诱变与杂交结合选育超高产小麦品种的效果

杨占良，褚巧绪，张医乐，杨 洲　(.甘肃陇南市武都八一中学，甘肃陇南7460；.陇南市武都区滨江学校，甘肃陇南 746000；.陇南市武都区第一人民医院影像科磁共振室，甘肃陇南 746000)



诱变与杂交结合选育超高产小麦品种的效果

杨占良1，褚巧绪2，张医乐3，杨 洲1(1.甘肃陇南市武都八一中学，甘肃陇南746023；2.陇南市武都区滨江学校，甘肃陇南 746000；3.陇南市武都区第一人民医院影像科磁共振室，甘肃陇南 746000)

鸣谢该研究得到时任科技副县长阮啸石先生、甘肃省科技厅杭纪新处长、甘肃农业大学王蒂校长及农学院王汉宁和王化俊教授、陇南市政府王礼先生、科技局宋维海副局长以及王献、高进儒、党海峰3位同事的支持和帮助，在此表示衷心感谢！

小麦作为世界上第二大作物和一半以上人口的主食，其单产水平近十几年却一直处在缓慢的爬坡阶段。近些年墨西哥国际小麦玉米改良中心提出了打破小麦产量限制、培育超高产小麦的计划。田纪春先生在超高产小麦概念的基础上，提出了超级小麦的概念和育种方法。他阐述：“产量超级”，穗数、穗粒数和粒重三要素高度协调，子粒产量有“超越性”增加，是超级小麦品种的主要内容[1]。 采用转基因手段也许容易攻克难关，但转基因农产品存在着不可预知的安全隐患，受到很多人的质疑和反对。因此，超高产小麦的研究应该排除转基因手段。在非转基因手段中，农作物育种家们进行了大量卓有成效的工作。阶梯式杂交、聚合杂交等育种方法把控制同一性状的多个微效基因累加于一个杂种个体当中，实现超级育种，或者把分别控制成穗率、穗粒数和千粒重等产量性状的主效基因聚合于一个杂种个体中，培育超级小麦新品种，这方面成功的例子已经很多[1]。辐射诱变是行之有效的育种方法，王彩萍、吴振录、孙光祖、王琳清等采用此方法创造了许多优质资源和可以推广应用的成果，也积累了经验以及数据资料[2-5]。然而，要打破产量限制，实现子粒产量“超越性”的增加，还有很多难关需要攻克。

笔者认为特殊结构的辐射场能够诱发特殊的基因活动，奇特结构的辐射场中会引起稀有的基因活动，并产生新的基因型，促进物种分支和演化[6]。要提高小麦的产量，就先要提高植株的生理代谢强度，这就必须提高杂交组合的遗传差异，减少分子同源相斥的制种组合[7]。为了提高杂交亲本的遗传差异，笔者设想对遗传差异较小的品种在不同结构的辐射场中诱导产生遗传差异和代谢强度差异，例如在不同波长的单色光中处理进入生殖状态的小麦花器，经过一个或几个世代后，再做杂交，对远缘植物在不同结构辐射场中处理产生诱导亲和性再做杂交，但这些设想由于不易实施，未能验证。但是，把小麦干种子多次用X射线和核磁共振双重处理，诱变出突变畸形植株，这些宏观上表现畸形的植株明确显示发生了基因突变，它们与正常植株之间出现了较大的遗传差异。用这些畸变体与正常植株杂交出现了超大粒材料，为选育超高产小麦取得了突破性的进展。

1材料与方法

1.1试验材料从农家小麦大田中选取表现优良的植株，包括潘林、兰-天15、清山101、陇源935、洛夫林等旱地品种和89-107、绵阳35、绵阳36等水田品种。2003年从大田中发现并采集两种自然变异植株2003A、2003B (图 1 )。

