核农学中核辐射诱变育种应用

核农学中核辐射诱变育种应用
学院：农学院
班级：种科111班
姓名：白雪
学号：2011010216
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。

本文主要介绍核辐射在和农业辐射诱变育种中的应用，简单介绍国内外核农业的发展情况。

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。

关键词核农学，核辐射，诱变育种
一、概念
1、核农学：
研究核素，核射线及有关核技术在农业科学研究和农业生产中的应用及其基础理论的一门学科。

它是介于核科学与农业科学间的一门边缘学科—核农学。

它的主要研究领域是：辐射遗传和育种学、放射生物学、辐照保藏技术、示踪原子应用等，其应用领域不断扩大，并已取得显著成绩。

我国核农学的创始人是徐冠仁博士[1]。

其中包括辐射诱变技术、辐照保藏技术、同位素示踪技术和昆虫辐照不育技术等。

2、核辐射：
通常称之为放射性，存在于所有的物质之中，这是亿万年来存在的客观事实，是正常现象。

核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。

核辐射可以使物质引起电离或激发，故称为电离辐射。

电离辐射又分直接致电离辐射和间接致电离辐射。

直接致电离辐射包括质子等带电粒子。

间接致电离辐射包括光子、中子等不带电粒子[2]。

核辐射无处不在，主要有天然辐射和人工辐射两种。

而将核辐射利用到农业生产上可谓是一举夺得。

3、诱变育种：
用物理、化学因素诱导动植物的遗传特性发生变异，再从变异群体中选择符合人们某种要求的单株或个体，进而培育成新的品种或种质的育种方法。

它是继选择育种和杂交育种之后发展起来的一项现代育种技术[3]。

本文主要论述在物理方面的核辐射作用下的诱变育种。

核辐射诱变育种可大大提高突变频率、缩短育种年限，但其变异方向和性质仍很难控制。

二、原理
自然突变时生物进化的动力之一。

但是，植物发生自发突变的频率相当的低，通常为10-6 [4] 。

辐射育种是简便有效、突变率高的新型育种方法。

即利用各种射线（如X射线、γ射线、中子等）照射处理作物的种子或植物材料等，使其产生优良的突变体。

由于射线作用，使植物细胞产生电离分化，可诱导出现遗传变异。

因诱导基因突变，产生遗传物质的重新组合，经过人工选择，获得价值的突变体，在较短时间内育出高产、优质、抗性强的新品种类型。

将核辐射这一诱导因子应用至农业育种之上无疑提高了突变的效率，实验者从中挑选出优良突变体，或加以杂交，将优良性状集中于植株上，即可培育出优良种源。

大多数作物进行辐射育种的剂量不宜过大。

目前认为，使其产生较为变异，又能保证植株成活率达一半左右，不育性约为1/3，可视为适宜的辐射剂量。

一般地，辐射诱变的诱发突变频率在几万分之几到千分之几之间。

各种射线诱发突变发生频率的顺序是：中子束大于x射线，γ射线大于β射线我国应用最多的是γ射线，其次是中子束[5]。

物理过程如下：快速运动的带电粒子通过物质时，遇到物质原子中的电子和原子核，会同他们发生碰撞，进行能量的传递和交换，主要结果是使物质原子发生了电离或激发，形成正离子和负离子或激发态原子) 带有电荷的核辐射粒子能够直接使原子电离或激发，称为直接致电离粒子。

而中性的核辐射粒子，由于没有电荷不能直接使原子发生电离，但可以通过与物质作用产生的次级带电粒子使物质原子发生电离或激发，称为间接致电离粒子，例如中子和γ射线。

总之，能够直接或者间接使物质原子电离或激发的核辐射就是电离辐射[6]。

电离辐射与生物体作用，引起生物体结构和功能的改变。

一般认为，电离辐射与生物细胞的作用方式有两种：一种是直接作用，另一种是间接作用。

直接作用就是入射粒子或射线直接与生物大分子作用，例如DNA,RNA 等，使得这些大分子发生电离或者激发。

间接作用就是入射粒子或射线与生物体中的水分子作用，使水分子发生电离或者激发。

这些作用最终要表现为一些生物效应。

辐射的生物效应可以归为两类：一类是有害的，如抑制生长、降低免疫能力、增加发病率、减弱生命力、不育、畸形以至死亡；另一类是有益的，如生长发育加快、抗病性提高、产量增加与品质改善等因此，适当地选择辐射源和辐射剂量，采用不同的辐照方法可以使核辐射技术在很多方面有效地被利用[7]。

三、优势
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至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[10]，引起作物的形态结构和生理生化等多方面的变异。

例如，用γ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。

3.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γ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。

