我国航天诱变育种的现状及其在蔬菜育种上的应用

1、我国航天诱变育种的现状及其在蔬菜育种 上的应用作者：赵国臣宁艳东张志民张海燕张景楼 来源：吉林蔬菜2013年第1期赵国臣宁艳东张志民张海燕张景楼（吉林省农业科学院经济植物研究所公主岭范家屯136105）航天诱变育种也称空间诱变育种或太空育种，是利用返回式卫星或高空气球将农作物 种子、组织、器官、或生命个体搭载到宇宙空间，在微重力、高真空、强辐射和交变磁场等太 空综合因子作用下，使作物的染色体发生畸变，DNA内部发生重组导致生物产生遗传性变异， 返回地面后结合常规育种利用有益变异，选育新种质、新材料、培育新品种的农作物育种技术。航天诱变育种，是一种利用航天技术与现代生物技术、常规育种技术相结合而

2、成的新兴 育种技术。是综合了宇航、辐射、遗传、育种等跨学科的高新技术，航天育种的特点是：变异 频率高、变异幅度大，有益变异多，稳定性强，因而可以培育出高产、优质、早熟、抗病良种。 其最大优势在于有可能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的基因资 源，培育出有突破性的优良品种。利用航天育种技术发展农业是当今农业领域最重要的课题之 一，具有广阔的发展前景。1航天诱变育种的发展历程1.1国外空间诱变育种的研究概况：早在20世纪60年代初期，前苏联学者就研究和报道 了空间飞行对植物种子的影响。80年代初，美国将番茄种子送上太空长达6年，在地面试验获 得了变异的番茄，果实很好，可以食用

3、。1996年俄美合作首次成功地在“和平”号轨道站培育 和收获了 150个墨西哥小麦品种。美国布鲁斯巴格比研究出太空矮杆小麦，株高40cm，生育 期只有60天，产量比普通小麦高出3倍。1999年俄罗斯在太空种植的小麦获得成功，国外的 研究主要是在空间站研究空间诱变育种，在地面做模拟试验和空间环境对植物种子的生物学效 应。1.2我国航天诱变育种发展现状：目前，世界上只有中国、美国和俄罗斯三个国家成功地 进行了卫星搭载太空育种，我国是从1987年开始进行种子搭载卫星试验的。近年来，中国在航 天育种的数量方面，一直处于世界第一位。据不完全统计截止2007年底，我国已在45种植物 上培育出741个航天育

4、种品系、品种，占世界航天育种总数的四分之一，主要是粮食、蔬菜、 水果、油料等农作物品种，另外还有花卉、苗木、茶叶等等。我国在1987年8月5日发射的第9颗返回式卫星首次搭载了青椒、小麦、水稻等一批种 子，开始了太空育种的有益尝试。到目前为止，我国利用返回式卫星先后进行了 16次70多种 农作物的空间搭载试验，其中2006年9月发射的“实践八号”育种卫星搭载数量和种类是我国 自1987年开展航天育种研究以来规模最大的一次，卫星上装载水稻、麦类、玉米、棉麻、油料、 蔬菜、林果、花卉、微生物菌种和小杂粮等9大类2 020份农作物种子材料，用于进行空间环 境下的诱变飞行试验。共包括了 152个物种，其

5、中植物133种、微生物16种、动物3种。卫星 还装载了多项空间环境探测装置，用于探测空间环境辐射、微重力和地磁场等环境要素，开展 空间环境要素诱变育种的对比研究，目前地面试验正在进行中，搭载的粮食作物类有：小麦、 水稻、大豆、玉米、谷子、绿豆、豌豆、高粱等；蔬菜类有：西红柿、辣椒、黄瓜、茄子、菜 豆、白菜、萝卜等；经济作物类有：棉花、芝麻、甜菜、白莲、烟草等；花卉类有：万寿菊、鸡冠花、三色槿、龙葵、荷花、百合等；中草药材类有：黄芪、甘草等；树木种子类有：油松、 杨树、白皮松及石刁柏等，还有草坪种子等，特别是“ 863计划”实施以来，我国航天育种关 键技术研究取得显著进展，在水稻、小麦、棉花、番

