誘變與雜交結合選育超高產小麥品種的效果

楊占良，褚巧緒，張醫樂，楊 洲　(.甘肅隴南市武都八一中學，甘肅隴南7460；.隴南市武都區濱江學校，甘肅隴南 746000；.隴南市武都區第一人民醫院影像科磁共振室，甘肅隴南 746000)

?

誘變與雜交結合選育超高產小麥品種的效果

楊占良1，褚巧緒2，張醫樂3，楊 洲1(1.甘肅隴南市武都八一中學，甘肅隴南746023；2.隴南市武都區濱江學校，甘肅隴南 746000；3.隴南市武都區第一人民醫院影像科磁共振室，甘肅隴南 746000)

鳴謝該研究得到時任科技副縣長阮嘯石先生、甘肅省科技廳杭紀新處長、甘肅農業大學王蒂校長及農學院王漢寧和王化俊教授、隴南市政府王禮先生、科技局宋維海副局長以及王獻、高進儒、黨海峰3位同事的支持和幫助，在此表示衷心感謝！

小麥作為世界上第二大作物和一半以上人口的主食，其單產水平近十幾年卻一直處在緩慢的爬坡階段。近些年墨西哥國際小麥玉米改良中心提出了打破小麥產量限制、培育超高產小麥的計劃。田紀春先生在超高產小麥概念的基礎上，提出了超級小麥的概念和育種方法。他闡述：“產量超級”，穗數、穗粒數和粒重三要素高度協調，子粒產量有“超越性”增加，是超級小麥品種的主要內容[1]。 采用轉基因手段也許容易攻克難關，但轉基因農產品存在著不可預知的安全隱患，受到很多人的質疑和反對。因此，超高產小麥的研究應該排除轉基因手段。在非轉基因手段中，農作物育種家們進行了大量卓有成效的工作。階梯式雜交、聚合雜交等育種方法把控制同一性狀的多個微效基因累加于一個雜種個體當中，實現超級育種，或者把分別控制成穗率、穗粒數和千粒重等產量性狀的主效基因聚合于一個雜種個體中，培育超級小麥新品種，這方面成功的例子已經很多[1]。輻射誘變是行之有效的育種方法，王彩萍、吳振錄、孫光祖、王琳清等采用此方法創造了許多優質資源和可以推廣應用的成果，也積累了經驗以及數據資料[2-5]。然而，要打破產量限制，實現子粒產量“超越性”的增加，還有很多難關需要攻克。

筆者認為特殊結構的輻射場能夠誘發特殊的基因活動，奇特結構的輻射場中會引起稀有的基因活動，并產生新的基因型，促進物種分支和演化[6]。要提高小麥的產量，就先要提高植株的生理代謝強度，這就必須提高雜交組合的遺傳差異，減少分子同源相斥的制種組合[7]。為了提高雜交親本的遺傳差異，筆者設想對遺傳差異較小的品種在不同結構的輻射場中誘導產生遺傳差異和代謝強度差異，例如在不同波長的單色光中處理進入生殖狀態的小麥花器，經過一個或幾個世代后，再做雜交，對遠緣植物在不同結構輻射場中處理產生誘導親和性再做雜交，但這些設想由于不易實施，未能驗證。但是，把小麥干種子多次用X射線和核磁共振雙重處理，誘變出突變畸形植株，這些宏觀上表現畸形的植株明確顯示發生了基因突變，它們與正常植株之間出現了較大的遺傳差異。用這些畸變體與正常植株雜交出現了超大粒材料，為選育超高產小麥取得了突破性的進展。

1材料與方法

1.1試驗材料從農家小麥大田中選取表現優良的植株，包括潘林、蘭-天15、清山101、隴源935、洛夫林等旱地品種和89-107、綿陽35、綿陽36等水田品種。2003年從大田中發現并采集兩種自然變異植株2003A、2003B (圖 1 )。

1.2試驗方法

1.2.1物理因子處理。2003年開始將所收集的材料分成兩組，一組請醫院放射科用透視拍片X射線照射，并記錄參數，另一組作為對照。處理材料在花盆和試驗田中播種，對照組只播種于試驗田。對發生變異的植株和長勢特殊植株選擇收獲保存，秋季再次處理并播種。2005～2007年對前面得到的處理材料，用高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，2008年對這些處理材料進行播種觀察。2009年選擇4個樣品再次做高能X射線“放療 ”和核磁共振雙重處理。處理過程見表1。

