人工诱变技术在植物抗病育种中的应用_综述_

2007,36(3):69-73.
Subtropical Plant Science
人工诱变技术在植物抗病育种中的应用(综述)
张燕玲，吴立蓉，贺 红
（广州中医药大学中药学院，广东广州 510405）
摘要：介绍人工诱变技术在植物抗病育种中的主要成就，并探讨其发展方向及前景。

人工诱变技术与杂交
育种、基因转移及离体筛选等手段相结合，提高了育种效率，拓宽了抗病育种的范围。

该技术在植物抗病育
种中的成功应用，将有利于培育植物抗病新品种，促进农业的增产增收及可持续发展。

关键词：人工诱变；植物；抗病育种
中图分类号：S335 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2007)03-0069-05
Application and Prospect of Artificial Mutation Technology on Breeding for
Resistance to the Diseases of Plants
ZHANG Yan-ling, WU Li-rong, HE Hong
(College of Chinese Materia Medica, Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine Guangzhou 510405, Guangdong China)
Abstract:This paper introduces the main achievements of breeding for disease resistant of plants.
It elaborates that artificial mutation connected with crossbreeding，gene transfer and in vitro selection could raise the breeding efficiency and enlarge the field of breeding for disease resistant.
The application of artificial mutation technology is favorable to cultivate new disease-resistant varieties, and promote the development of agriculture.
Key words: artificial mutation; plant; the disease-resistant breeding
植物病害是植物在生长期内面临的主要威胁之一，直接影响其生长发育和繁殖，尤其是农作物的病害更是给农业生产带来极大损失。

喷施化学农药是目前防治植物病害的常用方法，但长期使用对生态环境造成了严重污染，同时，农产品中的农药残留直接危害人的健康。

因此，对植物进行性状改良，培育抗病品种显得尤为重要。

传统的杂交育种和系统选育经历了一个多世纪的发展，已形成一整套较为完善的育种理论和技术体系，在植物抗病育种中发挥了巨大的作用[1-10]。

在现有种质资源中拥有相关抗源，是进行杂交育种与系统选育的基础，而对于抗源单一或缺乏的植物而言，有其局限性。

此外，在基因高度连锁，或者某些基因类型与有害性状相联系，或者存在基因多效现象的情况下，利用传统育种进行基因转移难以成功。

植物人工诱变育种是人为地利用物理诱变因素（如X射线、γ射线、中子、激光、离子束和宇宙射线等）或化学诱变剂，对植物器官、细胞及DNA等进行诱变处理，诱发基因突变和遗传变异，在较短时间内获得有利用价值的突变体，根据育种目标，选育新品种。

诱变育种可以诱导产生自然界不存在的或者非常罕见的新性状、新类型，弥补资源的缺乏，为植物抗病育种开辟新途径。

1 人工诱变在植物抗病育种中的应用
Standler于l928年首次发现并证明X射线和镭对禾谷类作物存在诱变效应。

1934年，Tollener利用X射线诱变育成了第一个农作物突变品种——“Chlorino” 烟草，从而开创了作物诱变育种的新纪元。

收稿日期：2007-03-15
基金项目：国家自然科学基金项目（30472152）
作者简介：张燕玲（1982-），女，广东梅州人，硕士研究生，从事药用植物诱变育种研究。

注：贺红为通讯作者。

第36卷 ﹒70﹒
从最初的辐射及化学诱变剂处理，到随后发展的激光诱变育种、空间诱变育种和离子注入诱变育种等，诱变育种的方法和手段不断得到拓展。

在抗病育种中，Freisleben和Lein于1942年首先使用X射线处理获得抗大麦白粉病的突变体。

20世纪70年代初，Murray利用热中子处理感染枯萎病的工业用薄荷品种Mitcham，育成了抗病品种Todd’s Mitcham和Murray Mitcham，有效控制了枯萎病对薄荷的严重危害。

利用辐射诱变并结合系统选育，日本培育出具有抗稻瘟病基因Pita的“幸稔” 水稻新品种，匈牙利选育出高抗稻瘟病的突变新品种核稻，希腊筛选出对3种锈病和霜霉病有中抗性的G-'-07783小麦新品种，瑞典育成抗白粉病的突变体RefoITlla。

在我国，利用辐射技术与常规杂交育种相结合，成功培育出高抗条锈病、赤霉病和后期叶枯病的“川辐1号” 小麦以及高抗花叶病、灰斑病和紫斑病的诱变30号大豆等[11]，取得了显著的经济效益和社会效益。

