园艺植物育种学-诱变育种

诱变育种常规育种技术技术要点：引种、选种、杂交育种。优点：操作简便，无需复杂的仪器设备；亲本选配好后便可以创造各种类型的变异；可以利用杂种优势。常规育种的局限性杂种后代遗传组成复杂，分离广泛；新基因型的出现依赖于亲本基因型；连锁基因的连锁关系很难打破；无法利用染色体倍性变化；育种年限较长。自然界产生的可遗传的变异遗传重组；染色体数量变异；染色体结构变异；基因突变。第一节

诱变育种概念与特点一、有关概念：诱变育种（mutationbreeding）：人工利用理化因素诱使植物或植物材料发生遗传突变，并将优良突变体培育成新品种的育种方法，叫诱发突变育种，简称诱变育种。•

辐射育种：利用辐射（射线）诱发植物遗传物质发生变异，从中选择培育新品种的方法。•

化学育种：利用化学诱变剂诱发植物产生遗传变异，以选育新品种的技术。自然界产生的可遗传的变异•

遗传重组；•

染色体数量变异；•

染色体结构变异；•

基因突变。人工诱变的技术措施•

辐射诱变•

化学诱变•

空间诱变•

基因工程Ø物理方法Ø化学方法人工诱变的思路Ø染色体结构变化Ø染色体数量变化Ø基因突变Ø转基因操作二、诱变育种的特点•

突变率高，变异谱广实例n

四川省原子能研究所，采用γ射线处理菊花插条花期从

11

月提前到4-10月。n

前苏联育种工作者，采用理化因素结合处理葡萄（

137Csγ射线照射种子＋0.2%秋水仙素处理子叶期幼苗生长点）抗病性、枝型、叶形、果色、果形等大量的变异。诱变频率为1-3％。二、诱变育种的特点•

可有效改良品种的单一性状，保持其它优良特性二、诱变育种的特点•

可打破原有的基因连锁，实现优良基因的重组辐射可诱发染色体发生断裂、易位等，从而打破不利基因与优良目标性状的连锁关系。•

育种程序简单，变异稳定快，育种年限短诱变多为一个主基因的改变，后代稳定快。一、二年生草花，F

3

可稳定，3-4年即可出品种。园林植物多数采用无性繁殖，变异易固定。二、诱变育种的特点•

诱发突变的方向和性质难以掌握突变位点随机突变方向偶然（有益或无益）有时还会发生回复突变•

改良的性状有限诱变往往是点突变，对某些受多基因控制的数量性状改良作用不大。•

突变体多为嵌合体，变异性状不易稳定三、诱变育种的发展概况•

1895年，伦琴发现X射线•

1936年，

WEDemol

用X射线处理

Tulip

，经10余年育成突变新品种‘法腊迪'。•

1970，育成品种101个（观赏植物33个）•

1990，育成品种1330个（观赏植物407个）•

1995，育成品种1737个（观赏植物465个）菊花、大丽花、六出花、秋海棠、月季、杜鹃、百合及香石竹等，（菊花品种达170多个）•

我国1956年起步，诱变育成的品种数量和诱变植物的种植面积均居世界首位。•

迄止1998年，40多种植物上育成新品种513个，（占世界的1/4）观赏植物接近100个。•

菊花、小苍兰、瓜叶菊、朱顶红、美人蕉、月季、紫罗兰、金鱼草、矮牵牛、杜鹃花、唐菖蒲和荷花等。第一节

辐射诱变育种ꢀ

利用物理辐射能源处理植物材料，使其遗传物质发生改变，进而从中筛选变异进行品种培育的育种方法。一、辐射育种的特点1.

提高突变频率，扩大突变谱；2.

能改变品种单一不育性状，而保持其优良性状不变；3.

增强抗逆性，改进品质；4.

辐射后代分离少，稳定快，育种年限短；5.

能克服远缘杂交的不结实性。二、花卉辐射育种的有利条件1.

观赏植物的多样性；2.

遗传的复杂性；3.

无性繁殖技术的应用；4.

测试简单；5.

花而不实的材料的改良途径。三、射线的种类及其特征电子束α射线β射线

（

特定时

）

射线

射线

射线中

子x射线紫外光激光水泥墙

射线

射线

射线1.

射线由两个质子和两个中子构成的氦原子流。氦原子与空气分子碰撞便丧失能量，因此可以很容易地被一张纸挡住。2.

