太空诱变育种解析

1、太空诱变是利用太空中的强辐射、微重力、高真空、弱磁场等诱变因子对植物种子、组织、器官或生命个体的基因变异的诱变。太空诱变育种摘要：现在，越来越多的国家利用太空诱变来培育新品种，同时在这一方面取得了良好的成果，由此开辟了一条植物育种的新的途径关键字：太空诱变 特点 安全性 应用 展望 太空育种又称航天育种、空间诱变育种，是利用太空技术通过高空气球、返回式卫星、飞船等航天器将作物的种子、组织、器官或生命个体等诱变材料搭载到200400 km高空的宇宙空间，利用强辐射、微重力、高真空、弱磁场等宇宙空间特殊环境诱变因子的作用使生物基因发生变异，再返回地面进行选育，培育新品种、新材料的作物育种新技术。其

2、核心内容是利用太空环境的综合物理因素对植物或生物遗传性的强烈动摇和诱变，在较短的时间内创造出目前地面诱变育种方法难以获得的罕见突变种质材料和基因资源，选育突破性新品种，由此而开辟一条植物育种的新途径。太空诱变的主要因素1.微重力太空的重力环境明显不同于地面，未及地球上重力十分之一的微重力(10-310-6 g)是引起植物遗传变异的重要原因之一。许多实验证明，植物感受和转换微重力信号，是通过质膜调节细胞内Ca2+水平或磷脂蛋白质排列顺序的变化等，引起ATP酶、蛋白质激酶、NAD氧化还原酶及光系统中许多酶类的活性变化等，从而在细胞分裂期微管的组装与去组装、染色体移动、微丝的构建、光系统的激活等方而

3、起作用，进而影响细胞分裂、细胞运动、细胞间信息传递、光合作用和生长发育等生理生化过程，并出现细胞核酶变、分裂紊乱、浓缩染色体增加、核小体数目减少等。已有的研究结果还指出，微重力是通过增加植物对其它诱变因素的敏感性和干扰DNA损伤修复系统的正常运作，从而加剧生物变异，提高变异率。2.空间辐射空间辐射源包括来自地磁场俘获的银河宇宙射线和太阳磁暴的各种电子、质子、仅粒子、低能重离子和高能重离子等。它们能穿透宇宙飞行器的外壁，作用于太空飞行器中的生物。研究结果表明，空间诱变与地面辐射处理发生的变异情况有许多类似之处，辐射敏化剂预处理能增加生物损伤。DNA和生物膜是射线作用的靶子。空间辐射主要导致生物系

4、统遗传物质的损伤，如突变、肿瘤形成、染色体畸变、细胞失活、发育异常等。重离子辐射生物学研究的结果表明，质子、高能重离子等能非常有效地引起细胞内遗传物质 DNA分子的双链断裂和细胞膜结构改变，且其中非重接性断裂的比例较高，从而对细胞有更强的杀伤及致突变和致癌变能力嘲。对植物的研究证明，空间条件尤其是高能离子具有强烈的致变作用，导致细胞死亡、突变、恶性转化，而且在微重力条件下辐射的诱变作用将会加强门。3.其它诱变因素植物材料在空间飞行时。是受各种空间因素综合作用的，包括高真空、交变磁场、航天器发射过程中的强振、飞行舵内的温度和湿变条件及其他未知因素。一般认为空间辐射和微重力的复合效应是主要的诱变因

5、素。太空育种的特点1.诱变效率高太空中的特殊条件对农作物种子具有强烈的诱变作用。可以产生较高的变异率，其变异幅度大、频率高、类型丰富有利于加速育种进程。水稻自然变异的频率在二十万分之一化学诱变的变异频率也在千分之几而经空间处理的水稻变异频率可达百分之几。一般来说，太空育种变异率为5-10，最高的诱变率可超出10以上，其中有益突变率为2-3。2.变异方向不定。正负方向变异都有作为一种空间多环境特殊条件下产生的诱变，其诱变方向具有不确定性。一般单株有效穗数、每穗粒数、千粒重、穗长、单株分蘖力等性状呈偏正态分布，以正向变异为主。株高变异偏向增高，结实率偏向降低，但也有许多有利突变体出现。3.育种周期

