誘變技術(shù)在荷花育種中的應(yīng)用研究

胡芳王寧迪

(1.武漢市沙湖公園管理處，湖北 武漢 430000；2.武漢市園林科學(xué)研究院，湖北 武漢 430081)

荷花(Nelumbo nucifera Gaertn)，又稱蓮，是蓮科蓮屬多年生水生草本植物，荷花被稱為“活化石”，是被子植物中起源最早的植物之一，荷花在我國栽培歷史悠久，有近兩千五百年的栽培歷史[1]。近半個世紀(jì)以來，荷花育種工作發(fā)展速度極快，經(jīng)過一代又一代人的栽培選育，使得我國荷花種質(zhì)資源非常豐富，中國也成了全球荷花品種最多、賞荷景點最多的國家。雖然我國荷花育種隊伍在不斷壯大，在新品種選育方面取得了一定的成就，但隨著人們對荷花觀賞性的要求越來越高，對荷花的顏色、花瓣數(shù)量、花態(tài)、開花時間、抗逆性等性狀提出了更高的要求，近年來育成的品種在特異性、新穎性、抗性方面突破不大，加速培育出新穎特異的荷花品種成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)的育種手段已經(jīng)難以滿足要求，而誘變育種作為一種培育新品種的方法，具有突變頻率高，遺傳變異范圍廣和速度快等優(yōu)點。相對于常規(guī)選擇育種，其還能創(chuàng)造新的質(zhì)量和數(shù)量性狀上的變異，創(chuàng)造出常規(guī)育種手段難以獲得的新表型、新突變、新種質(zhì)。

本研究基于以往學(xué)者對荷花的誘變育種研究，對荷花的誘變育種方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并對當(dāng)前的荷花誘變育種存在的問題和未來的方向進(jìn)行了闡述，為后期荷花新品種的選育奠定基礎(chǔ)。

1 我國荷花品種資源現(xiàn)狀以及育種目標(biāo)

1.1 荷花品種資源現(xiàn)狀

在白堊紀(jì)時期以前，蓮屬植物廣泛分布在北半球的北美洲、亞洲及歐洲地區(qū)，約有10～12個蓮屬植物原始種。到了后冰期時代，全球氣溫下降，地球上的許多植物因為寒冷受到凍害而滅絕，蓮屬植物也不例外。據(jù)考證，當(dāng)時存活下來的蓮屬植物僅2種，即美洲蓮(Nelumbo lutea Pers)和亞洲蓮(Nelumbo nucifera Gaertn)。美洲蓮，又叫美洲黃蓮，原產(chǎn)于美洲，美洲是其分布中心；亞洲蓮地理分布廣泛，主要分布在中國，所以亞洲蓮又被稱為中國蓮[1]。中國蓮也稱荷花，在我國有近兩千五百年的栽培歷史，地理分布也極為廣泛，從北部的黑龍江至南部的海南島，從東部的臺灣到西部的新疆，均有荷花生長[2]。

我國觀賞荷花品種資源收集工作始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時由張行言和王其超先生率先開展，經(jīng)過無數(shù)育種工作者的努力，到了20世紀(jì)90年代我國荷花育種工作取得了優(yōu)異的成績，中國也成為了荷花品種最多的國家。根據(jù)《中國荷花新品種圖志I》記載,我國荷花品種有近2000個[2]。

因荷花品種類型多而復(fù)雜，所以在荷花品種分類標(biāo)準(zhǔn)也各有不同，最早記載的荷花品種分類標(biāo)準(zhǔn)可追溯到清代楊鐘寶的著作《瓨荷譜》，可按荷花的花色、花瓣、花型、花徑性狀進(jìn)行4級分類[3]。1982年，王其超等將株型大小加入已有的分類標(biāo)準(zhǔn)中，形成了以株高和花徑、花型、花色的3級分類標(biāo)準(zhǔn)。1983年倪學(xué)明提出，依據(jù)荷花的用途將荷花品種分為了花蓮、籽蓮和藕蓮3類[4]。隨后，王其超和張行言在分類上進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整，形成了溫帶型荷花品種分類系統(tǒng)與熱帶型荷花品種分類系統(tǒng)，其中溫帶型荷花品種分類系統(tǒng)包括3系、6群、16類、48型；熱帶型荷花品種分類系統(tǒng)包括1系、2群、3類、8型[2]，這套分類標(biāo)準(zhǔn)也一直沿用至今。