随着现代生物技术的进一步发展及其与其它相关学科的紧密结合，人工诱变育种方法不断得以改进创新。

人工诱变和其它技术相结合，显著地提高了抗病育种的效率。

1.1 人工诱变技术与杂交育种相结合
诱变育种突变率高，变异范围广，随机性大，获得可供选择的资源多，有效地弥补了抗病育种中抗病材料缺乏的不足。

但一般情况下，诱变处理难以获得多种性状同时得到改进的优良突变体，因此，多数突变体不能直接应用于生产。

但突变体具有个别突出性状，可作为杂交亲本，与相应品种杂交培育新品种。

杂交育种是通过不同基因型亲本间的有性杂交和基因重组，对所创造的变异实施多代选择、鉴定而育成新品种的方法。

通过杂交育种，可以将双亲的优良性状综合在一起，目标准确，选择群体较小。

杂交育种与诱变育种两者结合，能相互取长补短。

毛新余等[12]利用60Co γ射线3万伦琴辐射处理IR36水稻得到IR36辐，然后以IR36辐为父本，珍汕97A为母本，配组育成优质抗病的汕优36辐型水稻。

吕秀珍等[13]以晚熟抗病毒病感灰斑病品种与感灰斑病感病毒病丰产品种杂交，经辐射处理，利用辐射单点突变和亲本抗病遗传的各自优点，育成了抗病毒病兼抗灰斑病大豆新品种合丰33号。

刘刚等[14]选育出的新桑品种川826系，其母本是人工有性杂交种子用60Co γ射线处理后选出的优良单株，父本为优良的地方品种。

杨爱珠等[15]用250Gy 60Co射线处理原武02×齐31杂交一代得到玉米原齐123自交系，再以原齐123为母本，黄早4为父本，杂交获得鲁玉5号，该品种具有早熟高产，抗大、小斑病和青枯病等优点。

郑伟等[16]以合丰35号为母本，公交84112-1-3为父本进行有性杂交，然后对F2代辐射诱变，育成具有抗病性强、高产及高油等优点的高油大豆“合丰46号”。

任作瑛等[17]以杂交育种与辐射诱变技术相结合选育出高抗桑黑枯型细菌病的优质高产新桑品种“激7681”系。

采用类似的方法，尚勋武等[18]育成了抗条锈、根腐病能力较强的面包型春小麦新品种“甘春20号”。

1.2 人工诱变技术与基因转移相结合
人工诱变可诱发染色体易位。

自然状态下，染色体易位的发生几率很低，但通过辐射处理便能大大提高其出现频率。

辐射可以诱发染色体断裂和融合，从而形成易位系。

在抗病育种工作中，可以通过辐射诱发染色体易位来促使抗病基因转移[19-24]。

随着生物技术的发展，人们采用DNA导入法，通过花粉管通道将外源DNA导入受体来实现遗传转化，但由于导入的总DNA片断较大，影响了遗传转化效果。

辐射处理可以引起外源DNA分子降解，使片断变小，提高整合率和转化率。

因此，导入经辐射处理的外源DNA，可以更好地实现遗传转化，有目的地进行种质改良，在短时间内获得有价值的种质资源。

孙光祖等[25]将诱变与DNA导入法相结合，成功获得抗黄矮病的大麦品种。

上世纪八十年代开发的诱变源——离子束，近年来已被成功应用于介导植物转基因技术中。

利用离子束介导转基因可直接转入裸露DNA大分子，取材方便，程序简化。

生物组织具有疏松结构，由活泼的有机分子构成，是热和电的不良导体，通过大剂量的低能离子刻蚀可以使生物体表面减薄、生物沟道连通，形成转基因通道，从而使外部DNA直接导入细胞成为可能。

同时，离子注入引起细胞内DNA
第3期张燕玲,等：人工诱变技术在植物抗病育种中的应用（综述）﹒71﹒
损伤诱导的修复作用，有利于外源基因向受体基因组的整合。

程备久等[26]将克氏棉和红麻DNA导入泗棉2号，获得了高抗枯萎病的棉花新品系。

吴丽芳等[27]用低能氩离子束介导将水稻几丁质酶基因导入小麦，获得一批抗赤霉病的转基因小麦植株。

1.3 人工诱变技术与离体筛选相结合
最初的人工诱变技术大多在个体水平上进行，如以成株、种子、种球等为诱变材料，存在诱变效率低及出现嵌合体等问题。

而人工诱变与离体培养筛选相结合，有其优越性。

离体培养材料较小，诱变剂容易被吸收，更易获得数量较大的诱变群体，从而可以在有限的空间内对大量的诱变群体进行选择，周年都可进行繁殖，提高选择效率；而且植物离体培养中通过不定芽（或器官）发生和体细胞胚胎发生通常被认为是单细胞起源的，可以降低诱变中产生嵌合体的比例。

