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      水稻誘變育種研究進(jìn)展

      2024-06-27 06:28:31楊學(xué)智韓云哲樸雪梅徐偉豪白學(xué)峰柳洪良
      北方水稻 2024年3期
      關(guān)鍵詞:水稻

      楊學(xué)智 韓云哲 樸雪梅 徐偉豪 白學(xué)峰 柳洪良

      摘? 要:誘變育種是一種高效的育種技術(shù),可為水稻新品種選育提供幫助。對(duì)水稻誘變育種進(jìn)行系統(tǒng)性論述,概述了化學(xué)誘變、物理誘變、太空誘變、多倍體誘變、誘變劑組合誘導(dǎo)隨機(jī)突變?cè)谒居N中的應(yīng)用,匯總了誘變株的篩選鑒定方法,分析了誘變育種的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)今后的水稻誘變育種工作進(jìn)行了展望。

      關(guān)鍵詞:水稻;誘變育種;育種方法;篩選方法

      中圖分類號(hào):S511.03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? 文章編號(hào):1673-6737(2024)03-0041-10

      Research Progress of Mutation Breeding in Rice

      YANG Xue-zhi , HAN Yun-zhe , PIAO Xue-mei , XU Wei-hao , BAI Xue-feng , LIU Hong-liang*

      (Yanbian Korean Autonomous Prefecture Academy of Agricultural Sciences, Yanbian Jilin 133400, China)

      Abstract: Mutation breeding is an efficient breeding technique which can provide help for the breeding of new rice varieties. The application of random mutation induced by chemical mutation, physical mutation, space mutation, polyploid mutation and mutagen combination in rice breeding was summarized, the screening and identification methods of mutation were summarized, the advantages and disadvantages of mutation breeding were analyzed and the future work of rice mutation breeding was prospected.

      Key words: Rice; Mutation breeding; Breeding method; Screening method

      水稻(Oryza sativa L.)是世界重要的糧食作物之一,全球約一半人口以大米為主食,隨著人口的不斷增長(zhǎng),稻米的需求也將進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。同時(shí),隨著生活水平的不斷提升,人們對(duì)稻米的食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量也提出了更高的要求[2]。日益增長(zhǎng)的產(chǎn)量需求和品質(zhì)要求,使得培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高抗水稻成為水稻育種的主要目標(biāo)[3]。常規(guī)雜交育種是基于基因自由重組原則,以期增加生物的遺傳多樣性而不產(chǎn)生新的基因。高等植物的自發(fā)突變率很低,僅有10-5~10-8[4];而水稻與其他栽培作物相比,基因組相對(duì)較小,培育優(yōu)良水稻品種過程中出現(xiàn)遺傳變異的可能更低。誘變是增加突變概率、提供新基因型的重要手段,也是當(dāng)今植物育種中的一個(gè)重要途徑[5-6]。誘變育種是一種高效的育種技術(shù),具有特異性較強(qiáng)和誘變后較易穩(wěn)定遺傳特點(diǎn),可為水稻新品種選育提供幫助(提供新種質(zhì)資源)。在過去的50年里,誘變育種為全世界開發(fā)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)作物基因型作出了重大貢獻(xiàn)。

      誘變育種是通過人為制造變異,再進(jìn)行人工選擇將有利變異固定下來用于培育新品種的過程。主要通過物理手段或化學(xué)試劑破壞目標(biāo)生物DNA,導(dǎo)致其基因結(jié)構(gòu)變化,從而引起隨機(jī)突變的發(fā)生。誘變育種操作方法簡(jiǎn)單,短時(shí)間可獲得更多變異,顯著增加變異頻率,為突變體資源庫提供了豐富的基因材料。因?yàn)樗镜幕蚪M小,僅需要少量種質(zhì)材料即可飽和整個(gè)基因組,可提供大量的等位基因用于誘變。同時(shí),水稻也是一種重要的模式植物,大量研究者樂于利用水稻做基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究,有助于全面了解小麥、玉米等其他禾本科植物的基因組[7-8]。因此,對(duì)水稻進(jìn)行誘變育種研究是極其有用的。

