第八章诱变育种

第八章诱变育种1、诱变育种的概念人为利用物理和化学等因素诱发作物产生遗传变异，在短时间内获得有利用价值的突变体，根据育种目标要求，对突变体进行选择和鉴定，直接或间接地培育成生产上有利用价值新品种的育种途径。一、诱变育种的概念、特点和类别2.诱变育种的成就•日本诱变成功超级矮秆早熟水稻品种“黎明”。•法国则诱变成功少粉行道树优良品种“无粉法国梧桐”。•澳大利亚则育成不含多种异黄酮配糖体的三叶草品种，使食草类牲畜的繁殖率大大提高。•根据FAO/IAEA联合处（1995）和我国（1995）年的不完全统计，已有51个国家在162种植物上育成推广了1932个品种，其中观赏植物45种，品种482个，果木20种，品种48个，蔬菜20多个种。我国的主要业绩：•1957年，中国农业科学院成立了我国第一个原子能农业利用研究室.•20世纪60年代中期开始在水稻、小麦、大豆等主要作物上利用辐射诱变育成了新品种，在生产上得到了应用。•20世纪70年代后期，植物辐射诱变育种开始应用于蔬菜、糖料、瓜果、饲料、药用和观赏植物育种。•我国38种植物上育成推广了459个突变品种，其中在月季、菊花、叶子花、荷花、大丽花、美人蕉等物种上育成并通过鉴定了66个商业化品种，其中主要为菊花22个，月季35个。•9个品种获国家发明奖，包括：水稻原丰早、棉花鲁棉1号、大豆铁丰18和黑农26等3、诱变育种的特点3.1诱变育种诱变效果受到一系列内外因素制约，难于实现定向突变。3.2诱变结果一般局限于个别基因的表型改变。不同材料之间效果差异巨大。一般选取生产上已经推广的高世代优良品系作为诱变材料。3.3诱变条件下突变频率大幅度增加，但有利突变的几率低。3.4同源平行变异规律对指导制定突变体育种目标具有重要的意义。3.5诱变育种是无性繁殖园艺植物重要的育种手段。4诱变育种的意义和作用4.1增加变异率，扩大变异谱人工诱变可使突变频率增加1,000倍左右。变异谱同时也有了很大的差异，丰富作物的“基因库”，从而扩大了选择范围，并提高了选择效果。4.2最适于进行“品种修缮”人工诱变有产生某种“点突变”的特点，它可以只改变品种的某一缺点，而不致损害或改变该品种的其他优良性状。4.3缩短育种年限园艺植物中的多年生营养系品种，可通过直接处理营养器官，获得突变体后直接固定进行繁殖推广。该方法较常见的营养系杂交育种可大大缩短育种年限。4.4克服远缘杂交不亲和性及改变植物的授粉、受精习性。电离射线照射花粉可以克服某些远缘杂交的不亲和性；使异花授粉植物的自交不亲和变为自交亲和；可使正常可育的植物诱变成雄性不育系。5.诱变育种的类别5.1物理诱变：利用辐射，诱发基因突变和染色体变异。5.2化学诱变：应用有关化学物质诱发基因和染色体变异。二物理诱变（辐射诱变）诱变育种的辐射种类能量较低的电磁辐射（非电离辐射）电离辐射电磁辐射粒子辐射X射线γ射线带电粒子不带电粒子α射线（穿透性弱）β射线（穿透性弱）质子中子常见辐射源：1物理诱变的种类1.1紫外线辐射源是紫外光灯，能量和穿透力低，能成功地用于处理花粉粒。以低压石英水银灯发出的紫外线照射效果较好。虽然紫外线穿透力较弱，但易被核酸吸收，能产生较强变异效果。1.2X射线辐射源是X光机。X射线又称阴极射线，分为硬X射线(波长较短)和软X射线。育种多用硬X射线。1.3γ射线是一种比X射线波长更短的电离辐射线,辐射源是60Co和137Cs及核反应堆。γ射线也是一种不带电荷的中性射线。应用于植物育种的γ射线装置有γ照射室和γ圃场及钴人工气候照射室。各种照射场地均应设置防护墙。浙江农科院的60Coγ射线种植房慢照射种植房急照射的照射室结构与种植房相似四川农科院的钴圃全貌（慢照射）1.4β射线是一束电子流，每个粒子就是一个带负电荷的电子的射线束，由32P或35S等放射性同位素直接发生的。透过植物组织能力弱，但电离密度大。通常配成溶液对处理器官或部位进行处理。当同位素溶液进入组织和细胞后作为内照射而产生诱变作用。