誘變技術(shù)及其在辣椒育種中的研究進(jìn)展

摘要：誘變技術(shù)作為一種增加遺傳基因變異率的育種技術(shù)，在辣椒育種中有較大的應(yīng)用潛力。介紹了輻射誘變、航天誘變和化學(xué)誘變技術(shù)的特點(diǎn)及作用機(jī)理，重點(diǎn)綜述了Coy射線、航天誘變和EMS誘變的機(jī)理及在辣椒育種中的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：誘變；辣椒；育種；綜述

中圖分類號(hào)：S603.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-060X（2015）05-0138-04

誘變育種指采用人工方式對(duì)植物體（種子、植株、器官、組織、細(xì)胞等）進(jìn)行誘發(fā)突變，使其產(chǎn)生遺傳變異，并從中直接或間接地選育出在生產(chǎn)上有利用價(jià)值的新品種的育種方法。該方法通過改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)或基因結(jié)構(gòu)獲得突變體，豐富物種的遺傳變異范疇，在新品種選育及分子生物學(xué)研究中具有重要作用。目前，創(chuàng)造突變體的手段主要有物理手段、化學(xué)手段和生物手段等。筆者介紹了輻射誘變、航天誘變和化學(xué)誘變等技術(shù)的特點(diǎn)及作用機(jī)理，重點(diǎn)綜述了Coy射線、航天誘變和EMS誘變的機(jī)理及其在辣椒育種應(yīng)用中的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 誘變方式及特點(diǎn)

1.1 輻射誘變

典型的物理誘變?yōu)檩椛湔T變.是指在人工控制的條件下，利用中子、質(zhì)子或者射線等物理輻射誘變因素對(duì)種子或植株進(jìn)行輻照，誘發(fā)其染色體數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變異，從而得到可供利用的突變體一種誘變方式。常見的輻射源包括紫外線、x射線、y射線、粒子輻射（中子、帶電粒子輻射）以及其他物理誘變劑（電子束、激光和離子注入）。

輻射誘變一般具有以下特點(diǎn)：（1）大部分突變?yōu)殡[性突變，突變性狀在第2代才表現(xiàn)出來，因而必須將M2代作為選擇突變性狀的起始世代；（2）突變頻率與突變性狀有關(guān)，葉色、株型、產(chǎn)量、熟性等突變易發(fā)生，抗性突變頻率較低，故不同的突變育種性狀應(yīng)該構(gòu)建不同大小的M2群體以供選擇；（3）育種周期短，突變性狀通常經(jīng)過3-4代的選擇即能達(dá)到穩(wěn)狀態(tài)，便于短時(shí)間內(nèi)新品種的選育。

1.2 航天誘變

航天誘變是將需誘變的材料（通常為作物種子）送往太空，在微重力、空間強(qiáng)輻射以及太空環(huán)境中空氣密度、地磁強(qiáng)度、環(huán)境溫度等諸多未知因素的協(xié)同或單一作用下誘導(dǎo)材料產(chǎn)生可遺傳性變異的一種誘變方式。

航天誘變特點(diǎn)如下：（1）航天誘變育種具有誘變的廣譜性，比人工誘變幅度更大，范圍更廣，更易出現(xiàn)特異性變異；（2）變異率高，變異幅度大、變異類型十分豐富，且有益突變較多；（3）育種周期短，通常3-4代的選擇即可穩(wěn)定遺傳性狀，可比常規(guī)育種周期縮短1-2代。

1.3 化學(xué)誘變

化學(xué)誘變是指人為地利用化學(xué)藥劑對(duì)作物的植株、種子、花粉、花藥、合子或單細(xì)胞組織培養(yǎng)物等不同部位進(jìn)行處理，使其產(chǎn)生遺傳變異獲得突變體，再根據(jù)育種目標(biāo)從中篩選出新品系、特用品種或新種質(zhì)的一種人工誘變方式。化學(xué)誘變劑種類較多，按其誘變機(jī)制可分為烷化劑（如硫酸二乙酯、甲基磺酸乙酯等）、堿基類似物及其有關(guān)化合物（如5一溴尿嘧啶、水合肼、氨基嘌呤等）、疊氮化物（如疊氮化鈉、疊氮化鉀等）以及其他種類的化學(xué)誘變劑如抗生素、羥胺、吖啶、秋水仙素等。

