航天誘變技術在小麥育種上的應用

張福彥 張建偉 程仲杰 陳曉杰 齊紅志 楊保安,?范家霖 崔 龍

(1 河南省科學院同位素研究所有限責任公司/河南省核農學重點實驗室,河南鄭州 450015;2河南省農業科學院農業經濟與信息研究所,河南鄭州 450002)

小麥(Triticum aestivum L.)是我國重要的糧食作物之一。 優異的種質資源是小麥育種改良的基礎,種質資源創新在小麥育種和提高小麥產量中發揮關鍵性的作用[1]。 大量研究表明,誘變育種能創造傳統雜交育種無法短期得到的新的優良品種或特異優良種質材料,已成為小麥種質資源創新的重要途徑之一,也是核技術農業應用研究的重要組成部分[2-3]。

誘變育種是指利用物理因素(X 射線、γ 射線、中子、電子束等具有輻射能的射線)、化學因素(甲基磺酸乙酯、硫酸二乙酯、疊氮化鈉等化學誘變劑)和某些生理活性物質等對植物進行人工誘變進而產生新變異、新品種的育種技術[4-5]。 1928年,Stadler[6]首次證明X 射線對大麥具有誘發突變的效應,之后研究學者利用輻射誘變技術在農作物[7-8]、經濟作物[9]、觀賞性植物[10]等領域選育了多個新品種[11-12]。 我國誘變育種起步于20 世紀50年代后期,雖然起步較晚,但發展迅速。 據聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)和國際原子能機構(International Atomic Energy Agency,IAEA)的突變品種數據庫(Mutant Variety Database,MVD)統計,我國采用誘變手段已育成800 多個不同類型的植物新品種,約占世界各國育成品種總數的25%[13]。 近幾十年來,隨著我國航天科學技術的快速發展,特別是返回式科學實驗衛星成功發射和回收,航天育種技術研究得到迅速發展,利用空間獨有的特殊環境可以使小麥及其他植物基因發生變異,進而產生自然界稀有的或采用常規方法較難獲得的新型突變體[14-16]。 目前,國內外對航天育種技術開展了廣泛研究,本文主要闡述了航天育種的概念、發展歷程以及所取得的成就,并重點介紹了近年來航天誘變對小麥的生物學效應研究,旨在為我國小麥航天育種研究提供一定的理論參考。

1 航天育種及其發展

1.1 航天育種

航天育種又稱為空間誘變育種,是將農作物、經濟作物、花卉等植物干種子或組織搭載返回式飛行器送到太空,利用太空中各種射線、近地強磁場、微重力等地面無法模擬的特殊空間條件綜合作用打破基因連鎖,促進優異基因重組,促使基因變異,進而使其性狀發生改變,然后經過地面人工選育出植物新品種、優異育種材料以及特色基因資源材料的育種方法[17-18]。

1.2 航天育種的發展

航天育種研究依賴于航天飛行器技術的發展水平,目前世界上僅有美國、俄羅斯和中國獨立掌握了該項技術,且我國是世界上唯一發射過航天育種專用衛星的國家[15,17]。 目前,已有多個國家和地區開展植物航天誘變育種研究,航天誘變育種技術已被FAO 和IAEA 等國際權威機構認定為是一種新型的誘變技術。

1.2.1 國外航天育種概況 由于航天育種對航天飛行器技術的要求較高,國際上早期開展航天育種研究工作主要集中于美國和俄羅斯。 如前蘇聯(俄羅斯)在19 世紀50年代就開始開展空間環境對植物生長發育影響的研究,主要觀察植物在太空條件下的生長情況,同時對一些重要生理生化指標進行測定[19];20 世紀90年代在空間搭載種子在地面的萌發、生長發育等方面進行了研究[20]。 之后,Levinskikh 等[21-23]在空間站內模擬地面環境種植超矮稈小麥,并對其發芽情況、莖長、小穗數、穗粒數等農藝性狀進行調查和分析,探討了航天搭載對空間站超矮稈小麥生長發育的影響。美國科學家將大麥、小麥、大豆等植物在航天飛行器和模擬空間實驗室內進行種植觀察,發現這些植物在微重力、強輻射、超真空的條件下能正常生長,且有些植物的蛋白質含量得到顯著增加[24]。 近年來,日本、印度等國家也相繼開展了空間植物的研究,已培育了近千種太空植物,航天育種技術已成為很多國家培育優良植物新品種和育種材料、創制特色基因資源的有效途徑之一[13]。