      1? 誘變育種的方法

      水稻誘變育種通常選用水稻種子作為誘變材料,挑選健康的水稻種子作為M0代種群,利用物理或化學(xué)手段進(jìn)行誘變處理,產(chǎn)生誘變M1代,M1代一般不進(jìn)行選擇。收集M1代種子種植產(chǎn)生誘變M2代,M2代群體是出現(xiàn)變異差異最大的世代,此時(shí)是選拔的重要時(shí)期,可根據(jù)育種目標(biāo)選擇優(yōu)良單株,也可進(jìn)行基因組分析判斷突變發(fā)生位點(diǎn)。誘變M3代由選拔后的M2代產(chǎn)生,此世代性狀分離減少,多數(shù)突變性狀基本穩(wěn)定。此后,隨著世代的增加,可獲得穩(wěn)定的優(yōu)良突變株系,為進(jìn)一步培育新品種提供材料(圖1)。

      1.1? 化學(xué)誘變

      化學(xué)誘變育種是利用化學(xué)試劑對(duì)植株進(jìn)行處理,引起植株內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,從而導(dǎo)致遺傳物質(zhì)發(fā)生變異,再經(jīng)過M2代、M3代等多代篩選,最終獲得穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)突變株。使用化學(xué)試劑誘導(dǎo)突變是以點(diǎn)突變?yōu)橹鳎梢詢H突變1~2個(gè)性狀,避免不良突變發(fā)生[9-10]?;瘜W(xué)誘變主要產(chǎn)生的是沉默突變和錯(cuò)義突變,約占總突變量的50%,只有5%為無義突變[11]?;瘜W(xué)誘變劑主要有甲基磺酸乙酯(EMS)、N-甲基-N-亞硝基脲(MNU)、疊氮化鈉(NaN3)、乙烯亞胺(EI)等。

      1.1.1? 甲基磺酸乙酯(EMS)? EMS主要是通過鳥嘌呤的烷基化引起突變,導(dǎo)致突變后不與胞嘧啶配對(duì),而與胸腺嘧啶錯(cuò)配,使堿基G:C轉(zhuǎn)變?yōu)锳:T或T:A[12]。研究表明,考慮到不同基因型和致死曲線的情況下,使用EMS浸泡水稻種子誘導(dǎo)突變,其最適使用濃度為0.2%~2.0%,最佳浸泡時(shí)間為10~20 h[13]。

      EMS誘變可以改變水稻的農(nóng)藝性狀,陳開等[14]使用1%的EMS誘變武運(yùn)粳8號(hào)(W8)效果顯著,對(duì)于水稻株高、穗長(zhǎng)、粒長(zhǎng)、劍葉長(zhǎng)等性狀都有較好的正向誘導(dǎo)效果,其中有85.7%的突變株株高比W8高、64.3%的突變株劍葉長(zhǎng)度超過W8,與Sevanthi等[15]使用EMS誘變陸生水稻Nagina22的結(jié)果相似。Huang等[16]在EMS誘導(dǎo)突變體后代中分離得到穩(wěn)定的半矮稈突變株bgsd-2,分析得出相關(guān)基因OsRBAP1在調(diào)控水稻高度和幼穗發(fā)育方面發(fā)揮著重要作用。在抗除草劑方面,陳天子等[17]獲得穩(wěn)定的抗咪唑啉酮類除草劑的水稻突變株,可耐受1 200 mg/L的甲咪唑煙酸,是野生型抗性的100倍。

      1.1.2? N-甲基-N-亞硝基脲(MNU)? MNU是作物中使用最多且十分高效的一種化學(xué)誘變劑。MNU主要與DNA分子中的氧原子反應(yīng),向鳥嘌呤或胞嘧啶進(jìn)行烷基化作用,使G:C配對(duì)變?yōu)門:A配對(duì)。據(jù)報(bào)道,使用MNU處理水稻受精卵細(xì)胞比處理干燥種子更有效,其效率約為處理干種子的兩倍[18-19]。

