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第十一章诱变育种 InducedMutationBreeding 1 利用理化因素诱发生物体发生变异 再通过选择培育成新品种的方法 称为诱变育种 1927年 Muller在第三次国际遗传学大会论述X 射线诱发果蝇产生大量变异 提出诱发突变改良植物 之后 Stadler首次证明X 射线可以诱发玉米和大麦突变 1930年Nilsson Gustafsson利用X射线辐照获得了茎秆坚硬 穗型紧密 直立型的大麦突变体 2 1934年 Tollenear利用X射线育成了第一个烟草突变品种Chlorina 并在生产上得到了推广 1948年 印度利用X射线诱变育成抗干旱的棉花品种 诱变源不断丰富和改进 从早期的紫外线 X 射线到r射线 射线 中子和各种化学诱变剂 3 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 随后各省也相继成立有关研究机构 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 4 90年代后期太空育种技术的应用 利用太空微重力 高能粒子 高真空 缺氧和交变磁场等综合物理诱变因子进行诱变和选择育种研究 我国于1987年开始进行航天搭载育种 由此育成了大田作物 蔬菜和花卉作物共50多个物种的300多个优良新品种 5 第一节诱变育种的依据 特点和意义 一 诱变育种的依据育种工作者之所以能育成新品种 主要利用了植物在生长和繁殖过程中能发生变异 不管是人工变异还是自然变异 只要是有益的并且可以遗传 就能通过选择育成新品种 变异的产生 归根到底是遗传物质发生变化 6 二 诱变育种的特点 一 增加变异率 扩大变异谱自然突变频率低 品种杂交导致基因发生重组 潜力有限 本质上无 创造性 辐射可诱发全新类型 增大突变频率1000倍左右 可迅速丰富基因库 扩大选择范围 如用 射线曾诱发了一种改变了酶系的 非光呼吸的大豆新类型 矮杆 极早熟等突变类型 7 自发突变 spontaneousmutation 指由外界条件自然作用发生的突变 突变率 mutationrate 一定的基因在单位时间内 如每个世代 发生突变的机率 突变频率 mutationfrequency 突变体占观察个体数的比例 突变谱 mutationspectrum 产生各种突变的类型 8 二 最适宜于进行 品种修缮 正确选择亲本和辐射剂量可产生某些 点突变 改变品种某一缺点 抗病育种特别有效 点突变 pointmutation 染色体上一个座位内遗传物质的变化 也称geneticmutation 9 三 打破旧连锁及进行染色体片段的移置 如早熟与低产 高产与晚熟 矮秆与早衰 大粒与秆高等两个性状紧密连锁 难以分开 辐射可使染色体断裂 产生各种染色体结构变异 即重复 倒位 易位 缺失 打破连锁及进行基因重组 对抗病育种和远缘杂交特别有利 10 三 诱变育种的意义 一 创造新的雄性不育源 二 克服远缘杂交不亲和性及改变作物的授粉受精习性如西北农业大学桃 杏 番茄 葡萄等照射花粉 欧洲甜樱桃经辐射处理可由自交不实变自交可实 反之也可使正常可育的植物诱变成雄性不育系 三 其他独特用途如促进孤雌生殖 诱发染色体结构变异创造不育性或无籽果实 诱发体细胞突变 创造果树及无性繁殖植物的新品种等 11 四 诱变育种的主要问题 补充 变异的方向和性质尚不能人为有效地控制 突变率高 但有利突变体少 通常只占总突变的千分之一二 辐射后代群体大 