核辐射在农业育种方面的应用及发展

核辐射在农业育种方面的
应用及发展
学院：水建学院
班级：水工112班
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核辐射在农业育种方面的应用及发展
【摘要】辐射诱变育种是在人工控制的条件下，利用中子、质子或者射线等物理辐射诱变因素对种子进行辐照，诱发其染色体的数量、结构和行为变异，从而得到可供利用的突变体，并在此基础上进一步培育出新的种质资源的一种新兴的育种技术。

本文以水稻、小麦、大豆、花卉和林木等材料所做的辐照试验为依托，综述了国内外在辐射诱变育种方面所取得的成就，分析了该技术的作用机理、特点、优势、适用范围及其发展历程，并对其发展方向和应用前景做出了展望。

其主旨在于提高人们对辐射诱变育种技术在农业生产中应用的价值、意义及其前景的认识，并为该技术的进一步发展和应用提供参考与借鉴，以期促进现代化物理农业工程的发展和应用，提高人民的生活水平与质量。

【关键词】辐射诱变，育种，机理，应用
【正文】
辐射诱变育种是人为地利用射线、x射线或者是中了、激光和离子束等物理诱变因素，诱发植物遗传变异，从而在短时问内获得有利用价值的突变体，以供直接生产利用或者是在此基础上培育出新的种质资源的一种新兴的育种技术f张小静和陈富，2008，现代农业科技，(13)：14．15，17)。

该技术的问世，虽然只有数十年的历史(程薇，2007，湖北农业科学，45(5)：660．663)，但因有其自身的特点与优势，所以发展迅以水稻、小麦、大豆、花卉(王丹等，2009)和林木(刘刚等，2009)等材料所做的辐照试验为依托，综述了国内外在辐射诱变育种方面所取得的成就，分析了该技术的作用机理、特点、优势、适用范围及其发展历程，术的作用机理、特点、优势、适用范围及其发展历程并对其发展方向和应用前景做出了展望。

其主旨在，于提高人们对辐射诱变育种技术在农业生产中应用的价值、意义及其前景的认识，并为该技术的进一步发展和应用提供参考与借鉴，以期促进现代化物理农业工程的发展和应用，提高人民的生活水平与质量。

诱变源的种类及特性
✧紫外线:辐射源是紫外光灯，能量和穿透力低，能成功地用于处理花粉粒。

✧电磁辐射和中子:容易穿透植物组织。

✧X射线：辐射源是X光机。

X射线又称阴极射线，是一种电磁辐射，它不带电核，是一种
中性射线。

✧γ射线：辐射源是60Co和137Cs及核反应堆。

γ射线也是一种不带电荷的中性射线。

✧中子：辐射源为核反应堆、加速器或中子发生器。

根据中子能量大小分为超快中子、快
中子、中能中子、慢中子、热中子。

✧β射线：辐射源为32P和35S。

β射线是一束电子流，产生与X或γ射线相似的作用。

辐射诱变育种技术的起源与发展
1927年，美国的Muller教授(白成科等，2003)发家Stadler又相继发现了x射线对玉米和大麦的诱
变效应，并随之开始了将这种诱变应用于植物育种的试验研究；1934年，育种专家D．Tollenear(张小静和陈富，2008，现代农业科技，(13)：14—15，17)用x射线的诱变效应
成功地培育出了烟草突变品种，这是世界上运用辐射诱变技术人工培育出突变品种的第一例。

进入20世纪50年代后，人类对核能的研究有了长足的进展，核技术也逐渐被广泛地应用到了医学、军事、工业和农业，辐射诱变育种技术也随之在植物的性状改良方面得以应用。

从60年代起，人们对辐射诱变的规律有了进一步的认识，促成了辐射育种技术的逐步成熟。

1969年，联合国农粮组织(FAO)与国际原子能机构(IAEA)出版发行了《突变育种手册》(Manualon Mutation Breed—in ，这是辐射诱变育种技术由初期的基础研究阶段走向实际应用的标志性转折。

实际上，20世纪70年代，辐射诱变育种已经成为一种新兴的技术和有效的手段得到了迅速的发展并被广泛应用，并且其技术重点已经转向了早熟、抗病、高产、无籽变异和突变体的杂交利用。

