小麦诱变技术综述

2020-12-16 12:19:10冷家业
农业技术与装备 2020年4期
关键词:射线新品种变异

冷家业

(贵州大学农学院,贵州 贵阳 550025)

随着全球人口的增加,种子需求量越来越大,小麦在长时间的发展演替过程中,由于人类选择性使用和自然的挑选,导致小麦的遗传发展道路变得更加狭窄,遗传的各种不稳定性逐渐增加,产量远远不能满足需求。基因工程、大量杂交和生长环境的优化让小麦的抗环境变化能力下降,给育种工作带来了新的挑战。由于小麦属内遗传基因有限,而常规杂交育种主要依据基因自由重组,不能产生新基因,难以解决小麦基因资源缺少问题。而如今诱变育种这一方法则是改变现状的最基本、最快速、最有效的途径之一。作物诱变育种技术是指采用相应的手段,根据作物生长需要进行育种,实现优化品种的目的。它包括了物理因素诱变和化学因素诱变。本文综述了诱变育种的方法原理,为小麦生产提供依据。

1 物理因素诱变

1.1 辐射诱变

1.1.1 X、γ射线在育种诱变上的应用

X、γ两种射线均属于高能电磁波。通过对小麦的辐照,诱发基因突变,育成优良的新品种[1]。电离辐射最早应用于育种是在1934年,应用于烟草行业,培育了第一个烟草作物变种。我国青海省农科院在60年代使用γ射线辐照小麦种子取得了重大成就。其中使用γ射线辐射得到的新品系有415、4-1-21小麦品系和86089小麦品系。其中415小麦新品品种极为优良,不仅抗旱、耐疾、穗大粒多,而且适应性广,能够抵抗多种突发病害;86089品种在早熟上更有优势;4-1-21品种具有抗旱、耐条锈病的特点。

1.1.2 中子在育种诱变上的应用

辐射会明显促进育种诱变,尽管不带电荷,但是大量的研究和实验都显示中子也可以通过诱导获得有益突变体。四川农业大学杨曼宇等分别用5Gy、15Gy、20Gy剂量的快中子辐射45粒小麦种子的三等分,结果表明在该范围内随着辐射剂量增大小麦种子的染色体易位更明显[2]。

1.1.3 β射线在育种诱变上的应用

β射线是由32P、35S衰变时释放出来的带负电荷的离子,它和X、γ射线相反,通常用于内照射。究其根本,其原理是P为遗传物质核酸的重要组成成分,因此在育种诱变上有着非常显著的促进作用。

1.2 非电离辐射遗传基因发生

1.2.1 激光

激光辐射属于低能电磁辐射,它是利用激光照射动植物,使其发生遗传物质上的变异,再根据自身所需选择新品种的诱变技术[3]。在国内外已经有大量的激光诱变小麦的报导了,报导均表示激光的诱变效果明显。根据四川西昌学院李成佐报导,采用不同的类型的激光辐照同种类型小麦,结果表示激光种类对小麦后代变异差异不大,且辐照后代的株高、穗颈长的遗传力明显提高。

1.2.2 紫外线

紫外线辐射属于低能电磁辐射,它是利用自身作为能量被物质吸收,引起DNA发生变化的一种手段。它的突变随机性强,操作简便,可在短时间获得大量的突变体。根据河北农业大学农学硕士鹿巍的实验结果,采用该方式可以使小麦叶锈病菌发生非毒性和毒性诱变[4]。

1.3 航天诱变育种

航天诱变育种是指将种子带到太空中受到高能宇宙辐射线等物理因素的作用,从而发生种子突变的诱变技术。相对于其他方式,航天诱变育种由于发生了环境的根本性变化,因此其具有突变率高、突变范围广等特点。我国早就开始这方面的探索,从1987年就开始进行相关研究,截止到报道日期,已经研发了60多种植物以及500多个品种,其中有大量的优质新品种有着良好的声誉,不仅有农产品,还涉及到棉、油、牧草和花卉等多种作物[5]。

经过多年育种实践经验可以得出辐射育种是一种非常有效的小麦诱变育种新方法,它和其他育种方法相比较来看有4个优点[6]:一是辐射能够将2个连在一起的不同基因分开,这样可更多地提高基因的选择概率,选择机制更强,更容易创造新品种。二是辐射具有优胜劣汰功能,采用该方式小麦品种的不良形状发生改变,但是原有的优良性却良好的保持。如:高秆变矮秆、质劣变质优、感病变抗病等。三是辐射能提高小麦基因变异率,并且能产生新的变异。利用辐射诱发作物的突变频率可大幅度的提高,最高可以提高1 000倍以上,同时采用该方式,可控性更强,突变范围变得更加广泛,能够使自交不亲和的小麦变得亲和起来,更能促进远缘杂交以及基因重组实现基因的转移。四是辐射过后的小麦育种年限明显缩短,并且在一定范围内提高了小麦育种的效率。

1.4 离子束

该方法从20世纪80年代开始在我国研究,通过使用几十到几百KeV的核能离子注入生物体内,使得生物体内分子原子发生一系列碰撞进而发生突变。通过将离子束注入到种子的内部,诱变之后会使得大部分种子突变率高,损伤轻,突变谱广,而且有助于培育高质高产、优质优良的新品种。1990年以来,安徽农科院院士已经利用离子束介导的植物转基因技术获得了转基因植株[7]。

2 化学因素诱变

化学因素诱变主要有如下4种:诱碱基类似物诱变、直接诱变、移码诱变和其他类诱变剂诱变。国内对后两者诱变的报导极少,所以本文只针对前两者进行综述。

2.1 碱基类似物

碱基类似物最为常用,通过促进DNA复制过程中的错误来实现变异诱变。具体来说,在育种上可以通过与DNA相似的结构渗透到DNA中,实现变异的目的。实验显示,使用氨基嘌呤(AP)和5-溴尿嘧啶(BU)浸泡水稻,农艺性状与未使用AP和BU浸泡的水稻的农艺性状做对比,结果表明:处理过后的农艺性状变异频率更高[8]。

2.2 直接诱变

甲基磺酸乙酯(EMS)的诱变机制是使碱基发生错配,出现一些新的突变体。山东农业大学钱燕丽使用EMS诱导小麦,并对突变性状进行鉴定,其结果显示:诱变过后的小麦新品系具有高质、高产、高抗等一系列优点[9]。

实践证明,化学诱变育种比起常规育种以及辐射诱变育种有三大优点[10]:一是所需成本低,药剂耗用量较少,对器材要求也比较低,适用于大规模实验。二是化学诱变药剂在作物内部渗透性非常强,可大大提高诱变效率。三是易发生点突变,诱变频率高。

近年来,小麦诱变育种取得了显著性的成就,但是从诱变育种所得到的结果来看,仍然存在着一些问题。如突变频率低、突变方向难以掌控等。因此,应该更加投入到诱变研究中去,研究出更好的方法和提高现有的技术,使得诱变之后的结果更加完美。由于市场经济条件下的竞争机制,使得一部分育种学家对一些材料高度保密而不能与人共享,优异的种质资源得不到遗传学的评价和利用[11]。因此,培育更多的优秀品种,加大技术研发,对现有的品质新品种进行深入研究和分析,并且大量进行推广实验等工作。这样突变种质才能尽快普及到每一户农家,实现每家每户都能种出优异品种,这才是利用诱发突变技术获得优异新品种的最终目的。

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