第九章 诱变育种

第七章诱变育种重点：诱变育种的概念、诱变方法，诱变育种程序。•概念：(inducedmutationbreeding)利用物力和化学因素诱导生物发生遗传变异，再通过选择育成新品种的方法。•诱变育种可分为：物理诱变育种化学诱变育种第一节诱变育种的意义及特点20世纪20年代，Stadler用χ射线诱发玉米、大麦发生突变，Tollenear(1934)利用χ射线育成第一个烟草突变品种Chlorina，Gustafsson(1948),利用芥子气（毒气、化学诱变剂）处理大麦获得突变体；Nilan(1967)用硫酸二乙酯处理大麦育成矮杆、高产品种Luther。目前诱变育种已成为作物育种的重要方法之一。特点（1）优点提高突变率，变异范围广。突变率可达3%，比自然突变高100-1000倍。突变类型多，还可能产生新基因。对单一性状改良有效。如早熟性、株高等。多为点突变和隐性突变，易稳定，育种年限短。热中子，极早熟大豆哈75-222，比原品种早32天；原丰早（γ射线，早40天）；印度，热中子，蓖麻早150天（270天→120天）；大麦白粉病抗性基因mlo。（2）局限有利变异少。难以综合改良。诱变的方向和性质尚不能控制。株高变矮熟期变早果皮变深辐射引起甘薯叶和块根的变异作物种类1966-801981-851986-2001总计(%)谷物油料作物经济作物蔬菜果树饲料作物观赏植物130194114262241622147181314128239372241619138862.911.53.82.62.62.114.12总计15563407625我国植物诱变育种成就(1966-2001)（一）物理诱变剂的种类及其性质物理诱变剂：各种辐射线。因此，物理诱变通常称为辐射诱变。根据辐射线照射植物体后是否引起物质的电离，可分为电离辐射线和非电离电离辐射线。目前用于作物育种的大多是电离辐射线。第二节辐射育种1、电离辐射线χ射线（伦琴射线）：最早用于诱变的射线。由x光机产生的电离辐射线，其能量和穿透力与χ光机的工作电压有关。工作电压低产生的为软χ射线，穿透力较弱，适于花粉外照射；工作电压高产生的为硬χ射线，穿透力较强，适合小块组织、愈伤组织的外照射。γ射线（丙种射线）：是一种短波长、能量高、穿透力强的电离辐射线。农用γ射线由放射性同位素60Co、137Cs产生，是目前应用最多的射线。需专门的γ照射室(60Co源室)，有严密防护，安全。适于外照射。四川省农科院的钴圃外貌钴源遥控操作室不同剂量钴辐射照射甘薯幼苗及成活表现中子：不带电粒子，穿透力强，可直接进入细胞核内，适于处理种子、植株的外照射。β射线：带电粒子,质量小速度快，可以穿透几毫米的组织。育种上常用的β射线由放射线性同位素32P、35S产生。32P、35S必须进入植物组织和细胞后作为内照射才能产生诱变作用。中子照射装置高压发生器靶室装置加速管不同照射距离2、非电离辐射线紫外线：波长较长、能量较低、穿透力不强，多用于照射花粉、孢子、组织培养中产生的愈伤组织等。通常以低压水银灯作为紫外线源。有效波长为250~290nm（核酸吸收光谱区）。其它物理诱变因素激光电子束、等航天育种(太空育种):指利用返回式航天器和高空气球等所能达到的空间环境对植物的诱变作用以产生有益变异，在地面选育新种质、新材料，培育新品种的农作物育种新技术。其确切的诱变因素、诱变机理、遗传特点不清，在学术界还有争论。