植物育種第十一章

第十一章誘變育種誘變育種：利用理化因素誘發(fā)物體發(fā)生變異，再通過選擇培育成新品種的方法。誘變育種的研究歷程：1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線始于1927年，射線導致生物發(fā)生突變1936年，WEDemol用X射線處理郁金香，經10余年育成突變新品種“法臘迪”；

1942年，誘變育種在大麥抗白粉病中取得突破20世紀40年代后期進入原子時代1970年，全球誘變品種101個（觀賞植物38個）1981年，518個（238個）1990年，1330個（407個）1995年，1737個（465個），包括菊花（170多個）、大麗花、六出花、秋海棠、月季、杜鵑、百合、香石竹等。我國誘變育種起步于1956年，誘變育種的成績位居世界首位。至1998年底，育成新品種513個，其中觀賞植物近100個。包括菊花（30多個）、月季（40多個）、小蒼蘭、瓜葉菊、朱頂紅、美人蕉、紫羅蘭、金魚草、矮牽牛、杜鵑、唐菖蒲、荷花、梅花等。第一節(jié)誘變育種的依據(jù)、特點和意義依據(jù)：利用作物在生長繁殖過程中能發(fā)生變異——遺傳物質的改變。提供一定的理化因素使DNA發(fā)生結構變化（染色體畸變，易位及堿基序列改變）基因變異人工誘變有時會造成“核外突變”，即細胞質控制的遺傳突變，如雄性不育、性分化、葉綠素合成及生活力。誘導點突變

特點1.增加變異率、擴大變異譜2.最適于進行“品種修繕”3.打破舊連鎖及進行染色體片段的移置1.不利突變多，有利突變少2.突變的性質和方向不定

3.難出現(xiàn)多個性狀好的突變體優(yōu)點缺點意義創(chuàng)造新的雄性不育源克服遠緣雜交不親和性及改變植物的授粉、受精習性其他獨特用途促進孤雌生殖誘發(fā)染色體結構變異誘發(fā)染色體易位發(fā)生“平衡致死”誘發(fā)非整倍性的染色體數(shù)目變異誘發(fā)體細胞突變第二節(jié)物理誘變（一）物理誘變劑的種類物理誘變劑：各種輻射線。因此，物理誘變通常稱為輻射誘變。根據(jù)輻射線照射植物體后是否引起物質的電離，可分為電離輻射線和非電離電離輻射線。目前用于作物育種的大多是電離輻射線。

射線

射線射線中子

x射線紫外光激光

射線

射線

射線

水泥墻1、電離輻射線χ射線（倫琴射線）：最早用于誘變的射線。由x光機產生的電離輻射線，其能量和穿透力與χ光機的工作電壓有關。工作電壓低產生的為軟χ射線，穿透力較弱，適于花粉外照射；工作電壓高產生的為硬χ射線，穿透力較強，適合小塊組織、愈傷組織的外照射。γ射線（丙種射線）：是一種短波長、能量高、穿透力強的電離輻射線。農用γ射線由放射性同位素60Co、137Cs產生，是目前應用最多的射線。需專門的γ照射室(60Co源室)，有嚴密防護，安全。適于外照射。（福建2處）；廈門大學的佳輻占，農大的eui水稻。四川省農科院的鈷圃外貌鈷源遙控操作室中子：不帶電粒子，穿透力強，可直接進入細胞核內，適于處理種子、植株的外照射。β射線：帶電粒子,質量小速度快，可以穿透幾毫米的組織。育種上常用的β射線由放射線性同位素32P、35S產生。32P、35S必須進入植物組織和細胞后作為內照射才能產生誘變作用。中子照射裝置高壓發(fā)生器靶室裝置加速管株高變矮熟期變早果皮變深不同劑量的中子處理后長出的小麥幼苗（劑量：低→高）不同劑量鈷輻射照射甘薯幼苗及成活表現(xiàn)輻射引起甘薯葉和塊根的變異2、非電離輻射線

紫外線：波長較長、能量較低、穿透力不強，多用于照射花粉、孢子、組織培養(yǎng)中產生的愈傷組織等。通常以低壓水銀燈作為紫外線源。有效波長為250～290nm（核酸吸收光譜區(qū)）。誘變育種其它技術電子束：產生的高能電子流，具有在M1代生物損傷小，M2代誘變效率高、突變譜較寬等特點。。激光輻照誘變育種：在輻射誘變中主要利用波長為2000～10000A°的激光離子注入誘變育種空間誘變育種：返回式衛(wèi)星或高空氣球(30～40km)搭載植物種子?？臻g環(huán)境的特點高真空、微重力和強輻射航天育種

