诱变技术在荷花育种中的应用研究

胡芳王宁迪

(1.武汉市沙湖公园管理处，湖北 武汉 430000；2.武汉市园林科学研究院，湖北 武汉 430081)

荷花(Nelumbo nucifera Gaertn)，又称莲，是莲科莲属多年生水生草本植物，荷花被称为“活化石”，是被子植物中起源最早的植物之一，荷花在我国栽培历史悠久，有近两千五百年的栽培历史[1]。近半个世纪以来，荷花育种工作发展速度极快，经过一代又一代人的栽培选育，使得我国荷花种质资源非常丰富，中国也成了全球荷花品种最多、赏荷景点最多的国家。虽然我国荷花育种队伍在不断壮大，在新品种选育方面取得了一定的成就，但随着人们对荷花观赏性的要求越来越高，对荷花的颜色、花瓣数量、花态、开花时间、抗逆性等性状提出了更高的要求，近年来育成的品种在特异性、新颖性、抗性方面突破不大，加速培育出新颖特异的荷花品种成为亟待解决的问题。传统的育种手段已经难以满足要求，而诱变育种作为一种培育新品种的方法，具有突变频率高，遗传变异范围广和速度快等优点。相对于常规选择育种，其还能创造新的质量和数量性状上的变异，创造出常规育种手段难以获得的新表型、新突变、新种质。

本研究基于以往学者对荷花的诱变育种研究，对荷花的诱变育种方法进行归纳总结，并对当前的荷花诱变育种存在的问题和未来的方向进行了阐述，为后期荷花新品种的选育奠定基础。

1 我国荷花品种资源现状以及育种目标

1.1 荷花品种资源现状

在白垩纪时期以前，莲属植物广泛分布在北半球的北美洲、亚洲及欧洲地区，约有10～12个莲属植物原始种。到了后冰期时代，全球气温下降，地球上的许多植物因为寒冷受到冻害而灭绝，莲属植物也不例外。据考证，当时存活下来的莲属植物仅2种，即美洲莲(Nelumbo lutea Pers)和亚洲莲(Nelumbo nucifera Gaertn)。美洲莲，又叫美洲黄莲，原产于美洲，美洲是其分布中心；亚洲莲地理分布广泛，主要分布在中国，所以亚洲莲又被称为中国莲[1]。中国莲也称荷花，在我国有近两千五百年的栽培历史，地理分布也极为广泛，从北部的黑龙江至南部的海南岛，从东部的台湾到西部的新疆，均有荷花生长[2]。

我国观赏荷花品种资源收集工作始于20世纪60年代，当时由张行言和王其超先生率先开展，经过无数育种工作者的努力，到了20世纪90年代我国荷花育种工作取得了优异的成绩，中国也成为了荷花品种最多的国家。根据《中国荷花新品种图志I》记载,我国荷花品种有近2000个[2]。

因荷花品种类型多而复杂，所以在荷花品种分类标准也各有不同，最早记载的荷花品种分类标准可追溯到清代杨钟宝的著作《瓨荷谱》，可按荷花的花色、花瓣、花型、花径性状进行4级分类[3]。1982年，王其超等将株型大小加入已有的分类标准中，形成了以株高和花径、花型、花色的3级分类标准。1983年倪学明提出，依据荷花的用途将荷花品种分为了花莲、籽莲和藕莲3类[4]。随后，王其超和张行言在分类上进行不断优化调整，形成了温带型荷花品种分类系统与热带型荷花品种分类系统，其中温带型荷花品种分类系统包括3系、6群、16类、48型；热带型荷花品种分类系统包括1系、2群、3类、8型[2]，这套分类标准也一直沿用至今。

常规杂交育种是我国当前培育荷花新品种的主要手段。杂交育种分为自然杂交和人工杂交。自然杂交是指通过在同一区域内种植大量不同品种的荷花，亲本随机交配，然后收获种子，再从后代挑选出新株系的一种方法。王其超等利用自然杂交从275株实生苗中选育出24个荷花新品种[2]。人工杂交一般先确定育种方向，再有目标的选定亲本进行杂交。近几年通过人工杂交选育的新品种有“锦衣卫”“大黄蜂”“甜点”等。我国通过杂交育种选育出了大量新品种，但是因为当前人们对荷花的观赏性越来越高，自然杂交选育出新品种的概率越来越小，因为亲本信息在育种方向上存在不确定，所以通过自然杂交育种突破越来越小。人工杂交虽然可以确定亲本信息，但人工杂交的变异率有限，大量人工杂交组合来选育新品种，工作量大且繁琐。

