离子束辐射技术在食用菌育种中的应用研究进展

摘" "要" "食用菌营养丰富、经济附加值高，产业规模不断扩展。我国拥有丰富的食用菌种质资源，产业规模居世界首位，但育种技术研发力量薄弱、技术相对滞后。离子束辐射可以打破基因连锁，对生物体遗传物质进行修饰和改良，利用离子束辐射进行食用新品选育和品种改良近年来备受关注。阐述了离子束辐射育种技术机理、主要方法、特点，及其在食用菌野生菌株驯化、品种改良与选育等方面的应用。

关键词" "食用菌；离子束辐射；育种

食用菌是包括香菇、木耳、猴头、灵芝等在内的一类可供人类食用或药用的大型菌类，不仅味道鲜美，而且富含具有抗癌、抗菌、抗病毒、降压、降脂、健胃、保肝、调节免疫等多种保健功能的蛋白质、氨基酸、维生素和微量元素，经济价值高，市场潜力大。我国拥有丰富的食用菌种质资源和世界第一的产业规模，但在技术发展与生产需求脱节的情况下，食用菌育种研究却起步较晚。金针菇、双孢菇、冬菇等主要食用菌的诱变繁殖技术，国外已独占其中，技术壁垒问题特别突出。

1988年，余增亮等人研究发现，水稻种子受到离子束照射后，水稻叶片出现黄花、斑纹、白化等变异表型，作物离子束照射改进研究成果的序幕由此拉开。近年来，利用离子束辐照植物种子、真菌孢子或其他微生物，对生物体的遗传物质进行修饰和诱变，选育产量高、抗性广、品质优良的新品系已经成为育种研究的新热点。综合探究离子束辐照技术在食用菌育种的应用进展，以期为丰富我国食用菌种质资源、促进食用菌产业发展提供参考。

1" "离子束辐照诱变育种技术

1.1" "作用机理nbsp; "物理诱变育种的关键技术之一是辐照诱变，目前常用的辐照源有X射线、γ射线、电子束、电离束、紫外线等。1927年，Muller用X射线（X-ray）辐照果蝇精子，证实了X射线辐照可以诱发果蝇基因突变，并显著地提高了突变率。紫外线会在DNA复制过程中造成突变，从而形成阻碍碱基间正常配对的嘧啶二聚体，进而被培育成新的变种或种质。

与传统辐射不同的是，离子光束辐射会使生物细胞的细胞壁和细胞膜受到侵蚀和破坏，从而使其渗透力增加。接着带电粒子穿过细胞膜，随机碰撞胞内蛋白质、酶和DNA，并发生电荷交换，使基因或染色体的序列或结构发生改变，进而对生物体生长及代谢表型产生影响。离子光束辐照具有诱变操作简单、通量高、突变效率高、突变谱广等特点，目前已有多个品种受到育种家的广泛关注。

1.2" "主要方法

1.2.1" "高能离子束辐射诱变育种" "高能重离子束指通过粒子加速器将原子序数大于4的带电粒子加速，使其能量为几百MeV-GeV的带电粒子射线。由于其传能线密度高、穿透力强，造成细胞核中的DNA损伤比例显著增加，因此具有无需真空环境，大气中即可诱变、诱变时间短、突变率高的优点。在粮食作物（如玉米、水稻、小麦等）、经济作物（如番茄、白菜、油菜等）、观赏植物（如花卉）等新品种选育项目中，成功应用了重离子辐射诱变育种技术，进步非常显著。

1.2.2" "室温等离子诱变育种" "常压室温等离子（ARTP）是指温度范围在25～40 ℃。具有高活性粒子的等离子射流（如激发态氦原子、氧原子、OH-自由基等）可以在大气压下产生。ARTP技术在微生物和植物诱变育种中，具有多种破坏遗传物质的机制和多种产品变异型的优势，操作简单，具有较高的安全性。杨茹等利用变异菌株抗菌菇褐斑病病原多罗假单胞菌，经ARTP照射诱变白色金针菇，抗性提高15.49%。李塬等用ARTP对灵芝菌株原质体进行照射，经筛选得到丰产型灵芝菌株2株，不仅遗传稳定性好，而且其灵芝多糖产量也明显增加。

1.2.3" nbsp;低能量离子光束辐射育种" "由轨道电子剥离或部分剥离的带正电原子核形成的能量射线（射线能级10～100 keV），低能离子束指原子序数大于2，其特点是在生物安全性好的同时，传能线路密度大、诱变效率高。泰夏兰等利用离子束对稻种进行辐射后，经筛选得到稳定的株系，其中有7个株系对光周期不敏感。李景鹏等利用碳离子光束照射诱变稻种，经多代筛选，选育出生长繁殖明显增高的水稻新株系。董先茹等突变株X-004的蟹味菇是利用氮离子束诱变得到的。

1.2.4" "太空辐射诱变育种" "太空环境中的高真空、微重力和强辐射等多种因素相互影响，使得生物的基因突变和性状异常的发生几率更高。因此，太空辐射诱变育种具有突变种类多、正向突变种类多、选育时间短等优点。2002年，利用“神舟四号”飞船搭载沁州黄谷子，经过多年特殊选育和异地鉴定，成功培育出黄谷子新品种。