1.2.2 國內航天育種的發展 1987年,我國首次利用返回式衛星將第一批農作物種子帶到太空,開啟了航天誘變育種研究,經過幾十年的發展,我國航天誘變技術在育種應用過程中取得了大量突破性的成果[15,25],其中“實踐八號”育種專用衛星對推動我國航天育種研究發揮了重要作用[26]。 隨著我國首顆微重力科學實驗衛星“實踐十號”成功發射,相關單位開展了搭載植物后續地面新品種選育、優異材料和特色基因資源的鑒定、篩選、利用等工作,保持了我國航天育種工作的持續性。 截至目前,我國共進行了20 多次航天育種搭載試驗,搭載品種約1 200 種,先后選育出小麥、水稻、玉米、大豆、油菜、棉花、花生、芝麻等多個作物新品種,為我國農業發展做出了巨大的貢獻[13]。

2 小麥航天誘變的生物學效應

大量研究表明,航天誘變能對小麥生物學效應產生重要影響。 如呂金印等[27]對不同小麥品種進行衛星搭載處理,研究SP2的主要農藝性狀、光合速率、葉綠素含量的變化,田間觀察發現12 份矮稈、高稈、早熟以及矮稈大穗的突變株系,表明衛星搭載能夠引起較高的突變頻率;王美芳等[28]研究發現小麥種子經航天誘變后能引起后代的廣泛變異,SP3的株高、葉色、穗長、產量性狀、品質性狀的變異尤為突出,且這些突變性狀在后代中會產生分離和遺傳,多數分離類型通過后代選擇可以使其趨于穩定。 成健[29]研究空間環境對冬小麥陜253 和西農1043 生長發育的影響及誘變效應,發現SP7突變株系的株高、穗長、單穗重、穗粒數、穗粒重、千粒重等農藝性狀具有不同程度的變異,且均能夠穩定遺傳,其中陜253 和西農1043 的SP7少數突變株系在株高、千粒重、產量等性狀與其對照的差異達到極顯著水平。 但郭怡璠等[30]對春小麥品種龍麥26 和克豐10 號進行衛星搭載后,經地面種植后選育出變異品系,對其株高、穗長、小穗數、千粒重、容重以及產量等農藝性狀進行調查后發現,變異品系較原品種在農藝性狀上均有所變異,但差異均不顯著。 綜上,不同小麥品種對空間環境的敏感性存在差異,其誘變效果和性狀變異的方向也存在著明顯的差異。

3 小麥航天誘變的遺傳機制

隨著高通量測序、基因芯片、蛋白質組學以及分子標記技術的快速發展和應用,航天誘變研究已從表型鑒定、評價和利用,逐步發展到對誘變后代進行分子鑒定、變異特征和遺傳規律分析、主效基因克隆和功能解析等誘變機理研究。 如Visscher 等[31]利用基因芯片技術對SP4小麥葉片與對照葉片的每個基因轉錄本豐度進行t 檢驗分析,發現二者小麥基因家族基因均未表現出顯著性差異,表明經過太空搭載后小麥的基因表達模式不會出現顯著的、可遺傳的變化。 李鵬等[32]研究航天搭載對小麥醇溶蛋白和基因組DNA 變異的影響,發現航天搭載誘變對醇溶蛋白不同區域的敏感程度不同,以ε 區最為敏感,產生的變異最多,其次是β 區,而α 區和γ 區醇溶蛋白變異最小,航天誘變SP3材料經SRAP 標記分析后發現有多條多態性條帶,且與對照間的遺傳相似系數為0.821 ～0.937,說明航天搭載誘發了小麥基因組DNA 的變異。 郭怡璠等[30]對航天誘變材料基因組DNA 的多態性進行分析,發現B組染色體上的基因突變頻率最高,A 組染色體的基因突變頻率最低,D 組染色體上的基因突變頻率介于二者之間。 而此前對“實踐八號”衛星搭載獲得的240個SP2突變體進行標記分析時發現,在A 組染色體上存在較高的基因突變頻率[33],推測空間搭載導致小麥DNA 水平的變化是隨機發生的,且對小麥基因組產生的誘變主要發生在重復序列區域,基因表達區域相對較少。 蔣云等[34]利用ISSR 技術研究空間環境誘變對小麥分子水平變異的影響,發現不同小麥基因型對空間環境誘變的敏感性存在明顯的差異,與野生型相比,突變系在多個位點發生了DNA 水平上的改變,說明空間環境誘變引起了小麥分子水平的變異。