四、发展历程
1934 年印度尼西亚的Tollenear M.D. 用X射线处理育成了烟草优良新品种(Chlorina F1 ) ,这是世界上第一个用辐射诱变育成的植物新品种。

到20 世纪50 年代以后,辐射诱变育种研究在美、苏、日和西欧一些国家较多地开展起来,到50 年代后期,我国一些科研单位也开始进行这方面的研究工作
20 世纪60 年代以后,核技术应用研究有了较大的发展,诱变育种的方法也更趋成熟,辐射诱发突变技术在植物育种中逐步显示了其独特的作用。

发展中国家也开始把辐射诱变育种放到重要位置,在亚洲市场上出现了水稻突变新品种。

1969 年联合国粮农组织和国际原子能机构联合处(FAOPIAEA) 开始举办国际植物诱变育种培训班,发行了《突变育种手册》第一版,以期将辐射育种技术向全世界推广应用。

70 年代是辐射育种走向成熟并得到迅速发展的时期。

在IAEA 登记的辐射诱变育成的新品种数,从1972 年的80 个,到70 年代末上升到518 个,同时植物种类也增至69 种。

到20 世纪80 年代,辐射诱变育种研究工作逐步向植物育种的一些新兴领域和传统优势领域渗透,如与现代生物技术、杂种优势育种技术或有效的常规育种方法结合,成为一种综合性的育种新技术,使诱发突变发挥其巨大潜力,取得了很多可喜的成果。

据IAEA 1990 年统计,全世界利用辐射育种技术育成作物品种已增至1330 个(其中种子繁殖作物852 个,营养繁殖作物和花卉达478 个) 。

全世界有近50 个国家开展了辐射诱变育种工作,其中育成农作物品种较多的国家有中国(264 个) ,印度(100 个) ,前苏联(70 个) ,日本(65 个) 和美国(39 个) 。

育成观赏植物及果树品种较多的国家是荷兰(169 个) ,印度(96 个) ,德国(51 个) 和美国(36个) 。

进入20 世纪90 年代后,世界各国均投入较多的人力和财力开展辐射诱变育种的研究和推广应用。

在IAEA 登记的诱变新品种也逐年增加,1992 年有1548 个,1997 年有2052 个,到2000 年高达2252 个,其中我国利用辐射诱变育成的新品种有605 个(40 多种植物) 占全世界总和的2617 % ,年推广种植面积达9 ×106 hm2 以上。

育成的新品种每年为我国增加粮食30～40亿kg ,棉花115～118 亿kg ,油料0175 亿kg ,创经济效益达33 亿元。

在育成的新品种中,先后有36 个获1934 年印度尼西亚的Tollenear M.D. 用X射线处理育成了烟草优良新品种(Chlorina F1 ) ,这是世界上第一个用辐射诱变育成的植物新品种。

至1950 年,世界上真正在生产上推广应用的辐射诱变品种就是这个烟草品种。

在这期间仍有一些育种科学家从事辐射诱发突变和植物育种的研究。

例如,德国的Fresleb M. 和Lein.M 于1942 年获得了大麦抗白粉病的突变体,并提出了一套突变育种的程序。

瑞典植物学家Milsson2Ehle H. 和Gustafssion 用X射线处理大麦,不仅获得了茎秆坚硬、穗型紧凑的直立型突变体,并在辐射的适宜剂量、处理条件、突变频率和突变谱等方面进行了较系统的基础性研究,这些基础性研究对提高辐射诱变育种的研究水平和推进辐射诱变育种应用的成功起了很大的作用[10]。

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育成的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9.0xlO9hm ，每年为国家增加粮食3.0x109到4.0xlO9 kg、棉花1.5x108kg到1.8x108kg、油料0．75x108kg，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[11]。

五、重大应用
1.马铃薯育种
马铃薯是世界上第四大作物, 具有高产稳产、生育期短、适应性广、营养丰富、开发利用前景广阔等特点, 因此选育马铃薯优良品种, 提高马铃薯产量和质量历来受到高度重视。

辐射诱变育种是人为地利用物理诱变因素(X 射线、γ射线、中子、激光、电子束、离子束、紫外线等) 诱发植物遗传变异, 从而在短时间内获得有利用价值的突变体, 根据育种目标的要求选育出新品种直接生产利用或育成新种质资源作
为亲本在育种上利用的一种行之有效的育种方法[1]。

与常规育种相比, 辐射诱变育种有提高基因突变率打破性状连锁和促进基因重组、克服植物自交不亲和性、促进远缘杂交实现基因转移、缩短育种年限等优点。

因此, 辐射诱变育种在马铃薯育种领域占据越来越重要的位置。

2.林木育种
王孜昌等发现, 用60CoC射线对杉木进行辐射诱变, 只要选择一定的辐射剂量, 变异就可以出现, 且杉木干种子与水浸泡的湿种子的辐射承受能力差别很大, 差率约为10倍左右, 其干种子和湿种子最佳的辐射剂量分别应为5 000 伦琴( 136. 6伦琴/m in)左右和500伦琴( 136. 6伦琴/m in )左右;不同剂量和时间处理, 杉木树高、胸径性状变异均达极显著水平[12]。

