浅谈辐射诱变技术在农业育种中的应用*

王 伟

（河南新安县正村镇农业服务中心，河南 洛阳 471800）

0 引言

目前，由于一些大型作物杂交品种繁多，重复使用的有益基因有限，因此遗传基础相对狭窄，水平相似，很难改变育种品种。新中国成立以来，长江下游和黄河流域小麦品种经过变化后产量显著增加，但后续变化的产量不显著，甚至有提高稳定性和产量大幅下降的趋势。辐射诱变技术已被人工用于X射线、中子、激光、离子等物理诱变因子诱导植物遗传变异，从而在短时间内获得可用于生产和直接使用的突变体[1]。虽然辐射诱变技术只有几十年的历史，但由于其自身的特点和优势，发展迅速，并已成为改良农业新品种的重要途径之一。本文在水稻、小麦、花卉和树木辐射试验基础上，总结了国内外辐射诱变农场的研究成果，分析其作用机理，主要目的是提高人们对辐射改性技术应用于农业生产的价值，提高人民的生活水平。

1 辐射诱变技术在农业育种中的起源与发展

1927年，美国李明教授首次成功发现一种新型X射线中的荧光粒子，可以有效抑制诱发各种植物果蝇的荧光辐射合成基因突变。植物学家斯塔德勒随后首先成功发现了一种新型X射线荧光，对玉米农作物和大麦农作物的辐射基因合成诱变也能产生辐射效应，在对该植物育种栽培技术深入研究后逐步将这种辐射基因突变合成技术广泛应用于各种植物在核能中的育种，并已经取得较好的育种技术研究成就[2]。20世纪80年代以来，利用现代激光分子细胞生物学，为现代激光无线辐射技术诱变植物育种系统技术发展注入了新的科学技术活力，促进目前世界植物突变培育体系技术与现代畜牧农业耕作植物育种系统方式相互影响，并不断发展形成一套具有全球性的传统畜牧耕作育种系统技术。近年来，突变培育体系的新种植物和新生态品种的种植培育已使作物在其生产地的数量等均呈现不断上升和增长的趋势。据2008年以及国际原子能机构的不完全统计数据，在近年首批成功利用现代激光无线辐射诱变分子技术成功培育的2 320个新品种中，中国已成功种植培育623个，占目前世界培育植物品种总数的26.85%。

2 辐射诱变技术的作用机理

我国是一个农业大国，在农业经济发展上较为迅速。辐射诱变的发生机制主要就是围绕着细胞染色体上的畸变和遗传突变之间的相互关系，促进各类农作物发生细胞变异，进而提高农作物产量。一般来说，染色体上的畸变色差属于植物细胞辐射突变损伤的一个重要典型遗传特征，能够直接体现其自身存在的植物辐射突变损伤。而在植物辐射诱变育种过程中，因发生了有丝分裂和细胞减数有丝分裂，进而出现畸变色差，这种细胞出现的畸变色差主要包括各种畸变遗传类型、畸变遗传行为和遗传突变效应，而在高能和穿透性强的射线的辐射下，可以促使农业产品诱发出部分染色体数目，并且出现一定程度的结构和行为畸变[3]。例如，在对报春花卉传播繁殖中植物辐射毒性突变的研究中，发现在植物报春花后期发生的核染色体功能断裂和基因结构功能重建，以及经过植物辐射毒性诱变技术处理的类似红鱼的三叶草，可以在多种作物中直接产生更多的毒性突变。辐射的致突变性在于确保处理过的材料的DNA由于各种生物效应而产生大的突变，当辐射导致细胞染色体改变时，也会导致与生物体细胞质相关的核外遗传变异，影响农业的发展。

3 辐射诱变技术在农业育种中的优势

辐射基因诱变处理技术在我国农业水稻育种中通过进行水稻作物辐射基因诱变处理实验，发现经过辐射诱变处理后的各种水稻作物细胞通常会连续发生多种基因突变，出现的这些多种突变基因类型主要为隐性染色体遗传突变。该基因突变的遗传特点大多表现为隐性遗传突变，通常在突变中不明显，只有当发生突变的隐性因子基因类型趋于纯合时才可能会开始出现，不同繁殖性状的基因遗传突变频率不同，叶绿素遗传突变、矮化遗传突变可能性较大，由此可知，不同突变体由于繁殖基因性状不同应选择具有不同基因大小的突变基因[4]。同时，突变效应一般稳定快速，当农作物受到X光辐射线总照射量为零或其他稳定值时，照射效率对最终突变效应也具有显著性的影响，为了提高作物诱变品种效果，应根据不同作物育种目的来选择合适的作物辐照率。与其他传统农业技术相比，辐射强化诱变品种栽培技术可有效提高多种作物突变频率，扩大作物突变效应范围，为新作物品种的栽培繁育提供更为丰富的突变原材料，有效克服原生植物的品种自交不亲和性，促进远缘品种杂交和植物基因组的重组[5]。