1.2试验方法

1.2.1物理因子处理。2003年开始将所收集的材料分成两组，一组请医院放射科用透视拍片X射线照射，并记录参数，另一组作为对照。处理材料在花盆和试验田中播种，对照组只播种于试验田。对发生变异的植株和长势特殊植株选择收获保存，秋季再次处理并播种。2005～2007年对前面得到的处理材料，用高能X射线“放疗”和核磁共振双重处理，2008年对这些处理材料进行播种观察。2009年选择4个样品再次做高能X射线“放疗 ”和核磁共振双重处理。处理过程见表1。

表1　小麦材料用物理处理因子处理过程

1.2.2选择亲本进行杂交。 从2007年处理样品中开始出现多种类型的小麦植株宏观表现上的畸形突变，到2009年出现很多植株宏观上的畸形突变。选择一些典型的畸形突变植株作为亲本，采用农民大田种植的小麦优良植株，以及试验田中的特殊植株配成组合进行杂交，观察畸形突变植株与正常植株杂交的效果。

1.2.3一系法杂交。对长势特别好的杂交组合采取“一系法”处理[1]，观察固定杂交优势的效果。

1.2.4检测方法。 对获得的小麦大子粒，先用普通天平称量，然后在精密电子秤上称量单粒和多粒重量；用游标卡尺测量子粒的长度和宽度。

2结果与分析

2.1物理因子诱变效果2003年X射线处理中，仅2003B中出现了低秆植株，其余无明显的宏观性状变异(表1)。经2003、2004年两年X射线处理，2005年X射线和核磁共振双重处理，2006和2007年高能X射线“放疗”和核磁共振双重处理，到2007年观察到较多宏观性状上发生的畸形突变植株。2008年播种观察，2009年再次高能X射线“放疗”和核磁共振双重处理，终于获得很多各种类型的畸形突变植株(表2)。

表2　物理因子诱发的小麦畸形突变类型

获得的畸形突变植株按器官位置可以分为叶片、茎秆、麦穗、花和子粒几个类型。到2008年观察到物理因子诱导出现大粒性状的植株，2009年标记为09-3号，大粒性状遗传性较为稳定。09-3号材料在2009年又出现1株麦穗扭转90°的畸变植株(图4) ，继续种植后演变为2010-11号，表现大穗大粒性状，株高80～100 cm。2010-11号下一代分化为3个类型。2009年再次高能X射线“放疗”和核磁共振双重处理后也出现了一些畸变植株。试验过程中还发现，辐射诱变材料在海拔较低、水肥条件好的川坝地出现畸变率高，而在高山旱地出现极少。

2.2诱变材料与正常亲本杂交的效果2003B经2003～2007年5次处理后，到2008年出现大粒性状，2009年大粒性状已较为显著，即09-3号。09-3×洛夫林，F1表现出超强优势，粒长达8 mm，千粒重80 g(图5)。

F2以后各代出现性状分离。09-3中出现麦穗平扭转90°的畸变植株，用这个畸变株的后代作母本，与大田中的矮秆白穗无芒品种作父本进行杂交，F1表现出很强的优势，记为2010-4号。对2010-4号做一系法[1]处理，F1长势好，F2代效果不理想，植株高低不齐，麦穗较小，没有畸变植株出现。

正常种植的2010-4号F2分离出4种性状，即高秆有芒型、高秆大穗大粒无芒型、矮秆无芒型、矮秆绿长穗短芒型(晚熟)。2010-4号和2010-11号自交系以及与其他亲本杂交的后代中陆续出现了麦穗螺旋盘曲的植株(图2 )以及其他畸变株型(图3)。

麦穗螺旋盘曲畸变的后代中又一定会出现多种畸变，这些畸变植株和与之杂交的组合就像打开了基因突变的“万花筒”一样。在这些畸变植株中出现了一些大粒品系，在2014年就获得千粒重最大值分别为73.0、77.0、80.0和84.8 g的大粒材料。千粒重为84.8 g的材料是2010-4号F4代矮秆无芒品系中得到的，其最大粒长8.7 mm，粒宽4.0～4.5 mm。