应用细菌或真菌等病原菌所产生的致病毒素作为选择压力进行离体筛选，是目前培育抗病突变体较为成功的方法。

Carlson[28]用0.25EMS处理单倍体烟草细胞，然后在含有烟草野火病菌毒索类似物的培养基上培养筛选抗病细胞系，获得了3个抗病突变体。

Heinz(1973)用500～2 000rad的60Co射线照射甘蔗培养细胞，获得了抗芽斑病毒的突变体。

Behnke(1977)用1 000rad 60Co射线处理离体培养的马铃薯细胞，在含有马铃薯晚疫病菌毒素的培养基中进行筛选，成功获得抗马铃薯晚疫病的突变体。

采用类似的方法，国外研究者筛选出油菜抗黑腥病突变体，甘蔗抗眼斑病突变体，玉米抗小斑病突变体等[29,30]。

我国这方面的研究起步较晚，但进展较快，郭丽娟等[31]用1 500rad的射线照射小麦花药愈伤组织，然后转移到含赤霉病菌毒素的选择培养基上，获得4个抗赤霉病突变体。

孙立华等[32]用水稻白叶枯病菌作为筛选压力，通过离体培养筛选出5个抗白叶枯病突变体。

孙光祖等[33]研究了辐射对小麦不同外植体离体培养的影响和根腐病毒素的筛选效果，获得3个抗根腐病突变体。

另外还有报道成功筛选出枸杞抗根腐病变异体[34]、中国水仙抗大褐斑病突变体[35]、烟草抗黑胫病突变体[36-38]等。

在组织培养过程中，虽然细胞本身可能发生突变，并能成功筛选出所需抗病突变体[39-48]，但诱变处理可以提高突变频率。

郭丽娟等在筛选玉米抗小斑病突变体的研究中，所获得的抗病细胞团大部分是来自经化学诱变剂EMS处理的[49]。

郭丽娟等在筛选小麦抗根腐病和抗赤霉病突变体的研究中，证实用γ-射线处理愈伤组织比未经处理的抗赤霉病能力强，并能保持较高的绿苗分化率[50]。

因此，离体培养结合理化因素诱变处理对筛选抗病突变体是有利的。

2 人工诱变技术应用于植物抗病育种中的展望
在开展诱变育种的过程中，由于个体水平上的诱变效率低，一般需要从大量的个体中筛选少量的有效变异，不仅工作量大，而且操作困难。

同时，由于个体水平上的诱变常常出现嵌合体，后代分离时间长，难以形成稳定的抗病突变体。

将植物组织培养技术应用于诱变育种，利用离体材料进行诱变处理，使得一个突变细胞可能再生成一个突变体，能提高突变频率，并有效克服突变体嵌合现象。

植物组织细胞培养中的突出问题是基因型限制，以致许多植物组织培养未能成功，或有些植物离体培养组织经诱变后难以再生植株。

因此，实践中还需通过对各种类型的材料进行大量的研究，才能有助于发现不同基因型的作用本质和机理，揭示不同材料的特殊性，获得不同基因型培养的成功经验，建立适应性广的组织培养技术，以提供更多的离体培养材料供诱变育种研究。

人工诱变技术应用于抗病育种，抗病突变体的鉴定至关重要。

诱变育种的理论基础是诱变处理能诱发植物体各种遗传变异，但人工诱变也可能引起植物的生理学效应，而且某些效应也可能使植物的抗病性有所增强，但这些变化是不可遗传的。

区分真假突变，还需进行相应的检测。

最初主要依照抗病性状的表现来确定，由于植物的抗病性受植株生理状态及环境的影响，使诱变性状和环境作用难以区别。

后来逐步结合遗传学、植物化学及植物生理学等方法，发现诱变本身可以引起某些内在变化，
第36卷 ﹒72﹒
特别是反映在代谢环节上的特征性变化，如利用植物的抗性生理，选择与抗病性相关的生理指标加以研究。

上世纪七十年代以来，人们又采用染色体压片观察其细胞水平上的变异，并开展了亚分子水平上的同工酶检测。

随着分子生物学的飞速发展，从DNA分子水平上检测植物变异的技术愈来愈完善，特别是上世纪90年代发展起来的筛选抗病性DNA分子标记，用以辅助选择的方法，可以检测出DNA 的实际诱变效应，从而区别真假突变体。

多学科的渗透，多种方法的结合，为抗病突变体的鉴定提供了有力手段。

3 结语
植物抗病育种是遗传学领域面临的一个重要课题，它直接关系到农业的增产增收及可持续发展。

在植物抗病育种的实践中，应在发挥传统杂交育种和系统选育优势的基础上，积极引进诱变育种等现代育种技术手段和方法，加快植物抗病育种的进程。

我国植物诱变育种从无到有，已建立起一套完整的、具有我国特色的诱变育种体系，积累了丰富的诱变育种经验，使诱变技术不仅仅同杂交育种相结合，而且同植物育种的一些新兴领域互相交叉、渗透，使诱变育种技术不断得到创新和发展。

随着人工诱变基础理论研究的不断深入，新技术的不断渗透，人工诱变技术在植物抗病育种中将发挥更大的作用。

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