輻照誘變技術在農作物新品種培育中的應用

謝俊 張汆 許婷婷 夏顏舟 許慧敏

摘 要：輻照技術用于植物新品種培育，具有使用方便、育種周期短、誘變率高等諸多優勢。近年來，輻照誘變已在農作物和一些園藝植物，如小麥、蓮子、向日葵、蔬菜等新品種的選育中得到了應用，取得了顯著的效果。該文綜述了輻照誘變技術在植物新品種培育中的應用及成效，為該技術的進一步應用提供參考。

關鍵詞：輻照誘變;農作物;新品種

中圖分類號 S335文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）17-0018-04

Application of Irradiation Mutagenesis Technology in the Cultivation of New Crop Varieties

Xie Jun et al.

（School of Biology and Food Engineering，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China）

Abstract：Irradiation technology has many advantages in the cultivation of new plant varieties，such as simplicity，short breeding cycle and high mutation rate. In recent years，radiation mutagenesis had been utilized in cultivation of new crops and Horticultural plants，and had achieved remarkable effects，such as wheat，lotus，sunflower and vegetables. The utilization and effects of irradiation technology in new plant varieties cultivation were introduced in the article，and provide reference for the application of this technology in the cultivation of other crop varieties.

Key words：Irradiation mutagenesis;Crops;New variety

新品種培育是一個漫長的過程，一個新品種從開始培育或最初發現，到成為具備一定新穎特性并能穩定遺傳、具備一定優勢的品種，一般需要歷經數年。隨著人口數量的不斷增長，高產、優質作物新品種的培育一直是國內外關注并投以巨資競相研究的領域。新品種培育技術，除了傳統的野生作物資源選育和雜交育種外，生物技術、基因改良、化學誘變、輻照誘變等各種技術也被用于作物新品種的培育[1]。

輻照誘變是利用X、γ、α、β射線或中子、紫外光等高能射線處理生物體，誘發其中的遺傳物質發生改變，使后代出現新的變異類型，再從中直接或間接選育出更加具有價值品種的方法[2]。該技術最早產生于1927年，美國遺傳學家Muller發現X-射線可引起果蠅變異[3]，次年發現X-射線可以作用于谷類誘變[4]。此后，該技術被廣泛用于玉米、大麥、煙草等大宗農作物的誘變育種中。20世紀70年代以來，輻照技術從輻照源、誘變處理方式到與其他育種方式相結合等方面都得到了廣泛的研究，取得了顯著的效果，大大提高了誘變育種的效率[5]。本文主要介紹了誘變育種技術在部分作物品種培育中的研究成果，為輻照技術在作物育種方面的應用提供參考。

1 誘變育種

誘變育種是利用人工誘變方式獲得生物新品種的育種方法，可通過輻照誘變、化學物質誘變、太空環境等方法引發生物基因誘變，從而培育出新品種。在實際操作中，由于基因突變的不定向性，需要處理的目標作物數量一般較多。但是，誘變育種的變異不定項性，可同時誘發不同以大幅度改良性狀，更加快速的獲得新品種[6]。輻照誘變在細胞水平上是圍繞染色體畸形和突變的關系，在分子水平上是圍繞DNA損傷、修復及其與突變的關系[5]。化學誘變則是基于化學試劑對生物個體DNA造成損傷和錯誤修復，最終產生突變體[7]。

雖然化學誘變技術比輻照誘變起步早，但是輻照誘變的發展更迅速。大多化學誘變劑對人體有致畸形、致癌作用，是限制其發展的主要原因[8]。我國輻照育種于20世紀50年代后期開始研究，20世紀70年代后期育成了大批的優秀農作物品種。中國農業科學院利用輻照技術育成了我國第1個糧飼兼用的玉米新品種，浙江大學核能研究所利用誘變技術培育出了白化轉綠型葉色突變體，福建農業大學利用輻照誘變技術獲得了穗頸伸長新基因eui2[9]。

2 太空育種

太空育種，也稱航天育種，是用飛船將育種材料搭載到外層空間，經外層空間射線的輻射后，使其產生變異。待飛船返回地面后，再對處理材料進行篩選，并結合雜交育種手段培育新品種的一種育種方法[10]。雖然太空育種可以使作物性狀得到大幅度的改變，但是成本高昂難以普及。