3.花卉育种
我国花卉空间诱变育种工作开始于20世纪50年代。

中国科学院遗传研究所自1987年以来，先后将一串红、鸡冠花、矮牵牛等27种花卉种子送入太空。

这些花卉种子出现了许多地面上无法获得的变异，并且有益变异多、变异幅度大、稳定性强，大大缩短了育种周期[13]。

4.粮食作物育种
据中国科学院2010 年12 月30 日报道：中国科学院等离子体研究所和安徽芜湖农业实用技术研究所采用离子束诱变技术，经过7 年13 季的选育，成功地培育出了1139-3 水稻新品种，可以早晚两季直播。

不需要传统的育秧插秧过程，而直接将稻种播撒在稻田里，不仅大大减轻了农民的劳动负担，而且稻种耐涝、耐虫，每667,m2产量可达500,kg，获得了良好的经济效益和社会效益。

再如，邓永平等(王桂霞等,,2008)采用照射量为8,KR 和12RKR 的60Coγ射线辐照与茎尖组织培养相结合的方法对草莓进行浆果品质诱变和抗病性研究，结果发现经处理后的组培植株当代及其后代，对叶斑病、皱缩病的抗性都明显增强，其浆果的
维生素和可溶性糖含量优变频率也都显著提高[9]。

在对玉米进行辐射诱变育种的试验研究方面，据科学网2010 年7 月19 日报道，由中科院近代物理研究所和甘肃金象农业发展股份有限公司共同承担的“重离子加速器辐射选育玉米新品种”项目，利用重离子加速器提供的离子束，对玉米自交系金象4C、郑58、鲁9801 和CSR24001 等种子进行辐照，通过田间种植，研究了不同能量和不同剂量的重离子束对玉米自交系的诱变效应并选育出了有益突变体。

结果发现，被辐照的M2代植株在株高、穗位、单株穗数、雄穗花药颜色、粒质、穗行数、粒重和抗性等方面均发生了变化，并产生了许多有益的变异，包括株高和穗位降低，同位多穗、穗行数和粒重增加，粒质由粉质变为角质，抗锈病和红叶病增强等，有益变异的频率达7.0%~17.9%。

此项研究将开辟一条玉米育种的新途径，并填补重离子加速器辐射创新玉米种质资源和选育玉米新品种的空白[9]。

六、结论
目前，辐射诱变技术已经成为生物育种中重要的物理诱变手段，并在育种实践中得到了日益广泛的应用，在其机理的研究方面也已取得了一定的进展。

但我们还应认识到，这些研究还比较肤浅，诱变的机理还不很清楚，尤其是当辐射与其它诱变因素综合起来时，对生物体所形成的共同的诱变作用机制尚需进一步探究。

这一方面给目前的育种工作带来了较大的盲目性。

另一方面，也给今后的育种工作赋予了更为丰富的内容。

由于辐射诱变育种技术既是常规育种的重要补充，又是常规育种难以取代的手段，利用这一技术不仅可以创制出新材料、新种质，而且简便、安全、无隐患，这对我国的育种工作走出由于种植品种的日趋单一化所导致的种质资源日渐匮乏的困境，必将会发挥出积极而重要的作用。

因此我们相信着相关研究的深入，辐射诱变技术必将会在品质改良或新品系的选育等育种领域开拓出更加广阔的前景，取得更加显著的成效。

参考资料：
[1]/view/380317.htm
[2]/view/30563.htm
[3]/view/232256.htm
[4]闵绍楷汤圣祥.辐射诱变育种.中国稻米，1997,5
[5]徐冠仁等核农学导论北京：原子能出版社，1995
[6]刘洪涛人类生存发展和核科学北京：北京大学出版社，2001
[7]刘军等核科学百年讲座——核科学技术在农业领域的应用物理2003,32(8)
[8]徐冠仁等核农学导论.北京：原子能出版社，1995
[9]杨照民张璐辐射诱变技术在农业育种中的应用与探析基囚组学与应用生物学2011,30(1),87-91
[10]陈子元从辐射育种的发展来展望航天育种的前景核农学报 2002(05)
[11]张小静和陈富现代农业科技 2008，(13)，14—15，17
[12]王旭军等辐射育种及其在林木育种中的应用前景湖南林业科技 2007,34(2)
[13]王雁等空间诱变技术及其在我国花卉育种上的应用林业科学研究 2002, 15(2)。