大豆诱变育种的研究进展

靳鲲鹏，李 丹，李小霞，曹晋军，韩文清，刘永忠，李万星

（山西农业大学 谷子研究所，山西 长治 046011）

大豆[Glycine max（Linn.）Merr.]属于豆科蝶形花亚科植物，4 500年前发现于黄河流域，是世界五大作物之一。大豆不仅是植物油和饲料蛋白的主要来源，还是异黄酮、植物雌激素等一些次生代谢产物的来源[1]，同时也是我国一些传统食品的主要原材料。2018年我国大豆进口量8 803 万t，进口量近7年来首次减少，但我国仍是世界上最大的大豆进口国。面对现状和困局，选育优质、高产大豆新品种是重要的途径和方法。

诱变育种技术是指在人为控制的条件下，利用各种物理和化学因素诱导植物，使其产生变异，再通过选择可遗传的目标性状而培育出种质资源或新品种的方法[2-3]。与常规育种相比，诱变育种方法操作简单，突变频率显著提高，可在较短的时间内获得更多的变异类型，丰富了遗传变异范畴，扩大了突变体资源库，为育种工作者筛选和创制种质、品种提供了崭新的平台和手段[4]。

笔者在国内外学者对大豆诱变育种研究的基础上，对育种过程中主要应用的化学诱变、物理诱变、航天诱变等方法进行总结，对其诱变机理、诱变影响和鉴定方法进行了论述，以期为今后大豆诱变育种研究提供理论支撑和帮助。

1 诱变育种方法

1.1 化学诱变育种

化学诱变育种通常借助化学诱变剂对植株的种子、花粉、花药、单细胞组织进行处理，化学诱变剂分子结构不稳定，易造成生物DNA 的损伤和错配修复。目前，化学诱变剂按诱变机制可分为3类：（1）烷化剂，这类诱变剂通过置换其他分子中的氢原子使得一些碱基烷基化，代表物有甲基磺酸乙酯（EMS）、乙烯亚胺（EI）、亚硝基甲基脲烷（NMU）等。（2）核酸分子碱基类似物，这类诱变剂分子结构与DNA 碱基类似，DNA 复制时会产生错配，导致产生变异，代表物有5-溴尿嘧啶、马来酰肼等。（3）嵌入剂，这类诱变剂可以嵌入生物体DNA 分子，造成密码子编组的改变，从而影响正常的转录和翻译过程，造成生物体的突变。这类代表物包括溴化乙啶（EB）等[5-7]。（4）其他作用类型的诱变剂，包括亚硝酸、叠氮化钠（NaN3）。其中，EMS、NaN3在大豆上应用较多，笔者主要对这两种诱变剂进行详细阐述。

EMS 是目前应用最普遍的一种化学诱变剂，该诱变剂主要在鸟嘌呤N-7 的位置上进行诱导突变，使氢离子被活性烷基取代，易发生转换型、置换型两种突变。转换型突变是胸腺嘧啶代替胞嘧啶与烷基化的鸟嘌呤配对，置换型突变是由于糖苷键发生断裂，使得原本鸟嘌呤的位置空缺，在进行下一步复制时，4种碱基都有机会进入其互补位造成置换[8]。目前，采用EMS 诱变技术育成的大豆品种有冀豆8号、化诱5号、科新3号等[9-11]。

NaN3本身不具有诱变效应，植物吸收后通过系列代谢转变成诱变剂。NaN3在pH值=3 时可以最大程度生成HN3分子，该分子易通过细胞膜渗透进入细胞，在DNA 复制时发生作用，诱导细胞产生点突变。NaN3只有在DNA 复制活跃时才发挥作用，所以在以种子为处理材料时需要提前浸种，使种子处于代谢活跃的萌发状态[12-14]。

1.2 物理诱变育种

物理诱变育种是将农作物的种子、花粉、器官、组织等通过物理因素处理引起植株产生可遗传的变异方法。目前，物理诱变法主要包括电离辐射诱变、离子束注入诱变、激光诱变、微波诱变、磁诱变等方法[15]。电离辐射诱变和激光诱变在大豆物理育种上应用较多，其余方法在大豆上的应用相对较少。

电离辐射诱变利用γ、β、X 等引起物质电离、能量较高、穿透能力强的射线和中子进行诱变处理。放射源发射出的快速运动的带电粒子经过植物体时，会发生一系列的能量转移和交换，产生大量的带电粒子，这些粒子会影响植物体内的生理功能，从而引发突变[16]。日本九州农业试验站通过辐射诱变加杂交育种的方法得到了无腥味大豆室姬，该品种酯氧合酶完全缺失，豆腥味明显减少[17]。

