第八章诱变育种

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1、第八章 诱变育种,1、诱变育种的概念 人为利用物理和化学等因素诱发作物产生遗传变异，在短时间内获得有利用价值的突变体，根据育种目标要求，对突变体进行选择和鉴定，直接或间接地培育成生产上有利用价值新品种的育种途径。,一、诱变育种的概念、特点和类别,诱变育种的成就 日本诱变成功超级矮秆早熟水稻品种“黎明”。 法国则诱变成功少粉行道树优良品种“无粉法国梧桐”。 澳大利亚则育成不含多种异黄酮配糖体的三叶草品种，使食草类牲畜的繁殖率大大提高。,根据FAO/IAEA联合处（1995）和我国（1995）年的不完全统计，已有51个国家在162种植物上育成推广了1932个品种，其中观赏植物45种，品种482个，

2、果木20种，品种48个，蔬菜20多个种。,我国的主要业绩： 1957年，中国农业科学院成立了我国第一个原子能农业利用研究室. 20世纪60年代中期开始在水稻、小麦、大豆等主要作物上利用辐射诱变育成了新品种，在生产上得到了应用。 20世纪70年代后期，植物辐射诱变育种开始应用于蔬菜、糖料、瓜果、饲料、药用和观赏植物育种。 我国38种植物上育成推广了459个突变品种，其中在月季、菊花、叶子花、荷花、大丽花、美人蕉等物种上育成并通过鉴定了66个商业化品种，其中主要为菊花22个，月季35个。 9个品种获国家发明奖，包括：水稻原丰早、棉花鲁棉1号、大豆铁丰18和黑农26等,3、诱变育种的特点 3.1 诱

3、变育种诱变效果受到一系列内外因素制约，难于实现定向突变。 3.2 诱变结果一般局限于个别基因的表型改变。不同材料之间效果差异巨大。一般选取生产上已经推广的高世代优良品系作为诱变材料。,3.3 诱变条件下突变频率大幅度增加，但有利突变的几率低。 3.4 同源平行变异规律对指导制定突变体育种目标具有重要的意义。 3.5 诱变育种是无性繁殖园艺植物重要的育种手段。,4 诱变育种的意义和作用 4.1 增加变异率，扩大变异谱 人工诱变可使突变频率增加1,000倍左右。变异谱同时也有了很大的差异，丰富作物的“基因库”，从而扩大了选择范围，并提高了选择效果。,4.2 最适于进行“品种修缮 ” 人工诱变有产生

4、某种“点突变”的特点，它可以只改变品种的某一缺点，而不致损害或改变该品种的其他优良性状。,4.3 缩短育种年限 园艺植物中的多年生营养系品种，可通过直接处理营养器官，获得突变体后直接固定进行繁殖推广。该方法较常见的营养系杂交育种可大大缩短育种年限。,4.4 克服远缘杂交不亲和性及改变植物的授粉、受精习性。 电离射线照射花粉可以克服某些远缘杂交的不亲和性；使异花授粉植物的自交不亲和变为自交亲和；可使正常可育的植物诱变成雄性不育系。,5.诱变育种的类别 5.1物理诱变：利用辐射，诱发基因突变和染色体变异。 5.2化学诱变：应用有关化学物质诱发基因和染色体变异。,二 物理诱变（辐射诱变）,常见辐射源

5、：,1 物理诱变的种类 1.1 紫外线 辐射源是紫外光灯，能量和穿透力低，能成功地用于处理花粉粒。以低压石英水银灯发出的紫外线照射效果较好。虽然紫外线穿透力较弱，但易被核酸吸收，能产生较强变异效果。 1.2 X射线 辐射源是X光机。X射线又称阴极射线，分为硬X射线(波长较短)和软X射线。育种多用硬X射线。,1.3 射线 是一种比X射线波长更短的电离辐射线,辐射源是60Co和137Cs及核反应堆。射线也是一种不带电荷的中性射线。应用于植物育种的射线装置有照射室和圃场及钴人工气候照射室。各种照射场地均应设置防护墙。,浙江农科院的60Co射线种植房,慢照射 种植房 急照射的照射室结构与种植房相似,四

6、川农科院的钴圃全貌 （慢照射）,1.4 射线 是一束电子流，每个粒子就是一个带负电荷的电子的射线束，由32P或35S等放射性同位素直接发生的。透过植物组织能力弱，但电离密度大。通常配成溶液对处理器官或部位进行处理。当同位素溶液进入组织和细胞后作为内照射而产生诱变作用。,1.5 中子 辐射源为核反应堆、加速器或中子发生器。根据中子能量大小分为超快中子、快中子、中能中子、慢中子、热中子。能量从21MeV(百万电子伏）以上到小于1eV。中子的诱变能力比较强，育种上应用较多的是热中子和快中子。对多数作物来说，包括苹果，中子是比X或射线射线更有效的诱变剂 。,1.6 激光 激光的频率和生物体内某种物质分