1.2 未来荷花育种目标

当前荷花的育种目标主要包括：丰富荷花花色，目前缺少花色新颖的品种，如蓝色、绿色、黑色等荷花新品种以及嵌色品种；延长花期，目前早花晚花品种较少；抗逆性强的品种，包括耐阴、耐低温、抗病虫害的的品种；兼用型品种，培育花与藕兼用的品种。

2 诱变育种

目前我国荷花育种主要采用杂交手段，但随着人们对荷花的观赏性要求越来越高，常规杂交育种手段由于突变频率低，存在一定局限性，而由于诱变育种技术有着突变频率高、速度快、变异范围广等优点，所以诱变技术在育种工作中有着非常突出的应用价值和广泛的应用前景。

诱变育种是指利用不同的物理或化学因素，人为地使植物体的基因发生突变，再通过筛选有利的优良性状，培育成新品种的方法[5]。诱变育种包括物理诱变、化学诱变、航天诱变等。

大量研究表明，诱变技术在培育新品种以及丰富种质资源工作中具有重要的作用。观赏植物中诱变技术育种已取得了良好成就,如林兵等利用60Co-γ射线辐照鸢尾品种“展翅”种球，经表型选择、分子鉴定、DUS测试等手段,选育出荷兰鸢尾新花色品种“玉蝶”和“紫韵”[6]。陈丽等利用EMS(甲基磺酸乙酯)处理杨树胚性愈伤组织,通过组织培养方法定向筛选，得到了杨树耐盐变异体[7]。

当前在荷花诱变育种的研究领域中，国内学者主要通过物理诱变、化学诱变、航天诱变的方法，使荷花产生大量的遗传变异，来获得新品种。物理诱变主要是利用60Co-γ射线、离子注入等方法进行辐射处理，化学诱变在荷花育种的研究较少，主要是利用秋水仙素进行处理，而对常用的化学诱变剂甲基磺酸乙酯(EMS)处理荷花的研究少见报道。航天诱变在荷花育种中以“太空莲36号”系列为代表。

2.1 物理诱变育种

物理诱变主要是用物理诱变剂诱导植物产生遗传变异的方法。主要的物理诱变剂包括激光、离子束、紫外线、X射线、α射线、β射线、γ射线、快中子和微波等。物理诱变育种是在对植株进行物理诱变之后，选择所期望的优良性状，进而培育成新品种的方法。物理诱变育种在大量的物种中均有使用，如番茄、黄瓜、大豆等，其在植物遗传学的研究中发挥了重要作用。

早期的辐射诱变育种以X射线为诱变辐射源，到了20世纪80年代，γ射线的应用更加广泛，其产生的突变频率可比自然突变提高100～1000倍[8]。其原理是电磁辐射与植物体内分子、原子核发生碰撞，因其穿透能力强，直接或间接地对染色体结构产生破坏，造成染色体的断裂、重排、缺失、倒位等变异，从而引起基因突变。陈秀兰等利用不同剂量的60Co-γ射线对观赏荷花莲子与种藕进行诱变试验，发现辐照莲子适宜剂量为30～60Gy;红色系和复色系品种较易发生变异,白色系品种未发生变异[9]。刘凤栾等利用60Co-γ射线对野生型荷花微山红进行辐射处理，得到了1个表型发生变化的单株，该突变体花被片变为狭长形，经过连续多年观测，该突变体花被片形态特征一致且稳定，因此作为一个新品种命名为“辰山飞燕”[10]。

离子注入诱变育种是利用离子注入进行生物诱变育种。离子束是一种新兴的诱变辐射源，其能引起DNA双链断裂，造成基因突变[11]。其产生的突变频率是自然突变的1000倍以上，除了突变频率高，还有着突变体易稳定，诱发突变谱广，且在相同剂量辐照下，离子束比X射线和γ射线具有更多的相对生物学效应，这使得离子束诱变在育种领域的地位非常之高。但是因为其产生离子束的高能加速器昂贵，所以不能普遍应用。离子注入技术早已在荷花有所应用，如2009年，北京师范大学利用离子注入诱变育种技术，培育出了莲子产量高的“京广一号”白莲，同时发现最佳处理下的荷花现蕾数提高了1倍多，单瓣花也变成了半重瓣花,花色也发生了变化[12]。近年来，邓敏对荷花“粉团”的种子进行离子注入处理，其中“粉团-2”在花色、花瓣数量和雄蕊等方面发生了变化并能稳定遗传，具体表现为花径变大，花色变为堇紫色，雄蕊出现瓣化现象，有的内瓣出现白斑[13]。