（上海东方科举论坛，张院士）我国在该领域取得了国际领先水平的研究成果，已育成许多作物新品种。太空椒：“太空椒”卫星87-2单果最重达750g，平均重量达400克，亩产比地面对照的青椒高25%—30%，维生素C含量和可溶性固形物的含量也高20%和25%，而得病率却减少62%。果实大、口感好、产量高，β胡萝卜素为普通番茄的3倍,特别耐贮运。•这个巨人南瓜是驻哈“老虎团”生产基地自行培育，并经过我国首次载人航天飞船“神州五号”带入太空育种的。品质好，一般重量在300到400斤。•孔雀草花朵大、多、艳丽，而且一株孔雀草开不同的花色不同花朵。1987年8月5日，利用我国第九颗返回式科学试验卫星第一次将一批水稻和青椒等农作物种子送向太空，目的并不是育种，只是想了解空间环境对植物遗传性的影响。科学家无意中发现，上过天的种子发生了一些意外的遗传变异，因此人们开始考虑农作物的航天育种。2003年4月，经国家有关部门批准，航天育种工程项目正式启动。（福建，2005年重大育种专项）到目前为止，我国先后进行了13次70多种农作物的空间搭载试验，在水稻、小麦、棉花、番茄、青椒和芝麻等作物上诱变培育出30多个品种通过审定，还获得了一些罕见突变材料。青椒：个头非常大，可当水果。水稻：福建农科院（特优航一号，II优航一号）、华南农业大学（抗病材料）。（二）辐射诱变的机理•1、物理作用阶段生物有机体内的遗传物质某分子部位受到不同能量辐射后，可能产生不同的核物理效应。“光电效应”和“康普顿一吴有训效应”。而当受到的辐射能量足以使该电子脱离原子核吸引,则会导致“离子对生成”。这些变化均是在物理状态下进行的。光电效应：入射的光量子把它的全部能量转移到一个原子体系的电子上，使电子脱离原子而运动，释放出来的电子统称光电子，光电子能使与其相遇的原子产生电离。hv2、化学反应阶段当被照射后的遗传物质分子失去电子或得到电子后，则形成“离子对”及“自由基”，其活跃程度大大增强，带不同电荷的基团极有可能发生分解或聚合反应，从而导致新的化学成分产生。由于活的生物组织含有约75%的水，因此水就成为电离辐射的最丰富的靶分子。直接作用:H2O------OH-+H+间接作用:H2O------OH●+H●-------H2O2+HO2●3、生物学阶段•染色体断裂；•基因突变；•细胞分裂异常。作用于微管蛋白（三）辐射处理方法1、外照射：指受处理的材料暴露在射线下进行照射。要求射线能量大、射程远、穿透力要强，如中子、χ、γ等。优点是方便，可集中处理大量材料，无污染（有严格防护）。60Coγ射线种植房，慢照射2、内照射:将放射性同位素（P32、S35）直接引入植物体内，由它放射出的射线在体内进行照射。易造成污染，应用受到限制。优点：剂量低、持续时间长，大多植物都可在生育阶段处理。内照射的方法有以下几种：（三）辐射处理方法–浸种法：含32P或35S溶液浸泡种子或枝芽。–施入法：做成“超微量元素”肥料施入土壤(如用32P的磷肥、35S的硫肥)，让植物入体内。–涂沫法：将32P或35S与湿润剂配合，涂在植物体的创口上，通过根外吸收引入植物体内。–注射法：用注射器将含32P或35S溶液注入植物组织内(如嫩枝、幼芽、花蕾、块茎、鳞茎等)。