(太空育種):指利用返回式航天器和高空氣球等所能達到的空間環(huán)境對植物的誘變作用以產生有益變異，在地面選育新種質、新材料，培育新品種的農作物育種新技術。其確切的誘變因素、誘變機理、遺傳特點不清，在學術界還有爭論。（上海東方科舉論壇，張院士）我國在該領域取得了國際領先水平的研究成果，已育成許多作物新品種。1987年8月5日，利用我國第九顆返回式科學試驗衛(wèi)星第一次將一批水稻和青椒等農作物種子送向太空，目的并不是育種，只是想了解空間環(huán)境對植物遺傳性的影響?？茖W家無意中發(fā)現(xiàn)，上過天的種子發(fā)生了一些意外的遺傳變異，因此人們開始考慮農作物的航天育種。2003年4月，經國家有關部門批準，航天育種工程項目正式啟動。（福建，2005年重大育種專項）到目前為止，我國先后進行了13次70多種農作物的空間搭載試驗，在水稻、小麥、棉花、番茄、青椒和芝麻等作物上誘變培育出30多個品種通過審定，還獲得了一些罕見突變材料。青椒：個頭非常大，可當水果。水稻：福建農科院（特優(yōu)航一號，II優(yōu)航一號）、華南農業(yè)大學（抗病材料）。航天育種神州六號航椒1號航茄2號航天葫蘆太空椒：

“太空椒”衛(wèi)星87-2單果最重達750g，平均重量達400克，畝產比地面對照的青椒高25%—30%，維生素C含量和可溶性固形物的含量也高20%和25%，而得病率卻減少62%。果實大、口感好、產量高，β胡蘿卜素為普通番茄的3倍,特別耐貯運。這個巨人南瓜是駐哈“老虎團”生產基地自行培育，并經過我國首次載人航天飛船“神州五號”帶入太空育種的。品質好，一般重量在300到400斤。巨人？？亮相哈爾濱香坊公園孔雀草花朵大、多、艷麗，而且一株孔雀草開不同的花色不同花朵。這是什么？放射性活度：居里（Ci）;毫居里（mCi）;微居里（μCi）；貝可（Bq）新1Ci=3.7×1010Bq劑量強度：是指受照射的物質每單位質量所吸收的能量，即物質所吸收的能量/物質的質量照射量：以倫琴（R）表示，是X和γ射線的劑量單位。吸收劑量：以戈瑞（Gy）表示。中子流量：以單位平方厘米的中子數(shù)表示。吸收劑量率：即單位時間內所吸收的劑量。二、輻射處理的劑量單位和劑量率三、輻射誘變的機理

A：物理階段：主要特征是輻射能量使生物體內各種分子發(fā)生電離（產生自由電子）和激發(fā)（把束縛電子激發(fā)到更高的能級）。B：化學階段：主要特征是通過電離的分子重排，并產生許多化學性質很活潑的自由基（具高能）。

D：生物學階段：細胞內生物化學過程發(fā)生改變，從而導致各種細胞器的結構及其組成發(fā)生變化，包括染色體畸變和基因突變，產生遺傳效應。

C：生物化學階段：這一階段是自由基的繼發(fā)作用，自由基與生物大分子發(fā)生反應，引起分子結構的變化。四、植物的輻射敏感性和誘變劑量（一）測定輻射敏感性的指標植物的輻射敏感性：是指植物體對電離輻射作用的敏感程度①生長受抑制程度：半致矮劑量(D50)②植株成活率：致死劑量（LD100）：輻射引起植株全部死亡劑量半致死劑量（LD50）：輻射引起50%植株死亡劑量臨界劑量：輻射后植株存活40%的劑量③植株不育程度：不育株%④幼苗根尖和幼芽細胞染色體畸變率⑤細胞分裂間期細胞體積、染色體體積變化。①不同科、屬、種、品種敏感性不同②不同倍數(shù)植物敏感性不同③不同器官、組織、細胞、成分敏感性不同④不同發(fā)育時期、不同生理狀態(tài)輻照敏感性不同