人力 物力 土地消耗大 发现 鉴定和选择困难 射线和植物的不同 效应难料 多为无目的的变异 难以做到定向控制突变过程 12 突变体的鉴定比较困难 不易区分生理损伤与遗传变异体细胞变变常会形成嵌合体 不易分离纯的组织变异 突变又多是隐性突变 有利突变性状与不良性状常呈连锁关系 需要结合有性杂交予以分离 13 第二节物理诱变 物理诱变 用不同种类的射线处理 引起基因突变或染色体变异 一 物理诱变剂的种类 表11 1 P186 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 波长200 390nm X射线 伦琴射线 辐射源是X光机 X射线又称阴极射线 是一种电磁辐射 它不带电核 是一种中性射线 发出的光子波长0 005 1nm 能量50 300keV 分为硬X射线和软X射线 育种常用硬X射线 14 射线 丙种射线 是目前常用的射线源 由放射性同位素核衰变而产生的射线 如60Co 钴照射室或钴温室等 离钴源距离不同 辐射剂量不同 射线也是一种不带电荷的中性射线 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 中中子 慢中子 热中子 射线 辐射源为32P和35S 射线是一束电子流 产生与X或 射线相似的作用 穿透能力弱 用来处理微生物孢子和花粉等 15 二 辐射处理的剂量单位和剂量率 一 活度定义 在给定时刻处于一给定能态的一定量的某种放射性核素的活度 用dN dt表示 其中dN是在时间间隔dt内该核素从该能态发生自发核跃迁数目的期望值 活度的单位是秒的倒数 ss1 即贝可 Bq 放射性活度以毫居里 mCi 或微居里 Ci 表示 新的活度单位1贝可 Bq Beequare sec 2 703X10 11Ci 16 二 剂量强度 剂量强度 P187 是指受照射的物质每单位质量所吸收的能量 照射的剂量单位有 1 照射剂量 伦琴R X与 射线的常用单位 1库伦 Coulomb kg 3876R2 吸收剂量 拉德 Rad 即组织伦琴 戈瑞 Gray 1 J kg或100Ra3 中子流量 以单位cm2的中子数表示n cm2或Rad半致死剂量LD50 处理当代植株成活50 临界剂量 处理当代植株成活40 17 三 吸收剂量率辐射诱变的效果除与剂量有关外 还与 剂量率 有关 剂量率 即单位时间内所吸收的剂量 现主要用拉德 分 rad min 表示 一般在育种时采用多剂量和单一剂量 过低无诱变效果 过高则致死 使某些突变很难显现出来 18 一般认为最好的照射剂量应选择在临界剂量附近 即被照射的种子或芽成活率为40 或半致死剂量 即辐射后成活率为50 或几种剂量处理比较稳妥 通常干种子的剂量为60 100R min 花粉为10R min左右 剂量率不应该超过160R min 19 三 辐射诱变的机理 电离辐射为什么能够诱发突变 辐射怎样引起遗传物质发生变异 机制复杂 一般经过三个阶段 一 物理作用阶段 有机体接受高能电离辐射后 引起体内分子的 电离 或 激发 二 化学反应阶段 电离 或 激发 的分子 产生了 离子对 及 自由基 其能量大大提高 很不稳定 发生一系列复杂的化学反应 分解 聚合等 导致新的化学成分的产生 20 三 生物学阶段 正常生物体内的平衡状态被打破 引起异常物质产生 代谢环节失调 引起连锁反应 特别是当这种反应影响到细胞核中染色体及核酸分子结构时 便可诱发可遗传的突变 大量研究表明 辐射诱发突变 既有纯粹机械力量 直接作用 也有复杂的化学过程 间接作用 两者的共同作用引起突变的产生 