太空育種利用太空特有的環境條件，如強輻射、微重力、高真空、弱地磁場和交變磁場等因素對植物產生誘變作用，使得種子內部發生遺傳變異[11]。航天誘變中的高能重粒子能使遺傳物質DNA分子發生雙鍵斷裂，且非重性斷裂比例更高，有更強的誘導突變能力。另外，微重力的條件下會抑制修復機制，微重力和高能重粒子協同作用下，可產生更高效的突變[12]。太空育種始于20世紀60年代，前蘇聯將冷杉的種子在太空中培育，產生了生長更加快速的變異植株。1984年，美國將番茄種子送往太空培育。我國從1987年開始進行太空育種，培育出了很多新品種。楊紅善等[13]對2002年經太空育種培育出的第1個多葉型紫花苜蓿新品種“航苜1號”進行了比較試驗，發現該品種具有豐產、優質的優勢，表現為多葉率高、產草量和營養含量高。該品種的多葉率明顯高于國內外多葉型紫花苜蓿，從而有效地提高了紫花苜蓿品種的產量和品質。馬建軍等[14]對經“神舟三號”飛船搭載返回地球培育的新椒11號進行培育觀測，經2003—2005年連續種植，發現性狀較穩定，株行內植株之間差異不明顯。2006—2007年進行株系比較試驗和小面積生產示范，在參試品種中產量位居第1位，表現性狀為葉色深綠，葉片中大，較早熟，生長勢較強，較優于其他品種。張克厚等[15]對燕麥新品種航燕1號進行了栽培研究，表明其綜合農藝性狀良好，籽粒產量和干草產量均明顯提高，蛋白和脂肪含量也明顯高于國內裸燕麥平均水平，在田間種植多年未發現燕麥黑穗病、紅葉病和白粉病。

作為較早發展太空育種技術的國家之一，我國太空育種已經用于農作物，培育了許多具有高產、優質、抗逆、抗病等特性的優良新品種。截至2016年，我國在太空育種中已成功培育了超過200個新品種，包括辣椒、豆類、茄子、瓜類等，并已經得到大面積推廣。

3 輻照誘變

隨著誘變育種技術的不斷研究和完善，誘變育種從某種意義上來講已成為一種不可替代的育種手段。輻照誘變處理一般包括外照射和內照射2種，外照射是指有機體接受外來某一射線源照射的處理方法，內照射則是把放射源引入作物的某部位進行處理的方法。由于外照射方法更加簡便，因而得到了廣泛的應用，處理對象主要包括各種作物的種子、花粉、幼穗等[16]。

目前，國內外利用輻照誘變技術選育作物品種，常用的方法有X射線、γ射線、激光、離子束、太空育種等。部分輻照誘變方法具有價格實惠、效果明顯、誘變率高等優點，受到了越來越多育種專家的青睞，在多種作物育種中都有成功的應用，成為了現代作物新品種選育的一個非常重要的手段。

3.1 X射線與γ射線 X射線與γ射線都是由光子組成，屬于間接電離輻射，一般具有較高的能量。研究表明，經這些射線處理后，生物細胞中的DNA分子會發生核酸堿基化學變化、氫鍵斷裂、單鏈或雙鏈斷裂、雙鏈交聯、不同DNA分子之間的交聯以及DNA和蛋白質之間的交聯等變化，從而誘發生物突變[16-17]。

X射線屬于高能電磁波，其波長在0.01～0.1nm的屬于硬X射線，波長在0.1～10nm的屬于軟X射線。X射線具有比紫外線更強的穿透力，能透過許多對可見光不透明的物質，最早被用于植物輻照誘變育種研究的物理誘變源，其致突變效應也在多種植物的育種研究中得到證實。γ射線是一種常見的輻照誘變的技術，屬于高能電磁波，廣泛應用于輻照誘變育種的技術上[18，19]。X射線是最早作用于谷類作物誘變的射線，但是由于X射線的輸出量低，防護不便，使用量大幅度減少，尤其在我國，該方法基本上已經被60Co-γ射線源所替代。常用的是γ射線60Co和137Cs。因為γ射線透力強、誘變成本低、突變率高，一般可達千分之幾，比自然突變率高100～1000倍，易引起植物發生變異，可在較短時間內選育出新品種[20]。

吳慶華等[21]使用X射線對L-乳酸菌進行輻照，研究中選擇輻照劑量在50～100Gy的菌液涂篩選平板，從篩選平板中挑選出性狀表現更加優良的乳酸菌，作為篩選菌株。最終篩選出突變菌株SR3、SR5、SR7，培養篩選菌株連續傳代7代，并測量其連續7代的產酸穩定性，最終得出突變株SR7的7代產酸相對穩定，比出發菌株產酸率提高了15.04%。魏惠惠等[19]采用90Gy劑量的X射線對野生型龍須菜果孢子經過輻照后獲得的成活龍須菜幼苗，經過耐高溫和低磷速生品系的篩選，初步獲得1株耐高溫突變株和3株低磷速生突變株，培育出可以在41和35℃高溫脅迫后保持良好生長的藻株，以及在10-2mg/L的磷濃度下比野生藻株生長更有優勢的藻株。

石淑穩等[22]對甘藍型油菜小孢子進行輻照誘變，使用X射線對單核晚期至二核期的花蕾進行了照射和使用60Co-γ射線對初花期植株進行照射。結果表明，γ射線劑量為40Gy較適合，X射線劑量為80～120Gy較為適合，γ射線相較于X射線植物更加敏感，產生效果更加明顯。張麗麗等[23]采用輻照劑量為150Gy的60Co-γ射線輻照處理了4個粳稻品種種子，經系譜法選擇6代后收取后代材料米樣進行稻米品質性狀分析，結果表明，經過射線輻照處理后4個粳稻品種后代在稻米品質各性狀上均發生變異。趙興華等[24]采用60Co-γ射線輻照處理百合種球，其試驗結果表明，不同劑量的射線處理，對百合生長發育有著顯著的抑制作用，隨著輻照量的增加，植株的成活率、株高、葉片數、花蕾數、開花株率、花徑等都相應減少，而出苗時間則會增加，對百合造成的突變效果是明顯的。

