辐照诱变技术在农作物新品种培育中的应用

谢俊 张汆 许婷婷 夏颜舟 许慧敏

摘 要：辐照技术用于植物新品种培育，具有使用方便、育种周期短、诱变率高等诸多优势。近年来，辐照诱变已在农作物和一些园艺植物，如小麦、莲子、向日葵、蔬菜等新品种的选育中得到了应用，取得了显著的效果。该文综述了辐照诱变技术在植物新品种培育中的应用及成效，为该技术的进一步应用提供参考。

关键词：辐照诱变;农作物;新品种

中图分类号 S335文献标识码 A文章编号 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

新品种培育是一个漫长的过程，一个新品种从开始培育或最初发现，到成为具备一定新颖特性并能稳定遗传、具备一定优势的品种，一般需要历经数年。随着人口数量的不断增长，高产、优质作物新品种的培育一直是国内外关注并投以巨资竞相研究的领域。新品种培育技术，除了传统的野生作物资源选育和杂交育种外，生物技术、基因改良、化学诱变、辐照诱变等各种技术也被用于作物新品种的培育[1]。

辐照诱变是利用X、γ、α、β射线或中子、紫外光等高能射线处理生物体，诱发其中的遗传物质发生改变，使后代出现新的变异类型，再从中直接或间接选育出更加具有价值品种的方法[2]。该技术最早产生于1927年，美国遗传学家Muller发现X-射线可引起果蝇变异[3]，次年发现X-射线可以作用于谷类诱变[4]。此后，该技术被广泛用于玉米、大麦、烟草等大宗农作物的诱变育种中。20世纪70年代以来，辐照技术从辐照源、诱变处理方式到与其他育种方式相结合等方面都得到了广泛的研究，取得了显著的效果，大大提高了诱变育种的效率[5]。本文主要介绍了诱变育种技术在部分作物品种培育中的研究成果，为辐照技术在作物育种方面的应用提供参考。

1 诱变育种

诱变育种是利用人工诱变方式获得生物新品种的育种方法，可通过辐照诱变、化学物质诱变、太空环境等方法引发生物基因诱变，从而培育出新品种。在实际操作中，由于基因突变的不定向性，需要处理的目标作物数量一般较多。但是，诱变育种的变异不定项性，可同时诱发不同以大幅度改良性状，更加快速的获得新品种[6]。辐照诱变在细胞水平上是围绕染色体畸形和突变的关系，在分子水平上是围绕DNA损伤、修复及其与突变的关系[5]。化学诱变则是基于化学试剂对生物个体DNA造成损伤和错误修复，最终产生突变体[7]。

虽然化学诱变技术比辐照诱变起步早，但是辐照诱变的发展更迅速。大多化学诱变剂对人体有致畸形、致癌作用，是限制其发展的主要原因[8]。我国辐照育种于20世纪50年代后期开始研究，20世纪70年代后期育成了大批的优秀农作物品种。中国农业科学院利用辐照技术育成了我国第1个粮饲兼用的玉米新品种，浙江大学核能研究所利用诱变技术培育出了白化转绿型叶色突变体，福建农业大学利用辐照诱变技术获得了穗颈伸长新基因eui2[9]。

2 太空育种

太空育种，也称航天育种，是用飞船将育种材料搭载到外层空间，经外层空间射线的辐射后，使其产生变异。待飞船返回地面后，再对处理材料进行筛选，并结合杂交育种手段培育新品种的一种育种方法[10]。虽然太空育种可以使作物性状得到大幅度的改变，但是成本高昂难以普及。

太空育种利用太空特有的环境条件，如强辐射、微重力、高真空、弱地磁场和交变磁场等因素对植物产生诱变作用，使得种子内部发生遗传变异[11]。航天诱变中的高能重粒子能使遗传物质DNA分子发生双键断裂，且非重性断裂比例更高，有更强的诱导突变能力。另外，微重力的条件下会抑制修复机制，微重力和高能重粒子协同作用下，可产生更高效的突变[12]。太空育种始于20世纪60年代，前苏联将冷杉的种子在太空中培育，产生了生长更加快速的变异植株。1984年，美国将番茄种子送往太空培育。我国从1987年开始进行太空育种，培育出了很多新品种。杨红善等[13]对2002年经太空育种培育出的第1个多叶型紫花苜蓿新品种“航苜1号”进行了比较试验，发现该品种具有丰产、优质的优势，表现为多叶率高、产草量和营养含量高。该品种的多叶率明显高于国内外多叶型紫花苜蓿，从而有效地提高了紫花苜蓿品种的产量和品质。马建军等[14]对经“神舟三号”飞船搭载返回地球培育的新椒11号进行培育观测，经2003—2005年连续种植，发现性状较稳定，株行内植株之间差异不明显。2006—2007年进行株系比较试验和小面积生产示范，在参试品种中产量位居第1位，表现性状为叶色深绿，叶片中大，较早熟，生长势较强，较优于其他品种。张克厚等[15]对燕麦新品种航燕1号进行了栽培研究，表明其综合农艺性状良好，籽粒产量和干草产量均明显提高，蛋白和脂肪含量也明显高于国内裸燕麥平均水平，在田间种植多年未发现燕麦黑穗病、红叶病和白粉病。

