輻射育種在草業(yè)生產(chǎn)中的應用研究進展

杜科宇，劉剛，涂銘，丁瓊，楊曼，陳章杰 （長江大學園藝園林學院，湖北 荊州434025）

自從1927年美國科學家Muller首先發(fā)現(xiàn)X射線能引起生物遺傳性變異以來，誘變育種已有80多年的歷史［1］。輻射育種在牧草新品種選育、創(chuàng)造新的種質(zhì)資源、改進育種方法、提高誘變效率和基礎理論研究等方面，都不斷取得新的突破。最近幾年，國外牧草的輻射育種工作發(fā)展較快，許多牧草科學家從本國的生產(chǎn)實踐出發(fā)，育出了許多優(yōu)質(zhì)牧草新品［2］。與國外相比，中國牧草輻射育種起步相對較晚［3］。為此，筆者將國內(nèi)牧草輻射育種研究進展進行了綜述，以弄清目前國內(nèi)具備的條件，為后期利用輻射選育新品種提供參考。

1 誘變劑選擇的研究

輻射誘變育種即人為地利用物理誘變因素，如X射線、γ射線、中子、激光、離子束、UV－B、離子束、紫外線等誘發(fā)植物遺傳變異，在短時間內(nèi)獲得有利用價值的突變體，根據(jù)育種目標的要求選育出直接生產(chǎn)利用新品種或育成新種質(zhì)資源作為親本在育種上利用的育種途徑。輻射育種技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為常規(guī)育種技術難以取代的育種手段。X射線在誘變育種的早期應用較多。γ射線作誘變劑，育種成效顯著，是目前應用最為廣泛的誘變劑。其中Co 60－γ射線用得最多，近年來也開始使用137Cs－γ射線。由于各種誘變因素的能量、穿透力不同，帶電性與物質(zhì)的相互作用方式不同，誘變效果會有差異。一般地，輻射誘變的誘發(fā)突變頻率在幾萬分之幾到千分之幾之間。各種射線誘發(fā)突變發(fā)生頻率的順序是：中子束大于X射線，射線大于γ射線。我國應用最多的是γ射線，其次是中子束。UV－B在水稻、小麥等禾本科類植物中應用較為廣泛，離子輻射誘變頻率在6.8%～12.0%之間，能誘導幾個以上的性狀同時突變，應用前景廣［4］。在草業(yè)上運用最多的是UV－B和Co 60－γ。吳殿星［5］公開了純天然彩色草坪草的培育方法，即用Co 60－γ射線或疊氮化鈉進行種子直接誘變或離體誘變處理，然后經(jīng)多重篩選和同步化育種培育而成。

2 輻射敏感性和適宜誘變劑量的研究

2.1 輻射敏感性的研究

牧草輻射敏感性，指各種牧草受各種射線輻照后對射線反應的敏感程度，即M1代所受輻射損傷效應的大?。?］。魚紅斌等［7］曾對5個沙打旺品種的誘變規(guī)律和輻射敏感性作過報道。馬建中等［8］對89個豆科牧草種子進行了Co 60－γ射線適宜輻射劑量敏感性及生物學效應的研究。馬鶴林等［9，10］利用Co 60－γ射線對我國北方主要牧草（以豆科為主，部分為禾本科）的誘變規(guī)律、輻射敏感性和輻射育種的適宜劑量作了研究，得出輻射敏感性以禾本科牧草最為敏感，半致死劑量在4.7～30krad之間。馬建中等［11］將中國北方主要牧草品種的輻射敏感類型分為敏感型、中間型和遲鈍型3種類型。魚紅斌等［12］選用黃土高原54種枚草，用Co 60－γ射線照其干種子得出各種牧草對射線的反應不同，且收草的出苗率和幼苗高度隨劑量的增加而降低，與劑量呈負相關的結論。吳關庭等［13］在無菌培養(yǎng)條件下測定得出高羊茅 ‘美洲虎3號’和 ‘可奇思’對輻射比較敏感，半致死劑量大約在150Gy左右，‘凌志’和 ‘獵狗5號’的輻射敏感性分別為中等和較弱；用低劑量γ射線處理可促進高羊茅成熟種子的愈傷形成。