3.2 離子束輻照 離子束包含高能離子、中能離子、低能離子[25]，對作物性狀的誘變既有正向效應也有負向效應[26]。研究顯示，重離子輻照能誘發植物DNA非按期合成[27]。入射的離子進入生物體后可將能量傳遞到生物分子，使分子產生電離和激發，且不穩定，會迅速與其他分子碰撞，產生活躍的產物，而使植物受損[28]。與低LET輻射相比，離子束在其單位粒子徑跡長度上釋放更多的能量，可誘發不同類型的染色體DNA斷裂或損傷。具體包括：堿基和脫氧戊糖發生一系列基團的改變或丟失[29]。通過離子束電、能、質的聯合作用，影響生物生理、生化功能，最終引起染色體突變[30]。

離子束由于具有高激發性、劑量集中和可控性[17]。對植物的損傷輕、突變率高、突變譜廣、能夠產生自然界里從未見過的新類型，是品種選育較理想的方法[31]。1997年，采用離子束注入法改良的番茄品種“魯番茄七號”增產23.4%，且生長周期短。此外，其他幾乎所有糧食作物和經濟作物都通過離子束輻照技術獲得了優良品種[32]。目前，離子束輻照在小麥育種方面主要用于誘變育種和離子輻射介導轉基因研究，也獲得了相當多的優良小麥品種[33]。

不同種類離子束的作用效果不同。李景鵬等[34]利用劑量為200Gy的高能重離子束（C）輻照誘變東北粳稻“通禾899”，突變率高于傳統的X射線與γ射線，且突變種類更加豐富。在其第5代培育的567份材料已經穩定，567份材料類型豐富，優良性狀多，極大地豐富了東北粳稻的種質資源。李強等[35]對培育的連麥6號使用N+離子束劑量為6×1017N+/cm2培育的第2代種子突變效益最高，總突變率達11.02%，極大地豐富了其種質資源。李闊闊等[36]使用劑量為130×1013N+/cm2的N+離子束對紅曲霉M14進行誘變，最后獲得菌株M50-2洛伐他汀產量4.42mg/g，相對于出發菌株提高70%。蘇婷婷[37]使用N+離子束輻照甜葉葉菊種子，N+離子束輻照劑量為400×2.5×103N+/cm2，對發芽勢、發芽率有明顯的影響，在其M1代中篩選出高糖苷突變體9株。

3.3 激光輻照 激光是一種由激光器發出的高亮度光束，照射的方向和頻率完全相同，能量也高度集中。在激光作用下的種子，可以把適宜的光子攝入其細胞，并且增強細胞的生物能力，可以增加種子的發育，提高光合效應，縮短成熟期，并能增強作物的抗病能力[38]。激光輻照可以通過光、熱、壓力和電磁場等綜合效應的應用，直接或間接地影響生物有機體，引起細胞DNA或RNA、質粒、染色體畸變效應，酶的激活或鈍化，以及細胞分裂和細胞代謝活動的改變。光量子對細胞內含物中任何物質一旦發生作用，都可能導致生物有機體在細胞學和遺傳學特征上發生變異。不同種類的激光所表現的細胞學和遺傳學變化也不同[39]。激光在20世紀60年代之后被廣泛應用于各個領域[40]。我國激光育種始于1972年四川大學對油菜的研究。實踐證明，激光育種是一種行之有效的育種手段，幾乎所有頻率的激光對育種都有效果[41]。目前，我國通過激光誘變技術已培育出超過40個植物新品種，在水稻、小麥、大豆、蔬菜等農作物上均有成功應用[42]。孟繼武等[43]采用連續輸出功率為10mW的He-Ne激光對大豆種臍進行輻照，結果表明，輻照后大豆莖粗明顯粗與對照組，大豆的品質也得到了改善，并且更加穩產、高產。王昆林等[44]采用CO2激光器，平均功率10W，光束直徑2.0mm，固定距離25cm，對三角大香糯水稻的胚芽部分進行輻照，輻照劑量決定于輻照時間的長短，結果表明，在輻照時間為12s的樣品水稻發生了明顯的變異，植株降低，成熟期提前，表現出了優良的性狀。

4 展望

經過多年的發展，我國農作物輻照誘變育種技術的研究現已經具有了一定的規模和基礎。隨著輻照技術的不斷發展和完善，越來越多的物種通過輻照技術獲了得更加優良的表現性狀，從而極大地拓寬了遺傳基因的范圍，在短時間內極大地豐富了育種材料。此外，輻照技術在退化植物的培育中也起著重要作用，可改變退化植物的性狀，使其產生適應于周圍環境的性狀，從而極大地保護了物種多樣性。若能將輻照育種技術與傳統育種技術相結合，可以使作物新品種的培育更加具有方向性和高效性。目前，已有研究人員就綜合育種技術展開研究，并獲得一些優質作物材料，但相關技術還需要進一步的完善。

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（責編：張宏民）