作为较早发展太空育种技术的国家之一，我国太空育种已经用于农作物，培育了许多具有高产、优质、抗逆、抗病等特性的优良新品种。截至2016年，我国在太空育种中已成功培育了超过200个新品种，包括辣椒、豆类、茄子、瓜类等，并已经得到大面积推广。

3 辐照诱变

随着诱变育种技术的不断研究和完善，诱变育种从某种意义上来讲已成为一种不可替代的育种手段。辐照诱变处理一般包括外照射和内照射2种，外照射是指有机体接受外来某一射线源照射的处理方法，内照射则是把放射源引入作物的某部位进行处理的方法。由于外照射方法更加简便，因而得到了广泛的应用，处理对象主要包括各种作物的种子、花粉、幼穗等[16]。

目前，国内外利用辐照诱变技术选育作物品种，常用的方法有X射线、γ射线、激光、离子束、太空育种等。部分辐照诱变方法具有价格实惠、效果明显、诱变率高等优点，受到了越来越多育种专家的青睐，在多种作物育种中都有成功的应用，成为了现代作物新品种选育的一个非常重要的手段。

3.1 X射线与γ射线 X射线与γ射线都是由光子组成，属于间接电离辐射，一般具有较高的能量。研究表明，经这些射线处理后，生物细胞中的DNA分子会发生核酸碱基化学变化、氢键断裂、单链或双链断裂、双链交联、不同DNA分子之间的交联以及DNA和蛋白质之间的交联等变化，从而诱发生物突变[16-17]。

X射线属于高能电磁波，其波长在0.01～0.1nm的属于硬X射线，波长在0.1～10nm的属于软X射线。X射线具有比紫外线更强的穿透力，能透过许多对可见光不透明的物质，最早被用于植物辐照诱变育种研究的物理诱变源，其致突变效应也在多种植物的育种研究中得到证实。γ射线是一种常见的辐照诱变的技术，属于高能电磁波，广泛应用于辐照诱变育种的技术上[18，19]。X射线是最早作用于谷类作物诱变的射线，但是由于X射线的输出量低，防护不便，使用量大幅度减少，尤其在我国，该方法基本上已经被60Co-γ射线源所替代。常用的是γ射线60Co和137Cs。因为γ射线透力強、诱变成本低、突变率高，一般可达千分之几，比自然突变率高100～1000倍，易引起植物发生变异，可在较短时间内选育出新品种[20]。

吴庆华等[21]使用X射线对L-乳酸菌进行辐照，研究中选择辐照剂量在50～100Gy的菌液涂筛选平板，从筛选平板中挑选出性状表现更加优良的乳酸菌，作为筛选菌株。最终筛选出突变菌株SR3、SR5、SR7，培养筛选菌株连续传代7代，并测量其连续7代的产酸稳定性，最终得出突变株SR7的7代产酸相对稳定，比出发菌株产酸率提高了15.04%。魏惠惠等[19]采用90Gy剂量的X射线对野生型龙须菜果孢子经过辐照后获得的成活龙须菜幼苗，经过耐高温和低磷速生品系的筛选，初步获得1株耐高温突变株和3株低磷速生突变株，培育出可以在41和35℃高温胁迫后保持良好生长的藻株，以及在10-2mg/L的磷浓度下比野生藻株生长更有优势的藻株。

石淑稳等[22]对甘蓝型油菜小孢子进行辐照诱变，使用X射线对单核晚期至二核期的花蕾进行了照射和使用60Co-γ射线对初花期植株进行照射。结果表明，γ射线剂量为40Gy较适合，X射线剂量为80～120Gy较为适合，γ射线相较于X射线植物更加敏感，产生效果更加明显。张丽丽等[23]采用辐照剂量为150Gy的60Co-γ射线辐照处理了4个粳稻品种种子，经系谱法选择6代后收取后代材料米样进行稻米品质性状分析，结果表明，经过射线辐照处理后4个粳稻品种后代在稻米品质各性状上均发生变异。赵兴华等[24]采用60Co-γ射线辐照处理百合种球，其试验结果表明，不同剂量的射线处理，对百合生长发育有着显著的抑制作用，随着辐照量的增加，植株的成活率、株高、叶片数、花蕾数、开花株率、花径等都相应减少，而出苗时间则会增加，对百合造成的突变效果是明显的。

