離子束輻射技術在食用菌育種中的應用研究進展

摘" "要" "食用菌營養豐富、經濟附加值高，產業規模不斷擴展。我國擁有豐富的食用菌種質資源，產業規模居世界首位，但育種技術研發力量薄弱、技術相對滯后。離子束輻射可以打破基因連鎖，對生物體遺傳物質進行修飾和改良，利用離子束輻射進行食用新品選育和品種改良近年來備受關注。闡述了離子束輻射育種技術機理、主要方法、特點，及其在食用菌野生菌株馴化、品種改良與選育等方面的應用。

關鍵詞" "食用菌；離子束輻射；育種

食用菌是包括香菇、木耳、猴頭、靈芝等在內的一類可供人類食用或藥用的大型菌類，不僅味道鮮美，而且富含具有抗癌、抗菌、抗病毒、降壓、降脂、健胃、保肝、調節免疫等多種保健功能的蛋白質、氨基酸、維生素和微量元素，經濟價值高，市場潛力大。我國擁有豐富的食用菌種質資源和世界第一的產業規模，但在技術發展與生產需求脫節的情況下，食用菌育種研究卻起步較晚。金針菇、雙孢菇、冬菇等主要食用菌的誘變繁殖技術，國外已獨占其中，技術壁壘問題特別突出。

1988年，余增亮等人研究發現，水稻種子受到離子束照射后，水稻葉片出現黃花、斑紋、白化等變異表型，作物離子束照射改進研究成果的序幕由此拉開。近年來，利用離子束輻照植物種子、真菌孢子或其他微生物，對生物體的遺傳物質進行修飾和誘變，選育產量高、抗性廣、品質優良的新品系已經成為育種研究的新熱點。綜合探究離子束輻照技術在食用菌育種的應用進展，以期為豐富我國食用菌種質資源、促進食用菌產業發展提供參考。

1" "離子束輻照誘變育種技術

1.1" "作用機理nbsp; "物理誘變育種的關鍵技術之一是輻照誘變，目前常用的輻照源有X射線、γ射線、電子束、電離束、紫外線等。1927年，Muller用X射線（X-ray）輻照果蠅精子，證實了X射線輻照可以誘發果蠅基因突變，并顯著地提高了突變率。紫外線會在DNA復制過程中造成突變，從而形成阻礙堿基間正常配對的嘧啶二聚體，進而被培育成新的變種或種質。

與傳統輻射不同的是，離子光束輻射會使生物細胞的細胞壁和細胞膜受到侵蝕和破壞，從而使其滲透力增加。接著帶電粒子穿過細胞膜，隨機碰撞胞內蛋白質、酶和DNA，并發生電荷交換，使基因或染色體的序列或結構發生改變，進而對生物體生長及代謝表型產生影響。離子光束輻照具有誘變操作簡單、通量高、突變效率高、突變譜廣等特點，目前已有多個品種受到育種家的廣泛關注。

1.2" "主要方法

1.2.1" "高能離子束輻射誘變育種" "高能重離子束指通過粒子加速器將原子序數大于4的帶電粒子加速，使其能量為幾百MeV-GeV的帶電粒子射線。由于其傳能線密度高、穿透力強，造成細胞核中的DNA損傷比例顯著增加，因此具有無需真空環境，大氣中即可誘變、誘變時間短、突變率高的優點。在糧食作物（如玉米、水稻、小麥等）、經濟作物（如番茄、白菜、油菜等）、觀賞植物（如花卉）等新品種選育項目中，成功應用了重離子輻射誘變育種技術，進步非常顯著。

1.2.2" "室溫等離子誘變育種" "常壓室溫等離子（ARTP）是指溫度范圍在25～40 ℃。具有高活性粒子的等離子射流（如激發態氦原子、氧原子、OH-自由基等）可以在大氣壓下產生。ARTP技術在微生物和植物誘變育種中，具有多種破壞遺傳物質的機制和多種產品變異型的優勢，操作簡單，具有較高的安全性。楊茹等利用變異菌株抗菌菇褐斑病病原多羅假單胞菌，經ARTP照射誘變白色金針菇，抗性提高15.49%。李塬等用ARTP對靈芝菌株原質體進行照射，經篩選得到豐產型靈芝菌株2株，不僅遺傳穩定性好，而且其靈芝多糖產量也明顯增加。

1.2.3" nbsp;低能量離子光束輻射育種" "由軌道電子剝離或部分剝離的帶正電原子核形成的能量射線（射線能級10～100 keV），低能離子束指原子序數大于2，其特點是在生物安全性好的同時，傳能線路密度大、誘變效率高。泰夏蘭等利用離子束對稻種進行輻射后，經篩選得到穩定的株系，其中有7個株系對光周期不敏感。李景鵬等利用碳離子光束照射誘變稻種，經多代篩選，選育出生長繁殖明顯增高的水稻新株系。董先茹等突變株X-004的蟹味菇是利用氮離子束誘變得到的。

1.2.4" "太空輻射誘變育種" "太空環境中的高真空、微重力和強輻射等多種因素相互影響，使得生物的基因突變和性狀異常的發生幾率更高。因此，太空輻射誘變育種具有突變種類多、正向突變種類多、選育時間短等優點。2002年，利用“神舟四號”飛船搭載沁州黃谷子，經過多年特殊選育和異地鑒定，成功培育出黃谷子新品種。