2.2 化学诱变育种

化学诱变育种是利用化学诱变剂对植物进行处理，使植物遗传物质出现变异，筛选出所期望的突变性状，然后培育成新品种的诱变方法。根据诱变机理不同可以将化学诱变剂分为4类。

2.2.1 烷化剂

是栽培作物诱发突变的重要诱变剂。烷化剂的烷基能置换出DNA分子中的氢离子，从而导致复制或者转录过程发生改变。烷化剂主要分为4大类：烷基磺酸盐和烷基硫酸盐、次乙胺、亚硝基烷基化合物、环氧乙烷类和芥子气类。其中EMS(甲基磺酸乙酯)是应用较多的一种烷化剂，番茄、黄瓜、水稻等作物等有大量应用。

2.2.2 核酸分子碱基类似物

包括5-溴尿嘧啶(5-BU)、8-氮鸟嘌呤等，这类物质具有与DNA碱基相似的结构，在复制DNA时可能会被误当成碱基，导致会错配，最后产生变异。

2.2.3 生物碱类诱变剂

主要代表为秋水仙碱(Colchicine)，是一种被广泛应用的化学诱变剂。秋水仙素在诱变多倍体效果显著。当细胞进行分裂时，用秋水仙素处理，能够使细胞的染色体着丝点延迟分裂和抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向两级，从而造成数目加倍。

2.2.4 其他诱变剂

代表的有NaN3(叠氮化钠)，是一种诱变作用的无机盐，能引起基因突变。其作用机理是替换DNA结构中的碱基，导致点突变的产生。

化学诱变育种因为操作简单，成本较低，可控制性强、对基因组损伤小等优点，现已在植物上已经广泛应用。关于荷花的化学诱变育种报道较少，武汉植物园黄国振先生曾利用秋水仙素对荷花幼芽进行浸泡和滴芽处理，通过浸泡处理方法获得了加倍植株，而滴芽处理未获得加倍植株[14]。近年来，上海师范大学秦密对荷花用秋水仙素处理荷花早期花蕾获取2n花粉，结合有性杂交，得到3株三倍体植株[15]。

2.3 太空诱变育种

太空诱变育种是利用卫星、航天飞机等搭载植物种子或其他材料，通过太空中的辐射和微重力，引起植物细胞内核酸的断裂以及细胞膜结构的改变，从而产生基因突变，并以此进行新品种培育的一种方法。因为太空育种成本高，所以应用较少。1994年，江西广昌白莲研究所利用返回式卫星搭载莲子进行太空育种，筛选出以“太空莲36号”为代表的太空莲系列品种[1]。

3 问题与展望

当前我国荷花育种工作者虽通过诱变技术取得一定成就，但对于荷花诱变技术的研究还处于初期探索阶段，对于诱变的机理研究还不够深入，从形态学、细胞学以及分子生物学等方面继续深入研究十分必要。诱变技术虽然突变频率高，范围广，但是突变方向不能有效控制，随机性大，在后代选择上具有一定盲目性，筛选出有利突变材料需要大量时间。所以在后代突变体材料的选育上可以结合分子标记手段来鉴定植物是否发生遗传变异，有助于阐明诱变的机理,有目的地指导诱变育种，提高选择的准确性和高效性。

另外，当前荷花的诱变育种主要集中在物理诱变，对化学诱变的研究少见报道，所以在荷花的化学诱变育种中还有巨大的研究空间。后期须加大力度开展利用化学诱变技术，以获得更加高效的筛选方法和更多的突变材料，为荷花的育种工作提供保障。除了诱变育种技术，基因工程育种技术也是未来值得研究的方向，如通过转基因技术培育出蓝色、紫色等荷花品种，因为荷花本身不携带蓝色、紫色等基因，若通过细胞融合、转基因技术为荷花改造相关的花色基因，将是一大新的突破。但目前因为荷花的遗传转化技术尚未成熟，这使得通过转基因技术获得突变体材料很困难，搭建出成熟的荷花遗传转化技术也是亟待解决的问题。在未来的育种工作中，可以将荷花诱变育种与杂交育种技术、基因工程技术等相结合,取长补短,采用多元的技术手段以获得更多的突变材料,加快荷花育种进程，不断提高育种效率，为培育新颖特异的品种奠定基础。