常規(guī)雜交育種是我國當(dāng)前培育荷花新品種的主要手段。雜交育種分為自然雜交和人工雜交。自然雜交是指通過在同一區(qū)域內(nèi)種植大量不同品種的荷花，親本隨機(jī)交配，然后收獲種子，再從后代挑選出新株系的一種方法。王其超等利用自然雜交從275株實生苗中選育出24個荷花新品種[2]。人工雜交一般先確定育種方向，再有目標(biāo)的選定親本進(jìn)行雜交。近幾年通過人工雜交選育的新品種有“錦衣衛(wèi)”“大黃蜂”“甜點”等。我國通過雜交育種選育出了大量新品種，但是因為當(dāng)前人們對荷花的觀賞性越來越高，自然雜交選育出新品種的概率越來越小，因為親本信息在育種方向上存在不確定，所以通過自然雜交育種突破越來越小。人工雜交雖然可以確定親本信息，但人工雜交的變異率有限，大量人工雜交組合來選育新品種，工作量大且繁瑣。

1.2 未來荷花育種目標(biāo)

當(dāng)前荷花的育種目標(biāo)主要包括：豐富荷花花色，目前缺少花色新穎的品種，如藍(lán)色、綠色、黑色等荷花新品種以及嵌色品種；延長花期，目前早花晚花品種較少；抗逆性強(qiáng)的品種，包括耐陰、耐低溫、抗病蟲害的的品種；兼用型品種，培育花與藕兼用的品種。

2 誘變育種

目前我國荷花育種主要采用雜交手段，但隨著人們對荷花的觀賞性要求越來越高，常規(guī)雜交育種手段由于突變頻率低，存在一定局限性，而由于誘變育種技術(shù)有著突變頻率高、速度快、變異范圍廣等優(yōu)點，所以誘變技術(shù)在育種工作中有著非常突出的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。

誘變育種是指利用不同的物理或化學(xué)因素，人為地使植物體的基因發(fā)生突變，再通過篩選有利的優(yōu)良性狀，培育成新品種的方法[5]。誘變育種包括物理誘變、化學(xué)誘變、航天誘變等。

大量研究表明，誘變技術(shù)在培育新品種以及豐富種質(zhì)資源工作中具有重要的作用。觀賞植物中誘變技術(shù)育種已取得了良好成就,如林兵等利用60Co-γ射線輻照鳶尾品種“展翅”種球，經(jīng)表型選擇、分子鑒定、DUS測試等手段,選育出荷蘭鳶尾新花色品種“玉蝶”和“紫韻”[6]。陳麗等利用EMS(甲基磺酸乙酯)處理楊樹胚性愈傷組織,通過組織培養(yǎng)方法定向篩選，得到了楊樹耐鹽變異體[7]。

當(dāng)前在荷花誘變育種的研究領(lǐng)域中，國內(nèi)學(xué)者主要通過物理誘變、化學(xué)誘變、航天誘變的方法，使荷花產(chǎn)生大量的遺傳變異，來獲得新品種。物理誘變主要是利用60Co-γ射線、離子注入等方法進(jìn)行輻射處理，化學(xué)誘變在荷花育種的研究較少，主要是利用秋水仙素進(jìn)行處理，而對常用的化學(xué)誘變劑甲基磺酸乙酯(EMS)處理荷花的研究少見報道。航天誘變在荷花育種中以“太空蓮36號”系列為代表。

2.1 物理誘變育種

物理誘變主要是用物理誘變劑誘導(dǎo)植物產(chǎn)生遺傳變異的方法。主要的物理誘變劑包括激光、離子束、紫外線、X射線、α射線、β射線、γ射線、快中子和微波等。物理誘變育種是在對植株進(jìn)行物理誘變之后，選擇所期望的優(yōu)良性狀，進(jìn)而培育成新品種的方法。物理誘變育種在大量的物種中均有使用，如番茄、黃瓜、大豆等，其在植物遺傳學(xué)的研究中發(fā)揮了重要作用。

