淺談?shì)椛湔T變技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中的應(yīng)用*

王 偉

（河南新安縣正村鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，河南 洛陽(yáng) 471800）

0 引言

目前，由于一些大型作物雜交品種繁多，重復(fù)使用的有益基因有限，因此遺傳基礎(chǔ)相對(duì)狹窄，水平相似，很難改變育種品種。新中國(guó)成立以來，長(zhǎng)江下游和黃河流域小麥品種經(jīng)過變化后產(chǎn)量顯著增加，但后續(xù)變化的產(chǎn)量不顯著，甚至有提高穩(wěn)定性和產(chǎn)量大幅下降的趨勢(shì)。輻射誘變技術(shù)已被人工用于X射線、中子、激光、離子等物理誘變因子誘導(dǎo)植物遺傳變異，從而在短時(shí)間內(nèi)獲得可用于生產(chǎn)和直接使用的突變體[1]。雖然輻射誘變技術(shù)只有幾十年的歷史，但由于其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，發(fā)展迅速，并已成為改良農(nóng)業(yè)新品種的重要途徑之一。本文在水稻、小麥、花卉和樹木輻射試驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外輻射誘變農(nóng)場(chǎng)的研究成果，分析其作用機(jī)理，主要目的是提高人們對(duì)輻射改性技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的價(jià)值，提高人民的生活水平。

1 輻射誘變技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中的起源與發(fā)展

1927年，美國(guó)李明教授首次成功發(fā)現(xiàn)一種新型X射線中的熒光粒子，可以有效抑制誘發(fā)各種植物果蠅的熒光輻射合成基因突變。植物學(xué)家斯塔德勒隨后首先成功發(fā)現(xiàn)了一種新型X射線熒光，對(duì)玉米農(nóng)作物和大麥農(nóng)作物的輻射基因合成誘變也能產(chǎn)生輻射效應(yīng)，在對(duì)該植物育種栽培技術(shù)深入研究后逐步將這種輻射基因突變合成技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種植物在核能中的育種，并已經(jīng)取得較好的育種技術(shù)研究成就[2]。20世紀(jì)80年代以來，利用現(xiàn)代激光分子細(xì)胞生物學(xué)，為現(xiàn)代激光無(wú)線輻射技術(shù)誘變植物育種系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展注入了新的科學(xué)技術(shù)活力，促進(jìn)目前世界植物突變培育體系技術(shù)與現(xiàn)代畜牧農(nóng)業(yè)耕作植物育種系統(tǒng)方式相互影響，并不斷發(fā)展形成一套具有全球性的傳統(tǒng)畜牧耕作育種系統(tǒng)技術(shù)。近年來，突變培育體系的新種植物和新生態(tài)品種的種植培育已使作物在其生產(chǎn)地的數(shù)量等均呈現(xiàn)不斷上升和增長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)2008年以及國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在近年首批成功利用現(xiàn)代激光無(wú)線輻射誘變分子技術(shù)成功培育的2 320個(gè)新品種中，中國(guó)已成功種植培育623個(gè)，占目前世界培育植物品種總數(shù)的26.85%。