2.2 適宜誘變劑量的研究

2.2.1 豆科牧草適宜誘變劑量的研究

幾十年來，國內(nèi)外在研究豆科牧草的輻射引變過程中，探索出了許多品種的輻射適宜劑量。我國學者對沙打旺和少數(shù)幾種牧草的輻射誘變劑量進行了研究［13］。海棠等［14］按多靶單擊模型擬合劑量效應曲線，以電子計算機處理求得了三葉草的適宜輻射劑量。宣繼萍等［15］經(jīng)過輻射誘變得到狗牙根誘變后代，并得出低劑量的后代比高劑量的節(jié)間粗，而密度是前者低于后者。

2.2.2 禾本科牧草適宜誘變劑量的研究

張彥芹等［16］用Co 60－γ射線照射干種子和分化苗得出高羊茅愛瑞3號出苗率和植株存活率隨照射劑量增加而降低，干種子適宜誘變劑量為100～150Gy，分化苗適宜誘變劑量為20～25Gy。Dichens［17］利用Co 60－γ射線對假儉草種子20個選系進行輻射，發(fā)現(xiàn)當輻射劑量小于或等于4000rad時，輻射后的選系葉片長度、節(jié)間長度、葉色和耐寒性等產(chǎn)生了較大的變異。郭愛桂等［18］選用暖季型草狗牙根的營養(yǎng)器官甸旬莖（長7～10cm左右）進行Co 60－γ射線照射，栽培后對試驗材料的成活率、葉長、葉寬、節(jié)間長度、粗度、葉色、莖色等項目加以觀測，證明狗牙根甸甸莖的γ射線的半致死劑量為9000rad。王月華等［19］得出50Gy的輻射對高羊茅種子的萌發(fā)具有促進作用，較高劑量的輻射對高羊茅種子的萌發(fā)有抑制作用，且隨著輻射劑量的加大，抑制作用增強，適宜輻射誘變劑量為150Gy。柴明良等［20］以葦狀羊茅栽培品種為材料，對其干種子進行不同劑量的Co 60－γ射線處理，得出200Gy劑量是抑制早期生長減少剪草次數(shù)的最佳劑量。

3 利用輻射進行性狀改良的研究

培育高產(chǎn)、品質(zhì)好、抗病和抗逆性強的新品種，是目前國際上在牧草輻射育種工作中比較重視的問題，人們也開始用突變育種的方法培育耐寒、耐鹽堿的品種。近年來，牧草的沙打旺（Astragalusadsurgens）、苜蓿（Medicagolupulina）等都有突變品種育成［21］。

3.1 生產(chǎn)能力

近年來，在提高牧草產(chǎn)量方面育出了一些新品種和突變體。翁伯琦等［22］發(fā)現(xiàn)經(jīng)過Co 60－γ射線輻射后的豆科決明屬牧草品種的種子農(nóng)藝性狀有不同程度的變異，輻射后代生物量分別比原種增加。魚紅斌等［23］通過對沙打旺的研究發(fā)現(xiàn)，在一定限度內(nèi)，隨著始花序著生葉位的增加，出苗至開花的天數(shù)、株高和一級分枝數(shù)增加，同一品種在同一密度下，株高和一級分枝數(shù)量是決定產(chǎn)草量高低的重要因子。

3.2 早熟性

有些牧草經(jīng)照射后獲得提前開花和早熟的新品種，李紅［24］誘變育成沙打旺早熟品種。魚紅斌等［25］認為播種當年的沙打旺，始花序著生葉位以9～10個葉之間的植株為好，開花早，對選育超早熟沙打旺有指導意義。馬建忠等［6］以牧草為材料，將異花授粉牧草沙打旺輻照當代的種子直接播種在≥10℃（年積溫2308℃）的低溫下，提高了突變體的適應性，增加了選擇的準確性，縮短了育種周期，選育產(chǎn)草量高且早熟的沙打旺新品種，始花序葉位以在9～10個為宜。

