空间诱变育种-9

• GCR中含有相当量的高能重粒子(HZE),SPE中重粒子 占总剂量的10%。 • 空间重粒子一般是指原子序数大于或等于3的粒子,具 有很高的能量,比Ｘ-射线和γ-射线具有更强的相对生物 学效应。 • 单个高能重粒子穿过生物体时,生物体内蓄积大量的能 量,并导致生物体的损伤,如果能量停留在生物体内,则 受到的损伤更大。 • 高能重粒子(HZE)具有强烈的诱变效应,可以导致细胞 的死亡和突变。
3 航天诱变育种的机理
• 宇宙空间特殊的环境条件能直接影响生物的生存、生 长、发育、衰老,引起生物的基因突变。 • 产生变异的主要原因是由以下几个因素决定的。
• 微重力、强辐射、其他因素的复合效应、转座子说
3.1
微重力
• 在宇宙空间,重力仅为地球的百万分之一到十万分之一, 这是影响生物生长发育的重要因素之一,也是产生变异 的重要原因之一。 • Kiss J Z等研究微重力对拟南芥幼苗生长发育的影响, 他们认为其种子的发芽率不受微重力的影响,但是幼苗 生长受到抑制,株形比对照矮小。 • 微重力能够使细胞分裂紊乱、染色体畸变、核小体数 目发生变化,从而影响植物的生长发育和信号传递等生 理生化过程。 • Anikeeva等认为微重力能够干扰DNA的损伤修复系统, 抑制DNA损伤的修复,增加植物对其它诱变因素的敏感 性,加剧生物变异,提高变异率。
4.4空间诱变获得材料的分子生物学分析
• G.Horneck等[23] 研究表明: 真空度的提高会导致孢子突变频率的提高,但对质粒DNA无 影响。 宇宙射线会导致DNA链的断裂并使材料的成活率降低。 • 邢金鹏、陈受宜等利用卫星搭载获得了水稻农垦58大粒型 突变系。 通过对突变系及原始对照的RAPD分析,找出了与大粒性状 相关的特异片段OPA18-3,并定位在水稻第11条染色体上 证明了突变后代在染色体的DNA水平上确实发生了变异。
• 高空气球： • 高空气球的条件一般为30～40km,停留时间在10ｈ左右, 其高度、大气结构、气温、空气密度、压力、地磁、 辐射流（宇宙射线、等离子辐射）均与地面有很大差 异,另外还有强烈的紫外线照射,这些条件均可能引起生 物发生变异。 • 高空环境主要是指对流层以上大气层,如平流层、电离 层等,海拔高度约为30～80km厚的大气层。 • 与卫星搭载相比,高空气球是一种费用较低的方式。 • 另外,目前已研制出了空间培养箱,能按设计要求控制培 养箱内在试验阶段的温度等,即小生物舱搭载,将空间试 验提高到了一个新水平。
• 韩东、李金国等 对3个同工酶有差异的番茄突变体进行了RAPD分析,在 50个引物中,有5个引物扩增出了多太性产物。 • 在稻作（Xu等，1992年) 、马铃薯（Li等）及食用菌 等的空间诱变材料也进行RAPD分析，从分子水平证 明了突变。
5我国航天诱变育种所取得的成就
• 自1987年以来,我国利用返回式卫星及气球进行了空间 诱变育种的尝试。 • 到目前为止,我国利用航天诱变技术已培育水稻、小麦、 玉米、大豆、青椒、蕃茄、黄瓜等许多农作物、蔬菜 和一些花卉新品种(系)及优良菌种。
3.3
其他因素的复合效应
• 生物材料产生突变是飞行环境中诸多因素综合作用的 结果。 • 诸如大气结构、空气密度(超真空)、压力、地磁强度、 气温等。 • 这些因素加上微重力和空间辐射引起生物体内遗传物 质的结构发生改变而产生变异。
3.4
转座子说
• 随着基因组研究的深入和发展,最近中科院遗传所的专 家发现了新的诱变机制--转座子说。
• 他们研究认为:太空环境使潜伏的转座子激活,活化的转 座子通过移位、插入和丢失,可以导致基因的变异和染 色体的畸变。
来自百度文库
• 这一新的发现为航天诱变育种的机理研究又增加了新 的内容,加速了航天诱变育种机理的研究进程。
4生物学效应
4.1空间环境对植物生长的影响