大量的研究表明,航天誘變不僅能夠引發小麥在DNA 水平上發生變異(堿基替換、缺失、易位等),而且還能改變蛋白質表達。 如航天搭載小麥SP5突變株系的麥谷蛋白亞基變異類型較豐富,且變異頻率較高,高分子麥谷蛋白亞基變異主要發生在GluB1 與GluD1 位點,同時發現所有SP5突變株系的總蛋白質含量均低于野生型,且在部分株系中發現與品質性狀關系密切的谷蛋白大聚合體含量明顯升高[29,35]。 此外,利用航天誘變技術獲得豐富、優異的育種材料的同時,也獲得了一批珍貴的基因資源。 如宋素潔等[36]通過航天誘變得到一個小麥葉綠素缺失的突變體Mt6172,并發現此突變體存在白化致死現象,推測可能是由于光合作用主要蛋白復合體缺失、葉綠體抗氧化能力下降或葉綠體RNA 轉錄后編輯途徑受阻等原因造成的。 之后,Shi 等[37]采用轉錄組和葉綠體蛋白質組的方法對該突變體和野生型的差異表達基因和蛋白質進行鑒定分析,發現二者的大多數差異表達基因參與葉綠體發育和葉綠素的合成,進一步分析表明絕大多數轉錄蛋白質與光合作用和葉綠體合成相關,而光合蛋白編碼基因的表達水平明顯下降,這也為深入研究小麥葉綠體發育機制奠定了一定的基礎。 Xiong 等[38]利用航天誘變技術并結合苗期耐鹽性鑒定,篩選獲得了1 個小麥耐鹽突變體st1,發現該突變體在經過高鹽處理后其發芽率與野生型相比顯著提高,對野生型和SP5航天誘變突變體st1 進行轉錄組突變位點分析,發現航天誘變產生大量的單核苷酸多態性,而僅有少數的大片段缺失和插入。 進一步分析鹽脅迫響應的野生型和st1轉錄組表達譜,發現在氧化還原過程中淀粉和蔗糖代謝、半乳糖代謝及亞油酸代謝調節在突變體st1 耐鹽過程中發揮重要作用。 結合60Co-γ 射線、EMS 等其他誘變因素誘發的轉錄組序列變異情況,可揭示航天誘變突變體的轉錄組序列變異特征,為深入研究小麥航天誘變機理提供新思路和新方法。 利用航天誘變技術創制這些豐富、獨具特色的基因資源材料也為進一步研究航天誘變機理和深入解析小麥重要經濟性狀形成的遺傳機制奠定了基礎。