21 四 植物的辐射敏感性和诱变剂量 一 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 最常用的衡量指标有出苗率 存活率 生长受抑制程度 结实率 细胞状态 染色体畸变率等 22 二 植物辐射的敏感性差异 诱变处理的材料包括 种子 绿色植物 花粉 子房 合子和胚细胞 营养器官 离体培养中的细胞和组织等 1 不同的植物辐射敏感性不同2 不同品种对辐射敏感性差异很大3 同种植物的器官 组织以及发育时间和生理状况不同 其敏感性也不同4 处理前后的环境条件也影响诱变效果 23 五 辐射处理的主要方法 一 外照射 被照射的种子或植株所吸收的辐射来自外部某一辐射源 如钴源 X射线源等 如种子照射 花粉照射 子房照射 营养器官照射 植株照射等 特点 操作简便 处理量大分类 急性照射和慢性照射 24 二 内照射 将辐射源引入生物体组织和细胞内进行照射的一种方法 特点 属于慢性照射 照射性元素在体内分布不均匀 放射性元素不断衰变 主要方法 如浸种法 放射性同位素溶液 施入法 放射性同位素施肥等 如32P 涂抹法 注射法 种子和枝条等示踪法等 放射性同位素主要有 32P 35S等 三 间接照射 或培养基照射或培养液照射 微生物诱变育种使用较多 25 第三节化学诱变 采用某些特殊的化学药剂 化学诱变剂 处理一定的植物材料 以诱发植物遗传物质的突变 进而引起特征 特性的变异 然后根据育种目标 对这些变异进行鉴定 培育和选择 最后育成新品种的育种途径 称为化学诱变育种 26 能与植物体的遗传物质发生作用 并能改变其结构 使其后代产生变异的化学物质称为化学诱变剂 特点 1 经济方便 2 不同药剂有一定专一性 3 化学诱变与辐射诱变产生的突变谱很不相同 4 诱变机制不同 化学诱变是依靠化学物质的化学特性与遗传物质发生一系列生化反应造成的 多为基因点突变 迟发突变 27 一 化学诱变剂的种类 一 烷化剂 带有一个或多个活泼的烷基 可转移到其他分子上 置换碱基中的氧原子 常用 甲基磺酸乙酯 EMS 硫酸二乙酯 二 碱基类似物 5 溴尿嘧啶 5 Bu 氨基嘌呤 AP 三 简单有机化合物 乙酸 甲醛 乳酸等 28 四 无机化合物 氨 双氧水 硫酸铜 氯化锰 亚硝酸等 五 抗生素类 链霉黑素 丝裂霉素等 六 生物碱类 秋水仙碱等碱基类似物 与DNA中碱基化学结构类似的物质 能与DNA结合 导致错误配对 碱基置换 产生突变 叠氮化钠 NaN3 可使复制中的DNA的碱基发生替换 诱变率高且安全 29 二 化学诱变剂作用的特点 1 诱发突变率较高 点突变多 染色体损伤轻 不引起染色体断裂 2 生理代谢损伤大 容易引起生活力和可育性下降 3 使用所需的设备比较简单 成本较低 诱变效果较好 4 对人体更具有危险性 30 三 化学诱变处理方法 一 药剂配制 1 化学诱变剂的性质 包括溶解度和毒性 2 处理浓度 诱变剂的浓度高于种子细胞中的浓度 浓度也不能过大 3 处理时间 以使受处理组织完成水解作用以及能被诱变剂所浸透为准 4 处理温度 温度对化学诱变剂的水解速度影响很大 31 二 常见处理方法1 浸渍法如浸渍种子 接穗 插条 块茎 块根等 也可将花枝剪下插入药剂 吸收一定量后 开花时收集其花粉 2 注入法利用注射器 或浸透诱变剂溶液的棉球包缚在茎的切口处 引入到植株 花序或枝条等 32 3 涂抹法和滴液法用脱脂棉或纱布蘸取药剂涂抹植株 枝条 块茎等的生长点或芽眼或用吸管吸取药液滴于材料的顶芽或侧芽 4 熏蒸法针对产生蒸气的诱变剂 将花粉或花序置于密封潮湿的小箱中 使药剂蒸气对其进行熏蒸 