      使用MNU進(jìn)行誘變的應(yīng)用范圍十分廣泛,可影響植物一系列生理過程,有助于提高遺傳突變,同時(shí)探究基因功能的表達(dá)。王迪等[20]構(gòu)建了包含3 562個(gè)家系的水稻淮陽5號(hào)突變體庫,同時(shí)定位了2個(gè)矮稈突變基因。Zhou等[21]鑒定YSS2為參與葉綠體生物合成相關(guān)的基因,YSS2突變可阻礙早期幼苗葉片發(fā)育。曹鵬輝等[22]完成水稻低溫白化突變體lta1突變基因的精細(xì)定位,突變體在20 ℃下葉綠體發(fā)育異常,葉綠素含量降低,為克隆lta1基因奠定了基礎(chǔ)。MNU誘導(dǎo)突變還可改良稻米品質(zhì),李祖勝等[23]使用 0.05%MNU處理湘晚秈13號(hào)和明恢63,其稻米品質(zhì)有明顯改良。Long等[24]鑒定FLO8基因?yàn)榈矸酆铣蛇^程中相關(guān)基因的調(diào)控因子。

      1.1.3? 疊氮化鈉(NaN3)? NaN3是一種安全高效的植物誘變劑,對(duì)M1代生理損傷小,毒性低,主要作用于復(fù)制中的DNA,對(duì)染色體致變概率很低[25]。其誘變過程為NaN3被植物吸收,后經(jīng)植物中O-乙酰絲氨酸硫解酶產(chǎn)生疊氮化物的有機(jī)代謝物(如L-疊氮丙氨酸),這種代謝產(chǎn)物進(jìn)入細(xì)胞核中,與復(fù)制中的DNA相互作用,使得DNA不能正常合成,導(dǎo)致DNA單鏈斷裂,基因組發(fā)生點(diǎn)突變,因此使用NaN3處理萌發(fā)的種子效果更好[26]。使用NaN3作誘變劑時(shí),其誘變作用很大程度上取決于浸泡溶液的pH值,當(dāng)pH=3時(shí),可產(chǎn)生較多的HN3分子,易穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[27]。

      NaN3雖然不如EMS和MNU使用廣泛,但其價(jià)格便宜且使用方法簡(jiǎn)單,也是較為常用的誘變劑之一,可為水稻功能基因組學(xué)研究以及水稻育種提供有利的變異條件。Hussain等[28]發(fā)現(xiàn)tms8基因參與了溫度誘導(dǎo)的水稻遺傳性雄性不育。Lin等[29]篩選得到一株鹽超敏突變體shs1,其抗氧化機(jī)制的受損以及細(xì)胞內(nèi)Na+穩(wěn)態(tài)的破壞,導(dǎo)致水稻耐鹽性降低。Wang等[30]利用NaN3誘變開發(fā)的稻瘟病抗性水稻TNG67突變體庫包含3 000多個(gè)純突變體系,為抗稻瘟病品種培育以及抗稻瘟病基因定位提供豐富材料。

      1.2? 物理誘變

      物理誘變技術(shù)是誘變育種領(lǐng)域使用最多的一種方式,也是植物育種的重要手段之一。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織和國際原子能機(jī)構(gòu)的突變品種數(shù)據(jù)庫(FAO/IAEA-MVD)報(bào)告,截至2022年9月,使用物理誘變技術(shù)研發(fā)的新品種占整個(gè)突變品種庫的91.6%。物理誘變主要通過射線輻射的手段輻照植物,引發(fā)植物遺傳性狀的改變,然后從突變?nèi)后w中篩選優(yōu)秀個(gè)體,進(jìn)而培育出新品種[31]。物理誘變常用的誘變?cè)从笑蒙渚€、X射線、中子、微波、離子束等。

      1.2.1? 伽馬射線(γ-rays)? γ射線在水稻誘變育種中已有十分廣泛的應(yīng)用,最常見的輻射源是60Co-γ射線和137Cs-γ射線。γ射線具有很高的能量和極強(qiáng)的穿透力,當(dāng)與細(xì)胞中的物質(zhì)碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生電離或激發(fā)作用,形成的正、負(fù)離子或激發(fā)態(tài)原子與核酸和蛋白質(zhì)反應(yīng),引起分子結(jié)構(gòu)的改變,致使遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化,最終導(dǎo)致生物體結(jié)構(gòu)和功能的改變[32-34]。