4 我國小麥航天育種取得的成就

4.1 航天誘變小麥新品種的選育

航天育種技術與傳統雜交育種相結合能快速有效地選育高產、優質、多抗等性狀優良的小麥新品種。 河南省農業科學院小麥研究所是較早開展我國航天誘變育種工作的單位之一,在20 世紀90年代曾育成太空1 號小麥,該品系較原品種穗數和粒重均有提高,增產5%以上[39-40]。 之后,通過航天誘變技術選育了太空5號[39]、太空6 號[40]、鄭麥3596[41]等小麥新品種。 其中,弱春性、優質、高產小麥新品種太空5 號是我國采用航天誘變技術選育的中早熟小麥品種,該品種達到國家優質弱筋小麥標準,適宜制作糕點、餅干等食品[39]。 太空6 號為半冬性、高產、分蘗力強、抗寒性好、品質較好的品種,其中面粉白度和淀粉糊化特性符合我國優質面條標準[40]。 針對優質強筋品種鄭麥366 千粒重偏低、紋枯病抗性較差的問題,經過衛星搭載連續多年系譜法選擇育成了優質、強筋、矮稈、抗倒小麥新品種鄭麥3596,其綜合品質指標達到了國家強筋小麥標準[41]。 河南省科學院同位素研究所在小麥航天與輻射育種方面也取得了豐碩的成果,其中以豫麥57 為材料,通過輻射誘變和太空搭載培育出高產、穩產、抗逆和廣適性的小麥新品種富麥2008,該品種與原始親本相比,黑胚率顯著降低,綜合抗性、落黃等性狀得到明顯改善,2005-2007年在黃淮南片累計示范種植8 萬hm2,平均單產達到8 250.0 kg·hm-2,且出現多個9 750.0～10 500.0 kg·hm-2的高產典型[42]。 黑龍江省農業科學院作物育種所利用衛星搭載已先后培育出龍輻麥l5、龍輻麥18、龍輻麥19 等多個小麥新品種。 其中,龍輻麥l5 是我國第一個審定推廣的航天誘變春小麥新品種,兩年全省區域試驗比對照品種新克旱9 號平均增產8.13%,達到極顯著水平[43]。 龍輻麥18 由龍94-4083 純系種子經衛星搭載后系統選育而成,該品種與原始親本相比,生育期長2 d,株高高5 cm 左右,其產量三要素(成穗數、穗粒數和千粒重)也有所改善,較親本增產5.3%以上,達到顯著水平[44]。此外,山東、天津、甘肅、陜西等省份也都在早期廣泛開展了小麥航天誘變育種研究,并取得豐碩的成果[45-46]。 通過航天誘變技術培育的部分小麥品種的信息詳見表1。

表1 我國航天誘變技術培育的小麥品種(不完全統計)Table 1 Wheat varieties cultivated by space-flight mutagenesis techniques in China(incomplete statistics)

4.2 優異新材料的育種利用

目前我國現有小麥種質資源庫遺傳資源日益狹窄,嚴重阻礙了小麥遺傳改良[47-48]。 利用航天誘變技術創制的優異的育種材料,能豐富我國小麥育種資源,滿足小麥遺傳育種的需求。 我國煙臺市農業科學研究所20 世紀90年代初期將高產小麥品種魯麥14 進行太空搭載誘變處理,創制出豐產、優質、抗病新種質煙航選2 號[49],之后,以煙航選2 號為親本先后培育了煙農5160、煙農999 等優異小麥新品種。 山東省農業科學院原子能農業應用研究所從1994年開始,利用返回式衛星搭載創新小麥種質資源已選出一大批具有特異性狀的突變體,其中早熟突變體SP121 和濟南16 的誘變系940004 進行常規雜交后系統選育出高產、優質小麥新品種魯原301[50];利用航天突變體9940168 和濟麥19 進行常規雜交后系統選育出高產、優質小麥新品種魯原502,并于2011年通過國家審定后,又陸續通過山東、安徽、江蘇等省份審定或認定,在山東省累計推廣面積達到167 萬hm2,已成為山東省小麥種植第一大品種。 中國農業科學院作物科學研究所利用航天誘變早熟突變體SP121 與農大3338 雜交F1幼穗經γ 射線輻照后,連續多年種植從中選育出高產、抗旱、節水小麥新品種航麥901[51];而利用航天搭載后代材料選出的大穗早熟突變體G55 和輪選987 配制雜交組合,并結合基因誘變、花藥培養等現代分子育種技術選育出高產、多抗小麥新品種航麥247,之后又利用航天搭載后代材料選出的優系SPLM2 和輪選987 配制雜交組合系統選育出高產、大穗小麥新品種航麥2566。 黑龍江省農業科學院作物育種研究所用九三3u90×九三少雜交后代純系材料經航天誘變的SP4與優質親本龍麥26 雜交,按系譜法選育而成高產、優質、抗病小麥新品種龍輻麥19,于2011年通過黑龍江省農作物品種審定委員會審定并推廣[52]。 河北省農林科學院利用“實踐八號”航天育種專用衛星搭載冬小麥輪選987,從中選育出矮稈、多穗、白粒突變系衡輻9103,在2012年國家預試中較對照良星99 增產3.17%[53]。 河南省科學院同位素研究所利用航天搭載誘變篩選出周麥18 的高產、矮稈突變系豫同194 和矮抗58 的矮稈、早熟、高產、配合力強的突變系豫同198。 其中豫同194 與豫麥34-6 配制雜交組合,系譜法選育高產、穩產小麥新品種鄭品麥24,目前已通過第八屆河南省主要農作物品種審定委員會審定,豫同198 與周麥18 配制雜交組合后系統選育出小麥新品種豫豐11,該品種已通過第四屆國家品種審定委員審定。 同時,豫同198 與開麥18 配制雜交組合后系統選育鄭品麥22,目前正參加2018年度黃淮南片生產試驗。 以航天誘變技術篩選的優異育種材料為親本雜交選育的部分小麥品種的信息詳見表2。