3讨论

该试验用物理因子诱导小麦亲本发生基因突变，使杂交亲本之间产生较大的遗传差异，然后将诱导突变的材料与正常有优势的亲本进行杂交，以获得有强杂交优势的后代。目前小麦杂交优势的利用多限于品种间杂交，而小麦的各种优良基因都已集中于各个品种中，得到充分表现。不同品种之间遗传差异较小[8],不是两类极端类型。常规育种已使大多数高产基因集中于高产亲本中，从而为杂种优势利用带来了困难。杂种优势形成的根本原因在于双亲的遗传差异[9]，因此品种间杂交获得的杂交优势是有限的，依靠常规的品种间杂交获得杂交优势来提高产量，提高幅度有限，难以获得像杂交水稻那样大的增产幅度，这可能是近年来超高产小麦研究进展缓慢的原因之一。

要获得较强的杂交优势，就要人工创造亲本间大的遗传差异，接近极端类型，比较可行的方法有两种。一种是远缘杂交，这要克服杂交不亲和性、遗传背景不相容等多道难关，有一定的难度。另一种是用物理的或化学的方法诱导亲本之一，或者用不同的诱导因子诱导2个亲本，使其发生突变，产生大的遗传差异，然后与正常亲本杂交，或者用2个不同的诱变亲本杂交，从而产生杂交优势。从理论推测和该试验的研究实践来看，第2种方法是一条可行的途径。韩微波等认为诱变育种技术在农作物品种改良上具有独特的作用，它可以诱发基因突变，产生自然界原来没有的或一般常规方法难以获得的新类型、新性状、新基因，能够打破基因连锁，提高重组率[10]。为了检测辐射诱变的效果，前人用出苗率、存活率、结实率[4]、分子探针等定量的方法进行较精准的检验。但该试验所采用的处理手段较为粗略，在做辐射处理小麦种子时，虽然做了X射线或“放疗”单因子处理，X射线或“放疗”加核磁共振双因子处理，核磁共振单因子处理3组处理，但未能对这3组处理做出严格的对比分析，未检测3种不同处理各自的不同效应，而是对处理材料连年反复处理，直到出现肉眼能够观察到的植株宏观上的畸形突变。其实，在利用射线辐照植物时，只要有适宜的剂量就能诱发基因突变。有时突变在分子水平已经发生，只是在宏观上未能表现出来。在产生辐射效应的生物学阶段，时间可在几秒钟至若干年，在分子结构发生改变的基础上，细胞内生物化学过程发生改变，从而导致各种细胞器的结构及其组分发生深刻的变化，包括染色体畸变和基因突变[11]。有些突变在处理当代就可能出现植株性状上的宏观畸变，有些突变可能在以后各代出现宏观上的畸变。能够在宏观上表现出的植株畸变，就一定能够确定该植株从分子、细胞各个层次都已经发生了突变，即原有小麦品种的基因发生了较大改变，部分基因、部分性状已经不同于原品种，通过人工改造实现了“极端类型”，但遗传背景又与原品种相同或相近，有着很好的遗传背景相容性和杂交亲和性，与正常品种的杂交完全亲和，与其杂交的亲本就可以选择所需要的目标性状，如大粒、抗病、矮秆、早熟等。

该试验利用辐射诱导出现的当代畸形植株或畸变植株的下一代作亲本，与具有矮秆抗病的大田亲本进行杂交，发现这样的杂交后代(F1以及F2)比辐射诱导的畸变植株(M1、M2)出现了更多、更丰富的畸变类型，如麦穗螺旋畸变植株就是诱导畸变植株与正常植株杂交后代中出现的，这是一个值得注意的新现象。