化學(xué)誘變的特點(diǎn)如下：（l）操作方法簡易，成本低廉，可短時(shí)間內(nèi)對(duì)供試材料進(jìn)行大規(guī)模誘變；（2）產(chǎn)生點(diǎn)突變的比例高，突變譜穩(wěn)定性好，引起的突變范圍廣，但后代選擇需要足夠大的群體；（3）受組織結(jié)構(gòu)限制，穿透性不如輻射誘變強(qiáng)，染色體畸變比例相對(duì)較少，發(fā)生致死型突變的幾率小；（4）具有遲效作用，誘變后的部分染色體并不立即斷開。

2 誘變機(jī)理

2.1 輻射誘變

輻射誘變機(jī)理通常從從細(xì)胞水平和分子水平兩方面進(jìn)行闡述。

從細(xì)胞水平上分析，輻射誘變?cè)斐扇旧w畸變，高能量和強(qiáng)穿透力的射線易使染色體斷裂、結(jié)構(gòu)重排，導(dǎo)致單倍體及非整倍體類型的材料出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)y射線輻射處理后的實(shí)驗(yàn)材料，其細(xì)胞在進(jìn)行有絲分裂和減數(shù)分裂時(shí)可觀察到染色體數(shù)量發(fā)生變化以及結(jié)構(gòu)發(fā)生變異的現(xiàn)象。

從分子水平上分析，射線誘變能誘導(dǎo)處理材料的DNA斷裂、損傷或堿基缺失等多種生物學(xué)效應(yīng)，從而促使其產(chǎn)生大的突變，引發(fā)的DNA突變具有隨機(jī)性。另有研究表明，射線促使細(xì)胞染色體發(fā)生改變的同時(shí)，還會(huì)引起生物體與細(xì)胞質(zhì)有關(guān)的遺傳性核外變異，促成輻射育種中材料的特性變異。

2.2 航天誘變

由于空間環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，目前對(duì)空間誘變機(jī)理的研究較少，作物性狀變異的機(jī)理尚未清楚，通常認(rèn)為導(dǎo)致遺傳變異有以下幾個(gè)方面原因。

2.2.1 微重力 生物體在宇宙空間中所受重力僅為地球的百萬分之一到十萬分之一，微重力環(huán)境使細(xì)胞分裂不正常、染色體畸變、核小體數(shù)目發(fā)生變化等，使植物生長發(fā)育與信號(hào)傳遞等生理生化過程出現(xiàn)紊亂，極大地影響了生物體生長發(fā)育。此外，微重力有可能會(huì)干擾到細(xì)胞中DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)的正常操作，DNA損傷后的修復(fù)功能可加劇生物變異，提高變異率。

2.2.2 空間強(qiáng)輻射太空中存在的強(qiáng)輻射射線主要有重粒子、太陽粒子、銀河系宇宙射線及其他高能電磁輻射，其中以高能量的重粒子射線誘變效應(yīng)最強(qiáng)。這些射線作用于太空中的生物材料后，可轟擊細(xì)胞DNA，使DNA雙鏈發(fā)生斷裂。

2.2.3 轉(zhuǎn)座子假說科學(xué)家們提出了航天誘變的一種新的誘變機(jī)制一轉(zhuǎn)座子假說，該假說認(rèn)為太空環(huán)境能活化生物體中潛伏的轉(zhuǎn)座子，活化的轉(zhuǎn)座子通過插入、移位和丟失，導(dǎo)致基因變異或染色體畸變。

2.2.4 其他因素的復(fù)合效應(yīng) 該理論認(rèn)為航天誘變是太空環(huán)境中大氣結(jié)構(gòu)、壓力、密度以及地磁強(qiáng)度、環(huán)境溫度等諸多因素綜合作用的結(jié)果。這些因素與微重力、空間強(qiáng)輻射等協(xié)同作用，可在一定程度上引起生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而產(chǎn)生變異。

2.3 化學(xué)誘變

不同的化學(xué)誘變劑具體作用機(jī)制不同，總的來講，化學(xué)誘變機(jī)理為誘變劑與核苷酸中的磷酸、嘌呤和嘧啶等分子發(fā)生反應(yīng)引發(fā)誘變，且化學(xué)誘變劑具有選擇性特性，只作用于特定的基因和核酸。在蔬菜育種中應(yīng)用較廣泛的是秋水仙素、甲基磺酸乙酯（EMS）、疊氮化鈉（NaN3）和平陽霉素（PYM）等。