表2 我國利用航天誘變突變體雜交選育的小麥品種(不完全統計)Table 2 Hybrid breeding wheat varieties by space mutation mutant in China(incomplete statistics)

5 展望

應用航天誘變育種時應更加注重搭載材料的純度,盡量杜絕剩余遺傳變異帶來的影響,同時地面種植時設置相應的對照。 對搭載材料干種子進行切分,只保留胚乳部分,既保證了種子的活力,又降低了搭載成本,從而極大地提高航天搭載的效率。 此外,航天搭載處理后切分后的小麥種子出苗勢普遍較弱,因此需要相應的精細整地、足墑下種、適當淺播、加強苗期管理等配套栽培技術,以確保搭載材料的成活率,為遺傳變異提供更可能多的選擇群體。 近年來,關于我國小麥航天誘變育種技術基礎研究和加強國際間誘變育種的合作與交流等方面取得了進展,如探討了空間環境對小麥損傷效應和誘變效應[54]、太空環境與60Co-γ射線對小麥的不同誘變效應[55]以及利用轉錄組和蛋白質組的方法揭示航天誘變突變體的轉錄組和蛋白質組序列變異特征等[37-38],但研究的深度和廣度與其他育種方法相比尚有較大差距。 隨著小麥基因組研究計劃的實施,小麥基因組、轉錄組和蛋白質組數據庫的逐漸完善,利用高通量測序、轉錄組以及蛋白質組技術對航天誘變獲得的變異材料開展系統性研究以闡明航天誘變的遺傳和分子機理將是今后研究的重點。

綜上所述,航天誘變育種除了具有育種周期短、有益突變頻率高、目標性狀穩定快、生理損傷輕、能快速打破基因連鎖、促進優異基因聚合等優點外,還能與傳統育種技術、細胞工程技術、分子標記育種技術相結合,多種技術及學科的協同互作,將促進小麥航天誘變育種研究得到進一步發展和提升,在今后小麥產量的提高、品質的提升、綜合抗性增強等方面發揮重要的作用。 但影響航天誘變效果的因素極為復雜,既有來自空間宇宙射線、微重力、高真空、交變磁場等外在因素,也有異源多倍體、基因組龐大等自身因素,因此小麥航天誘變機理的研究難度極大。 航天誘變技術在我國小麥育種方面雖已取得了巨大的成就,但有關小麥航天誘變育種的理論、方法和高效育種技術體系還有待進一步完善。 此外,運載火箭和航天飛行器的研制、發射以及回收等對技術、資金的要求極高,因此航天誘變方法相對其他理化誘變方法而言,其成本較高,此外,航天誘變獲得的性狀變異范圍較窄,給后期的田間選擇和室內鑒定帶來一定的難度。 目前,我國小麥航天誘變育種的應用研究已處于世界領先水平,但航天誘變育種機理、提高誘變效率等基礎理論研究仍十分薄弱,從細胞學、生理生化和分子生物學等方面對空間誘變生物學機理的研究相對較少。 因此,解析空間誘變的遺傳規律,加強對空間環境的地面模擬研究,對提高我國小麥航天誘變育種水平至關重要。