6、茄、青椒和芝麻等作物上诱变培育出一系 列高产、优质、多抗的农作物新品种、新品系和新种质，其中目前已通过国家或省级审定的新 品种或新组合有30多个，并从中获得了一些有可能对农作物产量和品质产生重要影响的罕见突 变材料。2太空蔬菜的安全性航天品种是安全的。在自然环境中，植物种子实际上也在发生变异，只是这个变异过程 极其缓慢，变异频率很低，我们称其为自然变异。早期的植物系统育种方法大都是对这种自然 变异的选择和利用，实践证明是安全可行的。航天育种是人们有意识地利用空间环境条件加速 生物体的这一变异过程，这种变异我们称其为人工诱变。这两种变异在本质上是没有区别的。 由于太空种子的变异基因还是地面原来种

7、子本身基因变异的产物，事实上它并没有导入其他对 人类有害的新基因。此外，即使太空飞行归来的当代种子（非直接食用），经严格的专业检测 也没有发现它增加任何放射性。因此，食用太空种子生产的粮食、蔬菜等不会存在不良反应。经科学家检测分析，太空育种的水稻依然是水稻，青椒依然是青椒，并无外来生物基因 导入与整合，物种没有发生本质的变化。美国曾对哥伦比亚号航天飞机搭载的番茄种子及果实 进行化验分析，结论是：“无毒，可以食用。”联合国的国际粮农组织、国际卫生组织、国际 原子能机构已经联合认定：太空种子是安全种子，太空种子培育出的农作物是健康食品。太空育种并没有经过人为的方法将外源基因导入作物中使之产生变异，

8、作为一种诱变育 种技术，它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，本质上只是加速了生物界需要几百年甚至 上千年的自然变异。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。转基因作物是用外源基因导入植 物体内而培育出的新品种，如转基因大豆是用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。我国颁布

9、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。3 航天诱变育种在蔬菜育种上的应用空间诱变育种具有育种期缩短，有益变异增多、变异幅度增大等特点，是培育蔬菜新品 种和创造特色蔬菜种质资源的有效途径。至今已利用卫星搭载处理了黄瓜、西瓜、甜瓜、丝瓜 等多种瓜类作物，经过地面种植选育，已获得了一大批可利用的突变类型，有的已经育出品种， 并在生产中得以应用。目前，空间诱变育种在瓜类上的应用主要集中在改良现有品种、选育新 品种、创造特色种质资源等方面。崔艳玲等利用返回式卫星于1996年搭载了 5个西、甜瓜品种，通过4代选种、配

10、种、筛 选与培育，从315个自交系中选育出6个杂交西瓜新品种，并采用复播技术进行示范种植获得 成功。这些品种的外观、抗逆性、果实中心和边部可溶性固形物含量、维生素含量、果胶含量 等12个指标的综合测定均优于当地当家品种京欣1号。其中航兴1号以其稳产、优质、外形美 观和皮薄耐运的优点深受瓜农喜爱。种质资源遗传基础狭窄是黄瓜新品种选育难以取得较大突破的瓶颈之一。通过与航天技 术相结合，利用空间特殊环境创造有益变异，为黄瓜育种工作开辟了新途径。余纪柱等利用卫 星搭载黄瓜自交系材料，通过地面种植、观察、分离、纯化。湖州市农科院2003年从中国农科院原子能利用研究所引进航天育种黄瓜“太空96-1”， 进

11、行连续两年的试验研究，对品种特性有了深刻的了解，并总结出了一套设施高产栽培技术。中国科学院植物所利用卫星搭载处理过的黄瓜也产生了变异。其后代中获得了雌花多、 抗霜霉病和枯萎病、果肉爽口、汁多且丰产的突变体，并做了许多生理生化及细胞学研究。1987年黑龙江农科院搭载“龙椒2号”甜椒原种，经4代培育出“卫星87-2”甜椒新品 种，目前已在全国推广试种2000hm2。对宇椒1号和原始品种进行基因多态性分析。用84个 10-核苷酸随机引物共扩增到359个RAPD标记，表现出稳定的多态性。1988年卫星处理的石刁柏种子，经选育获得了抗盐碱、雌雄同株的石刁柏丰产后代。 1990和1992年石刁柏种子在卫星