如周绛香等用2．58 c／kg的^v射线照射锦橙的干种子，最终育出了中育7号和中育8号2个无核早熟的突变系(刘继红等，1999，中国果树，(4)：49—51)；进入20世纪80年代之后，由于分子生物学和分子遗传学的广泛应用，又为辐射育种注入了新的活力，促使植物诱变育种与常规育种方法、杂交优势育种技术和生物技术等相互渗透、结合、交叉，形成了一种综合性的育种技术。

尤其是在20世纪90年代的中叶，随着分子标记法的诞生和应用，使分子定向诱变成为可能(陈青华等，2005，落叶果树，37(6) 12—14)。

如马卉等(2010)选用我国的7个栽培玉米亚种材料，用分子标记法和荧光原位杂交技术相结合，并在生物素标记的探针杂交流程中参照Li和Aru．muganathan(2001)的方法，进行5S rDNA非转录间隔区(nontranscribed intergenic spacerNTS)f~序列分析，从中发现了具有重要价值的规律；林同香等应用AFLP分子标记技术与部分r6cz基因系列分析中国龙眼的遗传多样性，结果发现所有的龙眼品种与荔枝的遗传距离都比较远(Lin et a1．，2005)；陈虎等(2010)通过深入研究和分析，而后认定分子标记技术的发展和应用，为龙眼研究提供了一条有效的途径。

我国辐射诱变育种的研究起始于20世纪5O年代，从70年代后期进入了快速的发展阶段。

近年来，在植物突变本品种的育成数量、种植面积和经济效益等方面，均以较大优势领先于世界其它国家。

据国际原子能机构2008年的不完全统计，在全世界利用辐射诱变技术成的2 320个新品种中，中国育成的多达623个，占世界总量的26．85％，年推广种植面积达9．0xlO hm ，每年为国家增加粮食3．0x109-4．OxlO kg、棉花1．5x108M．8xlO kg、油料0．75x10 kg，可创经济效益40亿元(温贤芳，2009)，辐射育种技术为我国农业生产的发展起到了巨大的促进作用。

1927年美国H.J.马勒发现X射线能引起果蝇发生可遗传的变异。

1928年美国L.J.斯塔特勒证实X射线对玉米和大麦有诱变效应。

此后，瑞典H.尼尔松－埃赫勒和A.古斯塔夫森在1930年利用辐射得到了有实用价值的大麦突变体；D.托伦纳在1934年利用X射线育成了优质的烟草品种“赫洛里纳”。

1942年，C.奥尔巴克发现芥子气能导致类似X射线所产生的各种突变，1948年A.古斯塔夫森用芥子气诱发大麦产生突变体。

50年代以后，诱变育种方法得到改进，成效更为显著，如美国用X 射线和中子引变，育成了用杂交方法未获成功的抗枯萎病的胡椒薄荷品种Todd's Mitcham等。

70年代以来，诱变因素从早期的X射线发展到γ射线、中子、多种化学诱变剂和生理活性物质，诱变方法从单一处理发展到复合处理，同时，诱变育种与杂交育种、组织培养等密切结合，大大提高了诱变育种的实际意义。

应用较多的是辐射诱变，即用α射线、β射线、γ射线、Χ射线、中子和其他粒子、紫外辐射以及微波辐射等物理因素诱发变异。

当通过辐射将能量传递到生物体内时，生物体内各种分子便产生电离和激发，接着产生许多化学性质十分活跃的自由原子或自由基团。

它们继续相互反应，并与其周围物质特别是大分子核酸和蛋白质反应，引起分子结构的改变。

由此又影响到细胞内的一些生化过程，如DNA合成的中止、各种酶活性的改变等，使各部分结构进一步深刻变化，其中尤其重要的是染色体损伤。

由于染色体断裂和重接而产生的染色体结构和数目的变异即染色体突变，而DNA分子结构中碱基的变化则造成基因突变。

那些带有染色体突变或基因突变的细胞，经过细胞世代将变异了的遗传物质传至性细胞或无性繁殖器官，即可产
生生物体的遗传变异。

辐射诱变的作用机理
在细胞水平上，辐射诱变的作用机理主要是围绕染色体畸变和突变关系进行的。

染色体畸变是植物辐射损伤典型的表现特征，在辐射处理材料的有丝分裂和减数分裂细胞中都观察到了染色体畸变(畸变类型、畸变行为及其遗传效应)。

在高能量和强穿透力的射线辐照下，可诱发染色体数量、结构和行为畸变，而染色体数量的变化，往往会导致单倍体及非整倍体类型的出现。

例如，在花卉辐射诱变育种研究中发现，月见草属(香待屑草，月见草以及美丽月见草等)和金鱼草经辐射诱变处理，均发生了单倍体的产生、染色体断裂和结构重排f高健和卢惠萍，2000)。