2 輻射誘變技術(shù)的作用機(jī)理

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展上較為迅速。輻射誘變的發(fā)生機(jī)制主要就是圍繞著細(xì)胞染色體上的畸變和遺傳突變之間的相互關(guān)系，促進(jìn)各類農(nóng)作物發(fā)生細(xì)胞變異，進(jìn)而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。一般來說，染色體上的畸變色差屬于植物細(xì)胞輻射突變損傷的一個(gè)重要典型遺傳特征，能夠直接體現(xiàn)其自身存在的植物輻射突變損傷。而在植物輻射誘變育種過程中，因發(fā)生了有絲分裂和細(xì)胞減數(shù)有絲分裂，進(jìn)而出現(xiàn)畸變色差，這種細(xì)胞出現(xiàn)的畸變色差主要包括各種畸變遺傳類型、畸變遺傳行為和遺傳突變效應(yīng)，而在高能和穿透性強(qiáng)的射線的輻射下，可以促使農(nóng)業(yè)產(chǎn)品誘發(fā)出部分染色體數(shù)目，并且出現(xiàn)一定程度的結(jié)構(gòu)和行為畸變[3]。例如，在對(duì)報(bào)春花卉傳播繁殖中植物輻射毒性突變的研究中，發(fā)現(xiàn)在植物報(bào)春花后期發(fā)生的核染色體功能斷裂和基因結(jié)構(gòu)功能重建，以及經(jīng)過植物輻射毒性誘變技術(shù)處理的類似紅魚的三葉草，可以在多種作物中直接產(chǎn)生更多的毒性突變。輻射的致突變性在于確保處理過的材料的DNA由于各種生物效應(yīng)而產(chǎn)生大的突變，當(dāng)輻射導(dǎo)致細(xì)胞染色體改變時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致與生物體細(xì)胞質(zhì)相關(guān)的核外遺傳變異，影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

3 輻射誘變技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中的優(yōu)勢(shì)

輻射基因誘變處理技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)水稻育種中通過進(jìn)行水稻作物輻射基因誘變處理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過輻射誘變處理后的各種水稻作物細(xì)胞通常會(huì)連續(xù)發(fā)生多種基因突變，出現(xiàn)的這些多種突變基因類型主要為隱性染色體遺傳突變。該基因突變的遺傳特點(diǎn)大多表現(xiàn)為隱性遺傳突變，通常在突變中不明顯，只有當(dāng)發(fā)生突變的隱性因子基因類型趨于純合時(shí)才可能會(huì)開始出現(xiàn)，不同繁殖性狀的基因遺傳突變頻率不同，葉綠素遺傳突變、矮化遺傳突變可能性較大，由此可知，不同突變體由于繁殖基因性狀不同應(yīng)選擇具有不同基因大小的突變基因[4]。同時(shí)，突變效應(yīng)一般穩(wěn)定快速，當(dāng)農(nóng)作物受到X光輻射線總照射量為零或其他穩(wěn)定值時(shí)，照射效率對(duì)最終突變效應(yīng)也具有顯著性的影響，為了提高作物誘變品種效果，應(yīng)根據(jù)不同作物育種目的來選擇合適的作物輻照率。與其他傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)相比，輻射強(qiáng)化誘變品種栽培技術(shù)可有效提高多種作物突變頻率，擴(kuò)大作物突變效應(yīng)范圍，為新作物品種的栽培繁育提供更為豐富的突變?cè)牧?，有效克服原生植物的品種自交不親和性，促進(jìn)遠(yuǎn)緣品種雜交和植物基因組的重組[5]。

4 輻射誘變技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中的具體應(yīng)用

4.1 在農(nóng)作物方面的應(yīng)用

輻射誘變育種技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)水稻育種中的實(shí)際應(yīng)用期間，除在水稻、高粱和其他農(nóng)作物中應(yīng)用輻射傳播誘變技術(shù)外，還有許多農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的實(shí)例。例如，中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所利用等離子輻射誘變育種技術(shù)，經(jīng)過7年13個(gè)農(nóng)業(yè)育種傳播季節(jié)，成功培育出一個(gè)水稻新品種，水稻種子直接可以播種在當(dāng)?shù)氐咎镏校蟠鬁p少了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的工作量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[6]。在關(guān)于玉米植物輻射激光誘變有益育種的相關(guān)實(shí)驗(yàn)方面，根據(jù)2010年7月19日的研究報(bào)告，中科院現(xiàn)代物理研究所與甘肅金鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司項(xiàng)目聯(lián)合共同承擔(dān)的“玉米新品種重電離輻射處理”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用重力光加速器技術(shù)提供的激光離子束對(duì)選定的玉米自交品系植株進(jìn)行輻射研究，篩選出有用的突變體，并由此產(chǎn)生了許多有益的育種變化，有益育種變異發(fā)生頻率約為7.0%~17.9%[7]。輻射激光誘變育種技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)玉米育種中主要為玉米作物的綜合創(chuàng)新和玉米新品種的栽培開辟一條新的農(nóng)業(yè)育種技術(shù)途徑。除了糧食作物外，輻射誘變技術(shù)在其他一些作物的育種試驗(yàn)中也取得了良好的效果[8]。