12、搭载的试管中发芽成功，其后代在生理生化和细胞学方面出 现变异。中科院遗传所与黑龙江大学合作，通过卫星搭载青花菜种子，种植的第一代植株有43% 提前开花，最早的提前25天，且这种性状能在后代中稳定遗传，并观察到花粉母细胞有明显变 异。除此之外，通过搭载蔬菜种子，中国已先后获得黄瓜、辣椒、茄子、青花菜等多种高产优 质蔬菜突变体，培育出许多新品种用于农业生产。特长角油菜突变系“ DL9-279 ”和“特大粒红 小豆”等，空间诱变还选出玉米雄性不育突变株以及早熟高产红薯和高产大葱突变体等，均是 迄今利用其他育种手段难以获得的罕见突变体。利用空间环境改良植物品种的同时，中国科学家还进行了空间环境对搭载农

13、作物生物 学和细胞学效应的研究。孙野青等报道了空间环境对青椒和番茄遗传诱变的研究，发现空间环 境处理的植株叶片，细胞内可见大量的线粒体和过氧化物酶体，线粒体嵴膜清晰，多呈杆状， 基质中富含核糖体；叶绿体体积大，电子密度低，片层结构清晰；线粒体、过氧化物酶体、叶 绿体三者保持靠近位置；细胞物质代谢旺盛，光合能力与呼吸强度增高，加强了营养物质的合 成及运输能力，从而导致果实增大，产量提高。李水风等测定了卫星搭载处理后的辣椒种子活力变化及其种子萌发过程中抗氧化酶的活 性，研究认为卫星搭载处理提高辣椒种子活力与提高种子及幼苗体内抗氧化酶活性、防止膜脂 过氧化有关。王世恒等研究了航天搭载茄子种子SP1生

14、物学特性。结果表明，航天搭载对茄子的生长 发育有明显的影响。其变异表现在株高、生育进程、叶片大小、果实大小、结果率等方面，但 最显著的变异是生育进程，从中有望选育出优良的茄子种质材料或品种。过氧化物歧化酶（SOD） 活性测定结果表明，变异株体内的SOD活性比非变异株或对照高出1倍多，说明航天搭载可增 加某些基因产物的表达量，从而表现出形态性状的显著变异。1987、1994、1996年卫星搭载处 理的番茄种子经多年选育已获得增产20%以上、病毒病发病率降低0.2%20.8%的抗病新品种， 定名为宇番1号，由此可见，通过航天诱变技术培育出更多更优的蔬菜新品种将成为蔬菜育种 的新途径。4航天诱变育种

15、的未来展望就整体而言，中国目前在作物航天育种方面的研究工作尚处于初级阶段，应用基础理论 研究还不够多、不够深入。今后应该加强以下方面的研究：4.1深入研究航天诱变的生物效应。从细胞学、生理学、生物化学等方面摸清空间条件对 植物的影响。4.2加强航天诱变机理的研究，摸清不同独立因子和复合因子的诱变规律，更深入的探讨 主要诱变因子及其作用的生化和分子生物学机理，研究不同植物、品种、组织、离体培养物、 细胞、原生质体等对空间条件的敏感性差异，进一步做到定向诱变和扩大诱变效果。4.3加强与生物技术的结合，提高育种效率。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不可靠性。育种的关 键问题是将基因型选择与表型选择相结合，提高选择的效率。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，利用分子生物学方法，克隆到特异基因，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。不应该仅满足于培育新品种，而应该进一步 找到新品种中产生有益性状基因。另外，分子标记辅助选择(markerassisted selection，MAS)是现代分子生