研究表明: • 微重力能减缓植物的生长速度和生长周期; • 进入太空的郁金香花蕾不能开放; • 兰花生长期达6个月; • 莴苣幼苗的根冠细胞在微重力的作用下不能再生,而地 面上只要4 8天。 • 空间条件对植物的生长习性及形态也会产生影响; • 地上部变直立型为簇生型,生长点的趋光性消失,根、茎、 叶的生长取向发生改变,并受种子放臵位臵的影响。 • 同时,真空条件能够使植物种子增加对诱变因素的敏感 性。
3.2
强辐射
宇宙空间存在着比地球上强得多的天然辐射,这些射线 包括： • 地球磁场捕获高能粒子后产生的俘获带电辐射 • 太阳系外突发性事件中产生的银河系宇宙射线(galactic cosmic rays,GCR) • 太阳爆发产生的太阳粒子(solar particle events, SPE)。
• 我国是世界上能发射返回式卫星和飞船的三个国家之 一,已经成功地发射了多颗返地卫星和飞船,因此,具有 了航天诱变育种的优势。 • 我国自1987年发射的返地卫星首次搭载植物种子以来, 发射了9颗卫星和2艘飞船,共吸引全国22个省市的70多 个单位参与种子搭载试验,从中筛选出许多优良的植物 新品种。 • 据不完全统计,通过航天诱变育种培育成的高产优质新 品种在全国范围内种植面积已达百万亩以上,产生了良
• 空间诱变小麦 根尖的畸变细胞数目高于地面对照组。
• 棉花诱变材料 叶肉细胞排列明显比对照疏松,尤其是Sp1的栅栏细胞 形状明显细长,叶绿体数量少,细胞间隙大,海绵组织细 胞不规则,压片观察表明搭载种子后代的染色体看起来
较为细弱;
4.3空间环境对植物产生的生理生化及细胞学效应
• Ｗerｍer 等的研究表明在微重力条件下,烟草原生质体 融合的效率明显提高; • 太空生长植物与地面对照材料之间在激素水平上无显 著差异(如吲哚乙酸、脱落酸等)。 • 王希季等报道,空间飞行后的康氏木霉的纤维素酶和葡 萄糖苷酶活力提高28%以上,黑曲霉糖化力和葡萄糖苷 酶活力提高80%以上,而且在3年多的使用过程中活力 稳定。 • 李金国等从细胞水平和生化水平上证明了突变的有效 性。
空间诱变育种研究的新进展
关键词：
• • • • • • 航天诱变育种(Spaceflight Mutation Breeding) 航空诱变育种（Aviation Mutation Breeding ） 高空气球(High Altitude Balloon HAB ） 空间（环境）(The aerospace condition) 返回式卫星（Recoverable Satellites ） 诱变育种（Mutation Breeding）
小麦航天诱变育种同样也取得了新进展
• 小麦航天2号已进入了生产应用。 • 张世成等(1992) 利用卫星高空处理小麦豫麦13,获得高产新品系。该品 系比对照豫麦2号增产7.3%,比原豫麦13增产3.4%,且比 原豫麦13抽穗期、成熟期提早1～2ｄ,穗增大,成穗数提 高,丰产性好。 • 江西省农科院 选育出特早熟、品质优良的黑大麦及早熟优质抗病小 麦新品系。
• 王斌、李金国等将获得的绿豆长荚形突变系和其原始 对照品系进行了RAPD分析。 在100个引物当中,有3个引物在突变系和原始品系之间 扩增出了稳定的重复性好的多态性产物; 而且在这3个引物的RAPD图谱中,突变系之间都是一致 的,但它们与原始对照品系之间都有着共同的差异; 从分子水平上说明获得了突变，且突变趋于稳定。
• 空间诱变育种（ Space Mutation Breeding ）
• 指在高空进行各种农作物飞行搭载处理,使农作物在太 空特殊环境条件下产生突变,返回地面种植选育,获得 生物新品种。 • 空间诱变育种是航天技术、生物技术和农业育种技术 相结合的产物,是近几十年来产生的一种崭新的育种技 术。 • 农作物高空气球搭载诱变育种特点： • 可获得地面难以得到的罕见突变体,且其变异频率高、 变异幅度大、变异材料容易稳定、有利变异多、有利 于培育出高产的农作物和食用菌的新品种。
5.1粮食作物和经济作物
许多农作物种子经过空间诱变处理,获得了高产、优质、
早熟、抗病性和抗逆性强的新品种(系)。