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。能量从21MeV(百万电子伏）以上到小于1eV。中子的诱变能力比较强，育种上应用较多的是热中子和快中子。对多数作物来说，包括苹果，中子是比X或γ射线射线更有效的诱变剂。1.6激光激光的频率和生物体内某种物质分子振动频率相等，产生共振，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，处理材料可以是植物的干种子或剥去种皮的裸胚、幼苗、根尖，也可以是未成熟的花器官、花粉及离体花药等1.7离子束注入诱变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、级联和反冲碰撞，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和经济作物。河南省离子束诱变育种基地4兆伏静电加速器离子束诱变在小麦上的应用1.8空间诱变育种空间环境的显著特点是高真空、微重力和强辐射。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和具有优良农艺性状的新品系。福建省农科院谢华安院长等通过航天诱变育的Ⅱ优航中稻航天南瓜育种2、辐射处理的剂量单位和剂量率2.1放射性强度放射性物质单位时间内发生的核衰变数目表示。早期放射性强度以毫居里（mCi）或微居里（μCi）表示，分别相当于10-3Ci和10-8Ci。新的照射单位为贝克雷尔（Bq，Beequare），即1Bq/sec≈2.7×10-11Ci。适用于植物体内辐射强度的度量（内照射）。2.2辐射剂量指受照射的物质每单位质量所吸收的能量，即物质所吸收的能量/物质的质量。照射的剂量单位有：2.2.1照射剂量：早期是伦琴（R），新的照射剂量单位为1库伦（Coulomb）/kg，1R=2.58×10-4C/kg。2.2.2照射量率：单位时间内的照射量2.2.3吸收剂量:人类或其他生物体每千克吸收射线辐射能量的数值以拉特（Rad）表示，即组织伦琴。新的吸收剂量单位为戈瑞（Gray），1GY=1焦耳J/千克或100Rad。2.2.4吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量2.2.5粒子注量：中子流量以单位平方厘米的中子数（n/cm2）表示。3剂量和剂量率的处理•在照射处理时，处理材料在单位时间内所受到的剂量过大，可以显著影响幼苗成活率和生长速度。•种子和枝条：半致死剂量（临界剂量）处理•果树接穗：存活率6成-7成剂量处理，减少盲枝率。•组织、器官敏感度不同：根部枝条种子；花粉，胚珠体细胞；绿枝休眠枝；幼龄植株老龄植株。4辐射诱变机理4.1物理作用阶段生物有机体内各种分子发生电离和激发，属于物理学的反应范畴。如出现“光电效应”和“康普顿一吴有训效应”。4.2物理化学阶段电离效应差生的分子重排，形成“离子对”及“自由基”。4.3生物化学阶段自由基攻击生物大分子DNA，发生生物化学反应。4.4生物学阶段DNA断裂、交换、畸变，直接影响了DNA复制或碱基序列改变，从而导致遗传上的变异，人们往往称这种效应为“直接效应”。染色体在射线作用下，断裂的频率增加，断裂后的染色体重新连接，产生四种染色体结构变异：•缺失染色体丢失了带有基因的片段；•重复染色体个别节段的增加；•倒位正常染色体上的某一节段发生断裂后，倒转180°又重新连结起来；•易位非同源染色体之间交换片段的结构变异。•非整倍体引起染色体数量变异，产生非整倍体。5、辐射对遗传物质的作用-对染色体的作用6、辐射对遗传物质的作用-对DNA的作用辐射可使A-T，C-G之间的氢键断裂；在1或2个DNA链中，糖与磷酸基之间发生断裂;同一DNA上相邻胸腺嘧啶之间形成二聚体；DNA链的断裂和交联。7植物的辐射敏感性7.1测定辐射敏感性的指标植物对辐射的敏感性是指植物体对电离辐射作用的敏感程度。