在分子水平上诱变机理的研究主要是围绕DNA 损伤、修复及其与突变形成的关系展开的。

研究表明(王少平，2008)，干扰DNA的修复合成可使作物产生更多的突变，如株高突变和抗病毒基因突变等。

辐射
诱变就是使处理材料的DNA因发生断裂、损伤和碱基缺失等多种生物学效应而促使其产生大的突变。

另外，在射线促使细胞染色体发生改变的同时，还会引起生物体与细胞质有关的遗传性核外变异，多种作用的汇聚，即可促成辐射育种中材料奇特的特性变异。

辐射诱变的方法
•照射方法：
–外照射
–内照射
–间接照射
•适宜剂量和剂量率的选择
外照射:指放射性元素不进入植物体内，而是利用其射线（X射线、γ射线、中子）照射植物各个器官。

这种方法简便，在诱变育种中比较常用。

•根据照射时间的长短，分为急性照射和慢性照射。

急性照射指采用较高的剂量率进行短时间处理。

慢性照射是在长时间内进行低剂量率的缓慢照射。

慢照射比急照射对材料的损伤轻，形态畸变少，而且诱变效果稳定。

•根据照射植物的器官组织不同可分为：种子照射、花粉照射、子房照射、营养器官照射、植株照射、其他植物器官组织的照射等等。

内照射:将放射性元素引入植物体内，由它放射出的射线在体内进行照射。

•内照射优点:剂量低、持续时间长、多数植物可在生育阶段进行处理等。

•方式:
1 浸种法
2 施入法
3 涂抹法
4 注射法
5 在示踪研究的植株上采取种子或枝条等
适宜剂量和剂量率的选择•概念
◎适宜剂量
◎致死剂量：
◎半致死剂量：
•剂量的选择原则：
活：后代要有一定的成活植株
变：在一定的成活植株中，有较大的变异效应
优：产生的变异有较多的有利突变。

辐射育种的程序
•处理材料的选择
•突变世代的划分
•分离世代群体数量的估计
•突变体鉴定和选择
•辐射育种的基本程序
突变体鉴定和选择
•形态鉴定
•实验室鉴定
•遗传学鉴定
•生物化学鉴定
•抗性突变体的离体筛选鉴定
辐射育种的基本程序
•以种子为辐射处理材料
•以花粉为辐射材料
•以营养器官为辐射材料
辐射育种的突变特点及其超常优势
通过在水稻育种中所进行的辐射诱变试验发现，通过辐射处理的水稻细胞会发生多种突变，其中
包括染色体突变、基因突变和核外突变。

在这些突变中，多数为基因突变。

这种突变的特点为：(1)多数为隐性突变，该突变一般在M 不明显，只有到M 隐性突变基因趋于纯合时才会表现出来。

因此，往往把M 作为选择的起始代。

(2)不同性状的基因突变频率不同，叶绿素突变、矮杆突变、早熟或晚熟突变等较易发生，因此，不同的突变育种性状应有不同大小的M 群体以供选择。

(3)突变性状通常稳定快，一般经历3~4代即可稳定，因而育种周期短，有利于在较短时间内育成新品种(闵少楷和汤圣祥，1997，中国稻米，(5)：34—36)。

(4)在射线(如6~Co．y射线)的总照射量为一定值时，照射量率对最终的生物效应有着重要的影响。

为了提高诱变效果，应该根据不同的育种目
的，选择适宜的照射量率。

如：为了提高总的突变频率和获得更多的矮杆及迟熟变异，以86．5 rad／min效果较好；为了获得早熟变异，在86．5～461．7 rad／min的范围内均能获得较好效果；为了获得更宽的变异谱则以188．9 rad／min效果较好(万贤国等，1994)。

与常规育种相比，辐射诱变育种具有如下优势：(1)可以提高作物的突变频率，扩大突变范围，从而为选育新品种提供更为丰富的原始材料。

利用辐射诱发作物的突变频率可从千分之几到三十分之一左右，要比自然突变频率高出100 1 000倍，并且突变的范围宽泛，能够克服植物的白交不亲和性、促进远缘杂交和基因重组实现基因转移(张小静和陈富，2008，现代农业科技，(13)：14—15，17)，引起作物的形态结构和生理生化等多方面的变异。

