誘變技術(shù)在植物育種中的應(yīng)用

吳笛　汪磊

【摘要】：本文詳細(xì)敘述了幾種誘變技術(shù)在植物育種中的應(yīng)用，如EMS誘變技術(shù)、離子注入誘變育種技術(shù)、空間誘變育種技術(shù)、激光輻射誘變育種技術(shù)，同時(shí)也詳細(xì)闡述了各種誘變育種技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展歷程，對(duì)其使用方法以及作用原理進(jìn)行了深入的探究，并深入探究了各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】；誘變技術(shù)；植物育種；應(yīng)用發(fā)展；

在植物正常的生長(zhǎng)狀態(tài)下，植物發(fā)生變異的概率還是非常低的，而植物的進(jìn)化就是一種植物對(duì)自身變異的一種選擇過(guò)程，因植物生長(zhǎng)具有一定的穩(wěn)定性以及一致性，想要植物自身對(duì)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化改良的進(jìn)化還是很難的，植物之間存在的差異是一種遺傳性的差異，也是物種自身進(jìn)行長(zhǎng)期積累變異的結(jié)果表現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，自20世紀(jì)以來(lái)，人類對(duì)植物遺傳變異的研究領(lǐng)域有了重大的突破，從而掌握了各種植物的變異手段，繼而豐富了對(duì)遺傳變異技術(shù)的研究實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，也為植物的遺傳學(xué)研究打下了良好的基礎(chǔ)，并對(duì)作物育種方面的研究提供了物質(zhì)支持。對(duì)植物我們一般采用物理、化學(xué)、生物的手段進(jìn)行誘變突變，從而使植物細(xì)胞核的染色體發(fā)生基因突變，從而達(dá)到使后邊發(fā)現(xiàn)性狀變異的目的。我們最早是通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的誘變技術(shù)，是用X光照射果蠅的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們第一次對(duì)誘變有了深入的認(rèn)識(shí)，隨后的X光就被廣泛的應(yīng)用在植物的誘變技術(shù)上了。但隨著該技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究得到了重大的突破，我們又發(fā)現(xiàn)了許多的誘變?cè)矗绂蒙渚€等誘變?cè)幢粦?yīng)用到了誘變技術(shù)中。在1943年，通過(guò)對(duì)脲烷處理月見草等植物的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行深入的分析探討，發(fā)現(xiàn)了植物的染色體畸變，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著化學(xué)誘變技術(shù)的問(wèn)世。化學(xué)誘變通常是使用化學(xué)誘變劑通常都是一些分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的化合物，這類化合物的誘變效果是非常好的。大量的研究結(jié)果表明，植物的誘變技術(shù)在我們對(duì)新材料的研究、創(chuàng)造新物種、以及進(jìn)行物種改良等方面有著非常好的研究效果。尤其是對(duì)我們?cè)谂嘤挛锓N方面有著極為獨(dú)特的成效，能充分解決在育種培育過(guò)程中發(fā)生的特殊問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，人們對(duì)誘變技術(shù)的研究也越來(lái)越深入，誘變技術(shù)也在不斷的被改良，近些年來(lái)，新的誘變技術(shù)有著非常好的發(fā)展前景，這些新技術(shù)包括MS誘變技術(shù)、離子注入誘變育種技術(shù)、空間誘變育種技術(shù)、激光輻射誘變育種技術(shù)等新型的育種技術(shù)，并且已經(jīng)應(yīng)用到了物種的改良發(fā)面，作用于改善物種的品質(zhì)。本文根據(jù)這些新型誘變技術(shù)在玉米育種的應(yīng)用作了詳細(xì)的概述。

1、 EMS誘變技術(shù)

1953年，EMS所具有的突變誘導(dǎo)性被首次報(bào)告，之后就在誘變育種技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且得到了非常顯著的效果。EMS能與核苷酸中的嘧啶分子直接進(jìn)行反應(yīng)，從發(fā)達(dá)到誘發(fā)突變的目的，EMS誘發(fā)突變的作用原理非常簡(jiǎn)單，主要是鳥嘌呤被烷基化，之后再DNA的復(fù)制中烷基化的鳥嘌呤與胸腺嘌呤發(fā)生配對(duì)，從而導(dǎo)致堿基發(fā)生交換，形成了突變點(diǎn)，達(dá)到了基因突變的目的。