激光是一种高能量、颜色单一、定向性强的辐射光。激光诱变通过光、热和电磁效应的综合作用，使作物细胞内染色体断裂或形成片段，从而引起突变[18]。目前，用于植物诱变育种的激光类型有CO2、He-Ne、红宝石等7种。安激1号、安激2号是安徽农业科学院通过激光加常规的育种方法选育的早熟、高产品种[19-20]，合农71 是由黑龙江农业科学院通过有性杂交、60Co-γ 辐射诱变和分子设计3种方法选育的品种[21]。

1.3 航天诱变育种

航天诱变育种技术是借助航天工具（返回式卫星、宇宙飞船）将种子或者诱变材料带入太空，利用空间强辐射、高真空、微重力等特殊环境进行诱变处理，将材料带回地面后进行多代的传统选育，培育出新品种的方法[22]。通过航天诱变育种技术加常规育种技术选育出的大豆新品种有金源55号、合丰61号、克山1号等[23-24]。

2 诱变育种对大豆性状的影响

2.1 农艺性状的影响

材料经过诱变处理后，会出现正向或者反向突变，突变株在生育期、育性及相关表型上有所体现。姜振峰等[25]用0.04%的NaN3对黑农37、抗线2号、东农42号、东农92-070、东农44号5个大豆品种进行处理。结果表明，处理后的植株成活率降低，有矮化和生育期推迟的现象。薛永国等[26]对4个大豆品种进行60Co-γ 辐射和EMS 诱变处理，研究发现，辐射诱变的出苗率较高，随着发育进程死亡率增加，而化学诱变成株率高；两种方法诱变处理后均有不育株、黄化株、无生长点植株等畸形苗的出现；各品种在不同处理条件下一、二粒荚的比例增加，三、四粒荚的比例减少，且有更多的极值存在。谢圣男等[27]对大豆品种绥农14 进行EMS 处理，在二代植株中发现大量突变体，包括白化突变体、黄化突变体、匍匐株突变体、矮秆突变体、株高突变体、种皮颜色突变体、花色突变体等。

2.2 生理生化的影响

薛永国等[26]对诱变后的大豆植株进行蛋白质、脂肪含量的检测，发现群体内存在个体差异较大的植株。如对照黑农48 的蛋白质含量极大值为46.65%，极小值为42.44%，经过诱变处理后，极大值为48.66%，极小值为39.97%，且不同处理、不同品种变异出的结果一致。因此，可根据育种目标对后代进行选择，从而选育出突破性的品种。裴友财等[28]对大豆品种吉农18 进行EMS 诱变处理，结果显示，亚麻酸和油酸存在较高的变异系数，说明该性状发生了重组现象。张鑫等[29]对种皮色、脐色发生突变的大豆品种材料进行qPCR 检测，苯丙氨酸解氨酶作为苯丙酸代谢途径的关键酶，其基因表达量发生了显著变化。

2.3 抗病性的影响

浙鲜9号是以台湾75为亲本，经过航天诱变加系谱法选育出的大豆品种。对大豆花叶病毒病SC-15株系和SC-18株系的抗性从高感提高到了中抗和中感[30]。吕秀珍等[31]将晚熟抗病毒病感灰斑病大豆品种经辐射诱变处理加系谱选育法育成了合丰33号，该品种具有抗病毒病兼抗灰斑病的特性。

3 诱变株鉴定方法

3.1 形态学鉴定

在诱变群体中，通过观察分析筛选出与对照株存在表型差异的突变个体，如株高、叶型、脐色，经过连续多代选择培育出性状稳定的大豆新品种。

3.2 试验测定鉴定

对于抗病、抗虫突变个体的筛选，通常采用抗性鉴定的方法。具体方法是将突变群体种植在自然病（虫）圃或人工病（虫）圃进行筛选[32]。对于特定物质（高蛋白、高脂肪、高异黄酮）突变个体的筛选通常采用试验测定的方法[33]。

3.3 分子生物学方法鉴定

分子标记辅助育种是利用分子标记与目标基因紧密连锁的特点，通过检测杂交后代中的分子标记，即可检测到目的基因。该方法具有快速、准确、不受环境干扰的特点。目前，国内外对重要性状的分子标记进行了研究，包括大豆油分含量[34-35]、产量[36]、抗花叶病毒[37]、抗虫性等[38]。

定向诱导基因组局部突变（targeting induced local lesions in genomes，TILLING）技术是将诱变群体与PCR、高通量检测等技术结合起来的方法，可快速准确检测出诱变产生的单核苷酸多态性（SNPs）和相关核苷酸的插入和缺失。TILLING 技术可从分子水平上筛选大豆突变体，对诱变群体实现快速、准确的筛选[39]。

4 展望

在大豆育种过程中科学合理地使用诱变育种技术可以增加突变频率、提高育种效率、缩短育种时间，现已成为选育大豆新品种的有效手段之一。但是，突变具有不确定性，且在筛选突变后代时多以表型为主，容易遗漏一些非表型突变。为此，在今后的研究过程中须与分子生物学紧密联系，加强突变机理研究，从分子水平鉴定突变体，从而不断提高育种效率，实现可调控、有目标的育种过程。