用以衡量敏感性的指标，因植物种类、照射方法及研究目的不同而不同。最常用的指标有：出苗率、存活率、生长受抑制程度、结实率、细胞状态、染色体畸变率等。7.2植物辐射的敏感性差异7.2.1不同植物辐射敏感性不同•豆科植物最敏感，禾本科次之，而十字花科植物则最不敏感。十字花科作物不敏感，主要是种子内含有对辐射有屏障作用的丙烯芥子油造成的。•不同科、属、种间敏感性的差异主要来自遗传物质的不同和生理生化特性的差异。通常是染色体大的，DNA含量高的植物辐射敏感性高。7.2.2不同品种类型的敏感性差异这种差异比科、属、种间差异要小。作物的耐辐射（不敏感）程度依次为：杂交种常规品种自交系。7.2.3同种作物的不同发育期对辐射敏感性的差异•休眠种子和枝条不敏感，而萌动种子和发育中的枝条则敏感。•分化成的细胞不敏感，而正在分生中的细胞则敏感。•在种子发育过程中，乳熟期最敏感，蜡熟期次之，完熟期则不敏感7.2.4不同组织和器官敏感性有差异如洋葱正在生长的根最敏感，休眠鳞茎次之，干种子胚最差，这种差别与植物体内的含水量有较大关系。8辐射诱变的方法8.1外照射指放射性元素不进入植物体内，而是利用其射线（X射线、射线、中子）照射植物整个器官。这种方法简便，在诱变育种中比较常用。8.1.1种子照射可采用干种子、湿种子或萌动的种子进行照射。照射种子操作简单，体积小，处理数量多，并易于贮存和运输8.1.2花粉照射花粉照射的最大优点是很少产生嵌合体，经辐射的花粉一旦产生突变，与卵细胞结合所产生的植株即是异质结合体。照射前使花粉水合或照射未成熟的花粉，能增加诱变剂的效率。8.1.3营养器官照射•此法多用于无性繁殖的植物作为播种、扦插、嫁接材料的处理。如蔬菜作物中的马铃薯块茎、洋葱鳞茎、山药块根；果树作物的嫁接接穗、观赏作物的地下球等。8.1.4子房照射照射子房也具有不易产生嵌合体的优点，辐射处理子房不仅有可能诱发卵细胞突变而且可能影响受精作用，诱发孤雌生殖。对自花授粉植物应先去雄，辐射后用正常花粉授粉。8.1.5其它器官照射由于离体培养技术的发展，采用愈伤组织、单细胞、原生质体以及单倍体等材料进行辐射处理，可以避免或减少嵌合体的形成，已日益受到重视。8.2内照射将辐射源引入到试材内部的照射叫内照射。这种照射方法的优点是不需建造成本很高的设施，但不足是需要防护条件，易造成环境污染，处理剂量不易掌握，受一定限制。8.2.1浸泡法将放射性同位素32P、35S等配成一定比例浓度的溶液，浸泡种子或枝芽，使放射性物质渗入组织内部进行照射。8.2.2注射或涂抹法将放射性同位素溶于粘性剂中（如羊毛脂、凡士林、琼脂等），取适量涂抹于处理部位（如生长点、腋芽、花蕾、芽眼等处）。8.2.3施肥法将放射同位素的化合物以无机肥（如32P、35S、45Ca的化合物磷酸二氢钾、硫酸铵、硝酸钙等），通过作物根部施肥引入植株体内进行处理。8.2.4注射法用微量注射器将适宜浓度的试剂溶液注入处理部位进行诱变，多用于花蕾、芽、块茎、鳞茎等试材的处理。三化学诱变1化学诱变剂种类1.1烷化剂这类试剂的共同特点是携带一至多个活跃的烷基，通过“烷化作用”的方式将DNA或RNA分子结构中的H原子置换，从而导致“复制”或“转录”过程中“遗传密码”的改变，进而发生变异。1.2核酸碱基类似物这一类化学物质具有与DNA碱基类似的结构，它们可以在不妨碍DNA复制的情况下，作为组成DNA的成分渗入到DNA分子中去，使DNA复制时发生偶然的配对上的错误，从而引起有机体的变异。常用的有5-溴尿嘧啶（BU）、5-溴去氧尿核苷（BUdR）、2-氨基嘌呤（AP）、马来酰肼（MH）等。5-溴尿嘧啶胸腺嘧啶2-氨基嘌呤腺嘌呤1.3抗生素如链霉黑素、丝裂霉素C和重氮丝氨酸等。抗生素类的主要诱变机理是抗生素对DNA核酸酶的破坏作用，影响了DNA合成及分解的有序性，进而造成染色体断裂。1.4生物碱常见的有秋水仙碱、石蒜碱、喜树碱、长春碱等。生物