其實(shí)早在上世紀(jì)60年代EMS就被用來(lái)浸泡育種，但是誘變的效率非常低，主要原因就是EMS與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了甲磺酸這種有毒的化合物，甲磺酸不但不能起到右邊作用，還會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷植物，甚至?xí)?duì)植物造成不育的效果。另外就是胚細(xì)胞被許多細(xì)胞包圍，尤其是在成熟的種子中，而且細(xì)胞膜還具有雙透性，從而進(jìn)一步的妨礙EMS進(jìn)入胚細(xì)胞內(nèi)。最后一點(diǎn)就是產(chǎn)生突變的基因難以固定，尤其是在細(xì)胞進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的分裂分化后，攜帶突變因子的染色體會(huì)因?yàn)閺?fù)制的次數(shù)過(guò)多，在復(fù)制過(guò)程中出現(xiàn)不易表達(dá)的狀況甚至發(fā)生丟失。

這種狀況直至1978年才得到了改善，通過(guò)對(duì)成熟玉米花粉貯藏在輕質(zhì)石蠟油中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)玉米劃分仍然能保存活力，于是便將EMS與亞硝基胍混合，融入到石蠟油中，配成乳濁液與懸濁液，再對(duì)玉米的成熟花粉進(jìn)行誘變處理，誘變結(jié)果非常好，誘變后的育種后代出現(xiàn)高頻率的基因突變。

隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，技術(shù)的水平也在不斷地創(chuàng)新與突破，1986年，美國(guó)的一家種子公司通過(guò)對(duì)EMS處理玉米自交系的研究，獲得了單一核苷酸除草劑的突變體這一研究成果，并于1988年申請(qǐng)了專利保護(hù)。1987年，通過(guò)對(duì)玉米劃分的處理研究，獲得了儒質(zhì)，甜質(zhì)的突變體。1991年，含有IT抗除草劑性能基因的玉米雜交種被首次推出。因其并非是轉(zhuǎn)基因玉米，不存在人體食用的安全問(wèn)題，所以被大眾所接受，市場(chǎng)反應(yīng)效果良好。1991年通過(guò)對(duì)EMS對(duì)玉米花粉進(jìn)行處理的研究，發(fā)現(xiàn)了儒質(zhì)基因的誘變頻率。1992年，通過(guò)EMS處理花粉，發(fā)現(xiàn)了高賴氨酸材料。目前，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到EMS誘變育種的重要性，對(duì)EMS誘變技術(shù)進(jìn)一步的研究工作正在不斷的進(jìn)行，EMS誘變育種技術(shù)正在不斷地成熟與完善，通過(guò)對(duì)誘變創(chuàng)造特用玉米的研究，我們又有了很多意外的收獲，研究結(jié)果表明，化學(xué)誘變技術(shù)基本創(chuàng)造了時(shí)至今日所累積的所有玉米的全部類型，包含了全部的特性玉米?；谑褂肊MS處理玉米的單倍體胚性細(xì)胞的研究，獲得了抗玉米小斑病的突變體。使用EMS劃分誘變技術(shù)，篩選了很多玉米的突變體。之所以選用玉米花粉進(jìn)行誘變，主要是因?yàn)槌墒斓挠衩谆ǚ鄣木?xì)胞是雙核細(xì)胞，一旦發(fā)生突變，就可以將突變基因傳遞給受精后的合子。玉米花粉的誘變基本不會(huì)引起植株畸變，通過(guò)大量的研究結(jié)果表明，使用EMS進(jìn)行誘變花粉的突變，效果是非常明顯的，而且更容易處理突變性狀。雖然誘變方向是不能控制的，但是只要誘變的頻率足夠高，誘變的群種足夠大，就能選出突變目標(biāo)。另外，EMS結(jié)合石蠟油的誘變技術(shù)成功率是非常高的，更重要的是操作簡(jiǎn)便快捷，被認(rèn)為是最有效的誘變技術(shù)之一。非常值得一提的就是化學(xué)誘變開拓了一種便捷快速的玉米育種培育方法，這在培育特性玉米的實(shí)踐中具有十分重要的意義。和普通的玉米相比，特性玉米在生產(chǎn)上是十分困難的，配合力是非常低的，但是使用EMS與石蠟油結(jié)合的化學(xué)誘變技術(shù)，可以再很短的時(shí)間內(nèi)就得到各種類型的特用玉米，而且保留了優(yōu)質(zhì)的性狀，沒有外來(lái)玉米的滲入。對(duì)于獲得的單個(gè)基因突變體，為了我們培養(yǎng)出雙基因以及多個(gè)基因組合的突變體，提供了引導(dǎo)方向，并創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)條件。也為我們創(chuàng)造培養(yǎng)更具商業(yè)價(jià)值的的突變體打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 、離子注入誘變育種

