诱变育种

诱变育种

第一节诱变育种的概念、意义与特点

诱变育种就是人为地采用物理、化学的因素,诱发有机体产生遗传性的变异,并经过人工选择、鉴定、培育新品种的途径。诱变育种的目标就是改变或增加一个满意品种的某一特性,而在其她方面保持品种不变。如果需要一个适应性好、独特的、非常合意的与受欢迎的品种,这种方法特别吸引人。

诱变育种的特点:1)提高突变率,扩大变异谱;2)适于进行个别性状的改良;3)育种程序简单,年限短;4)变异的方向与性质不定(已有人把人工合成低聚核苷酸片段引入基因组中,以一定方式改变某一基因,进行定向诱变)。

作为一种育种方法,诱发突变技术在培育那些在种内有足够的遗传变异与由显性基因确定其特性的作物,就是可有可无的或无前途的。但就是,显性突变型曾被诱发,特别就是抗病型,部分由于寄生植物的基因与病原体的基因之间的相互作用。在完全不育或无性繁殖的植物中,诱变育种就是品种改良的唯一方法,例如专性无融合生殖植物,它不产生有合子胚的种子。无融合生殖在柑橘类与某些苹果属、树莓属的种中就是普通的。

诱变育种就是常规育种的一个补充或在园艺植物育种某些方面潜在替代者:1)在适应性广泛的种中诱发变异性,假若进一步的杂交提供有限的变异性与改良,而品种已接近选择的极限;2)诱发一个新的特性,如果没有通过杂交能传递的已知基因源,例如抗病性、企望的生长型或自交亲与性;3)在有性繁殖中将会消失的特定突变,通过营养繁殖产生与保存;4)打破与不良的特性或基因多效影响的连锁;5)使现存的嵌合体显露与均质化,并使突变型获得稳定;6)在远缘亲本之间杂交中遏制不亲与性;7)诱发单倍体;8)在无融合生殖植物中产生过渡性有性状态。

成功的诱变育种需要:1)处理可用于筛选的大的植物群体;2)预期的特性突变率高;3)可以用视力诊断或简单测定鉴别突变的有效方法。

第二节诱变因素

在诱发突变中,有两类诱变剂被使用:物理的与化学的。物理的诱变剂有:1)紫外灯发出的紫外线(UV)照射;2)电磁辐射:X射线发生器发出的X射线;从放射性同位素钴60或铯137发出的ϒ射线;3)微粒辐射:从核反应堆发出的热中子或慢中子;从放射性同位素磷32或硫35发出的β粒子(电子)。化学诱变剂主要用于种子繁殖植物。较常用的有:叠氮化物、秋水仙碱、烷化剂、碱基类似物等。

1.物理的诱变因素

物理诱变因素的辐射能对植物诱发化学反应,结果造成DNA结构的变化。这些变化如果在DNA中保持重复,证明就是突变。

1、１紫外线的能量与穿透力低,能成功地用于处理花粉粒。

1、2电磁辐射与中子容易穿透植物组织。

1.3X射线:辐射源就是X光机。X射线又称阴极射线,就是一种电磁辐射,它不带电核,就是一种

中性射线。一大部分的栽培作物用物理诱变剂诱发的突变就是X射线辐射的结果。X射线的反应在有氧时会加强。

1.4ϒ射线:辐射源就是60Co与137Cs及核反应堆。ϒ射线也就是一种不带电荷的中性射线。应用

于植物育种的ϒ射线照射装置有ϒ照射室与ϒ圃场,前者用于急性照射,后者用于慢性照射。1.5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。在生物研究中,通常用慢中子或热中子。热中子处理比用X射线照射更少受干扰因素的影响,如氧的浓度或温度。对多数作物来说,包括苹果,中子就是比X或ϒ射线更有效的诱变剂。高密度中子主要造成氧独立的不可挽回的损害,包括染色体畸变。