水稻 • 徐建龙(1997年) 从特早晚粳稻丙95-503的Ｍ 2代中筛选出株高比对照高 10cm,穗形加大,平均每穗数85.3粒,比对照多15.2粒的突 变体。 在中熟晚粳加59后代中发现了多穗、大穗丰产型的突 变体,有望直接育成新品种(系)。 • 江西省宜丰农科所和中科院遗传所合作（1988） 选育出太空特种稻,单产1.2万kg/hm2 。还选育出新的 不育系、优质黑米和红米新品种。 • 抚州地区农科所（2000） 选育的太空早籼优质早熟新品种Ｖ5025通过了江西省 省科委成果鉴定,比对照增产16.3%～17.9%,高抗稻瘟 病,适应性广。
粉粒;有的形状不规则;有的内含物少、花粉表面内陷。
• 花粉细胞形成和发育的组织切片表明: 小孢子母细胞减数分裂开始到小孢子的发育成熟,异常情况 均与小孢子母细胞减数分裂有关。 主要表现在小孢子母细胞的减数分裂过程中: 一是小孢子母细胞在第一次减数分裂、形成二分体以前中 止了二分体的形成,或者形成异常二分体； 二是四分体形成以后,小孢子成为有核而无细胞质液的散状, 或者是无核膜的核质融合体； 未观察到与绒毡层细胞发育异常有关的情况,也没有观察到 与中层细胞、药隔维管束细胞发育异常的情况。 而栽培谷子的雄性不育往往是由于绒毡层细胞发育异常、 中层细胞的液泡化、药隔维管束细胞退化、发育不良及结 构紊乱等原因所造成的。 说明空间环境诱发的谷子花粉败育可能与染色体畸变有关, 这与栽培谷子的雄性不育系存在着显著的不同。
4.2空间环境对植物遗传性变异的影响
• 空间环境对搭载种子的影响是连续的、相互联系的.
• 特别表现在花药的形成和花粉细胞的发育上。
• 高空气球搭载的谷子: • Sp2代大约有8.6%的植株为不育株; • 在Sp3代不育株谷子约有23.8%～54.9%的花粉发育成 熟状况不佳; • 显微镜下观察发现,未成熟的花粉,有的体积小,不含淀
好的经济效益和社会效益。
我国航天超级稻亩产突破1100公斤创最高纪录 2003年9月3日，从滇西北金沙江畔永胜县涛源乡传出喜讯：经专 家现场实割验收，由我国水稻育种专家培育出的"Ⅱ优航1号"和 "Ⅱ优247"两个超级稻，亩产创航天水稻问世以来亩产最高纪录。 9月2日，来自四川省农科院、福建省农业厅、云南省丽江市农技 推广总站的水稻专家 ，对我国著名水稻育种专家、福建农科院院 长谢华安研究员主持选育的“Ⅱ优航1号”和“Ⅱ优247”新组合， 在云南省永胜县涛源乡进行现场实割验收。结果表明，农户胡红 兵种植的“Ⅱ优航1号”干谷亩产1162.01公斤；农户张恒昌种植 的“Ⅱ优247”干谷亩产1183.81公斤，亩产均突破1162公斤，显 示出较高的超高产潜力。 来源： 新华社 2003-09-03 15:03 /编辑： 李强
2空间诱变的条件及方式
• 高空环境具有高真空、微重力和多种高能粒子辐射等 特点,具有诱变育种的多种因子,这是地球上无法比拟 的。 • 我国空间诱变育种的搭载方式主要有两种,一种是返地 式卫星搭载,另一种是高空气球。
• 卫星搭载： • 例如1994年7月7日我国发射的JB-Ｂ-94073型返地式科 学搭载卫星,距地175～350km,微重力优于1×10-3ｇ,真 空1×10-3Pa,辐射量为12.8ｍGy/ｄ,总剂量约为191ｍ Gy(14ｄ19ｈ)。 • 植物种子可以安放在密封的有机玻璃或塑料管内,或缝 在布袋里,捆扎在加收舱里。 • 样品经飞行回收后,与地面对照材料一起进行培育、种 植,研究空间环境对植物的诱变作用,从中筛选出能促进 农业发展的优良种子。 • 获得了一批水稻、小麦、青椒、番茄等的丰产、优质 新品系,开辟了农作物诱变育种的新途径。
主要内容
• • • • • 1国内外研究动态 2空间诱变的条件及方式 3航天诱变育种的机理 4生物学效应 5我国航天诱变育种所取得的成就
• 6展望
1国内外研究动态
• 国外关于航天诱变方面的研究始于20世纪50～60年代。 • 近年来,航天大国已在空间站进行了生物学试验,先后培 育出百余种太空植物,为航天诱变育种打下了坚实的基 础。 • 据不完全统计,全世界在1957～1994年间发射空间生命 科学卫星113个,其中搭载植物材料的有37次,包括前苏 联16次、美国14次、中国7次。