幼齡植株>老齡植株；未成熟種子>成熟種子；萌動芽>休眠芽豆科>禾本科>十字花科二倍體>多倍體植株>種子；根>葉；分生組織>其它組織

性細胞>體細胞；卵細胞>花粉細胞；（二）植物的輻射敏感性差異影響輻射敏感性的環(huán)境因素

①氧效應：在有氧條件下能顯著增加輻射的敏感性。②水分效應：當種子含水量增加到使種子萌動的程度時，對輻射的敏感性急劇增加。③溫度：輻射敏感性隨輻照時溫度的降低而減弱。④化學因素：輻射敏化劑抑制染色體的擴散,如EDTA，抑制損傷的修復,如咖啡因；輻射保護劑有利于損傷恢復，降低輻射生物學效應的物質，如酪氨酸苯丙氨酸色氨酸。⑤物理因素：主要射線種類、劑量率、照射方式等對植物輻射敏感性的影響。（三）植物的誘變劑量確定合適的誘變劑量是育種成敗的關鍵。在適宜范圍內隨劑量提高，突變率上升，劑量過大會造成嚴重傷害或致死。在實踐中，一方面慘老前人經驗，一方面通過實驗摸索。通常用M1代的輻射效應來衡量所選劑量是否恰當。五、輻射處理的主要方法外照射：指被照射的種子或植株所受的輻射來自外部某一輻射源，如鈷源、X射線源、中子源等。

特點：操作簡便、處理量大，最常用。

根據(jù)照射植物的器官組織不同可分為：種子照射、花粉照射、子房照射、營養(yǎng)器官照射、植株照射等。內照射：將輻射源引入生物體組織和細胞內進行照射的一種方法。特點：劑量低、持續(xù)時間長、多數(shù)植物可在生育階段進行處理等。照射性元素在體內分布不均勻，放射性元素不斷衰變。

主要方法：浸種法；注射法；施入法；涂抹法間接照射：對試材的培養(yǎng)環(huán)境進行輻射，使培養(yǎng)基或培養(yǎng)液中的水分子發(fā)生電離，產生強活性基因，再將試材引入進行培養(yǎng)。室外活體輻射圃室內輻射源第三節(jié)化學誘變化學誘變劑：能與生物體的遺傳物質發(fā)生作用，并能改變其結構，使其后代產生變異的化學物質。一、化學誘變劑的種類烷化劑：

甲基磺酸乙酯（EMS）,硫酸二乙酯（DES）,甲基磺酸甲酯（MMS）,異丙基甲烷磺酸酯（iPMS）,芥子氣類。另外，亞硝基乙基脲烷（NEU）,亞硝基乙基脲（NEH）,亞硝基甲基脲烷（NMU）,乙烯亞胺（EI）,1,4-雙重氮乙酰丁烷,也是有效的誘變劑，但是是潛在致癌物質,應用危險。一、化學誘變劑的種類烷化劑：核酸堿基類似物

常用的有5-溴尿嘧啶（BU）、5-溴去氧尿核苷（BUdR）、2-氨基嘌呤（AP）、馬來酰肼（MH）等。一、化學誘變劑的種類烷化劑：核酸堿基類似物疊氮化物

疊氮化鈉（NaN3）在一定條件下可獲得較高的突變頻率，而且安全，無殘毒。一、化學誘變劑的種類烷化劑：核酸堿基類似物疊氮化物嵌入劑丫啶橙,二氨基丫啶一、化學誘變劑的種類烷化劑：核酸堿基類似物疊氮化物嵌入劑丫啶橙,二氨基丫啶無機化合物H2O2,亞硝酸等生物堿石蒜堿,秋水仙堿,長春花堿等?？股劓溍购谒?，絲裂霉素C，重氮絲氨酸

二、化學誘變的特點使用方便，成本較低能誘發(fā)更多的基因點突變有一定的專一性有些化學誘變只限于的特定部位發(fā)生變異三、化學誘變源的機理堿基類似物的誘變機制

堿基類似物的分子結構與天然堿基非常相似，它們能在DNA復制過程中摻入到DNA中，引起配對錯誤，從而由一種堿基對替換成另一種堿基對。改變DNA結構的誘變劑:羥胺烷化劑亞硝酸羥胺（NH2OH）：是一種重要的誘變劑，也是已知的最專一性的點突變誘變劑，只能與DNA中的胞嘧啶起作用，誘發(fā)G-C到A-T的轉換