1.6β射线:辐射源为32P与35S。β射线就是一束电子流,产生与X或ϒ射线相似的作用。32P与

35S比X射线或ϒ射线射出较快的电子。这些放射性同位素的半衰期32P为14、3天,35S为87天。这些同位素作为化学溶液应用时,可以在生长期树的流液中诱变。

1.7近年来,诸如激光、电子束、微波等新的诱变剂也开始在果树育种上应用。尤其就是离子辐

射,诱变频率约在6、8~12、0%之间,高于ϒ射线,且能诱导几个以上的性状同时突变,应用前景广阔。

1、7、1激光辐照诱变育种

激光与普通光相比,具有高方向性、高单色性与高亮度等基本特征。因此,一旦某种激光的频率与生物体内某种物质分子振动频率相等,就会产生很强的共振,使该物质分子对这种激光产生吸收高峰。能量的积累,引起分子内化学键断裂。当这一分子与其它分子相互作用时,就会产生新的化学键,从而使化学性质发生改变,引起生物体性状的变异。利用激光进行诱变育种研究,处理材料可以就是植物的干种子或剥去种皮的裸胚、幼苗、根尖,也可以就是未成熟的花器官、花粉及离体花药等。常用的激光器有CO2激光、He-Ne激光、N2激光、红宝石激光等,照射剂量一般采用1~50J/cm2,时间可以短到1秒,长至数小时不等。由于激光微束具有方向性好、光色单一、高亮度与高能量密度等特点,能准确地照射到事先选择好的细胞的某一特定部位或某一细胞器,使其产生选择性损伤,或进行显微手术,且不损伤邻近部位的细胞器或组织,从而达到某一特定的研究目的。据报道,中科院遗传所利用激光微束把外源Gus基因导入水稻细胞,并得到瞬时表达。王兰岚等利用激光微束切割染色体,成功地把蚕豆、小麦、玉米、大麦等的一条染色体切割成2~12个片段。这一实验结果创建了激光显微切割高等植物染色体的技术,为进一步应用于植物染色体工程、基因定位及植物染色体片段DNA微克隆提供了可能。可以预见,激光生物工程的崛起与发展,将有力推动植物基因工程的育种应用,使植物育种工作提高到一个新的阶段。

1.7.2离子注入诱变育种

离子注入就是80年代初广泛应用于金属材料表面改性的一项高新技术。1986年中科院等离子体研究所等单位在我国率先将此项技术应用于植物育种。能量为几十至几百keV的核能离子通过发生器注入生物体内,在其到达终位前,将同靶材料中的分子、原子发生一系列的碰撞。通过碰撞、级联与反冲碰撞,导致靶原子移位,留下断链或缺陷。目前,离子注入植物品种改良已涉及几乎所有主要的粮食与经济作物。据悉,育成的两个水稻新品种晚粳D9905与S9042米质优、抗性好,至1994年累计推广3万多公顷。由于离子注入具有刻蚀作用,可以引起细胞膜透性与跨膜电场的改变,因此离子束介导的植物转基因技术一经建立,便初获成功。安徽农科院等单位利用该法已Gus基因导入水稻与棉花带壁细胞,并将外源潮霉素抗性基因(hph)导入水稻种胚细胞,获得了转基因植株。低能离子束介导外源基因转移直接利用种胚做外植体,省去了原生质体制备与再生植株的麻烦,便于大量操作与取材,为植物,尤其就是农作物基因工程注入了新的活力。

1.7.3空间诱变育种

空间环境的显著特点就是高真空、微重力与强辐射。研究表明,植物种子由卫星、高空气球搭载经空间飞行后会发生遗传性变异,而且这种诱变作用具有普遍性。我国自1987年以来7次利用返回式卫星搭载植物种子,从中获得了大量的变异类型,涉及到主要粮食及蔬菜作物,并已培育出一些新的突变类型与具有优良农艺性状的新品系。利用高空气球搭载植物种子在海拔

30~40千米高空滞留,同样可以获得优良的种质。

以上这几种新的诱变手段的研究与应用的时间不长,因此能否最终成为新的诱变因素或诱变源,不仅需要进一步验证其所依赖的理论机制,而且更需要从植物育种实践中进行鉴定,尤其就是瞧能否高效率诱变出使用传统因素难以获得的突变体,或者迄今自然界罕见的种质材料。

物理诱变剂应用最广泛的就是X射线、ϒ射线、β射线与中子等。研究证明,果树方面按突变频率的大小,其顺序为中子＞ϒ射线(或X射线)＞β射线(Bender,1970)。如改良苹果杂种时中子处理比X射线产生更大比例的二叉枝,用中子处理科兰特苹果得到全红突变体,X射线处理只能得到扇形变异。据统计国际上育成的果树新品种中,ϒ射线育成的占67、6%,X射线育成的占14、8%,中子育成的占5、9%,其她物理诱变剂育成的占2、9%。