6、短空间诱变植物一般在第4代可稳定，少数在第3代就可稳定。比常规育种的第6代稳定提前2代，对缩短育种周期极为有利可以节约许多人力物力。4.可出现常规育种不易出现的变异太空育种不但能出现一些如产量、株高、生育期、品质、抗病性等常规诱变育种的变异，还能出现一些其它理化因素处理较少出现的特殊变异类型，如水稻早熟突变大穗型变异。大粒变异和籼、粳亚种种性的变异品质性状的广幅分离；蔬菜大果型变异，不育性突变；花卉花形变异花色变异等。太空育种的安全性 太空食品和普通食品没有什么区别，是很安全的食品。关于太空食品安全性的问题，专家普遍认为，太空育种并没有将外源基因导入作物中使之产生变异。作为诱变育种技术，太空育

7、种可使作物本身的染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变。这种变异和自然界植物的自然变异一样，只是时间和频率有所改变。太空育种本质上只是加速了生物界需要几百年甚至上千年才能产生的自然变异。太空中宇宙射线的辐射较强，这是植物发生基因变异的重要条件。目前，人工辐射育种中的辐射剂量只是国际食品安全辐射量的几十分之一，而太空中的辐射剂量还不到辐射育种辐射剂量的百分之一。宇宙射线引起的基因变异经常会让人想到转基因食品。转基因作物是将外源基因导入植物体内而培育出的新品种，如转基因大豆是将非大豆植物甚至动物、微生物的基因导入而产生的变异。而太空育种则是让作物的种子自身发生变异，没有外源基因的导入。我国颁布

8、的有关转基因安全管理规定中特别排除了对自身通过突变产生的新物种的管理，这也说明太空育种是非常安全的，不用担心其产品的安全性。太空食品是按照人类需要选择出来的，不是转基因食品。至于污染，则是栽培方法和使用农药、化肥的问题。太空育种的应用实例太空育种已得到一定程度的应用。太空椒的果实比在陆地上培育的果实要大得多，口味、重量和外形发生了变化。太空黄瓜航遗一号早已通过了国家品种审定，最大单果重1 800 g，长52 cm，Vc含量提高了30，可溶性固形物含量提高了20左右，铁含量提高了40。说明太空诱变可以获得高营养成分、口感好的突变体。太空菜葫芦长达75 CITI，平均单果重4 kg左右，最大单果重

9、8 kg，含有可治糖尿病苦瓜素。太空番茄平均单果重在350 g左右，最大单果重375 g，产量75 000 kg/hm2左右。此外，太空搭载的长形茄子，单果重达350 g，口感非常鲜嫩。太空甜椒872可溶性固形物含量提高了20，在太空甜椒中获得了1个黄色后代和1个红色后代，可以获得太空五彩椒系列，而不同于以往五彩椒通过太空诱变获得的黄色甜椒和红色甜椒。虽然太空育种前景诱人，但目前这项事业的产业化还不尽如人意，许多成果还停留在中试阶段和小规模生产阶段。应当看到，太空育种是1个全新的交叉学科，涉及诸多领域，如航天技术、辐射技术、生物技术等，其本身还不是十分成熟和完善。太空搭载毕竟很少，主要是水稻和

10、小麦。因为我国是1个农业大国，太空育种技术受到重视，我国在太空技术方面虽然不是第1位的，但是在太空农业育种方面应该是第1位的。常规育种中的杂交技术一般需要8 a才可以获得新品种，太空育种可以缩短一半时间，太空搭载回来以后，在地面上必须要进行不少于4代的培养。太空育种是1个很好的能够缩短育种周期的方法。国内外太空育种研究现状 利用航天器或返回式卫星研究植物生长发育及遗传变异的工作，迄今已有30多年的历史。据不完全统计19571997年全球发射空间生命科学卫星120颗，搭载植物材料38次，其中前苏联16次，美国14次，中国8次。国外的太空育种研究始于1960年20世纪60年代初期，前苏联学者就研究

11、和报道了空间飞行对植物种子的影响。此后，美国和德国等许多实验室研究了植物在空间条件下生长发育及其遗传特性的变化空间微重力、高能粒子对植物种子和植株的影响植物及其细胞在空间条件下生长发育及其衰老过程，低等植物在空间的生长规律等。美国等国家在各种类型空间飞行器上进行了许多植物学试验观察空间条件下各种类型的植物材料发生的变化。1984年美国将番茄种子送上太空，逗留时间达6年之久，返回地面后经科研人员试验，获得了变异的番茄，其种子后代对人体无毒，可以食用。1995年。美国航天局又在北卡罗来纳州立大学建立引力生物学研究中心重点研究植物对引力的感受和反应，以最终开发出适于太空旅行的植物旧。1996年，俄美