2.3.1 EMS誘變機(jī)理EMS烷化作用發(fā)生于DNA的鳥嘌呤N-7位置上，烷基取代H離子成為一個(gè)帶正電荷的季銨基團(tuán)，產(chǎn)生2種遺傳效應(yīng)：一種為轉(zhuǎn)換型突變，即烷化的鳥嘌呤代替胞嘧啶，與胸腺嘧啶發(fā)生配對(duì)；另一種為鳥嘌呤的N-7烷基在活化時(shí)由于糖苷鍵斷裂，導(dǎo)致鳥嘌呤的DNA分子被脫去，在進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)制時(shí)，原來的鳥嘌呤的位置成了一個(gè)空位，與鳥嘌呤互補(bǔ)位置上的堿基就不受嚴(yán)格的配對(duì)限制，4種堿基均有機(jī)會(huì)進(jìn)入，造成置換現(xiàn)象。具體過程為鳥嘌呤的06位置被烷基化，大部分經(jīng)烷基化的堿基被修復(fù)時(shí)，在DNA復(fù)制過程中會(huì)導(dǎo)致配對(duì)錯(cuò)誤產(chǎn)生突變，烷基化鳥嘌呤與胸腺嘧啶配對(duì)，導(dǎo)致堿基替換，即G∶C變?yōu)锳∶T。

2.3.2 NaN3誘變機(jī)理NaN3屬于呼吸抑制劑的一種，作用于復(fù)制過程中的DNA，引起基因突變和染色體畸變，通常以堿基替換方式使DNA正常合成無法進(jìn)行。NaN3在酸性環(huán)境中對(duì)形態(tài)突變非常有效，當(dāng)溶液pH值為3時(shí)產(chǎn)生的HN3分子很容易透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞中，通過堿基替換，干擾DNA正常合成，導(dǎo)致點(diǎn)突變產(chǎn)生。

2.3.3 PYM誘變機(jī)理PYM屬于抗生素中的一種，主要誘發(fā)移碼突變，其誘變機(jī)制與EMS相近，是一種新型的誘變劑，且安全、高效、誘變率高，具有較高的開發(fā)應(yīng)用前景。

2.3.4 秋水仙素誘變機(jī)理秋水仙素屬于生物堿的一種，它能以堿基替換方式影響細(xì)胞中DNA的正常合成，使正處于有絲分裂的植物細(xì)胞的紡錘體形成受抑制，使細(xì)胞一直處于分裂中期，復(fù)制的染色體不能向兩極移動(dòng)。此后，細(xì)胞再進(jìn)行分裂就形成了多倍體。

3 誘變技術(shù)在辣椒育種中的應(yīng)用

自20世紀(jì)20年代以來，育種家將精力從收集有價(jià)值的自然變異材料逐漸轉(zhuǎn)移至通過物理或化學(xué)誘變的方法創(chuàng)制人工突變體，并開始將突變材料應(yīng)用于作物遺傳育種中，創(chuàng)制了一批有實(shí)用價(jià)值的突變體。也有不少科學(xué)家不斷嘗試通過物理和化學(xué)誘變方法處理辣椒種子或植株，來達(dá)到選育新品種的目的。

3.1 Coy射線

王蘭蘭等采用輻射劑量為5.16C/kg的60Coy射線處理蘭州大羊角辣椒的種子，選育出性狀表現(xiàn)穩(wěn)定的新突變系C14。與蘭州大羊角相比，突變系C14的果長、單株結(jié)果數(shù)和單株產(chǎn)量均有所增加。以突變系C14為母本，自交系0430為父本配制的雜交組合2006 D2，具有熟性早、果實(shí)羊角形、果面有皺褶、色綠、味辣、果實(shí)商品性好、品質(zhì)佳、抗病性強(qiáng)等一系列優(yōu)良特性，適宜于北方保護(hù)地和露地栽培。阿安尼爾·庫瑪?shù)炔捎?0Coy射線輻照處理PC1辣椒的種子，從M2和M3代中分離出4種類型（株高突變、葉形突變、成熟期突變和果實(shí)突變）的16個(gè)形態(tài)學(xué)突變體（矮縮突變、矮化突變、半矮突變、高稈突變、窄葉突變、寬葉突變、小葉突變、卷葉突變、折疊葉突變、葉尖圓突變、二態(tài)性葉突變、葉柄伸長突變、早開花突變、晚開花突變、無花突變、深綠椒果突變）。