烷化劑：

DNA的磷酸基是烷化作用的最初反應位置，反應后形成不穩(wěn)定的磷酸酯，水解成磷酸和去氧核糖，致使DNA鏈斷裂。烷化基還使堿基發(fā)生烷化作用，造成G-C向A-T的轉換或T-A向C-G的顛換。亞硝酸

能使腺嘌呤（A）脫氨成為次黃嘌呤，次黃嘌呤不能與胸腺嘧啶配對，而與胞嘧啶配對，這樣受亞硝酸處理的DNA分子中就有次黃嘌呤，經過DNA復制，使原來的A-T對轉換成G-C對。

疊氮化物NaN3是目前誘變效率最高的一種誘變劑，是一種點突變劑，與DNA的作用方式是堿基替換，因此處理種子最適宜的時間是DNA合成開始時。嵌入劑是一類能引起移碼突變的化合物，它們都是扁平的三環(huán)化合物，大小和嘌呤-嘧啶對大致相等，它能結合到DNA上，并插入鄰近的堿基之間，使DNA骨架變形，導致染色體配對交換過程中不等價交換，形成兩個重組分子，一個多一個堿基對，一個少一個堿基對，造成識別和閱讀錯誤產生移碼突變。四、化學誘變處理方法（一）藥劑的配制藥劑配制：誘變處理時通常先將藥劑配成一定濃度的溶液。試材預處理藥劑處理藥劑處理后的漂洗試材預處理在化學誘變劑處理前，將干種子預先用水浸泡，可以提高其對誘變的敏感性。通常把種子浸入流動的低溫無離子水或蒸餾水中。此外，將材料浸泡在生長素溶液中，有提高化學誘變的效應。

浸泡能提高細胞膜透性，加速誘變劑的吸收，同時使細胞代謝和合成活躍起來，促進DNA的合成，藥劑處理浸漬法：涂抹或滴液法：注入法：熏蒸法：施入法：藥劑處理后的漂洗處理后要用流水沖洗植物材料10至30分鐘，防止殘存誘變劑對處理材料的損傷；也可使用一些化學‘清除劑’，如甘氨酸以解除氮芥的作用，硫代硫酸鈉可解除DES(硫酸二乙酯)的作用。播種前防止種子風干，以免誘變劑濃縮，造成損害。影響化學誘變效應的因素誘變劑的理化特性被處理材料的遺傳類型及生理狀態(tài)誘變劑的濃度和處理時間處理的溫度:一般宜在0至10℃下進行

誘變劑溶液pH及緩沖液的作用一般常用磷酸緩沖液,其pH值控制在7~9范圍內。

延緩誘變劑的水解速度，并抑制在吸收期生物體代謝的變化

安全問題誘變劑都有程度不同的毒性，有的是潛在的致癌劑，因此在處理時避免與皮膚接觸或吸入它的氣體，一般多在具有通風管密閉條件的超凈臺上戴乳膠手套進行操作。第四節(jié)誘變育種的方法和程序（一）處理材料的選擇選擇原則首先必須根據(jù)育種目標來選擇親本材料親本材料必須是綜合性狀優(yōu)良而只具有一二個需要改進的缺點。為了增加誘變育種成功的機會，選用的處理材料應避免單一化。適當選用單倍體、原生質體和多倍體等做誘變材料。（二）處理部位的選擇可處理干種子,濕種子,萌動種子,應用較多的是處理干種子。

優(yōu)點是很少產生嵌合體

一旦獲得好的突變體,就可直接繁殖利用。有時可誘發(fā)孤雌生殖

1.種子2.完整植株3.花粉4.子房5.合子6.營養(yǎng)器官7.組織培養(yǎng)物二、誘變劑量的選擇概念致死劑量：半致死劑量：臨界劑量：劑量的選擇原則：活：后代要有一定的成活植株變：在一定的成活植株中，有較大的變異效應優(yōu)：產生的變異有較多的有利突變。三、處理群體大小的確定一般根據(jù)突變率和M2群體大小來確定處理試材群體大小。突變率的高低與處理當代（M1）所見到的損傷（不育性和死亡）有關。1.誘變一代(M1)的工作M1的定義經過誘變處理的種子或營養(yǎng)器官所長成的植株或直接處理的植株。M1不選擇M1植株隔離自交，使突變基因純合。單株、單果、或按處理采收種子。四、誘變處理后代的選擇M1不選擇的原因：①M1存在著生物學損傷，植株生長較差