不同剂量的中子处理后长出的小麦幼苗（剂量：低→高）种类处理材料常用剂量χ和γ线（仑）中子流（n/cm2）甘蓝干种子10万左右芥菜干种子10万左右芜青干种子10万左右冬萝卜干种子10万左右四季萝卜干种子10万左右大白菜干种子8－10万左右花椰菜干种子8万左右种类处理材料常用剂量χ和γ线（仑）中子流（n/cm2）甜菜干种子5万番茄干种子2.5－5万甜椒干种子2－4万茄子干种子5－8万甜瓜干种子4－6万黄瓜干种子5－8万西瓜干种子2－5万芹菜干种子6－7万菜豆干种子1－2.5万豌豆干种子0.5－2.5万大豆（毛豆）干种子1－1.5万种类处理材料常用剂量χ和γ线（仑）中子流（n/cm2）蚕豆干种子1－2万甜玉米干种子2万左右菠菜干种子2万左右时萝菜干种子1－2万圆葱干种子4－5万鳞茎0.06－0.08万大蒜鳞茎0.06－0.08万马铃薯块茎0.2－0.5万常见花卉辐射诱变适宜剂量表植物种类辐射材料射线种类剂量（krad）植物种类辐射材料射线种类剂量（krad）菊花嫩茎X0.8～0.9秋海棠叶X2～3菊花发根插条γ1～3毛叶秋海棠插叶不定芽γ10菊花发根插条快中子0.3～0.5落地生根叶X2菊花组培芽点γ1～3落地生根幼苗X，γ1.5～2非洲菊幼株X1～6阿美尼亚麝香兰叶片X1～1.5大丽菊新收获块根X2～3阿美尼亚麝香兰鳞茎X3～5波斯菊发根插条γ1～2花叶兰种子X0.3～0.4绣线菊干种子γ2美人蕉（2x）根茎γ2蔷薇属一年生植株X8～9美人蕉（3x）根茎γ＞2.7第三节化学诱变育种化学诱变：是用化学诱变剂处理植物材料，以诱发遗传物质的突变，从而引起形态特征的变异，然后根据育种目标，对这些变异进行鉴定、培育和选择，最终育成新品种。一、化学诱变剂的种类能与生物体的遗传物质发生作用，并能改变其结构，使其后代产生变异的化学物质称为化学诱变剂。第三节化学诱变育种带有一个或多个活泼的烷基，可转移到其他分子上，置换碱基中的氧原子。•1.烷化剂NaN3，可使复制中的DNA的碱基发生替换，是目前诱变率高而安全的一种诱变剂。•2.叠氮化钠与DNA碱基的化学机构相类似，能与DNA结合，导致错误配对，碱基置换，产生突变。•3.碱基类似物一化学诱变剂的类别与性质第三节化学诱变育种•化学诱变的机制碱基置换——烷化剂、碱基类似物碱基脱落——烷化剂，（鸟嘌呤G脱离DNA分子形成一个空位，于是可被4种碱基取代，形成碱基转换（嘌呤被嘌呤、嘧啶被嘧啶替换）或颠换（嘌呤被嘧啶、嘧啶被嘌呤替换）移码突变——丫啶化合物•处理方法：浸渍、滴液、注射、涂抹、熏蒸法等；•材料：芽条、叶或花序部分,根不宜；•注意事项：浓度、时间、温度、PH值、复合处理等；二、化学诱变的优点1、使用经济方便只需少量的药剂和简单的设备。2、有一定专一性特定的化学药剂，仅对某个碱基或几个碱基有作用，因此可改变某品种单一不良性状，而保持其他优良性状不变。3、破坏性较小，多引起基因的点突变辐射诱变：诱变因高能射线造成，染色体结构变异广泛。化学诱变：化学药剂与遗传物质发生生化反应，结果多是基因的点突变。1、试材预处理干种子预先浸泡，使细胞活泼，增加敏感性，还可提高膜透性。细胞处于DNA合成阶段（S）时，对诱变剂最敏感。诱变处理应在S阶段之前进行。三、化学诱变的方法2、药剂处理1）浸渍法2）涂抹法和滴液法3）注入法4）熏蒸法：试剂一般是沸点较低的液体或易升华的固体，或用专门装置发生气态诱变剂（如芥子气类）。5）施入法3、诱变后处理作用：通过漂洗等终止诱变剂的作用1）清水反复冲洗，以降低残留，避免生理损伤。2）使用一些化学“清除剂”如甘氨酸以解除氮芥的作用，硫化硫酸钠可解除MMS（甲基磺酸甲酯）。