離子注入誘變育種技術(shù)的發(fā)展還要從離子注入說(shuō)起，離子注入是從80年代初期開始，廣泛的應(yīng)用到金屬材料方面的一項(xiàng)高新技術(shù)，主要是用來(lái)進(jìn)行金屬的表明改良。1986年中國(guó)科學(xué)院等離子物理研究所做出了對(duì)這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到植物育種方面這一方向的研究。并率先展開了研究，目前已取得重要的進(jìn)展，并在誘變機(jī)理方面以及育種應(yīng)用方面取得了重要的進(jìn)展。離子注入誘變育種具有損傷輕以及突變率高的特點(diǎn)，因其這一優(yōu)良特點(diǎn)，在人工誘變的方法有了一個(gè)新的發(fā)展，提供了一個(gè)新的方向。

將能量為幾十到幾百的荷能離子注入到植物中，通過(guò)能量沉積、動(dòng)量傳遞、離子注入、電荷交換這一過(guò)程，并且在離子到達(dá)終位前，同靶材料中的分子原子相互作用，使得生物分子發(fā)生電離損傷導(dǎo)致。通過(guò)彈性碰撞、沖撞導(dǎo)致原子移位，從而留下了鍛煉或是缺陷。離子能量逐步降低的這一過(guò)程使得核阻能上升，達(dá)到了能量損失的峰值，這時(shí)的離子也就沉積了下來(lái)。對(duì)于諸如的活性離子，他們會(huì)在沉積過(guò)程中不斷的與生物分子發(fā)生置換，形成新的分子基因，因?yàn)榱Ｗ拥哪芰砍练e，導(dǎo)致離子中一小部分能量將隨著動(dòng)能方向轉(zhuǎn)移到表面，從而引起生物表明的二次離子發(fā)射。至于濺射的離子，可以是分子也可以是離子或是原子。入社的離子在發(fā)生碰撞時(shí)也可以直接將動(dòng)量離子傳遞給表面粒子，也會(huì)發(fā)射具有較高能量的二次離子。

由此可見，離子注入的基本過(guò)程中便隨著有能量的沉積和傳遞，也有離入電荷的交換。這些過(guò)程都是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，難以區(qū)分各自的作用與獨(dú)立過(guò)程，但是每個(gè)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)，特別是生物學(xué)效應(yīng)。應(yīng)特別注意的是在離子注入與生物體相互作用的范圍內(nèi)，相互作用是局部的，具有雙重性以及不易修復(fù)的兩種特性。因此離子的注入就可能會(huì)導(dǎo)致染色體的斷裂以及缺失。也可能會(huì)因?yàn)閴A基結(jié)果的改變從而造成誘發(fā)點(diǎn)的突變。根據(jù)離子注入誘變小麥的實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明誘變注入小麥發(fā)生誘變的效果大大的高于γ射線，甚至?xí)谡T變初代中就出現(xiàn)非常明顯的變異。目前離子注入誘變技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用到水稻、小麥等物種進(jìn)行遺傳改良，并且在遠(yuǎn)緣雜交等方面都得到了極為廣泛的應(yīng)用。但是對(duì)于在玉米上的應(yīng)用與研究還是相對(duì)較少的。但利用離子舒服技術(shù)處理玉種子的研究，或得到一種高光效的材料，為在玉米方面的研究提供了珍稀的資源。

3、 空間誘變育種技術(shù)