表1　小麥材料用物理處理因子處理過程

1.2.2選擇親本進行雜交。 從2007年處理樣品中開始出現多種類型的小麥植株宏觀表現上的畸形突變，到2009年出現很多植株宏觀上的畸形突變。選擇一些典型的畸形突變植株作為親本，采用農民大田種植的小麥優良植株，以及試驗田中的特殊植株配成組合進行雜交，觀察畸形突變植株與正常植株雜交的效果。

1.2.3一系法雜交。對長勢特別好的雜交組合采取“一系法”處理[1]，觀察固定雜交優勢的效果。

1.2.4檢測方法。 對獲得的小麥大子粒，先用普通天平稱量，然后在精密電子秤上稱量單粒和多粒重量；用游標卡尺測量子粒的長度和寬度。

2結果與分析

2.1物理因子誘變效果2003年X射線處理中，僅2003B中出現了低稈植株，其余無明顯的宏觀性狀變異(表1)。經2003、2004年兩年X射線處理，2005年X射線和核磁共振雙重處理，2006和2007年高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，到2007年觀察到較多宏觀性狀上發生的畸形突變植株。2008年播種觀察，2009年再次高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，終于獲得很多各種類型的畸形突變植株(表2)。

表2　物理因子誘發的小麥畸形突變類型

獲得的畸形突變植株按器官位置可以分為葉片、莖稈、麥穗、花和子粒幾個類型。到2008年觀察到物理因子誘導出現大粒性狀的植株，2009年標記為09-3號，大粒性狀遺傳性較為穩定。09-3號材料在2009年又出現1株麥穗扭轉90°的畸變植株(圖4) ，繼續種植后演變為2010-11號，表現大穗大粒性狀，株高80～100 cm。2010-11號下一代分化為3個類型。2009年再次高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理后也出現了一些畸變植株。試驗過程中還發現，輻射誘變材料在海拔較低、水肥條件好的川壩地出現畸變率高，而在高山旱地出現極少。

2.2誘變材料與正常親本雜交的效果2003B經2003～2007年5次處理后，到2008年出現大粒性狀，2009年大粒性狀已較為顯著，即09-3號。09-3×洛夫林，F1表現出超強優勢，粒長達8 mm，千粒重80 g(圖5)。

F2以后各代出現性狀分離。09-3中出現麥穗平扭轉90°的畸變植株，用這個畸變株的后代作母本，與大田中的矮稈白穗無芒品種作父本進行雜交，F1表現出很強的優勢，記為2010-4號。對2010-4號做一系法[1]處理，F1長勢好，F2代效果不理想，植株高低不齊，麥穗較小，沒有畸變植株出現。

正常種植的2010-4號F2分離出4種性狀，即高稈有芒型、高稈大穗大粒無芒型、矮稈無芒型、矮稈綠長穗短芒型(晚熟)。2010-4號和2010-11號自交系以及與其他親本雜交的后代中陸續出現了麥穗螺旋盤曲的植株(圖2 )以及其他畸變株型(圖3)。

麥穗螺旋盤曲畸變的后代中又一定會出現多種畸變，這些畸變植株和與之雜交的組合就像打開了基因突變的“萬花筒”一樣。在這些畸變植株中出現了一些大粒品系，在2014年就獲得千粒重最大值分別為73.0、77.0、80.0和84.8 g的大粒材料。千粒重為84.8 g的材料是2010-4號F4代矮稈無芒品系中得到的，其最大粒長8.7 mm，粒寬4.0～4.5 mm。

3討論

該試驗用物理因子誘導小麥親本發生基因突變，使雜交親本之間產生較大的遺傳差異，然后將誘導突變的材料與正常有優勢的親本進行雜交，以獲得有強雜交優勢的后代。目前小麥雜交優勢的利用多限于品種間雜交，而小麥的各種優良基因都已集中于各個品種中，得到充分表現。不同品種之間遺傳差異較小[8],不是兩類極端類型。常規育種已使大多數高產基因集中于高產親本中，從而為雜種優勢利用帶來了困難。雜種優勢形成的根本原因在于雙親的遺傳差異[9]，因此品種間雜交獲得的雜交優勢是有限的，依靠常規的品種間雜交獲得雜交優勢來提高產量，提高幅度有限，難以獲得像雜交水稻那樣大的增產幅度，這可能是近年來超高產小麥研究進展緩慢的原因之一。