      γ射線誘導(dǎo)的突變體有助于鑒定水稻生長(zhǎng)表型相關(guān)基因的鑒定,張一林等[35]利用60Co-γ射線輻射秈稻9311獲得莖稈壁增厚突變體st1,其基部第四、五節(jié)縮短退化,導(dǎo)致株高變矮,為st1基因的功能分析和解析水稻抗倒伏性機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。余艷歡等[36]在秈稻品種9311輻射誘變后代中分離發(fā)現(xiàn)一個(gè)窄葉突變體nal7-2(t),由于大維管束和小維管束的數(shù)目減少,導(dǎo)致葉片變窄。在葉色表型上,胡彬華等[37]篩選到一份淡黃葉突變體pyl3,整個(gè)生育期都表現(xiàn)為淡黃葉表型,pyl3突變體攜帶的基因是水稻chl9/chli淺黃綠葉基因的新等位基因。陳能剛等[38]獲得的短穗小粒突變體sp18,穗長(zhǎng)變短,籽粒明顯變小,與Li等[39]報(bào)道的突變體sp1呈現(xiàn)出相似的短穗小粒突變表型,豐富了水稻穗型相關(guān)的調(diào)控基因。

      1.2.2? 離子束輻射(IBR)? 離子束輻射(IBR)是一種較為新穎的輻照手段,相較于γ射線具有穩(wěn)定性強(qiáng)、突變譜廣、生物效應(yīng)高等特點(diǎn)[40-41]。離子束誘變機(jī)理較為復(fù)雜,在能量傳遞轉(zhuǎn)移方面不同于γ射線,主要有能量沉積、質(zhì)量沉積、動(dòng)量傳遞和電荷交換等四個(gè)反應(yīng)過程的綜合作用[42]。注入生物體的離子束與體內(nèi)分子或原子產(chǎn)生碰撞,發(fā)生能量沉積和質(zhì)量沉積,直接作用于生物的遺傳物質(zhì)引發(fā)突變。能量沉積可使染色發(fā)生變異,岳春暉等[43]報(bào)告證實(shí)了這一點(diǎn);質(zhì)量沉積使生物大分子的部分序列被取代或填充,阻礙輻照損傷修復(fù)[44]。研究表明,離子束主要誘導(dǎo)DNA單鏈或雙鏈的斷裂,且斷裂末端受損,導(dǎo)致修復(fù)可能性降低[45]。此外,離子束輻照在細(xì)胞膜表面產(chǎn)生蝕刻效應(yīng),使細(xì)胞膜損傷,有利于外源基因轉(zhuǎn)入,可作為轉(zhuǎn)基因技術(shù)的一種手段[46]。

      我國科學(xué)家余增亮等[44]成功利用離子注入方式誘變水稻,首次提出重離子與植物材料之間的生物學(xué)效應(yīng)假說,至此離子束輻射誘變有了快速發(fā)展。離子束誘變可對(duì)水稻基因活性產(chǎn)生影響,Ishikawa等[47]利用碳離子輻照成功獲得水稻低鎘積累突變體,發(fā)現(xiàn)參與水稻根系中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)的基因OsNramp5發(fā)生改變,導(dǎo)致水稻籽粒中鎘含量的降低。陳慧茹[48]利用碳離子輻照誘變秈稻9311,同樣獲得一株籽粒低鎘積累突變體,但OsNramp5表達(dá)水平?jīng)]有明顯改變,而Cd轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)因子OsHMA3表達(dá)水平顯著上調(diào),負(fù)責(zé)Cd向籽粒運(yùn)輸?shù)腛sLCT1表達(dá)水平顯著下調(diào),也導(dǎo)致水稻種子中的鎘含量降低。馮瑩睿[49]使用低能氮離子束對(duì)水稻幼苗輻照處理,篩選得到5個(gè)有關(guān)脫落酸(ABA)合成酶基因的表達(dá)增強(qiáng)。