5 施入法在生长基质中 加入一定浓度诱变剂 由根吸收或简单的渗透扩散进入植物体内 属慢性处理 33 第四节诱变育种的方法和程序 一 处理材料的选择 一 材料的选择正确地选择诱变处理的亲本材料非常重要 原则有四点 首先必须根据育种目标来选择亲本材料 亲本材料必须是综合性状优良而只具有一 两个需要改进的缺点 34 3 选用的处理材料应避免单一化 4 适当选择单倍体 原生质体和多倍体等做诱变材料 二 处理部位的选择芽 生长点 花粉 花药 子房和分生组织 35 二 诱变剂量的确定根据文献和经验 选择目标性状的高频诱变源 确立该诱变源的高频剂量范围 选择2 3种不同剂量进行试验三 处理群体大小的确定 一般根据突变率 M2群体大小 M1存活率 目标性状的预期变异率 36 四 诱变处理后代的选择 一 M1的种植和选择 经诱变处理的种子或营养器官所长成的植株或直接出来的植株均称为诱变一代 或M1 点播 隔离 异花授粉作物 主茎穗单收或混收 主穗突变率高 密植 不选择 原因 嵌合体 隐性突变多 多为非遗传的生理伤害变异处理花粉材料没有嵌合体 37 二 M2的种植和选择 突变细胞参与生殖细胞的形成 在M2代变异的遗传性状出现分离的世代 应该加以选择相当于一个F2群体 大于F2群体系谱法 每个M1主穗种植一个M2穗行 便于穗行间鉴别 工作量大 38 混合法 M1每穗混收10 20粒左右 M2混种 选择 M3株行鉴定 三 M2及以后各世代的种植和选择 分株采种 播种成一个小区 株系区 分离和选择 淘汰 选择优良单株 优良品系 品系试验 优良品种五 以营养器官为试材的种植与选择处理六 不同繁殖方式的作物诱变处理的特点 39 第五节提高诱变育种效率的方法 一 根据影响诱变效果的因素 采取相应措施 提高诱变育种效率1 品种对辐射的敏感性 正确选用诱变原材料2 确定适宜的诱变因素剂量 处理方法3 影响诱变效果的外界环境条件4 先进的鉴定筛选诱变体技术 40 5 进一步扩大诱发突变的应用范围6 优异突变遗传资源的诱发 鉴定 收集 利用 保存二 提高诱变育种效率的其他方法1 加强诱变育种与其他育种方法的结合2 将离体培养技术应用于诱变育种 细胞悬浮培养与原生质体培养 愈伤组织 外植体培养 41 第六节植物空间育种技术 一 植物空间技术育种的概念和特点植物空间技术育种也称为空间诱变育种 太空育种 航天育种 是指利用返回式航天器和地面模拟空间环境装置 通过空间环境 包括宇宙辐射 微重力和弱地磁场等多种因素 对植物的诱变作用 使种子产生变异 再通过严格的地面选育过程 获得优良农作物品种的过程 42 空间育种优点 变异幅度大 变异增多 育种进程较快和品质质量提高 通过航天育种选育的种子一般具有高产 优质 抗病 抗逆 广适等特点 最大优势是缩短了品种选育时间 大约是传统育种方式所需时间的十分之一 甚至更短 另外 航天育种还创造出大批优质种质资源 比如 航椒 号辣椒 维生素 含量为234毫克 比一般辣椒提高了183 左右 太空 号小麦 口感好 产量超过传统品种10 以上 太空万寿菊 花期延长 能达到 个月 43 二 空间诱变的生物学效应 1 空间诱变第一代 许多表型变异属于环境引起的生物学适应 随着世代增加而逐渐消失 2 空间环境对多数植物种子有促进效应 这种效应表现在生长和发育过程的加快及产量提高上 3 空间飞行对植物基本过程没有影响 但对植物生命活动及生长具有多方面及重要的影响 44 4 第二代绝大多数变异性状 包括双向超亲和一些对育种有利的特殊变异类型 都能得到充分表现 群体出现强烈广谱分离 单株间差异明显 因而是选择的关键世