早期的輻射誘變育種以X射線為誘變輻射源，到了20世紀(jì)80年代，γ射線的應(yīng)用更加廣泛，其產(chǎn)生的突變頻率可比自然突變提高100～1000倍[8]。其原理是電磁輻射與植物體內(nèi)分子、原子核發(fā)生碰撞，因其穿透能力強(qiáng)，直接或間接地對染色體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，造成染色體的斷裂、重排、缺失、倒位等變異，從而引起基因突變。陳秀蘭等利用不同劑量的60Co-γ射線對觀賞荷花蓮子與種藕進(jìn)行誘變試驗，發(fā)現(xiàn)輻照蓮子適宜劑量為30～60Gy;紅色系和復(fù)色系品種較易發(fā)生變異,白色系品種未發(fā)生變異[9]。劉鳳欒等利用60Co-γ射線對野生型荷花微山紅進(jìn)行輻射處理，得到了1個表型發(fā)生變化的單株，該突變體花被片變?yōu)楠M長形，經(jīng)過連續(xù)多年觀測，該突變體花被片形態(tài)特征一致且穩(wěn)定，因此作為一個新品種命名為“辰山飛燕”[10]。

離子注入誘變育種是利用離子注入進(jìn)行生物誘變育種。離子束是一種新興的誘變輻射源，其能引起DNA雙鏈斷裂，造成基因突變[11]。其產(chǎn)生的突變頻率是自然突變的1000倍以上，除了突變頻率高，還有著突變體易穩(wěn)定，誘發(fā)突變譜廣，且在相同劑量輻照下，離子束比X射線和γ射線具有更多的相對生物學(xué)效應(yīng)，這使得離子束誘變在育種領(lǐng)域的地位非常之高。但是因為其產(chǎn)生離子束的高能加速器昂貴，所以不能普遍應(yīng)用。離子注入技術(shù)早已在荷花有所應(yīng)用，如2009年，北京師范大學(xué)利用離子注入誘變育種技術(shù)，培育出了蓮子產(chǎn)量高的“京廣一號”白蓮，同時發(fā)現(xiàn)最佳處理下的荷花現(xiàn)蕾數(shù)提高了1倍多，單瓣花也變成了半重瓣花,花色也發(fā)生了變化[12]。近年來，鄧敏對荷花“粉團(tuán)”的種子進(jìn)行離子注入處理，其中“粉團(tuán)-2”在花色、花瓣數(shù)量和雄蕊等方面發(fā)生了變化并能穩(wěn)定遺傳，具體表現(xiàn)為花徑變大，花色變?yōu)檩雷仙?，雄蕊出現(xiàn)瓣化現(xiàn)象，有的內(nèi)瓣出現(xiàn)白斑[13]。

2.2 化學(xué)誘變育種

化學(xué)誘變育種是利用化學(xué)誘變劑對植物進(jìn)行處理，使植物遺傳物質(zhì)出現(xiàn)變異，篩選出所期望的突變性狀，然后培育成新品種的誘變方法。根據(jù)誘變機(jī)理不同可以將化學(xué)誘變劑分為4類。

2.2.1 烷化劑

是栽培作物誘發(fā)突變的重要誘變劑。烷化劑的烷基能置換出DNA分子中的氫離子，從而導(dǎo)致復(fù)制或者轉(zhuǎn)錄過程發(fā)生改變。烷化劑主要分為4大類：烷基磺酸鹽和烷基硫酸鹽、次乙胺、亞硝基烷基化合物、環(huán)氧乙烷類和芥子氣類。其中EMS(甲基磺酸乙酯)是應(yīng)用較多的一種烷化劑，番茄、黃瓜、水稻等作物等有大量應(yīng)用。

2.2.2 核酸分子堿基類似物

包括5-溴尿嘧啶(5-BU)、8-氮鳥嘌呤等，這類物質(zhì)具有與DNA堿基相似的結(jié)構(gòu)，在復(fù)制DNA時可能會被誤當(dāng)成堿基，導(dǎo)致會錯配，最后產(chǎn)生變異。