      1.2.3? 中子輻照? 中子輻照誘變是以高能量中子束作為輻射源的一種誘變方法,能夠誘發(fā)多種類型的突變。中子不帶電荷,與原子核和電子之間沒有靜電作用,中子束向生物體傳遞能量主要以反沖核的方式進(jìn)行。當(dāng)中子束進(jìn)入生物體中,中子與體內(nèi)原子相互碰撞產(chǎn)生氫反沖核,釋放大量能量,可對(duì)生物體中活性分子造成難以修復(fù)的損傷[50]。中子輻照主要影響DNA結(jié)構(gòu)的改變,破壞含氮堿基,使得DNA鏈斷裂。中子輻照誘導(dǎo)的突變主要包括單堿基取代、缺失、插入、倒位、易位和重復(fù)[51-52]。中子輻照可產(chǎn)生大量的等位基因突變,包括功能基因的喪失、部分功能基因的缺失以及功能基因的獲得,這些等位基因的改變給功能基因組學(xué)研究提供了有力的幫助[53]。

      盡管中子輻照在生物誘變方面已有廣泛的應(yīng)用,但在水稻相關(guān)研究上的使用報(bào)道很少。Li等[54]對(duì)中子誘變模式水稻品種Kitaake的1 504個(gè)突變品系進(jìn)行全基因組測(cè)序,確定了影響32 307個(gè)基因(水稻全基因組的58%)的91 513個(gè)突變,平均每個(gè)品系有61個(gè)突變,建立了名為KitBase的共享數(shù)據(jù)庫。Jiang等[55]在利用KitaBase數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上進(jìn)行研究,鑒定了一個(gè)水稻粒形突變株,發(fā)現(xiàn)gs9-1基因是參與赤霉素(GA)生物合成的BC12/GDD1/MTD1的新等位基因。李梅[56]通過對(duì)中子輻照后稻米籽粒性狀分析,在突變品系中檢測(cè)到直鏈淀粉含量的變化,而支鏈淀粉結(jié)構(gòu)沒有改變。Ruengphayak等[57]獲得對(duì)鐵毒害耐受的突變株,其中子輻照引發(fā)了FRO1基因的變化,從而增強(qiáng)水稻對(duì)鐵毒害的耐受性,以及籽粒中鐵含量增高。Pitaloka等[58]在使用中子誘變水稻Jao Hom Nin(JHN)的基礎(chǔ)上,探究到氣孔密度和大小的改變可影響水稻對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)以及對(duì)水分的利用率,低密度、小尺寸氣孔能夠更好地限制水分蒸發(fā),利于水稻適應(yīng)干旱條件。

      1.3? 太空誘變

      太空誘變是將生物材料送入太空,在太空微重力環(huán)境中接受高能宇宙輻射進(jìn)行誘變的一種方式。因?yàn)橹伦円蛩厥謴?fù)雜,所以太空誘變具有誘變變異頻率高、變異幅度大、優(yōu)良性狀穩(wěn)定快等特點(diǎn)。由于其誘變環(huán)境發(fā)生了根本性變化,可獲得一些迄今在地球上尚未出現(xiàn)的變異材料[59-60]。

      利用太空誘變技術(shù)進(jìn)行誘變育種,有助于我們?nèi)嫣剿魈照T變技術(shù)的機(jī)理、方法和理論,也有助于探尋基因突變規(guī)律以及獲取優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源[61]。張志勇等[62]通過全基因組測(cè)序的方法對(duì)突變株和野生型水稻材料基因組中SNPs、InDel、SV變異進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)基因組誘變作用基本上平均分布,與各對(duì)染色體的大小呈正相關(guān)。誘變類型是SNPs>InDel>SV,表明太空誘變?cè)谒净蚪M中主要是單堿基突變。張?zhí)m民等[63]觀察到寒地早粳水稻變異存在很大的隨機(jī)性,有益農(nóng)藝性狀變異如株高變矮、穗變長(zhǎng)、穗粒數(shù)增多、千粒重增加、結(jié)實(shí)率升高、分蘗增加等出現(xiàn)比例較高,可見太空誘變育種是創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源的有效方法。趙德珠[64]報(bào)道的太空誘變品種連粳1號(hào)具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的特點(diǎn),在水稻品種混雜、種植技術(shù)水平較低的地區(qū)推廣應(yīng)用能夠很好地實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。