要獲得較強的雜交優勢，就要人工創造親本間大的遺傳差異，接近極端類型，比較可行的方法有兩種。一種是遠緣雜交，這要克服雜交不親和性、遺傳背景不相容等多道難關，有一定的難度。另一種是用物理的或化學的方法誘導親本之一，或者用不同的誘導因子誘導2個親本，使其發生突變，產生大的遺傳差異，然后與正常親本雜交，或者用2個不同的誘變親本雜交，從而產生雜交優勢。從理論推測和該試驗的研究實踐來看，第2種方法是一條可行的途徑。韓微波等認為誘變育種技術在農作物品種改良上具有獨特的作用，它可以誘發基因突變，產生自然界原來沒有的或一般常規方法難以獲得的新類型、新性狀、新基因，能夠打破基因連鎖，提高重組率[10]。為了檢測輻射誘變的效果，前人用出苗率、存活率、結實率[4]、分子探針等定量的方法進行較精準的檢驗。但該試驗所采用的處理手段較為粗略，在做輻射處理小麥種子時，雖然做了X射線或“放療”單因子處理，X射線或“放療”加核磁共振雙因子處理，核磁共振單因子處理3組處理，但未能對這3組處理做出嚴格的對比分析，未檢測3種不同處理各自的不同效應，而是對處理材料連年反復處理，直到出現肉眼能夠觀察到的植株宏觀上的畸形突變。其實，在利用射線輻照植物時，只要有適宜的劑量就能誘發基因突變。有時突變在分子水平已經發生，只是在宏觀上未能表現出來。在產生輻射效應的生物學階段，時間可在幾秒鐘至若干年，在分子結構發生改變的基礎上，細胞內生物化學過程發生改變，從而導致各種細胞器的結構及其組分發生深刻的變化，包括染色體畸變和基因突變[11]。有些突變在處理當代就可能出現植株性狀上的宏觀畸變，有些突變可能在以后各代出現宏觀上的畸變。能夠在宏觀上表現出的植株畸變，就一定能夠確定該植株從分子、細胞各個層次都已經發生了突變，即原有小麥品種的基因發生了較大改變，部分基因、部分性狀已經不同于原品種，通過人工改造實現了“極端類型”，但遺傳背景又與原品種相同或相近，有著很好的遺傳背景相容性和雜交親和性，與正常品種的雜交完全親和，與其雜交的親本就可以選擇所需要的目標性狀，如大粒、抗病、矮稈、早熟等。

該試驗利用輻射誘導出現的當代畸形植株或畸變植株的下一代作親本，與具有矮稈抗病的大田親本進行雜交，發現這樣的雜交后代(F1以及F2)比輻射誘導的畸變植株(M1、M2)出現了更多、更豐富的畸變類型，如麥穗螺旋畸變植株就是誘導畸變植株與正常植株雜交后代中出現的，這是一個值得注意的新現象。

前人應用輻射與雜交相結合的方法選育春小麥新品種[4]，是對雜交當代(F0)、F1、F3進行輻照誘變；雜交與誘變相結合提高春小麥育種效果的研究是對雜交種子進行輻照，以提高誘變效果[3]；也有將輻射誘變的有利用價值的突變應用到雜交育種中去的[5],但未見詳細報道和論述。可見，該試驗所采用的方法與前人的方法有所不同。

該試驗培育出的小麥超大粒材料千粒重最大值為84.8 g，粒長8.7 mm(株高80～100 cm)，與目前國內可以查到的小麥千粒重最大值77.3 g，粒長8.3 mm[12]相對比，已經有所超越(2014年申報“扛旗”世界紀錄通過了初審)，但是否可能突破了大粒性狀與高稈性狀的基因連鎖關系及超大粒材料的遺傳穩定性還需要進一步的觀察研究。筆者推測，超大粒性狀小麥材料的出現，可能是輻射誘變與基因重組的共同結果。子粒大小是產量構成的三大因素之一，因此大粒和超大粒材料的培育為超高產小麥的培育創造了一定的基礎條件。然而，要做到粒重、穗粒數和每畝成穗數產量三因素的高度協調，具有抗性，以及品質優良等性狀的集中，還有很多的難關需要攻克。

參考文獻

[1] 田紀春.超級小麥及其育種方法[J].麥類作物學報，2002,22(1)：87-90.

