辐射育种在草业生产中的应用研究进展

2015-02-20杜科宇刘刚涂铭丁琼杨曼陈章杰长江大学园艺园林学院湖北荆州434025

长江大学学报(自科版) 2015年9期

杜科宇，刘刚，涂铭，丁琼，杨曼，陈章杰（长江大学园艺园林学院，湖北荆州434025）

自从1927年美国科学家Muller首先发现X射线能引起生物遗传性变异以来，诱变育种已有80多年的历史［1］。辐射育种在牧草新品种选育、创造新的种质资源、改进育种方法、提高诱变效率和基础理论研究等方面，都不断取得新的突破。最近几年，国外牧草的辐射育种工作发展较快，许多牧草科学家从本国的生产实践出发，育出了许多优质牧草新品［2］。与国外相比，中国牧草辐射育种起步相对较晚［3］。为此，笔者将国内牧草辐射育种研究进展进行了综述，以弄清目前国内具备的条件，为后期利用辐射选育新品种提供参考。

1 诱变剂选择的研究

辐射诱变育种即人为地利用物理诱变因素，如X射线、γ射线、中子、激光、离子束、UV－B、离子束、紫外线等诱发植物遗传变异，在短时间内获得有利用价值的突变体，根据育种目标的要求选育出直接生产利用新品种或育成新种质资源作为亲本在育种上利用的育种途径。辐射育种技术经过几十年的发展，已经成为常规育种技术难以取代的育种手段。X射线在诱变育种的早期应用较多。γ射线作诱变剂，育种成效显著，是目前应用最为广泛的诱变剂。其中Co 60－γ射线用得最多，近年来也开始使用137Cs－γ射线。由于各种诱变因素的能量、穿透力不同，带电性与物质的相互作用方式不同，诱变效果会有差异。一般地，辐射诱变的诱发突变频率在几万分之几到千分之几之间。各种射线诱发突变发生频率的顺序是：中子束大于X射线，射线大于γ射线。我国应用最多的是γ射线，其次是中子束。UV－B在水稻、小麦等禾本科类植物中应用较为广泛，离子辐射诱变频率在6.8%～12.0%之间，能诱导几个以上的性状同时突变，应用前景广［4］。在草业上运用最多的是UV－B和Co 60－γ。吴殿星［5］公开了纯天然彩色草坪草的培育方法，即用Co 60－γ射线或叠氮化钠进行种子直接诱变或离体诱变处理，然后经多重筛选和同步化育种培育而成。

2 辐射敏感性和适宜诱变剂量的研究

2.1 辐射敏感性的研究

牧草辐射敏感性，指各种牧草受各种射线辐照后对射线反应的敏感程度，即M1代所受辐射损伤效应的大小［6］。鱼红斌等［7］曾对5个沙打旺品种的诱变规律和辐射敏感性作过报道。马建中等［8］对89个豆科牧草种子进行了Co 60－γ射线适宜辐射剂量敏感性及生物学效应的研究。马鹤林等［9，10］利用Co 60－γ射线对我国北方主要牧草（以豆科为主，部分为禾本科）的诱变规律、辐射敏感性和辐射育种的适宜剂量作了研究，得出辐射敏感性以禾本科牧草最为敏感，半致死剂量在4.7～30krad之间。马建中等［11］将中国北方主要牧草品种的辐射敏感类型分为敏感型、中间型和迟钝型3种类型。鱼红斌等［12］选用黄土高原54种枚草，用Co 60－γ射线照其干种子得出各种牧草对射线的反应不同，且收草的出苗率和幼苗高度随剂量的增加而降低，与剂量呈负相关的结论。吴关庭等［13］在无菌培养条件下测定得出高羊茅 ‘美洲虎3号’和 ‘可奇思’对辐射比较敏感，半致死剂量大约在150Gy左右，‘凌志’和 ‘猎狗5号’的辐射敏感性分别为中等和较弱；用低剂量γ射线处理可促进高羊茅成熟种子的愈伤形成。