3.3 品質(zhì)

有些品種雖具有抗性，但某些農(nóng)藝性狀欠佳，可通過誘變加以改良。徐國忠等［25］利用Co 60－γ射線輻照豆科決明屬5個牧草品種的種子，研究表明輻照后變異株全K有顯著下降。翁伯琦等［22］利用Co 60－γ射線輻射豆科決明屬5個牧草品種的種子，結果表明植株的氨基酸營養(yǎng)成分也呈現(xiàn)較大程度的變化。

3.4 適應性

3.4.1 形態(tài)學方面

葉片、莖、根、株形等均可做為鑒定指標，對于抗旱突變體，新葉相對生長速度較快，在干旱協(xié)迫時，葉片相對含水量、持水量較高，根增大增深；還可通過苗期抗旱性來鑒定等。宣繼萍等［15］研究表明，原始種源進行多代的輻射誘變，可以使得葉片顯著變窄，草層高度顯著降低，節(jié)間變細變長。郭愛桂等［18］研究認為，不同產(chǎn)地的狗牙根種源對不同劑量的γ射線反應不同，高劑量處理的狗牙根數(shù)量性狀能夠產(chǎn)生較穩(wěn)定的理想變異；在色澤變異上，低劑量處理的有50%的種源葉色變深（變紅），而高劑量處理的只有40%種源葉色變深。張彥芹等［16］的研究表明，Co 60－γ射線輻射可以獲得葉片變小、變細且具有耐旱（寒）特性的高羊茅突變體。

3.4.2 生理生化方面

在生理生化方面，保護酶活性、細胞膜透性、脯氨酸和丙二醛含量等可做為抗旱性鑒定指標。王月華等［19］用Co 60－γ射線輻射處理高羊茅的3個品種 ‘千年盛世’、‘知音’和 ‘獵狗5號’的干種子，發(fā)過程中3種酶的活性均隨輻射劑量的增加先升高后降低。

3.4.3 分子生物學方面

隨著分子生物學的發(fā)展，人們已經(jīng)能從分子水平對變異體進行早期鑒定。翁伯琦等［22］對射線輻射豆科決明屬RAPD分析表明，輻射后代與原種DNA指紋圖譜存在明顯差異。張彥芹等［16］以高羊茅愛瑞3號為材料，用Co 60－γ射線照射干種子和分化苗，RAPD分析顯示突變體在DNA水平上發(fā)生了變異。徐國忠等［25］利用Co 60－γ射線輻照豆科決明屬5個牧草品種的種子，RAPD分析表明5個品種輻射后代在遺傳上都有明顯的變異。

4 展望

輻射育種在草業(yè)新品種的選育方面已取得了顯著的成就，在品質(zhì)改良或新品系的選育方面占有重要的地位，它不僅可以創(chuàng)造出現(xiàn)有種質(zhì)庫中所沒有的新材料、新種質(zhì)，如具有特殊品質(zhì)的育種材料和工具材料等，而且不存在安全性方面的問題。

輻射育種技術可以充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢，創(chuàng)造出各具特色的新種質(zhì)、新材料，彌補常規(guī)育種方法的不足。輻射誘變育種技術在創(chuàng)造具有高產(chǎn)、矮桿、早熟等農(nóng)藝性狀的新品種和新材料方面已經(jīng)取得了一批豐碩的成果，但與真正意義上的調(diào)控誘變育種，尚存在相當大的差距?，F(xiàn)有技術方法仍然存在著相當大的隨機性，要在實際應用中實現(xiàn)調(diào)控誘變育種，有針對性地解決物種遺傳中的主要問題，包括根據(jù)市場需求選育具有各種不同內(nèi)在質(zhì)量和各種抗病性的新品種，就必須加強機理研究和技術方法的創(chuàng)新。隨著研究的不斷深入，如將輻射育種與生物技術、航天育種等相結合應用于新品系的選育，將對中國特色的現(xiàn)代化草業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

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