射线

衰变：原子核自发地放射出

粒子或捕获一个轨道电子而发生的裂变。

粒子流是具有一定能量的电子流。可以被铝箔或玻璃挡住。质子衰变中子衰变质子电子中子正电子中微子中子质子反中微子类似的还有宇宙射线、中子射线、统称粒子射线。ß射线：又称乙种射线。它是由放射性同位素（如32P、35S等）衰变时放出来带负电荷的粒子。重量很小，在空气中射程短，穿透力弱。在生物体内电离作用较

γ射线、X射线强。3.

射线衰变的原子核释放的能量。又称丙种射线。

是一种高能电磙波，波长很短（10-8—10-11厘米）。穿透力强，射程远、以光速传播。4.

X射线是由X光机产生的高能电磁波。X射线与射线很相拟。它的波长比γ射线长，射程略近。穿透力不如

γ射线强。5.

中子：中子是不带电的粒子流在自然界里并不单独存在，只有在原子核受了外来粒子的轰击而产生核反应，才从原子核里释放出来。6.

紫外线：

是一种穿透力很弱的非电离射线，可以用来处理微生物和植物的花粉粒。7.

激光：

能使生物细胞发生共振吸收，导致体内某些分子原子的能态的激发，或原子、分子离子化，进而引起生物体内部的变异。诱变育种的辐射源四、辐射的作用理论（一）电离辐射的物理作用：光电效应：入射的光量子把它的全部能量转移到一个原子体系的电子上，使电子脱离原子而运动，释放出来的电子统称光电子，光电子能使与其相遇的原子产生电离。hv康普顿Compton散射：其过程与光电吸收不同。能量相当高的光子与物质作用时，产生比光电子能量高得多的反冲电子和能量减弱的散射光子。反冲电子在穿过物质时能引起电离，同时散射光子根据本身的能量值也可由于光电吸收或新康普顿散射而与物质相互作用。hv•电子对的产生：光子能量大于1.02百万电子伏的硬射线能与原子核相互发生作用，结果产生一个正电子和一负电子，光子整个消失，这叫电子对的产生。负电子可使介质中的原子电离并消耗其全部能量。正电子存在的时间很短，当其速度近于或等于零时，则和一个负电子结合而转化成光子，这叫光化辐射。-ehv+e（二）电离辐射的化学作用：由于活的生物组织含有约75%的水，因此水就成为电离辐射的最丰富的靶分子。hv直接作用:

H

O

------

OH

-

+H+2hv间接作用:

H

O

------OH

+H●●2-------H2O2+HO●2（三）辐射产生的生物学效应•

染色体断裂；•

基因突变；•

细胞分裂异常。作用于微管蛋白五、辐射剂量和剂量单位（一）辐射剂量：单位体积或单位质量的空气吸收的能量。（二）

吸收剂量：单位体积或单位质量被照射物质中所吸收能量的数值称为吸收剂量。D=E/M（尔格）D–辐射剂量E–被照射物质吸收的能量M–被照射物质的体积（三）剂量单位：辐射剂量的单位常因不同射线的不同计量方法而不同：1.

伦琴：简称伦或用R符号表示，它是最早应用于测量X射线的剂量单位。2.

拉特：也称组织伦琴，用rad表示。它是对于任何电离辐射的吸收剂量单位，一拉特就是指一克被照射物质吸收了100尔格的能量。3.

积分流量：中子射线的剂量计算，一向以每平方厘米上通过多少个数来确定的，其单位以中子数/厘米2表示。4.

居里：是放射性强度的单位，用Ci或C表示。（四）剂量率剂量率在辐射育种中很重要，往往用同一剂量处理同一个品种的种子，剂量率不同，辐射效果也不相同。剂量率即单位时间内射线能量的大小。单位以伦/分或伦/小时来表示。P

=D/

TP

—剂量强度D—放射剂量T

—照射时间（五）适宜剂量和剂量率的选择选择适宜剂量的原则"活、变、优"。ꢀꢀ活--后代有一定成活率；ꢀꢀ变--指成活个体中有较大变异效应；ꢀꢀ优--指变异中有较多有利突变。◎致死剂量：辐射育种中，当剂量增加到一定限度时，材料全部死亡时的剂量值（LD100）。◎半致死剂量：照射后存活率为对照的50%时的剂量值（LD50

）。◎临界剂量：照射后存活率为对照的40%时的剂量值（LD40

）。适宜剂量：一般选“半致死剂量”或“临界剂量”，

实践中大多采用临界剂量作为适宜剂量。注意：高剂量不仅造成大量死亡，导致选择几率降低，而且造成染色体较大损伤，从而导致较大比例的有害突变。六、辐射材料的选择（一）选择材料的原则•