3.2 航天誘變

郭亞華等通過空間誘變與常規(guī)育種相結(jié)合的方法，選育出具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病性好等多重優(yōu)良性狀的甜椒新品種——宇椒一號(hào)，以及一批具有不同特色的辣椒新品系，已在全國各地大面積推廣，并對(duì)空間條件處理后的幾種突變體進(jìn)行分子標(biāo)記檢測，證實(shí)這些突變是由于基因組發(fā)生了點(diǎn)突變、染色體互換或片段缺失而造成的。

3.3 EMS誘變

化學(xué)誘變研究始于20世紀(jì)初，20世紀(jì)60年代人們開始探討化學(xué)誘變?cè)谧魑镉N上的應(yīng)用，特別是近30年來，俄、法、意、美等多個(gè)國家先后采用該方法育成了不少農(nóng)作物新品種。目前，國內(nèi)外開展了誘變篩選并獲得突變體的蔬菜有大白菜、番茄、甜椒、黃瓜、豆類、甘藍(lán)等。誘變劑中以EMS誘變應(yīng)用最為廣泛。Alcantara等于1996年研究了誘變辣椒種子時(shí)使用EMS的最佳條件。Pillai等觀察到甜椒突變體中出現(xiàn)高產(chǎn)量和高Vc含量的突變性狀，使辣椒果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量都得到改善。Ashok研究了不同濃度的EMS處理甜椒種子后對(duì)辣椒植株花粉活力和果實(shí)腐爛能力的影響，獲得了花粉生活力提高和果實(shí)抗腐爛能力增強(qiáng)的突變體。Nyla等采用EMS方法誘變Longhi辣椒的種子，研究發(fā)現(xiàn)采用濃度為0.5%的EMS溶液處理種子3h可以誘導(dǎo)植株形態(tài)發(fā)生變異；在M3代中，有不少突變性狀可以觀察到，最明顯的突變體為高、矮、不育、早熟和晚熟突變；此外，葉面積、葉序、葉片形狀、分支模式及花對(duì)稱度的變化也可被觀察到。Devi等口q分別采用不同劑量的Coy射線和不同濃度的EMS處理辣椒種子，發(fā)現(xiàn)在突變體M2群體中出現(xiàn)不少突變性狀，如葉色變深、植株形態(tài)突變、花突變、果實(shí)突變等，其中Coy射線誘導(dǎo)葉色突變體的比例要高于EMS，EMS誘導(dǎo)其他有用的突變要優(yōu)于Coy射線。Jabeen等通過EMS處理來提高辣椒遺傳變異率。

4 展望

誘變育種技術(shù)是繼傳統(tǒng)雜交育種之后發(fā)展起來一種新方法，具有雜交育種難以代替的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)通過拓寬遺傳基因范圍，創(chuàng)新種質(zhì)資源，在短時(shí)間內(nèi)極大地豐富了育種材料。目前，已在創(chuàng)制具有高產(chǎn)、早熟、矮桿、不育等農(nóng)藝性狀方面取得了豐碩的成果，然而與其他育種方法一樣，誘變育種也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為誘發(fā)有益突變的頻率低，誘發(fā)突變的方向和性質(zhì)難以控制。

辣椒屬于以自交為主的常異花授粉作物，繁殖系數(shù)大，雜種優(yōu)勢(shì)普遍存在，其傳統(tǒng)育種技術(shù)即為常規(guī)雜交育種，現(xiàn)通過雜種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)培育出了不少性狀優(yōu)良的品種，但由于常規(guī)雜交育種缺少新基因的參與，僅能進(jìn)行基因之間的重組，使辣椒遺傳背景較狹窄，難以高效地獲取新的種質(zhì)資源。而通過誘變方式產(chǎn)生的突變體能夠在原有遺傳背景基本不變的情況下從分子水平使植物出現(xiàn)有用性狀的變異，屬于內(nèi)源基因的改良，而不是外源基因的加入，易被公眾接受，具有廣闊的市場前景。辣椒突變體的研究從20世紀(jì)60年代開始，但一直偏向于應(yīng)用研究，對(duì)如何提高有益誘變的頻率以及如何控制誘發(fā)突變的方向等一系列機(jī)理問題的研究相對(duì)滯后，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，特別是要深入探討誘變的分子生物學(xué)機(jī)理，最終實(shí)現(xiàn)可調(diào)控誘變育種。