2.2.3 生物堿類誘變劑

主要代表為秋水仙堿(Colchicine)，是一種被廣泛應(yīng)用的化學(xué)誘變劑。秋水仙素在誘變多倍體效果顯著。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行分裂時，用秋水仙素處理，能夠使細(xì)胞的染色體著絲點延遲分裂和抑制紡錘體的形成，導(dǎo)致染色體不能移向兩級，從而造成數(shù)目加倍。

2.2.4 其他誘變劑

代表的有NaN3(疊氮化鈉)，是一種誘變作用的無機(jī)鹽，能引起基因突變。其作用機(jī)理是替換DNA結(jié)構(gòu)中的堿基，導(dǎo)致點突變的產(chǎn)生。

化學(xué)誘變育種因為操作簡單，成本較低，可控制性強(qiáng)、對基因組損傷小等優(yōu)點，現(xiàn)已在植物上已經(jīng)廣泛應(yīng)用。關(guān)于荷花的化學(xué)誘變育種報道較少，武漢植物園黃國振先生曾利用秋水仙素對荷花幼芽進(jìn)行浸泡和滴芽處理，通過浸泡處理方法獲得了加倍植株，而滴芽處理未獲得加倍植株[14]。近年來，上海師范大學(xué)秦密對荷花用秋水仙素處理荷花早期花蕾獲取2n花粉，結(jié)合有性雜交，得到3株三倍體植株[15]。

2.3 太空誘變育種

太空誘變育種是利用衛(wèi)星、航天飛機(jī)等搭載植物種子或其他材料，通過太空中的輻射和微重力，引起植物細(xì)胞內(nèi)核酸的斷裂以及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的改變，從而產(chǎn)生基因突變，并以此進(jìn)行新品種培育的一種方法。因為太空育種成本高，所以應(yīng)用較少。1994年，江西廣昌白蓮研究所利用返回式衛(wèi)星搭載蓮子進(jìn)行太空育種，篩選出以“太空蓮36號”為代表的太空蓮系列品種[1]。

3 問題與展望

當(dāng)前我國荷花育種工作者雖通過誘變技術(shù)取得一定成就，但對于荷花誘變技術(shù)的研究還處于初期探索階段，對于誘變的機(jī)理研究還不夠深入，從形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)以及分子生物學(xué)等方面繼續(xù)深入研究十分必要。誘變技術(shù)雖然突變頻率高，范圍廣，但是突變方向不能有效控制，隨機(jī)性大，在后代選擇上具有一定盲目性，篩選出有利突變材料需要大量時間。所以在后代突變體材料的選育上可以結(jié)合分子標(biāo)記手段來鑒定植物是否發(fā)生遺傳變異，有助于闡明誘變的機(jī)理,有目的地指導(dǎo)誘變育種，提高選擇的準(zhǔn)確性和高效性。

另外，當(dāng)前荷花的誘變育種主要集中在物理誘變，對化學(xué)誘變的研究少見報道，所以在荷花的化學(xué)誘變育種中還有巨大的研究空間。后期須加大力度開展利用化學(xué)誘變技術(shù)，以獲得更加高效的篩選方法和更多的突變材料，為荷花的育種工作提供保障。除了誘變育種技術(shù)，基因工程育種技術(shù)也是未來值得研究的方向，如通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育出藍(lán)色、紫色等荷花品種，因為荷花本身不攜帶藍(lán)色、紫色等基因，若通過細(xì)胞融合、轉(zhuǎn)基因技術(shù)為荷花改造相關(guān)的花色基因，將是一大新的突破。但目前因為荷花的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)尚未成熟，這使得通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得突變體材料很困難，搭建出成熟的荷花遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)也是亟待解決的問題。在未來的育種工作中，可以將荷花誘變育種與雜交育種技術(shù)、基因工程技術(shù)等相結(jié)合,取長補(bǔ)短,采用多元的技術(shù)手段以獲得更多的突變材料,加快荷花育種進(jìn)程，不斷提高育種效率，為培育新穎特異的品種奠定基礎(chǔ)。