例如，用射线处理小麦种子，在其后代中出现很多有实用价值的变异，如早熟、矮杆、抗病、抗倒伏以及蛋白质和含油量增加等，极大地丰富了作物育种工作的原始内容。

(2)能够改变农作物品种单一的不良性状，克服原有品种的缺陷，并能够使种质发生突变的特性很快趋于稳定，从而大大缩短育种周期。

f3)可以较快地提高品种的品质。

有的可使植株矮化和高产，如施巾帼等(2002)用质子辐照冬小麦，结果不仅使其株高降低了10 cm以上，而且其产量也比原品种提高了10％以上；有的可显著地提高抗性，如肖韵琴等用射线辐照红玉苹果，结果发现得到的突变体其斑点病发病率仅为5％，而比照组为55％(范建新等，2009)；还有的使植株形体发生变异，如Mshara等(2007)在香蕉离体茎段培养中反复的射线照射，结果得到了矮化、卵圆形叶与雪亮深绿色叶等形态变异的香蕉材料。

日本辐射诱变育种的最新进展
从C场育种学术讨论会第31 届会议(1992 年) 至第35 届会议(1996 年) 的主题[1 ]可以看出日本突变研究的动向是利用诱发突变开发作物新的功能; 利用生化技术选择和分析突变体, 提高选择效果; 寻找作物诱发突变同基因重组的连接点; 以及利用离子束来诱发突变和克
服远缘杂交不亲和性。

第31 届学术讨论会以“作物新功能开发和突变的利用”为主题。

许多研究人员基于许多突变体及其分子表达机制的研究成果展开了突变研究新的方向。

第33 届学术讨论会上发表了以水稻为中心的优质、高产、耐冷、脂氧合酶缺失等新突变体的选方法, 在世界上首次报道了利用W x 蛋白质缺失突变体获得糯小麦的研究成果。

九州大学农学部佐藤光等从遗传、生化以及基因水平上, 系统地研究了水稻品质突变及其利用。

他们发现,构成水稻醇溶朊分子的种类特别多, 且品种间醇溶朊分子的组合也显著不同[8 ]。

在MNU 处理受精卵后代中,得到了由单基因控制的与醇溶朊累积有关的若干突变体, 并且鉴定控
10ö13a2L( CM 21 ) 突变体( 13bKD 多肽增加, 10,13aKD 多肽减少) 的基因位点为exp 21 (ch r7) , 控制10ö13a2L (CM 1675) 突变体的基因位点为exp 23 (ch r 11) , 控制13b2L
10ö162H(CM 1834) 突变体的基因位点是Esp24。

通过MNU 处理得到的很多醇溶朊突变体表现为通常的胚乳变异。

但esp 23 和Esp 24 两个基因是表现为核基因控制的母性遗传, 暗示了醇溶朊的累积存在着复杂的遗传调节系[9 ]。

他们还就水稻种子蛋白质主要成分谷朊的突变进行了研究, 用MNU 和辐射处理获得了谷朊的结构基因突变。

这些突变的一部分尽管是同一基
因位点的变异, 但等电点和分子量有很大变化, 说明多肽结构发生了变化。

对MNU 受精卵处理后代系统的SDS2PA GE 分析, 得到了A21 亚基增加突变, A21和A23 亚基增加突变, A23 亚基增加突变和A2亚基减少突变体。

CM 1707, TCM 221,TCM 1170, EM 278 和EM 659 表现为A22 亚基显著减少。

TCM 1170 突变体57KD 的多肽增加。

通过IEF 的分析, 确定了各突变体亚基构成中多肽的缺失情况。

这些结果说明了诱发各种多肽分子突变是完全可能的[10 ]。

在MNU 处理后代的突变体和常规栽培品种中获得了57KD 多肽大量累积的突变体(57H 突变体)。

分别鉴定为esp 22 (ch r 11) ,Glup 21 (ch r 9) , glup 22 (ch r 9) , glup 23 (ch r4 ) , glup 24 ( ch r 5 ) , Glup 25 ( t ) ( ch r 9 ) 和Glup 26 ( t) (ch r 6) 7 个基因位点。

通过用谷朊抗体的W estern B loff ing 法分析, 明确了这些是谷朊前体多肽大量累积的突变体。

他们对这些突变体的胚乳进行了显微镜观察和生化分析, 认为通过改变结构基因和与蛋白质的形成膜运输等功能有关的基因, 改变种子贮藏蛋白质的质和量都是可能的[11 ]。

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