前人应用辐射与杂交相结合的方法选育春小麦新品种[4]，是对杂交当代(F0)、F1、F3进行辐照诱变；杂交与诱变相结合提高春小麦育种效果的研究是对杂交种子进行辐照，以提高诱变效果[3]；也有将辐射诱变的有利用价值的突变应用到杂交育种中去的[5],但未见详细报道和论述。可见，该试验所采用的方法与前人的方法有所不同。

该试验培育出的小麦超大粒材料千粒重最大值为84.8 g，粒长8.7 mm(株高80～100 cm)，与目前国内可以查到的小麦千粒重最大值77.3 g，粒长8.3 mm[12]相对比，已经有所超越(2014年申报“扛旗”世界纪录通过了初审)，但是否可能突破了大粒性状与高秆性状的基因连锁关系及超大粒材料的遗传稳定性还需要进一步的观察研究。笔者推测，超大粒性状小麦材料的出现，可能是辐射诱变与基因重组的共同结果。子粒大小是产量构成的三大因素之一，因此大粒和超大粒材料的培育为超高产小麦的培育创造了一定的基础条件。然而，要做到粒重、穗粒数和每亩成穗数产量三因素的高度协调，具有抗性，以及品质优良等性状的集中，还有很多的难关需要攻克。

参考文献

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摘要为了培育超高产小麦优良品种，提出了用辐射诱变亲本，提高小麦亲本之间的遗传差异，从而增强杂交优势的理论。2003～2004年用X射线连续2年照射处理上一年处理播种出的小麦干种子。2005～2007年用高能X射线“放疗”和核磁共振双重处理，连续重复处理3年，在2007年获得大量多种类型的畸形突变植株。利用这些突变材料作为亲本，与大田中表现好的正常植株进行杂交。在杂交后代中又出现了大量的畸形突变植株，从中选出了大粒和超大粒小麦材料。这可能是突破了大粒性状和高秆性状的基因连锁关系，出现了大粒中秆和大粒低秆材料。这一理论的技术实践和材料的获得，为小麦杂种优势的诱发利用开辟了新的思路和方法，也为选育超级小麦品种创造了丰富的选种和育种材料。

关键词辐射诱变；畸形突变；遗传差异；杂交；超大粒

The Effects of Breeding Super High Yield Wheat Varieties by Mutation and Hybridization

YANG Zhan-liang1, CHU Qiao-xu2, ZHANG Yi-le3et al(1. Bayi Middle School Wudu District, Longnan, Gansu 746023; 2. Binjiang Middle School, Longna,Gansu 746000; 3. The Nuclear Magnetic Resonance Office of the First People’s, Longnan, Gansu 746000)

AbstractIn order to develop the high quality varieties of super-high-yield wheat, a theory which by radiation aberration between parents, improving the genetic difference of them and creasing hybridization heterrosis was proposed. The dry seeds which were treated and planted last year were radiated frequently by x-ray from 2003 to 2004. Then the dry seeds were radiated by high energy x-ray and combined the nuclear magnetic resonance again from 2005 to 2007. We have treated the dry seeds repeatedly for 3 years and gained a plenty of varieties of mutation aberration wheat plants. These mutation materials were used as parents that were hybrided with best plants in the fields. It showed that a lot of mutation aberration plants appeared in hybridization generations. After that, we selected big grains and super-big-grain plants among them. The result showed that, middle plants with big grains and the short plants with big grains come out. This phenomenon may breakthrough the linkage relationship of the high plants with big seeds. Getting the technique practice and materials opened the new thoughts and methods for using radiation and hybridization heterrosis of wheat, which created a varieties of selecting seeds and breeding materials of selecting super wheat varieties, too.

Key wordsRadiation aberration; Mutation aberration; Genetic difference; Hybridization; Super grains

收稿日期2015-04-28

作者简介杨占良(1961-)，男，甘肃陇南人，中学高级教师，从事农作物超级良种培育及新方法的研究。

中图分类号S 512.1

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)18-037-04