综合性状好，个别性状有待改善；•

杂合子材料；•

易产生不定芽;•

对辐射较为敏感的材料。（二）植物对辐射的敏感性•

科、属、种的敏感差异；•

品种间敏感差异；•

不同发育阶段差异；•

不同组织器官差异。（三）影响植物材料敏感性的因素１、氧：如果使种子或植物在完全无氧的空气中受照射，则诱变效率可以提高，而染色体损伤相对减少。如希望产生较多的染色体畸变，最好在有氧的条件下处理。２、含水量：在种子辐射处理时，欲得到较高的诱变率，可将种子含水量调到1.3——1.4%左右；如希望得到较高的染色体畸变率，则可钭种子含水量降低水平。３、温度：在种子受照射后，对种子进行处理，即在75℃或85℃处理15分钟，此种处理称“热击”，可以降低照射后在有氧条件下吸水所产生的敏感性。４、核体积（包括植物的多倍性）：辐射敏感性与“间期”染色体体积之间呈负相关，即“间期”染色体体积愈大，辐射敏感性愈小，否则相反；辐射敏感性亦与DNA含量成负相关，即DNA含量越多，辐射敏感性越差，所以多倍体植物比较辐射。五、辐射处理的主要方法（一）外照射概念：指

辐射源

不进入植物体内，只是利用其射线（如χ射线，γ射线，中子）从外部照射植物各个器官。特点：简单安全；适于处理大量试材；可进行一代照射和多代重复照射，一次照射和多次照射。根据照射时间的长短分为：•

急性照射指采用较高的剂量率进行短时间处理。通常在钴室进行，适用于各种材料。•

慢性照射是在长时间内进行低剂量率的缓慢照射。通常在照射圃场进行，适用于植株照射。•

重复照射是指在植物几个世代(包括有性或营养世代)中连续照射。外照射处理植物的部位和方法：１、种子照射种子的方法有处理干种子、湿种子、萌动种子三种。目前应用较多的是处理干种子。处理干种子的优点是：1)

能处理大量种子；2)

操作方便；3)

便于运输和贮藏；4)

受环境条件的影响小；5)

经过辐射处理过的种子，没有污染和散射的问题。２、无性繁殖器官许多园林植物是用无性繁殖的，而且有部分园林植物从来不结种子，只依靠无性繁殖的.诱变育种是对这类材料进行品种改良的重要手段，在诱变育种中只要得到好的突变体，就可直接繁殖利用。３、花粉照射花粉与照射种子相比，其优点是很少产生嵌合体，即花粉一旦发生突变，其授精卵便成为异质结合予，将来发育为异质结合的植株，通过自交，其后代可以分离出来许多突变体。４、子房射线对卵细胞影响较大，相引起后代较大的变异，它不仅引起卵细胞突变，亦可影响受精作有时可诱发孤雌生殖。（二）内照射：是指辐射源被引进到受照射的植物体的内部。1.

照射源：

P、

S、

C等放射性元素的化合物。3236142.

照射方法：•

浸泡种子或枝条；•

注射入植物的茎杆、枝条、芽等部位；•

施入土壤：施于土壤中使植物吸收；•

饲养法：用放射性的14C供给植物，借助于光合作用所形成的产物来进行内照射。3.

注意事项：•

利用内照射诱变需要一定的实验设备；•

试验过程中还需要一定的防护，预防放射性同位素的污染，•

处理过的材料在一定时间内带有效射性。（三）其它照射方式•

急照射和慢照射•

重复照射六、辐射后代的选育（一）种子辐射后代的选育M0

:

接受辐射处理的当代植株。M1

:

辐射处理种子产生的子一代。M2

:

辐射处理种子产生的子二代。•嵌合体的分析（二）无性繁殖器官辐射处理后的选育无性繁殖的园林植物，选择自然产生的芽变，是有效的方法。用射线照射无性繁殖器官，可以提高芽变的频率，是加速选育新品种的有效途径之一。1.

辐射生理损伤的恢复

；2.

辐射变异的观察；3.

辐射后代的选育推广。无性繁殖的园林植物诱发突变有下列特点：1.

辐射后代稳定得比较快。2.

在遗传上大多是异质的。变异一旦发生，通常在后代可表现出来，所以选择主要在M1代进行。3.