4.2 在花卉中的應(yīng)用

在花卉品種改良方面，輻射誘變育種技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了可觀的成果，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該領(lǐng)域已測(cè)試了近50種植物，產(chǎn)生的新品種僅在玫瑰、菊花、美人蕉種植上就有近100個(gè)，選取不同花種和批次花卉育種結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。北京林業(yè)大學(xué)采用輻射法培育的菊花新品種，不僅四季開花，而且耐低溫能力更強(qiáng)；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)利用輻射技術(shù)培育的8個(gè)冬菊花新品種的自然開花期為11月至次年1月；河南農(nóng)業(yè)大學(xué)以菊花的植株、愈傷組織、枝條、根系和植物組織為試驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行X射線照射，并與組織培養(yǎng)相結(jié)合，培育出多種新品種花卉[9]。此外，輻射誘變育種技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)植物育種中通過對(duì)慢性輻射激光誘變品種繁殖的深入研究，不僅成功培育了一系列新品種，而且在育種研究中也獲得了許多有價(jià)值的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，利用X光輻射線對(duì)百合組織品種培養(yǎng)基中形成的多種品種進(jìn)行慢性激光輻射誘變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明，X光輻射線對(duì)百合品種細(xì)胞生長(zhǎng)具有明顯的生物抑制毒害作用?；ɑ芷贩N輻照適宜劑量統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 花卉品種輻照適宜劑量統(tǒng)計(jì)表

4.3 在果樹上的應(yīng)用

輻射誘變技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如在果樹生產(chǎn)中，輻射誘變技術(shù)是改良園藝植物品種的有力工具，在實(shí)際應(yīng)用期間也是克服落葉果樹遠(yuǎn)緣不親和性的最有希望的方法之一[10]。雜交育種與落葉果樹品類輻射育種技術(shù)的結(jié)合還可以同時(shí)用于創(chuàng)造新的落葉果樹品種，這也將是當(dāng)前和未來關(guān)于落葉果樹品種雜交植物育種和輻射栽培技術(shù)改良的戰(zhàn)略方向。根據(jù)聯(lián)合國(guó)及農(nóng)業(yè)植物技術(shù)發(fā)展聯(lián)合組織的相關(guān)數(shù)據(jù)，輻射誘變技術(shù)對(duì)果樹品種成熟表現(xiàn)的改變，主要集中在果樹品種改變成熟期，通過雜交育種誘導(dǎo)落葉果樹變成矮化植物，提高落葉果樹抗病性，主要供試材料為干濕種子和花粉[11]。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，輻射生物誘變育種技術(shù)已發(fā)展成為有機(jī)農(nóng)業(yè)育種物理誘變的重要技術(shù)，并在有機(jī)農(nóng)業(yè)育種實(shí)踐中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。然而，輻射生物誘變育種技術(shù)在有機(jī)農(nóng)業(yè)作物育種中還不成熟，特別是當(dāng)有機(jī)輻射與其他具有致癌風(fēng)險(xiǎn)的輻射光線相互結(jié)合時(shí)，是否會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響還需深入研究，微生物共同致突變機(jī)制需要深化，一方面，它給當(dāng)前的農(nóng)業(yè)工作帶來了很大的盲目性；另一方面，它也給未來的農(nóng)業(yè)工作帶來了更多的內(nèi)容。隨著這一領(lǐng)域研究的深入，輻射誘變技術(shù)將在育種領(lǐng)域開辟更廣闊的前景，如質(zhì)量改進(jìn)或新的訓(xùn)練，在遠(yuǎn)程雜交中獲得與目標(biāo)基因的異源染色體易位是最理想的結(jié)果。