1.3" "主要特點" "與傳統輻射育種相比，離子光束輻照育種具有以下特點：①對誘變材料要求不嚴格，可廣泛應用于植物種子、器官、組織，也可應用于細菌、真菌菌體或細胞等，應用范圍廣。②突變頻次高，花樣繁多，變異者多。通常的誘變率在0.1%～3%，對生物的生長周期、代謝產物的積累以及抗性都有很好的作用。③只進行三代離子束輻照誘變操作就基本穩定了，育種周期短，子代性狀穩定。④生物輻射誘變育種技術具有很高的生物安全性，其原理與生物自然變異相似，即生物的染色體或基因會發生缺失、重復、易位等突變，通過人工誘變的方式進行，誘變不過是讓這些突變的幾率提高而已。自然突變的周期縮短了，生物的安全性隨之提高。

2" "離子輻射技術在食用菌育種中的應用

利用先進技術，不斷培育出優質高產的食用菌是食用菌產業健康持續發展的重要保障。常見的食用菌培植技術有選種培植、雜交培植、誘變培植等，也有原生質體融合、基因工程技術培植等新型技術。誘變育種是利用物理、化學等誘變因子，通過高突變率、可產生多位點突變、子代性狀多樣的特征，使食用菌發生遺傳性變異或染色體斷裂等突變，再經選擇、鑒定變異，從而培育出具有目標特征的新品種。根據聯合國糧農組織和國際原子能機構（FAO/IAEA）的數據庫，通過誘變育種技術，尤其是物理誘變技術，到2019年已成功培育新作物品種 3 200多個。

2.1" "野生菌株馴化" "野生菌株可采用低能離子束繁育技術輔助馴化，以更好地開發利用食用菌資源。凡啟超等用氮離子束照射誘變后，發現以野生松乳菇為誘變對象的菌絲產量、粗蛋白產量、粗多糖產量均有明顯增加的變異株。

2.2" "高產食用菌育種" "農作物新品種選育的基本要求是高水平產量，利用低能氮離子光束照射，蔣益等誘變金耳酵母狀分生孢子菌，在產量比對照菌株高12.3%的高產金耳多糖突變菌株中成功篩選出一株。譚一羅等通過氮離子光束照射誘變猴頭菇孢子，篩選出的變異株生長速度提高25.3%，液態發酵生物量提高30.67%。

2.3" "食用菌抗耐性改良" "在食用菌的生產過程中，溫度、pH等環境因素以及病害污染均與食用菌的產量高低和質量優劣顯著相關。食用菌株改良后，對環境的不良環境耐受性，如高溫/低溫、偏酸/偏堿、營養環境、雜菌和病蟲害等，對降低食用菌種植和培養成本、減少生產投入、提高種植經濟效益都有好處。王連峰等利用氮離子束輻照香菇，使其子實體的最適生長溫度提高了1～4 ℃。蔣益等利用氮離子光束照射云芝原生質體，篩選出抗病水平提高5%、子實體產量提高10.3%的抗病高產云芝突變菌株。

2.4" "功能性食用菌株開發" "食用菌不僅具有豐富的營養價值，許多藥用菌還有抗腫瘤、抗氧化以及降血壓等多種藥理學活性，具有較高的醫療保健價值。隨著功能型食品市場的崛起，選育高多糖、富集微量元素、高維生素含量的功能性食用菌育種逐漸成為研究熱點。李暢等將金福菇用氮離子束輻照，篩選獲得的突變體的子實體中洛伐他汀含量顯著增加，達到10.06～10.3 μg/g。張越野等用ARTP照射誘變靈芝菌株的原生質體，經篩選得到14個突變菌株，這些菌株的多酚類產量明顯增加，抗氧化能力明顯增強。

3" "受輻射技術制約的食用菌生產

國內外科研人員在食用菌育種上進行了一系列的離子輻射技術探索，取得了一定的成果，但還存在著一些問題：①對利用離子輻射誘導食用菌變異的機理認識不夠充分。在離子輻射導致突變方向和性質難以準確控制的情況下，離子束注入真菌孢子后造成的生物損害、表征改變、代謝異常以及由此產生的連鎖反應，具有多樣性和隨機性。需要利用基因組學、代謝組學等多種組學方法，以加速食用菌定向進化為目標，對誘變機制進行深入研究。在誘變育種中使用的技術參數如離子種類、劑量、能量等也會不同。②不同種類和形式的食用菌樣品對真空、離子源和注入劑量的反應也會不同。繼續完善優質品種誘變篩選流程，需要對注入工藝參數與菌株變異率規律、特異表征的內在關系進行進一步研究。

4" "技術展望

進入21世紀以來，在政府政策利好和市場經濟回暖的大環境下，我國食用菌產業得到了迅猛發展，成為繼糧油、蔬菜、水果之后的第五大農業產業。

4.1" "以菌種遺傳圖譜為基礎的精準育種" "食用菌遺傳背景不清、性狀連鎖分子標記、功能基因不明確，是目前發展食用菌定向誘變技術的瓶頸。因此亟需通過測序及生物信息分析，建立健全食用菌種質資源基因組、表觀遺傳組數據庫，探索真菌重要農藝性狀遺傳規律，明確產量、抗病性等重要性狀連鎖分子標記、功能基因，通過基因編輯、重組等實現從傳統育種到精準育種，再結合快速高通量篩選策略，疏通精準定向育種瓶頸。

4.2" "多技術交叉融合" "大量研究顯示，優質的食用菌菌株可以通過離子光束輻照誘變技術進行篩選而得到。在此基礎上，為提高育種效率和精準度，實現對優質菌種知識產權的自主化，將離子光束輻照與多學科、不同技術緊密結合，如基因組學、原生質體融合技術、基因工程技術、分子標記技術、細胞超微加工等，對推動縣域經濟特色發展，助力農村振興，意義極其重大。

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張毅，陳璐，陜西省農產品質量安全中心，郵編710012（西安）；吳佩潔，廣州市從化海關綜合技術服務中心。

收稿日期：2024-09-09