航天誘變育種技術(shù)在作物育種上的應(yīng)用

常天佑，王翠俠，張建偉，楊保安

（1.河南航宇種業(yè)有限公司，河南 寶豐 467400； 2.河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450015）

1 作物航天誘變育種的概念與機(jī)理

所謂航天誘變育種，是指利用高空氣球、衛(wèi)星或飛船等返回航天器，將農(nóng)作物的種子、組織、器官或活體送入太空，在宇宙射線、微重力、近地磁場和高真空等多種空間因素的綜合誘變作用下，打破基因連鎖，促進(jìn)優(yōu)異基因重組，促使基因變異，進(jìn)而使其性狀發(fā)生改變，然后再從返回地面的生物體中篩選發(fā)生突變的新種質(zhì)材料，并進(jìn)一步選育出植物新品種、優(yōu)異育種材料以及特色基因資源材料的育種方法[1-3]。

在空間環(huán)境中，存在宇宙射線、高能粒子輻射、強(qiáng)烈的紫外線照射、微重力、近地磁場和高真空等諸多誘變因素，這些因素會影響作物的生存、生長和發(fā)育，甚至導(dǎo)致許多可遺傳的變異。一般認(rèn)為引發(fā)變異的主要因素是宇宙輻射和微重力[1，4]。

在太空中，天然輻射比地球強(qiáng)得多，這些射線包括宇宙射線和太陽磁暴產(chǎn)生的各種質(zhì)子、粒子、電子、低能量離子、高能量離子及強(qiáng)紫外線等，都會對生物發(fā)生作用?？臻g輻射通過對生物體系統(tǒng)代謝途徑中的遺傳物質(zhì)損傷和以染色體斷裂為主的染色體變異引起植物的變異，如堿基缺失、堿基間氧鍵的斷裂、堿基內(nèi)單鍵斷裂、雙鏈斷裂、染色體螺旋內(nèi)的交聯(lián)程度，以及分子和蛋白質(zhì)的交聯(lián)，產(chǎn)生細(xì)胞失活、發(fā)育異常等[1，5]。植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)受重力影響。在太空中，重力僅是地球重力的百萬分之一至十萬分之一。微重力影響植物細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)和功能，微重力會導(dǎo)致細(xì)胞分裂異常，染色體畸變，核小體數(shù)目變化以及一系列變異[6，7]。航天誘變存在的誘變因素較多，除空間福射和微重力外，還包括多種太空環(huán)境的復(fù)合作用。諸如超真空、磁場變化、飛行中頻繁的溫濕度交替變化等，這些因素與微重力和宇宙射線共同作用會改變生物體遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生變異[8]。

2 作物航天誘變育種的特點(diǎn)

航天誘變具有誘變效率高、有益突變多、造成的生理損傷輕、性狀快速穩(wěn)定、育種周期短等特點(diǎn)。研究表明：航天誘變產(chǎn)生的有益突變達(dá)到 2%-3%，比傳統(tǒng)的γ射線處理明顯提高；航天誘變造成的生理損傷較傳統(tǒng)誘變方式輕；航天誘變后代在株高、穗粒重、穗粒重等多個(gè)經(jīng)濟(jì)性狀發(fā)生明顯變異；航天誘變育種一般在3～4代可穩(wěn)定，性狀穩(wěn)定快。此外，航天誘變不需要人類建立會污染環(huán)境的誘變源，因而對環(huán)境沒有污染，符合人口、資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[9、10]。

3 航天誘變育種的生物學(xué)效應(yīng)

3.1 航天誘變對農(nóng)作物農(nóng)藝性狀的影響

大量研究表明，經(jīng)航天誘變處理后的作物，Sp1代的植株、產(chǎn)量及其它農(nóng)藝性狀與對照之間沒有顯著差異，而在Sp2和Sp3代與對照差異顯著，變異突出。水稻經(jīng)航天誘變處理后，SP2代的分蘗數(shù)、穗長、粒形、千粒重、穗粒數(shù)等性狀均發(fā)生變異[11]。小麥種子經(jīng)航天誘變后，后代的株高、葉色、穗長、產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀變異較突出[12]。

3.2 航天誘變對農(nóng)作物生育進(jìn)程的影響

經(jīng)過專家研究表明，將農(nóng)作物種子送入太空，利用太空環(huán)境誘發(fā)種子基因變異，能夠改變種子活力，加快種子生根發(fā)芽，種子的發(fā)芽率和過氧化酶的活性相對于正常種子有明顯提高；此外，經(jīng)過航天誘變后，種子活性氧防御能力也有所提高，促使植物苗期生長更加具有活力[13]。

4 航天誘變育種的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)展

目前，世界上只有美國、俄羅斯和中國三個(gè)國家成功地進(jìn)行了衛(wèi)星或航天器的空間誘變育種研究。1987年我國利用返回式衛(wèi)星首次成功進(jìn)行農(nóng)作物種子的太空搭載試驗(yàn)，此后利用返回式衛(wèi)星和神舟飛船先后開展了20多個(gè)航天育種試驗(yàn)，育成并通過審定了小麥，水稻，玉米，花生，棉花，油菜，大豆，芝麻等近百個(gè)作物新品種。明顯提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)、提高作物抗性，為航天育種產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)，為中國農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)[14]。

4.1 航天誘變育種在糧食作物育種中的應(yīng)用

早在1987年，我國就利用高空氣球成功培育出了“海香”和“中作59”兩種粳稻品種。此后，我國浙江省、河南省和山東省農(nóng)科院所也陸續(xù)開始進(jìn)行航天誘變育種技術(shù)的應(yīng)用，利用高空氣球成功實(shí)現(xiàn)小麥種子誘變，促進(jìn)地區(qū)小麥增產(chǎn)增收。

4.2 航天誘變育種在蔬菜育種中的應(yīng)用

航天誘變育種技術(shù)不但應(yīng)用在了糧食作物種子培育中，也應(yīng)用到了蔬菜作物育種中。從1987年中科院與黑龍江農(nóng)科院合作進(jìn)行青椒種子航天誘變之后，我國陸續(xù)進(jìn)行了菜花、番茄、黃瓜等種子的培育，培養(yǎng)出了許多具有抗旱能力、早熟品種的蔬菜。

4.3 航天誘變育種在花卉育種中的應(yīng)用

1994年我國廣西利用航天誘變育種技術(shù)培育了白蓮種子；同年，黑龍江林業(yè)大學(xué)也利用航天誘變育種技術(shù)培育了百合花種子。利用此技術(shù)培育出來的花卉，花期更長，相比其他種子，提前開花，抗病能力更強(qiáng)[15]。

5 問題與展望

利用航天育種，先后選育出小麥、水稻、玉米等多個(gè)作物新品種，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著作物基因組研究計(jì)劃的實(shí)施，各作物基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫的逐漸完善，利用高通量測序、轉(zhuǎn)錄組以及蛋白質(zhì)組技術(shù)對航天誘變獲得的變異材料開展系統(tǒng)性研究以闡明航天誘變的遺傳和分子機(jī)理將成為今后研究的熱點(diǎn)。而航天誘變育種可以增大種質(zhì)資源的變異幅度，加速某些性狀的改造，縮短優(yōu)良品種的選育的過程，獲得自然突變和單一理化誘變手段難創(chuàng)制的種質(zhì)新資源。