7、子振动频率相等，产生共振，能量的积累，引起分子内化学键断裂。当这一分子与其它分子相互作用时，就会产生新的化学键，从而使化学性质发生改变，引起生物体性状的变异。 利用激光进行诱变育种研究，处理材料可以是植物的干种子或剥去种皮的裸胚、幼苗、根尖，也可以是未成熟的花器官、花粉及离体花药等,1.7 离子束注入诱变育种 能量为几十至几百keV的核能离子通过发生器注入生物体内，在其到达终位前，将同靶材料中的分子、原子发生一系列的碰撞。通过碰撞、级联和反冲碰撞，导致靶原子移位，留下断链或缺陷。目前，离子注入植物品种改良已涉及几乎所有主要的粮食和经济作物。,河南省离子束诱变育种基地4兆伏静电加速器,离子束诱变

8、在小麦上的应用,1.8 空间诱变育种 空间环境的显著特点是高真空、微重力和强辐射。 我国自1987年以来7次利用返回式卫星搭载植物种子，从中获得了大量的变异类型，涉及到主要粮食及蔬菜作物，并已培育出一些新的突变类型和具有优良农艺性状的新品系 。,福建省农科院谢华安院长等通过航天诱变育的优航中稻,航天南瓜育种,2、辐射处理的剂量单位和剂量率 2.1 放射性强度 放射性物质单位时间内发生的核衰变数目表示。 早期放射性强度以毫居里（mCi）或微居里（Ci）表示， 分别相当于10-3Ci和10-8Ci。 新的照射单位为贝克雷尔（Bq，Beequare），即1Bq/sec2.710-11Ci。 适用于植

9、物体内辐射强度的度量（内照射）。,2.2 辐射剂量 指受照射的物质每单位质量所吸收的能量，即物质所吸收的能量/物质的质量。照射的剂量单位有： 2.2.1 照射剂量：早期是伦琴（R），新的照射剂量单位为1库伦（Coulomb）/kg，1R=2.5810-4 C/kg。 2.2.2 照射量率：单位时间内的照射量 2.2.3 吸收剂量:人类或其他生物体每千克吸收射线辐射能量的数值 以拉特（Rad）表示，即组织伦琴。新的吸收剂量单位为戈瑞（Gray），1GY=1焦耳 J/千克或100Rad。 2.2.4 吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量 2.2.5 粒子注量：中子流量以单位平方厘米的中子数（n/cm2

10、）表示。,3 剂量和剂量率的处理 在照射处理时，处理材料在单位时间内所受到的剂量过大，可以显著影响幼苗成活率和生长速度。 种子和枝条：半致死剂量（临界剂量）处理 果树接穗：存活率6成-7成剂量处理，减少盲枝率。 组织、器官敏感度不同：根部枝条种子；花粉，胚珠体细胞；绿枝休眠枝；幼龄植株老龄植株。,4 辐射诱变机理 4.1 物理作用阶段 生物有机体内各种分子发生电离和激发，属于物理学的反应范畴。如出现“光电效应”和“康普顿一吴有训效应”。 4.2 物理化学阶段 电离效应差生的分子重排，形成“离子对”及“自由基”。 4.3 生物化学阶段 自由基攻击生物大分子DNA，发生生物化学反应。 4.4 生物

11、学阶段 DNA断裂、交换、畸变，直接影响了DNA复制或碱基序列改变，从而导致遗传上的变异，人们往往称这种效应为“直接效应”。,染色体在射线作用下，断裂的频率增加，断裂后的染色体重新连接，产生四种染色体结构变异： 缺失 染色体丢失了带有基因的片段； 重复 染色体个别节段的增加； 倒位 正常染色体上的某一节段发生断裂后，倒转180又重新连结起来； 易位 非同源染色体之间交换片段的结构变异。 非整倍体 引起染色体数量变异，产生非整倍体。,5、辐射对遗传物质的作用-对染色体的作用,6、辐射对遗传物质的作用-对DNA的作用,辐射可使A-T，C-G之间的氢键断裂； 在1或2个DNA链中，糖与磷酸基之间发生