注意增强选择，防止逆突变出现。第二节

化学诱变育种利用化学诱变剂诱发园林植物产生遗传变异，以选育新品种的技术。一、化学诱变的特点1.使用经济方便：只需少量的药剂和简单的设备。2.有一定专一性：不同药剂对不同植物、组织或细胞、染色体节段、基因的诱变有一定专一性。如某一诱变剂对某一基因有高效引变作用。这是解决定向突变的一条途径。3.与辐射诱变的突变谱很不相同：如辐射处理大麦，叶绿体突变谱较窄，大多为白花苗。而化学诱变，叶绿体突变谱宽，白化苗百分率下降。诱变机制与辐射育种不同：辐射诱变

诱变因高能射线造成，染色体结构变异广泛。化学诱变

化学药剂与遗传物质发生生化反应，结果多是基因的点突变。因为化学诱变诱发"点突变"，所以更为适用。辐射诱变染色体或DNA是在辐射时发生的。化学诱变剂作用则是在较晚时发生，即"迟发突变"。二、化学诱变剂及作用机制1、烷化剂：药剂带有一个或多个活泼的烷基。通过烷基置换，取代其它分子的氢原子称为“烷化作用”所以这类物质称烷化剂。烷化剂分为以下几类：•

烷基磺酸盐和烷基硫酸盐甲基磺酸乙酯（EMS）、硫酸二乙酯（DES）•

亚硝基烷基化合物亚硝基乙基脲（NEH）、N-亚硝基-N-乙基脲烷（NEU）•

次乙胺和环氧乙烷类乙烯亚胺（EI）、环氧丙烷•

芥子气类、氮芥类、硫芥类★烷化剂的作用机制--烷化作用

作用重点是核酸，导致DNA断裂、缺失或修补。二、化学诱变剂及作用机制2、核酸碱基类似物：这类化合物具有与DNA碱基类似的结构。ꢀꢀ代表药剂：5-溴尿嘧啶（BU）、5-溴去氧尿核苷（BudR）为胸腺嘧啶（T）的类似物2-氨基嘌呤（AP）

为腺嘌呤（A）的类似物马来酰肼（MH）为尿嘧啶（U）的异构体。★作用机制：作为DNA的成份而渗入到DNA分子中去，使DNA复制时发生配对错误，从而引起有机体变异。二、化学诱变剂及作用机制3、吖啶类（嵌入剂）吖啶黄(acridineyellow)

，吖啶橙，原黄素(proflavin)，ICR-170嵌入DNA

分子双链中心的碱基之间，引起单一核苷的缺失或插入的移动（移码突变）误,产生突变。遗传密码编组转录和翻译的错二、化学诱变剂及作用机制4、无机类化合物★亚硝酸

能使嘌呤或嘧啶脱氨，改变核酸结构和性质，造成DNA复制紊乱。HNO2还能造成DNA双链间的交联而引起遗传效应。★迭氮化钠(NaN3)是一种呼吸抑制剂，能引起基因突变，可获得较高的突变频率，而且无残毒。二、化学诱变剂及作用机制5、简单有机类化合物抗生素（丝裂霉素C、链霉素）、重氮丝氨酸等★引起染色体的断裂6、其它诱变剂羟胺（HA

）：作用于C，使其氨基变成羟基，与

A

配对，G-C

A-T秋水仙素：诱导染色体数目的变异三、化学诱变的方法1.药剂配制：•

硫酸二乙酯（DES）不溶于水，先用少量70%酒精溶解，再加水。•

有些烷化剂在水中不稳定，会发生“水合作用”，因此配好的药剂不能贮存，应现配现用。一般都是把它们加入到一定酸碱度(pH)的磷酸盐缓冲液（0.01mol/L）中使用。•

亚硝酸也不稳定，常在临使用前将NaNO2加入到醋酸缓冲液（PH4.5），以生成亚硝酸。2.试材预处理•

干种子：预先浸泡，使细胞活泼，增加敏感性，还可提高膜透性。•

细胞处于DNA合成阶段（S）时，对诱变剂最敏感。诱变处理应在S阶段之前进行。•

需层积处理的种子，处理前可用层积代替水浸泡。3.诱变处理（1）浸渍法

种子、枝条、块茎浸入诱变剂溶液，或枝条基部插入溶液。（2）涂抹或滴液法

药剂溶液涂抹或缓慢滴在植株、枝条或块茎的生长点或芽眼上。（3）注入法

用注射器向植物材料中注入溶液，或将材料人工刻伤，用浸过诱变剂的棉团包裹切口。（4）熏蒸法

密封容器内使诱变剂产生蒸汽，对花粉等进行熏蒸。（5）施入法

培养基中加入低浓度诱变剂溶液。4.诱变后处理处理后的材料，用清水反复冲洗，以降低残留，避免生理损伤。一般冲洗10-30min或更长时间。漂洗后的材料立即播种或嫁接。四、影响化学诱变效应的因素1.诱变剂种类2.材料的遗传类型和生理状态3.诱变剂浓度

和处理时间4.处理温度5.溶液PH值及缓冲液使用第三节

诱变育种的方法与程序一、处理材料的选择1.

根据育种目标，改变单个不良性状