12、合作首次成功地在“和平”号轨道站培育和收获了150个麦穗的墨西哥小麦。俄罗斯在太空种植小麦于1999年获得成功。1996年，美国布鲁斯·巴格比研究出太空矮秆小麦，株高只有40 cm，生育期只有60 d，这种小麦产量高出普通小麦的3倍，有可能适合太空生长。美、日、西欧制定的21世纪太空计划中，将植物在密封太空舱内的生长发育引为重点试种和培育豌豆、小麦、玉米、水稻、洋葱、兰花、郁金香等100多种植物研究宇宙飞行中各种因素对植物生长发育的影响。 我国的空间生命科学实验始于20世纪60年代，是目前世界上掌握航天器返地技术的3个国家(中国、美国、俄罗斯)之一。目前国外作物太空育种还处于研究阶段

13、，尚未育成有实用价值的作物品种在生产上大面积应用，而我国进行了较全面的研究和应用，太空育种研究已达到世界先进水平。自1987年以来我国空间科学家和农业生物学专家9次利用返回式卫星、2次利用神舟号飞船和4次利用高空气球，广泛开展农作物、微生物、抗生素、酶制剂生产菌、昆虫等太空育种研究，搭载了70多种植物、500多个品种的近50kg的种子，涉及粮、棉、油、蔬菜、瓜果、牧草和花卉等植物。经国内23个省、市、自治区70多个研究单位利用太空返回植物变异资源进行多年的地面选育，已培育出一批具有高产、优质、抗病新品种(系)和一大批种质资源，从中还获得了一些有可能对产量和品质等经济性状有突破性影响的罕见突变株

14、。这些各具特色的优良新种质、新材料可广泛应用于常规育种和杂种优势育种，将对作物产量和品质等主要经济性状的遗传改良产生重大影响。目前经审定的新品种有19个，其中水稻新品种5个、小麦2个、棉花2个、青椒1个、番茄1个、芝麻1个、西瓜3个、莲子3个、灵芝1个，另外还有选育出的新品系50多个。问题与展望 近十年来，我国太空育种得到迅猛的发展，随着科学技术的进步和研究的深入，太空育种已引起国内外育种家普遍关注，它将成为推动2l世纪作物育种的重要手段之一。虽然我国太空育种已育成一批农作物新品种(组合)和一些有实用价值的新种质，但能在生产上大面积应用的仍然很少，对一些诱变后产生的罕见突变体的利用上也尚未取得

15、令人满意的成果，究其原因主要有以下三方面：(1)选择搭载的品种或材料综合素质不够全面。卫星搭载诱变后又经历45年定向选择后育成的品种在产量、品质和抗性上缺乏竞争力生产上难以推广。因此，太空育种的选材是关键，必须选用最新、综合素质最好的品种或材料选送卫星搭载诱变，这样，培育出的新品种市场竞争力强。(2)我国的太空育种工作在培育新品种方面做得较多。而相应的基础理论研究则较弱。太空育种研究工作多数注重大田突变体的直接选择上，但在诱变机理和诱变后代材料的处理及选择方法上研究得不够。因此在田间选择和后代材料处理上盲目性较大，选择效率低，成效慢。(3)太空育种技术体系建立与集成还有待进一步完善。空间诱变在

16、抗病育种、改善品质和培育早熟高产品种等方面有独特的优势。要探索和建立一套太空育种技术体系，并对太空育种的各项技术进行集成，从而提高太空育种效率。植物育种的关键是将基因型选择与表型选择相结合，提高选择的效率。长期以来，作物育种是以植株表型性状为基础的。当性状的遗传基础简单时，表型选择是有效的。但是作物遗传改良的目标性状多为遗传基础比较复杂的数量性状，表型选择效率低，且由表型来推测基因型存在准确性较差的问题。对航天诱变品系的分子生物学研究将是一个重要的发展方向。针对航天诱变后的植物材料在后代表型性状中产生的变异，利用分子生物学的方法，克隆到特异的基因通过遗传工程的手段，将其转入到作物基因组中，以期目标性状得以表达。另外，分子标记辅助选择是现代分子生物学与传统遗传育种的结合点。借助与目标基因紧密连锁的遗传标记，分析基因型，鉴定分离群体中含有目标基因的个体，也可以加快