2.2 适宜诱变剂量的研究

2.2.1 豆科牧草适宜诱变剂量的研究

几十年来，国内外在研究豆科牧草的辐射引变过程中，探索出了许多品种的辐射适宜剂量。我国学者对沙打旺和少数几种牧草的辐射诱变剂量进行了研究［13］。海棠等［14］按多靶单击模型拟合剂量效应曲线，以电子计算机处理求得了三叶草的适宜辐射剂量。宣继萍等［15］经过辐射诱变得到狗牙根诱变后代，并得出低剂量的后代比高剂量的节间粗，而密度是前者低于后者。

2.2.2 禾本科牧草适宜诱变剂量的研究

张彦芹等［16］用Co 60－γ射线照射干种子和分化苗得出高羊茅爱瑞3号出苗率和植株存活率随照射剂量增加而降低，干种子适宜诱变剂量为100～150Gy，分化苗适宜诱变剂量为20～25Gy。Dichens［17］利用Co 60－γ射线对假俭草种子20个选系进行辐射，发现当辐射剂量小于或等于4000rad时，辐射后的选系叶片长度、节间长度、叶色和耐寒性等产生了较大的变异。郭爱桂等［18］选用暖季型草狗牙根的营养器官甸旬茎（长7～10cm左右）进行Co 60－γ射线照射，栽培后对试验材料的成活率、叶长、叶宽、节间长度、粗度、叶色、茎色等项目加以观测，证明狗牙根甸甸茎的γ射线的半致死剂量为9000rad。王月华等［19］得出50Gy的辐射对高羊茅种子的萌发具有促进作用，较高剂量的辐射对高羊茅种子的萌发有抑制作用，且随着辐射剂量的加大，抑制作用增强，适宜辐射诱变剂量为150Gy。柴明良等［20］以苇状羊茅栽培品种为材料，对其干种子进行不同剂量的Co 60－γ射线处理，得出200Gy剂量是抑制早期生长减少剪草次数的最佳剂量。

3 利用辐射进行性状改良的研究

培育高产、品质好、抗病和抗逆性强的新品种，是目前国际上在牧草辐射育种工作中比较重视的问题，人们也开始用突变育种的方法培育耐寒、耐盐碱的品种。近年来，牧草的沙打旺（Astragalusadsurgens）、苜蓿（Medicagolupulina）等都有突变品种育成［21］。

3.1 生产能力

近年来，在提高牧草产量方面育出了一些新品种和突变体。翁伯琦等［22］发现经过Co 60－γ射线辐射后的豆科决明属牧草品种的种子农艺性状有不同程度的变异，辐射后代生物量分别比原种增加。鱼红斌等［23］通过对沙打旺的研究发现，在一定限度内，随着始花序着生叶位的增加，出苗至开花的天数、株高和一级分枝数增加，同一品种在同一密度下，株高和一级分枝数量是决定产草量高低的重要因子。

3.2 早熟性

有些牧草经照射后获得提前开花和早熟的新品种，李红［24］诱变育成沙打旺早熟品种。鱼红斌等［25］认为播种当年的沙打旺，始花序着生叶位以9～10个叶之间的植株为好，开花早，对选育超早熟沙打旺有指导意义。马建忠等［6］以牧草为材料，将异花授粉牧草沙打旺辐照当代的种子直接播种在≥10℃（年积温2308℃）的低温下，提高了突变体的适应性，增加了选择的准确性，缩短了育种周期，选育产草量高且早熟的沙打旺新品种，始花序叶位以在9～10个为宜。

3.3 品质

有些品种虽具有抗性，但某些农艺性状欠佳，可通过诱变加以改良。徐国忠等［25］利用Co 60－γ射线辐照豆科决明属5个牧草品种的种子，研究表明辐照后变异株全K有显著下降。翁伯琦等［22］利用Co 60－γ射线辐射豆科决明属5个牧草品种的种子，结果表明植株的氨基酸营养成分也呈现较大程度的变化。

3.4 适应性

3.4.1 形态学方面

叶片、茎、根、株形等均可做为鉴定指标，对于抗旱突变体，新叶相对生长速度较快，在干旱协迫时，叶片相对含水量、持水量较高，根增大增深；还可通过苗期抗旱性来鉴定等。宣继萍等［15］研究表明，原始种源进行多代的辐射诱变，可以使得叶片显著变窄，草层高度显著降低，节间变细变长。郭爱桂等［18］研究认为，不同产地的狗牙根种源对不同剂量的γ射线反应不同，高剂量处理的狗牙根数量性状能够产生较稳定的理想变异；在色泽变异上，低剂量处理的有50%的种源叶色变深（变红），而高剂量处理的只有40%种源叶色变深。张彦芹等［16］的研究表明，Co 60－γ射线辐射可以获得叶片变小、变细且具有耐旱（寒）特性的高羊茅突变体。