3.2 离子束辐照 离子束包含高能离子、中能离子、低能离子[25]，对作物性状的诱变既有正向效应也有负向效应[26]。研究显示，重离子辐照能诱发植物DNA非按期合成[27]。入射的离子进入生物体后可将能量传递到生物分子，使分子产生电离和激发，且不稳定，会迅速与其他分子碰撞，产生活跃的产物，而使植物受损[28]。与低LET辐射相比，离子束在其单位粒子径迹长度上释放更多的能量，可诱发不同类型的染色体DNA断裂或损伤。具体包括：碱基和脱氧戊糖发生一系列基团的改变或丢失[29]。通过离子束电、能、质的联合作用，影响生物生理、生化功能，最终引起染色体突变[30]。

离子束由于具有高激发性、剂量集中和可控性[17]。对植物的损伤轻、突变率高、突变谱广、能够产生自然界里从未见过的新类型，是品种选育较理想的方法[31]。1997年，采用离子束注入法改良的番茄品种“鲁番茄七号”增产23.4%，且生长周期短。此外，其他几乎所有粮食作物和经济作物都通过离子束辐照技术获得了优良品种[32]。目前，离子束辐照在小麦育种方面主要用于诱变育种和离子辐射介导转基因研究，也获得了相当多的优良小麦品种[33]。

不同种类离子束的作用效果不同。李景鹏等[34]利用剂量为200Gy的高能重离子束（C）辐照诱变东北粳稻“通禾899”，突变率高于传统的X射线与γ射线，且突变种类更加丰富。在其第5代培育的567份材料已经稳定，567份材料类型丰富，优良性状多，极大地丰富了东北粳稻的种质资源。李强等[35]对培育的连麦6号使用N+离子束剂量为6×1017N+/cm2培育的第2代种子突变效益最高，总突变率达11.02%，极大地丰富了其种质资源。李阔阔等[36]使用剂量为130×1013N+/cm2的N+离子束对红曲霉M14进行诱变，最后获得菌株M50-2洛伐他汀产量4.42mg/g，相对于出发菌株提高70%。苏婷婷[37]使用N+离子束辐照甜叶叶菊种子，N+离子束辐照剂量为400×2.5×103N+/cm2，对发芽势、发芽率有明显的影响，在其M1代中筛选出高糖苷突变体9株。

3.3 激光辐照 激光是一种由激光器发出的高亮度光束，照射的方向和频率完全相同，能量也高度集中。在激光作用下的种子，可以把适宜的光子摄入其细胞，并且增强细胞的生物能力，可以增加种子的发育，提高光合效应，缩短成熟期，并能增强作物的抗病能力[38]。激光辐照可以通过光、热、压力和电磁场等综合效应的应用，直接或间接地影响生物有机体，引起细胞DNA或RNA、质粒、染色体畸变效应，酶的激活或钝化，以及细胞分裂和细胞代谢活动的改变。光量子对细胞内含物中任何物质一旦发生作用，都可能导致生物有机体在细胞学和遗传学特征上发生变异。不同种类的激光所表现的细胞学和遗传学变化也不同[39]。激光在20世纪60年代之后被广泛应用于各个领域[40]。我国激光育种始于1972年四川大学对油菜的研究。实践证明，激光育种是一种行之有效的育种手段，几乎所有频率的激光对育种都有效果[41]。目前，我国通过激光诱变技术已培育出超过40个植物新品种，在水稻、小麦、大豆、蔬菜等农作物上均有成功应用[42]。孟继武等[43]采用连续输出功率为10mW的He-Ne激光对大豆种脐进行辐照，结果表明，辐照后大豆茎粗明显粗与对照组，大豆的品质也得到了改善，并且更加稳产、高产。王昆林等[44]采用CO2激光器，平均功率10W，光束直径2.0mm，固定距离25cm，对三角大香糯水稻的胚芽部分进行辐照，辐照剂量决定于辐照时间的长短，结果表明，在辐照时间为12s的样品水稻发生了明显的变异，植株降低，成熟期提前，表现出了优良的性状。

4 展望

经过多年的发展，我国农作物辐照诱变育种技术的研究现已经具有了一定的规模和基础。随着辐照技术的不断发展和完善，越来越多的物种通过辐照技术获了得更加优良的表现性状，从而极大地拓宽了遗传基因的范围，在短时间内极大地丰富了育种材料。此外，辐照技术在退化植物的培育中也起着重要作用，可改变退化植物的性状，使其产生适应于周围环境的性状，从而极大地保护了物种多样性。若能将辐照育种技术与传统育种技术相结合，可以使作物新品种的培育更加具有方向性和高效性。目前，已有研究人員就综合育种技术展开研究，并获得一些优质作物材料，但相关技术还需要进一步的完善。

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（责编：张宏民）