[2] 王彩萍，左聯忠，許琦，等.優質“農大179”輻射誘變M2代RVA參數的變異分析[J].麥類作物學報，2007,27(2)：237-240.

[3] 吳振錄，樊哲儒，何中虎，等.雜交與誘變相結合提高春小麥育種效果的研究[J].麥類作物學報，2010,30(5)：976-980.

[4] 孫光祖，陳義純，劉新春，等.應用輻射與雜交相結合的方法選育春小麥品種的體會[J].原子能農業應用，1981(4)：15-21.

[5] 王琳清，張維強，范慶霞，等.輻射與雜交結合提高冬小麥輻射育種效果的探討[J].作物學報，1980,6(4)：237-244.

[6] 楊占良.光照與生命、基因、物種[J].生物學通報，1998,33(10)：14-16.

[7] 李步良.生物分子有序性導源與規范場[J].潛科學雜志，1985(1)：36.

[8] 李美霞，楊睿，李有梅，等.波蘭小麥 X 普通小麥品系“中13”RIL群體籽粒特性的QTL定位[J].麥類作物學報，2012,32(5)：813-819.

[9] 劉春光.普通小麥細胞質雄性不育系的研究前景[J].大自然探索，1994,13(4)：57-61.

[10] 韓微波，劉錄祥，郭會君，等.小麥育種新技術研究進展[J].麥類作物學報，2005,25(6)：125-129.

[11] 李汝祺，談家楨，盛祖嘉，等.中國大百科全書·生物學分冊：遺傳學[M].北京·上海：中國大百科全書出版社，1983:36-37.

[12] 陳佳慧，蘭進好，王暉，等.小麥籽粒形態及千粒重性狀的QTL初步定位[J].麥類作物學報，2011,31(6)：1001-1006.

摘要為了培育超高產小麥優良品種，提出了用輻射誘變親本，提高小麥親本之間的遺傳差異，從而增強雜交優勢的理論。2003～2004年用X射線連續2年照射處理上一年處理播種出的小麥干種子。2005～2007年用高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，連續重復處理3年，在2007年獲得大量多種類型的畸形突變植株。利用這些突變材料作為親本，與大田中表現好的正常植株進行雜交。在雜交后代中又出現了大量的畸形突變植株，從中選出了大粒和超大粒小麥材料。這可能是突破了大粒性狀和高稈性狀的基因連鎖關系，出現了大粒中稈和大粒低稈材料。這一理論的技術實踐和材料的獲得，為小麥雜種優勢的誘發利用開辟了新的思路和方法，也為選育超級小麥品種創造了豐富的選種和育種材料。

關鍵詞輻射誘變；畸形突變；遺傳差異；雜交；超大粒

The Effects of Breeding Super High Yield Wheat Varieties by Mutation and Hybridization

YANG Zhan-liang1, CHU Qiao-xu2, ZHANG Yi-le3et al(1. Bayi Middle School Wudu District, Longnan, Gansu 746023; 2. Binjiang Middle School, Longna,Gansu 746000; 3. The Nuclear Magnetic Resonance Office of the First People’s, Longnan, Gansu 746000)

AbstractIn order to develop the high quality varieties of super-high-yield wheat, a theory which by radiation aberration between parents, improving the genetic difference of them and creasing hybridization heterrosis was proposed. The dry seeds which were treated and planted last year were radiated frequently by x-ray from 2003 to 2004. Then the dry seeds were radiated by high energy x-ray and combined the nuclear magnetic resonance again from 2005 to 2007. We have treated the dry seeds repeatedly for 3 years and gained a plenty of varieties of mutation aberration wheat plants. These mutation materials were used as parents that were hybrided with best plants in the fields. It showed that a lot of mutation aberration plants appeared in hybridization generations. After that, we selected big grains and super-big-grain plants among them. The result showed that, middle plants with big grains and the short plants with big grains come out. This phenomenon may breakthrough the linkage relationship of the high plants with big seeds. Getting the technique practice and materials opened the new thoughts and methods for using radiation and hybridization heterrosis of wheat, which created a varieties of selecting seeds and breeding materials of selecting super wheat varieties, too.

Key wordsRadiation aberration; Mutation aberration; Genetic difference; Hybridization; Super grains

收稿日期2015-04-28

作者簡介楊占良(1961-)，男，甘肅隴南人，中學高級教師，從事農作物超級良種培育及新方法的研究。

中圖分類號S 512.1

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)18-037-04