3.4.2 生理生化方面

在生理生化方面，保护酶活性、细胞膜透性、脯氨酸和丙二醛含量等可做为抗旱性鉴定指标。王月华等［19］用Co 60－γ射线辐射处理高羊茅的3个品种 ‘千年盛世’、‘知音’和 ‘猎狗5号’的干种子，发过程中3种酶的活性均随辐射剂量的增加先升高后降低。

3.4.3 分子生物学方面

随着分子生物学的发展，人们已经能从分子水平对变异体进行早期鉴定。翁伯琦等［22］对射线辐射豆科决明属RAPD分析表明，辐射后代与原种DNA指纹图谱存在明显差异。张彦芹等［16］以高羊茅爱瑞3号为材料，用Co 60－γ射线照射干种子和分化苗，RAPD分析显示突变体在DNA水平上发生了变异。徐国忠等［25］利用Co 60－γ射线辐照豆科决明属5个牧草品种的种子，RAPD分析表明5个品种辐射后代在遗传上都有明显的变异。

4 展望

辐射育种在草业新品种的选育方面已取得了显著的成就，在品质改良或新品系的选育方面占有重要的地位，它不仅可以创造出现有种质库中所没有的新材料、新种质，如具有特殊品质的育种材料和工具材料等，而且不存在安全性方面的问题。

辐射育种技术可以充分发挥其自身优势，创造出各具特色的新种质、新材料，弥补常规育种方法的不足。辐射诱变育种技术在创造具有高产、矮杆、早熟等农艺性状的新品种和新材料方面已经取得了一批丰硕的成果，但与真正意义上的调控诱变育种，尚存在相当大的差距。现有技术方法仍然存在着相当大的随机性，要在实际应用中实现调控诱变育种，有针对性地解决物种遗传中的主要问题，包括根据市场需求选育具有各种不同内在质量和各种抗病性的新品种，就必须加强机理研究和技术方法的创新。随着研究的不断深入，如将辐射育种与生物技术、航天育种等相结合应用于新品系的选育，将对中国特色的现代化草业的发展具有重要的意义。

［1］胡助力.诱变育种前景预测［J］.浙江现代农业，2000，（3）：31～32.

［2］刘根红，谢应忠，兰剑，等.国内牧草育种现状存在的问题及对宁夏牧草育种的启示［J］.农业科学研究，2007，28（2）：64～66.

［3］于林清，云锦凤.中国牧草育种研究进展［J］.中国草地，2005，27（3）：61～65.

［4］周小梅，赵运林，易自力，等.辐射育种研究概况及其在草坪草中的应用前景［J］.湖南城市学院学报，2004，13（4）：73～76.

［5］吴殿星.纯突然彩色草坪草的培育方法：中国，021365067［P］，2003－02－03.

［6］马建中，鱼红斌，伊虎英.关于牧草辐射育种几个问题的探讨［J］.核农学报，2000，14（3）：167～173.

［7］鱼红斌，伊虎英.Co 60－γ射线对沙打旺细胞遗传学效应和M2性状变异的影响［J］.核农学报，1987，1（2）：112～116.

［8］马建中，鱼红斌，伊虎英，等.中国北方主要牧草品种的辐射敏感性辐射育种适宜剂量的探讨［J］.核农学通报，1997，18（3）：101～105.

［9］马鹤林，海棠，申庆宏，等.21种豆科牧草辐射敏感性及适宜辐射剂量的研究［J］.中国草地，1992，（6）：l～5.

［10］马鹤林，海棠，申庆宏，等.89种豆科牧草种和品种适宜辐射剂量及敏感性分析［J］.中国草地，1995，（2）：6～11.

［11］马建中，鱼红斌，伊虎英.我国北方主要牧草辐射敏感性及适宜剂量的研究［J］.中国草地汇，1995，（2）：37～41.

［12］鱼红斌，伊虎英，马建中.黄土高原主要牧草品种辐射敏感性的研究［J］.核农学通报，1991，12（5）：207～209.