      1.4? 多倍體誘變

      秋水仙堿是最常用且最有效的一種多倍體誘變劑,其作用原理是在細(xì)胞有絲分裂過程中,抑制紡錘體微管的形成,阻止染色體分離,使細(xì)胞中染色體成倍增加,從而形成同源多倍體。多倍體是指染色體數(shù)目超過2組,具有完整染色體組的生物體[65]。植物多倍化是驅(qū)動(dòng)物種形成和多樣性進(jìn)化的重要?jiǎng)恿χ籟66-67]。目前,我們廣泛種植的水稻是二倍體作物,與其他多倍體作物(如小麥)相比,水稻的基因組更小,DNA含量更低,二倍體水稻遺傳資源有限[68]。因此,多倍體水稻培育有助于豐富遺傳性狀信息,增加基因重組多樣化,增進(jìn)或改變某些特性的潛能[69]。

      秋水仙堿誘導(dǎo)多倍體水稻育種,有助于提高水稻對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)性。Tu等[70]發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下,與二倍體水稻相比,四倍體水稻具有更高的鹽脅迫耐受性,根系生長(zhǎng)抑制較少,脯氨酸和可溶性糖含量較高,丙二醛含量較低。李德江等[71]研究表明,多倍體水稻中SOD和POD相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)使得水稻抗氧化能力增強(qiáng),也是抵御鹽脅迫的原因之一。多倍體水稻還促進(jìn)籽粒膨大,器官增大等農(nóng)藝性狀。楊祥波等[72]誘變獲得同源四倍體植株YB16(4),相比二倍體品系莖稈粗壯、分蘗增多、穗長(zhǎng)增加。Zhang等[73]為了探索水稻的雜種優(yōu)勢(shì),培育出兩株具有光敏和熱敏基因雄性不育性的水稻多倍體品系。這些品系表現(xiàn)出較高的異花授粉能力、育性變化和較高的配合能力。從這些品系獲得的雜交種顯示出很高的雜種優(yōu)勢(shì),并具有提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的潛力。

      1.5? 誘變劑組合誘導(dǎo)隨機(jī)突變

      除上述僅使用一種化學(xué)或物理手段作為誘變?cè)赐?,還可將兩種方法相結(jié)合進(jìn)行誘變,增加誘變頻率。羅洪發(fā)等[74]使用0.75%的EMS溶液和γ射線雙重誘變處理水稻種子,獲得了較高的突變頻率(1.79%),檢測(cè)到突變株在莖稈形態(tài)、葉形葉色、籽粒大小等農(nóng)藝性狀方面均有變化,可為水稻突變體庫構(gòu)建和功能基因組研究提供實(shí)物材料。Gautam等[75]使用EMS和γ射線結(jié)合誘變并與單獨(dú)使用γ-射線誘變進(jìn)行對(duì)比,觀察到組合處理中獲得理想型早熟突變體的頻率更高、存活突變株頻率更高、誘變效果更好。Manikandan和Vanniarajan[76]利用電子束和γ射線組合誘變處理,相比于僅使用γ射線反復(fù)處理,葉綠素含量突變頻率更高。

      2? 誘變株鑒定方法

      隨著水稻育種研究的不斷深入,目前已有很多方法用于水稻突變株的篩選和鑒定。主要是形態(tài)學(xué)鑒定,試驗(yàn)檢測(cè)鑒定,分子生物學(xué)鑒定。形態(tài)學(xué)鑒定和特定物質(zhì)檢測(cè)難以判斷突變發(fā)生的真實(shí)性,因此還需要借助分子生物學(xué)方法來辨別突變的真假[77]。