1.3" "主要特点" "与传统辐射育种相比，离子光束辐照育种具有以下特点：①对诱变材料要求不严格，可广泛应用于植物种子、器官、组织，也可应用于细菌、真菌菌体或细胞等，应用范围广。②突变频次高，花样繁多，变异者多。通常的诱变率在0.1%～3%，对生物的生长周期、代谢产物的积累以及抗性都有很好的作用。③只进行三代离子束辐照诱变操作就基本稳定了，育种周期短，子代性状稳定。④生物辐射诱变育种技术具有很高的生物安全性，其原理与生物自然变异相似，即生物的染色体或基因会发生缺失、重复、易位等突变，通过人工诱变的方式进行，诱变不过是让这些突变的几率提高而已。自然突变的周期缩短了，生物的安全性随之提高。

2" "离子辐射技术在食用菌育种中的应用

利用先进技术，不断培育出优质高产的食用菌是食用菌产业健康持续发展的重要保障。常见的食用菌培植技术有选种培植、杂交培植、诱变培植等，也有原生质体融合、基因工程技术培植等新型技术。诱变育种是利用物理、化学等诱变因子，通过高突变率、可产生多位点突变、子代性状多样的特征，使食用菌发生遗传性变异或染色体断裂等突变，再经选择、鉴定变异，从而培育出具有目标特征的新品种。根据联合国粮农组织和国际原子能机构（FAO/IAEA）的数据库，通过诱变育种技术，尤其是物理诱变技术，到2019年已成功培育新作物品种 3 200多个。

2.1" "野生菌株驯化" "野生菌株可采用低能离子束繁育技术辅助驯化，以更好地开发利用食用菌资源。凡启超等用氮离子束照射诱变后，发现以野生松乳菇为诱变对象的菌丝产量、粗蛋白产量、粗多糖产量均有明显增加的变异株。

2.2" "高产食用菌育种" "农作物新品种选育的基本要求是高水平产量，利用低能氮离子光束照射，蒋益等诱变金耳酵母状分生孢子菌，在产量比对照菌株高12.3%的高产金耳多糖突变菌株中成功筛选出一株。谭一罗等通过氮离子光束照射诱变猴头菇孢子，筛选出的变异株生长速度提高25.3%，液态发酵生物量提高30.67%。

2.3" "食用菌抗耐性改良" "在食用菌的生产过程中，温度、pH等环境因素以及病害污染均与食用菌的产量高低和质量优劣显著相关。食用菌株改良后，对环境的不良环境耐受性，如高温/低温、偏酸/偏碱、营养环境、杂菌和病虫害等，对降低食用菌种植和培养成本、减少生产投入、提高种植经济效益都有好处。王连峰等利用氮离子束辐照香菇，使其子实体的最适生长温度提高了1～4 ℃。蒋益等利用氮离子光束照射云芝原生质体，筛选出抗病水平提高5%、子实体产量提高10.3%的抗病高产云芝突变菌株。

2.4" "功能性食用菌株开发" "食用菌不仅具有丰富的营养价值，许多药用菌还有抗肿瘤、抗氧化以及降血压等多种药理学活性，具有较高的医疗保健价值。随着功能型食品市场的崛起，选育高多糖、富集微量元素、高维生素含量的功能性食用菌育种逐渐成为研究热点。李畅等将金福菇用氮离子束辐照，筛选获得的突变体的子实体中洛伐他汀含量显著增加，达到10.06～10.3 μg/g。张越野等用ARTP照射诱变灵芝菌株的原生质体，经筛选得到14个突变菌株，这些菌株的多酚类产量明显增加，抗氧化能力明显增强。

3" "受辐射技术制约的食用菌生产

国内外科研人员在食用菌育种上进行了一系列的离子辐射技术探索，取得了一定的成果，但还存在着一些问题：①对利用离子辐射诱导食用菌变异的机理认识不够充分。在离子辐射导致突变方向和性质难以准确控制的情况下，离子束注入真菌孢子后造成的生物损害、表征改变、代谢异常以及由此产生的连锁反应，具有多样性和随机性。需要利用基因组学、代谢组学等多种组学方法，以加速食用菌定向进化为目标，对诱变机制进行深入研究。在诱变育种中使用的技术参数如离子种类、剂量、能量等也会不同。②不同种类和形式的食用菌样品对真空、离子源和注入剂量的反应也会不同。继续完善优质品种诱变筛选流程，需要对注入工艺参数与菌株变异率规律、特异表征的内在关系进行进一步研究。

4" "技术展望

进入21世纪以来，在政府政策利好和市场经济回暖的大环境下，我国食用菌产业得到了迅猛发展，成为继粮油、蔬菜、水果之后的第五大农业产业。

4.1" "以菌种遗传图谱为基础的精准育种" "食用菌遗传背景不清、性状连锁分子标记、功能基因不明确，是目前发展食用菌定向诱变技术的瓶颈。因此亟需通过测序及生物信息分析，建立健全食用菌种质资源基因组、表观遗传组数据库，探索真菌重要农艺性状遗传规律，明确产量、抗病性等重要性状连锁分子标记、功能基因，通过基因编辑、重组等实现从传统育种到精准育种，再结合快速高通量筛选策略，疏通精准定向育种瓶颈。

4.2" "多技术交叉融合" "大量研究显示，优质的食用菌菌株可以通过离子光束辐照诱变技术进行筛选而得到。在此基础上，为提高育种效率和精准度，实现对优质菌种知识产权的自主化，将离子光束辐照与多学科、不同技术紧密结合，如基因组学、原生质体融合技术、基因工程技术、分子标记技术、细胞超微加工等，对推动县域经济特色发展，助力农村振兴，意义极其重大。

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张毅，陈璐，陕西省农产品质量安全中心，邮编710012（西安）；吴佩洁，广州市从化海关综合技术服务中心。

收稿日期：2024-09-09