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]。