      2.1? 形態(tài)學(xué)鑒定

      在誘變水稻群體中觀察農(nóng)藝性狀變化,通過與野生型植株進(jìn)行比較,挑選存在表型差異的突變株(如莖稈粗細(xì)、分蘗多少、葉色深淺等),經(jīng)過連續(xù)多代選擇培育,獲得具有穩(wěn)定性狀的水稻新品種。水稻性狀與產(chǎn)量之間有著密切關(guān)系,挑選優(yōu)良性狀,排除不利突變,培育健康水稻品種,目的都是為了提高水稻產(chǎn)量,滿足人們對(duì)稻米增量的需求[78]。利用誘變育種可對(duì)水稻的多種農(nóng)藝性狀產(chǎn)生影響,也為進(jìn)一步探究水稻分子機(jī)理提供基礎(chǔ)[42]。

      2.2? 試驗(yàn)檢測(cè)鑒定

      對(duì)于難以通過表型鑒定的可能突變,通常采用試驗(yàn)檢測(cè)的方式鑒定誘變處理是否發(fā)生突變。在稻米品質(zhì)方面,可以測(cè)定突變株稻米中特定物質(zhì),如蛋白質(zhì)、直鏈淀粉、芳香物質(zhì)等[79]。篩選具有抗逆性水稻突變株時(shí),可采用抗性鑒定的方法[80-82],鑒定抗生物脅迫和非生物脅迫的有效變異。保證水稻安全生產(chǎn)需要,可進(jìn)行重金屬檢測(cè)[83-84],淘汰重金屬富集的水稻突變株。

      2.3? 分子生物學(xué)鑒定

      2.3.1? 分子標(biāo)記輔助育種? 分子標(biāo)記輔助育種在水稻育種研究中有著十分重要的作用,其原理是利用分子標(biāo)記與目標(biāo)基因緊密連鎖的特點(diǎn),通過檢測(cè)雜交后代中的分子標(biāo)記即可檢測(cè)到目的基因。水稻中廣泛引用的分子標(biāo)記技術(shù)主要有RFLP、RAPD、SSR和AFLP等[85-86]。分子標(biāo)記技術(shù)具有不受環(huán)境干擾,準(zhǔn)確性好,重復(fù)性高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的分子育種分析技術(shù)主要適用于質(zhì)量性狀位點(diǎn)及主效基因的定位,對(duì)于微效基因定位難度相對(duì)較大,所需時(shí)間較長(zhǎng)[87]。目前,對(duì)于誘變水稻分子標(biāo)記基因定位方面的應(yīng)用,包括籽粒形狀[88-89]、葉色葉形[90-92]、水稻抗性[93]等。

      2.3.2? 突變位點(diǎn)圖譜分析(MutMap)? MutMap是一種基于可見突變表型的植物分離群體的混合DNA進(jìn)行全基因組測(cè)序的方法,可定位控制重要農(nóng)藝性狀的水稻基因的基因組位置[94]。MutMap原理是利用經(jīng)誘導(dǎo)后穩(wěn)定的突變后代與野生型進(jìn)行雜交,生成的F1代自交,得到具有表型差異的F2代,構(gòu)建野生型和突變型混合DNA池,進(jìn)行全基因組測(cè)序,利用SNP標(biāo)記定位突變株同親本變化的基因組。隨著MutMap測(cè)序分析方法的建立,MutMap+[95]、MutMap-Gap[96]和QTL-seq[97]等與之相關(guān)的技術(shù)也孕育而生,有效減少識(shí)別水稻基因所用的時(shí)間,為水稻育種和基因組分析提供了有力幫助。