12、断裂; 同一DNA上相邻胸腺嘧啶之间形成二聚体； DNA链的断裂和交联。,7 植物的辐射敏感性 7.1 测定辐射敏感性的指标 植物对辐射的敏感性是指植物体对电离辐射作用的敏感程度。用以衡量敏感性的指标，因植物种类、照射方法及研究目的不同而不同。最常用的指标有：出苗率、存活率、生长受抑制程度、结实率、细胞状态、染色体畸变率等。,7.2 植物辐射的敏感性差异 7.2.1 不同植物辐射敏感性不同 豆科植物最敏感，禾本科次之，而十字花科植物则最不敏感。十字花科作物不敏感，主要是种子内含有对辐射有屏障作用的丙烯芥子油造成的。 不同科、属、种间敏感性的差异主要来自遗传物质的不同和生理生化特性的差异。通常是

13、染色体大的，DNA含量高的植物辐射敏感性高。,7.2.2 不同品种类型的敏感性差异 这种差异比科、属、种间差异要小。作物的耐辐射（不敏感）程度依次为：杂交种常规品种自交系。,7.2.3 同种作物的不同发育期对辐射敏感性的差异 休眠种子和枝条不敏感，而萌动种子和发育中的枝条则敏感。 分化成的细胞不敏感，而正在分生中的细胞则敏感。 在种子发育过程中，乳熟期最敏感，蜡熟期次之，完熟期则不敏感,7.2.4 不同组织和器官敏感性有差异 如洋葱正在生长的根最敏感，休眠鳞茎次之，干种子胚最差，这种差别与植物体内的含水量有较大关系。,8 辐射诱变的方法 8.1 外照射 指放射性元素不进入植物体内，而是利用其射

14、线（X射线、射线、中子）照射植物整个器官。这种方法简便，在诱变育种中比较常用。,8.1.1 种子照射 可采用干种子、湿种子或萌动的种子进行照射。照射种子操作简单，体积小，处理数量多，并易于贮存和运输,8.1.2 花粉照射 花粉照射的最大优点是很少产生嵌合体，经辐射的花粉一旦产生突变，与卵细胞结合所产生的植株即是异质结合体。照射前使花粉水合或照射未成熟的花粉，能增加诱变剂的效率。,8.1.3 营养器官照射 此法多用于无性繁殖的植物作为播种、扦插、嫁接材料的处理。如蔬菜作物中的马铃薯块茎、洋葱鳞茎、山药块根；果树作物的嫁接接穗、观赏作物的地下球等。,8.1.4 子房照射 照射子房也具有不易产生嵌合

15、体的优点，辐射处理子房不仅有可能诱发卵细胞突变而且可能影响受精作用，诱发孤雌生殖。对自花授粉植物应先去雄，辐射后用正常花粉授粉。,8.1.5 其它器官照射 由于离体培养技术的发展，采用愈伤组织、单细胞、原生质体以及单倍体等材料进行辐射处理，可以避免或减少嵌合体的形成，已日益受到重视。,8.2 内照射 将辐射源引入到试材内部的照射叫内照射。 这种照射方法的优点是不需建造成本很高的设施，但不足是需要防护条件，易造成环境污染，处理剂量不易掌握，受一定限制。,8.2.1 浸泡法 将放射性同位素32P、35S等配成一定比例浓度的溶液，浸泡种子或枝芽，使放射性物质渗入组织内部进行照射。,8.2.2 注射或

16、涂抹法 将放射性同位素溶于粘性剂中（如羊毛脂、凡士林、琼脂等），取适量涂抹于处理部位（如生长点、腋芽、花蕾、芽眼等处）。,8.2.3 施肥法 将放射同位素的化合物以无机肥（如32P、35S、45Ca的化合物磷酸二氢钾、硫酸铵、硝酸钙等），通过作物根部施肥引入植株体内进行处理。 8.2.4 注射法 用微量注射器将适宜浓度的试剂溶液注入处理部位进行诱变，多用于花蕾、芽、块茎、鳞茎等试材的处理。,三 化学诱变,1 化学诱变剂种类 1.1 烷化剂 这类试剂的共同特点是携带一至多个活跃的烷基，通过“烷化作用”的方式将DNA或RNA分子结构中的H原子置换，从而导致“复制”或“转录”过程中“遗传密码”的改变，进而发生变异。,1.2 核酸碱基类似物 这一类化学物质具有与DNA碱基类似的结构，它们可以在不妨碍DNA复制的情况下，作为组成DNA的成分渗入到DNA分子中去，使DNA复制时发生偶然的配对上的错误，从而引起有机体的变异。常用的有5-溴尿嘧啶（BU）、5-溴去氧尿核苷（BUdR）、2-氨基嘌呤（AP）、马来酰肼（MH）等。,5-溴尿嘧啶,胸腺嘧啶,2-氨