空間環(huán)境誘變基本的空間環(huán)境特點(diǎn)就是高真空、強(qiáng)輻射和微重力等幾個(gè)方面。將植物搭載在衛(wèi)星或者高空氣球上，在飛行過(guò)程中就處于微重力的環(huán)境中，同樣的還有宇宙中的高能離子以及宇宙射線等。但是宇宙射線會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生輻射誘變的作用，而且經(jīng)過(guò)多方面的生物學(xué)研究結(jié)果表明，宇宙中存在的高能粒子會(huì)使染色體發(fā)生斷裂，更重要的是，重接性斷裂的比率是非常高的。同樣的在微重力以及真空的環(huán)境中將會(huì)引起細(xì)胞活性酶的改變，從而會(huì)影響DNA的修復(fù)。對(duì)于太空所處的綜合環(huán)境的作用結(jié)果導(dǎo)致了環(huán)境誘導(dǎo)會(huì)發(fā)生較高的誘變效果。特別是與其他的誘變技術(shù)相比，空間誘變育種技術(shù)的特點(diǎn)就是變異范圍非常大，而且可能會(huì)出現(xiàn)自然界人工誘導(dǎo)技術(shù)中從未出現(xiàn)的誘變效果，甚至?xí)霈F(xiàn)新型的變異。這種誘變技術(shù)的好處就是有益的突變高，而且變異穩(wěn)定，而且也是產(chǎn)生新物種創(chuàng)造新物質(zhì)的重要途徑之一。目前的誘變研究大多集中在誘變的形態(tài)，以及生理變化等幾個(gè)方面。然而我國(guó)利用衛(wèi)星搭載植物種子進(jìn)行誘變已經(jīng)獲得了水稻等農(nóng)作物的新的突變類型，并且培育出了一些新的物種品系?？臻g環(huán)境誘變技術(shù)對(duì)玉米的誘變研究起步較早，早在上世紀(jì)60年代就有試驗(yàn)，并且研究結(jié)果表明宇宙射線能導(dǎo)致玉米種子的異常生長(zhǎng)。并且玉米在受到宇宙射線中的高能轟擊之后會(huì)在葉子上出現(xiàn)黃色條紋。1994年對(duì)太空環(huán)境對(duì)玉米種子的發(fā)芽率的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，研究結(jié)果表明，太空環(huán)境對(duì)玉米種子的發(fā)芽率并無(wú)影響，但是會(huì)出下生長(zhǎng)抑制的狀況。由于當(dāng)代植物的植株較高，葉片數(shù)量明顯減少。一些植株的根尖細(xì)胞中包含染色體橋等物質(zhì)。1998年對(duì)玉米自交系種子的研究又有了重大突破，通過(guò)對(duì)玉米自交系種子搭載往返衛(wèi)星之后在田間的生長(zhǎng)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)的自交系負(fù)效果。從對(duì)誘變材料的分析與研究觀察中發(fā)現(xiàn)，空間誘變發(fā)生的頻率較高，范圍也是比較廣的，而且也是有助于改良農(nóng)產(chǎn)品的性狀以及農(nóng)藝性狀。但是由于地面育種的難以實(shí)現(xiàn)以及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的影響難以突破，空間誘變育種技術(shù)在很多方面都受到了限制。

4、 激光輻射誘變育種

激光輻射誘變育種技術(shù)是屬于誘變育種技術(shù)的一個(gè)新的分支。從上世紀(jì)60年代開始，發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、加拿大等就對(duì)激光與中技術(shù)展開了研究與應(yīng)用。而我國(guó)與1972年才開始對(duì)這項(xiàng)技術(shù)展開了深入的研究與分析，時(shí)至今日，已取得大量的進(jìn)展。并且在生物的細(xì)胞水平等方面均作出了大量的研究與探討，證實(shí)了激光輻射可對(duì)物種產(chǎn)生變異效果，并且產(chǎn)生的變異能夠遺傳。從而對(duì)誘變育種的技術(shù)進(jìn)行了徹底的革新變革。另外就是在新物種的選育方向上取得了顯著地成績(jī)，證明了激光誘變育種技術(shù)的有效性。因?yàn)榧す饩哂休^高的方向性等基本特征，所以一旦某種激光的頻率以生物體內(nèi)的某種物質(zhì)的頻率相等，就會(huì)產(chǎn)生共振，從而積累能量引起化學(xué)鍵的斷裂。然后斷裂分子在進(jìn)行相互作用，就能夠形成新的化學(xué)鍵，從而引起性狀的變異，另外激光還具有一定的電磁場(chǎng)效應(yīng)，可以直接地影響生物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，從而引起生物的變異?，F(xiàn)如今激光誘變育種技術(shù)已經(jīng)被迅速應(yīng)用到生產(chǎn)中，生產(chǎn)出一些高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新品種，激光輻射誘變技術(shù)也為玉米的育種提供了一種全新的研究方向。

5 、結(jié)束語(yǔ)

誘變育種技術(shù)是一種對(duì)物種進(jìn)行創(chuàng)造改良的技術(shù)，他能有效的改良農(nóng)作物的基因以及農(nóng)藝形狀，通過(guò)誘變的手段進(jìn)行育種，可以有效的改良比如早熟，株高等簡(jiǎn)單的性質(zhì)。誘變育種技術(shù)與常規(guī)的育種技術(shù)相比，具有后代的性質(zhì)穩(wěn)定，育種的周期短等優(yōu)點(diǎn)，但是也有一些不足，就是進(jìn)行誘變育種時(shí)，發(fā)生變異的方向不確定，突變頻率難以控制，想要解決這一問(wèn)題就必須采用新型的誘變育種技術(shù)，擴(kuò)大誘變的群種，從而加大選擇的機(jī)會(huì)。誘變育種技術(shù)使培育新物種的重要手段，也是豐富物種資源的重要手段，雖然在農(nóng)作物方面的一些誘變手段的應(yīng)用方面的研究才剛剛起步，但是對(duì)理論研究已經(jīng)趨于成熟，但已有的研究成果已經(jīng)達(dá)到了驚人的效果，誘變育種技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。

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