      2.3.3? 定向誘導(dǎo)基因組局部突變技術(shù)(TILLING)? TILLING是一種反向遺傳學(xué)研究方法,用于檢測(cè)目的基因特定位點(diǎn)的突變。該技術(shù)起初是以化學(xué)誘變?yōu)榛A(chǔ),結(jié)合PCR檢測(cè)和高通量測(cè)序技術(shù)的一種技術(shù)體系[98],但隨著應(yīng)用的不斷深入,現(xiàn)已被用于EMS[99-100]、MNU[101]、空間誘變和重離子束[102]等多種誘變方式產(chǎn)生突變的檢測(cè)。隨著TILLING技術(shù)的廣泛使用,許多有關(guān)TILLING的延伸技術(shù)也不斷被開發(fā)出來?;诟叻直媛嗜劢馇€技術(shù)的HRM-TILLING,在水稻中被用于檢測(cè)γ射線誘導(dǎo)的DNA變化[103]。對(duì)自然群體的點(diǎn)突變進(jìn)行檢測(cè)的Eco-TILLING技術(shù),可識(shí)別水稻基因組的自然變異[104]。改進(jìn)和簡(jiǎn)化了誘變?nèi)后w種植和取樣方式的iTILLING,可用于分析水稻幼苗的基因組DNA[105]。

      3? 誘變的優(yōu)缺點(diǎn)

      相比于常規(guī)育種,誘變育種具有十分明顯的優(yōu)勢(shì),可為育種工作者提供豐富的種質(zhì)資源和遺傳變異。誘變育種的優(yōu)點(diǎn):① 誘變操作方法簡(jiǎn)單,便于實(shí)施和操作;② 誘變頻率顯著提高,提供更多變異進(jìn)行篩選;③ 縮短育種周期,可在較短時(shí)間內(nèi)培育出優(yōu)勢(shì)品種;④ 豐富遺傳變異范疇,可獲得更多在自然變異中難以獲取的優(yōu)良性狀,擴(kuò)大突變體資源庫;⑤ 克服遠(yuǎn)緣雜交的不親和性,拓寬現(xiàn)有水稻品種遺傳背景[106-108]。

      利用誘變方法進(jìn)行育種,其研究的局限性也是不容忽視的。誘變育種的缺點(diǎn):① 突變隨機(jī)性大,誘變性狀難以確定,需要進(jìn)行大量篩選工作;② 有益突變頻率仍舊很低,致死致畸比率高于有利變異;③ 誘變機(jī)理尚不十分明確,難以做到定向誘變;④ 誘變育種遺傳穩(wěn)定性也有待考證,后代培養(yǎng)中存在二次突變的可能[109-110]。

      4? 展望

      誘變育種開創(chuàng)至今已有近百年歷史,在此期間科學(xué)家通過誘變技術(shù)獲得了大量的突變材料,同時(shí)也對(duì)誘變技術(shù)進(jìn)行了諸多的改良和補(bǔ)充。1957年是水稻誘變史上具有里程碑意義的一年,我國科學(xué)家利用X射線誘變獲得第一株水稻突變體,自此揭開了水稻誘變育種的新篇章。水稻作為重要糧食作物、基因組較小的模式生物,與其他作物具有較高的同線性關(guān)系。因此,水稻結(jié)構(gòu)和功能基因組學(xué)的諸多研究成果已經(jīng)延伸到其他作物品種。通過誘變技術(shù)增加水稻變異性,為水稻農(nóng)藝學(xué)方面的發(fā)展提供了強(qiáng)勁動(dòng)力,在水稻基因功能的鑒定、突變新品種的開發(fā)以及特定基因的編輯修飾上提供了幫助。同時(shí),新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用有助于人們向水稻更深層次進(jìn)行探索和研究。

      水稻育種的真諦是獲得優(yōu)良基因型,以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)收益[3]。水稻新品種的選育和利用,可以滿足日漸增長(zhǎng)的稻米需求。誘變是遺傳資源開發(fā)的關(guān)鍵工具,可為育種工作提供有效突變,科學(xué)使用誘變育種技術(shù)可以增加突變頻率,提高育種效率,縮短育種時(shí)間[111]。在掌握水稻性狀遺傳變異規(guī)律的基礎(chǔ)上,根據(jù)育種目標(biāo),采用適合的育種手段,定向培育水稻新品種,努力提高稻米質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)成分,增強(qiáng)稻米加工和外觀品質(zhì),提高水稻抗逆性和豐產(chǎn)性,以滿足確保消費(fèi)者和種植戶的需求,有序推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,推動(dòng)水稻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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