carbenicillin after 4 weeks of culture ; C : In Agrobacterium2mediated transformation kanamycin2resistant calli and shoots
formation for 5 weeks after co2culture ; D :Transient expression of gus gene in leaves for 7 days after co2culture and the expression of gus gene in. kanamycin2resistant
calli for 90 days after co2culture (Left : negative control) ; E : The expression of gus gene in leaves of genetic transformation plantlet ; R : genetic transformation
plantlet of Actinidia latifolia
3 结论
311 Cef 促进不定芽分化效果明显好于 Carb。Cef 浓
度为 300mg·L - 1时效果最好 ,再生频率达 100 % ,平均
再生芽数达最大为 9176 个芽Π外植体。
312 高浓度 Cef ( ≥200mg·L - 1 )明显抑制生根 ,而 Carb
对生根没有显著不良影响。Kan 和 Carb 组合处理中 ,
Carb 对生根没有显著影响 ,但 Kan 明显抑制生根。随
着 Kan 浓度的升高 ,生根率和平均根数迅速减少。当
浓度升高到 50mg·L - 1 时 ,生根完全被抑制。因此 ,农
杆菌介导的阔叶猕猴桃遗传转化中愈伤组织和不定芽
诱导过程宜选用 300mg·L - 1 Cef 来抑制农杆菌生长 ,
Kan 筛选的临界浓度为 20mg·L - 1 。
313 本研究获得了阔叶猕猴桃转基因的再生植株 (图
32F) 。
参考文献 :
[ 1 ] 黄宏文. 猕猴桃研究进展. 北京 :科学出版社 ,2000 ,65~79
(下转第 302 页)
192Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2006 ,20 (4) :287~291
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216 半致死剂量的确定
根据 Gaul 1959 年提出的辐射剂量和生长量成负
相关 ,并且以生长量为对照的 70 % ,植株成活率 50 %
的半致死剂量的判断条件[11 ] ,由表 1 成苗率和表 2 中
的根长的数据可初步推测出悬铃木辐射的半致死剂量
为 50Gy。
3 结论和讨论
悬铃木种子60 Coγ辐射的半致死剂量为 50Gy。不
同剂量辐射在幼苗生长前期均起抑制作用 ,且随剂量
的增加抑制作用增强 ,但随着时间的推移 ,小剂量的辐
射抑制作用减轻 ,50~250Gy 处理对苗高、鲜重等有抑
制作用 , 300~400Gy 处理对苗高、鲜重等有极强的抑
制作用。
不同剂量的辐射抑制根系纵向伸长 (顶端优势) ,
但促进侧根及须根的发育 ,在 50~200Gy 剂量范围内 ,
虽抑制根系的生长 ,但根系能从胚芽中伸出 ;在 250~
400Gy 剂量内 ,极大地抑制根系生长 ,根系无法从胚芽
中伸出。
试验选用了 50~400Gy 的辐射剂量 ,试图在大剂
量的辐射中得到特殊的变异类型 ,但由于植物材料承
受辐射剂量有限 ,在 250Gy 以上辐射组中未能得到 1
株完整的植株。
在存活的幼苗中 ,50Gy 组存活下来的最多 ,其中
大多数植株性状与对照组相比 ,没有显著的变化 ,只有
少量植株变矮、叶片变小、节间缩短。而 100~250Gy
组 ,存活幼苗较少 ,有灼伤现象 ,而且幼苗生长缓慢 ,真
叶出现较晚 ,由于幼苗尚小 ,是否会有期望的突变体出
现还不清楚。综合考虑辐射对悬铃木种子萌发率、出
苗率、成苗率、株高、鲜重、根长等苗期生物学性状的影
响 ,初步认为悬铃木种子最适辐射剂量为 50~200Gy。
诱变育种和分子生物学技术相结合将育种目标定
向化 ,以诱变提供的突变体为基础运用分子标记 ,筛选
与目标基因连锁的分子标记。构建遗传图谱 ,进行目
标基因定位和性状连锁分析[14 ] ,开展定向培育新品
种 ;反之控制各种诱变因素 ,分析已知基因的变化 ,诱
变处理材料使育种目标趋于有利 ,并提高目标变异性
状在总变异中的相对频率[3 ,4 ,10 ] 。
参考文献 :
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