4 辐射诱变技术在农业育种中的具体应用

4.1 在农作物方面的应用

辐射诱变育种技术在我国农业水稻育种中的实际应用期间，除在水稻、高粱和其他农作物中应用辐射传播诱变技术外，还有许多农业应用中的实例。例如，中国科学院等离子体研究所利用等离子辐射诱变育种技术，经过7年13个农业育种传播季节，成功培育出一个水稻新品种，水稻种子直接可以播种在当地稻田中，大大减少了当地农民的工作量，具有良好的经济效益和社会效益[6]。在关于玉米植物辐射激光诱变有益育种的相关实验方面，根据2010年7月19日的研究报告，中科院现代物理研究所与甘肃金乡农业发展有限公司项目联合共同承担的“玉米新品种重电离辐射处理”实验项目，利用重力光加速器技术提供的激光离子束对选定的玉米自交品系植株进行辐射研究，筛选出有用的突变体，并由此产生了许多有益的育种变化，有益育种变异发生频率约为7.0%~17.9%[7]。辐射激光诱变育种技术在现代农业玉米育种中主要为玉米作物的综合创新和玉米新品种的栽培开辟一条新的农业育种技术途径。除了粮食作物外，辐射诱变技术在其他一些作物的育种试验中也取得了良好的效果[8]。

4.2 在花卉中的应用

在花卉品种改良方面，辐射诱变育种技术在我国得到了广泛应用，并取得了可观的成果，据统计，该领域已测试了近50种植物，产生的新品种仅在玫瑰、菊花、美人蕉种植上就有近100个，选取不同花种和批次花卉育种结果作为实验数据。北京林业大学采用辐射法培育的菊花新品种，不仅四季开花，而且耐低温能力更强；安徽农业大学利用辐射技术培育的8个冬菊花新品种的自然开花期为11月至次年1月；河南农业大学以菊花的植株、愈伤组织、枝条、根系和植物组织为试验材料，对其进行X射线照射，并与组织培养相结合，培育出多种新品种花卉[9]。此外，辐射诱变育种技术在我国农业植物育种中通过对慢性辐射激光诱变品种繁殖的深入研究，不仅成功培育了一系列新品种，而且在育种研究中也获得了许多有价值的创新发现，利用X光辐射线对百合组织品种培养基中形成的多种品种进行慢性激光辐射诱变试验，结果表明，X光辐射线对百合品种细胞生长具有明显的生物抑制毒害作用。花卉品种辐照适宜剂量统计表如表1所示。

表1 花卉品种辐照适宜剂量统计表

4.3 在果树上的应用

辐射诱变技术在农业育种中具有一定的优势，例如在果树生产中，辐射诱变技术是改良园艺植物品种的有力工具，在实际应用期间也是克服落叶果树远缘不亲和性的最有希望的方法之一[10]。杂交育种与落叶果树品类辐射育种技术的结合还可以同时用于创造新的落叶果树品种，这也将是当前和未来关于落叶果树品种杂交植物育种和辐射栽培技术改良的战略方向。根据联合国及农业植物技术发展联合组织的相关数据，辐射诱变技术对果树品种成熟表现的改变，主要集中在果树品种改变成熟期，通过杂交育种诱导落叶果树变成矮化植物，提高落叶果树抗病性，主要供试材料为干湿种子和花粉[11]。

5 结束语

目前，辐射生物诱变育种技术已发展成为有机农业育种物理诱变的重要技术，并在有机农业育种实践中已经得到广泛应用。然而，辐射生物诱变育种技术在有机农业作物育种中还不成熟，特别是当有机辐射与其他具有致癌风险的辐射光线相互结合时，是否会对农作物生长产生负面影响还需深入研究，微生物共同致突变机制需要深化，一方面，它给当前的农业工作带来了很大的盲目性；另一方面，它也给未来的农业工作带来了更多的内容。随着这一领域研究的深入，辐射诱变技术将在育种领域开辟更广阔的前景，如质量改进或新的训练，在远程杂交中获得与目标基因的异源染色体易位是最理想的结果。