植物育种第十一章

第十一章诱变育种诱变育种：利用理化因素诱发物体发生变异，再通过选择培育成新品种的方法。诱变育种的研究历程：1895年，伦琴发现X射线始于1927年，射线导致生物发生突变1936年，WEDemol用X射线处理郁金香，经10余年育成突变新品种“法腊迪”；

1942年，诱变育种在大麦抗白粉病中取得突破20世纪40年代后期进入原子时代1970年，全球诱变品种101个（观赏植物38个）1981年，518个（238个）1990年，1330个（407个）1995年，1737个（465个），包括菊花（170多个）、大丽花、六出花、秋海棠、月季、杜鹃、百合、香石竹等。我国诱变育种起步于1956年，诱变育种的成绩位居世界首位。至1998年底，育成新品种513个，其中观赏植物近100个。包括菊花（30多个）、月季（40多个）、小苍兰、瓜叶菊、朱顶红、美人蕉、紫罗兰、金鱼草、矮牵牛、杜鹃、唐菖蒲、荷花、梅花等。第一节诱变育种的依据、特点和意义依据：利用作物在生长繁殖过程中能发生变异——遗传物质的改变。提供一定的理化因素使DNA发生结构变化（染色体畸变，易位及碱基序列改变）基因变异人工诱变有时会造成“核外突变”，即细胞质控制的遗传突变，如雄性不育、性分化、叶绿素合成及生活力。诱导点突变

特点1.增加变异率、扩大变异谱2.最适于进行“品种修缮”3.打破旧连锁及进行染色体片段的移置1.不利突变多，有利突变少2.突变的性质和方向不定

3.难出现多个性状好的突变体优点缺点意义创造新的雄性不育源克服远缘杂交不亲和性及改变植物的授粉、受精习性其他独特用途促进孤雌生殖诱发染色体结构变异诱发染色体易位发生“平衡致死”诱发非整倍性的染色体数目变异诱发体细胞突变第二节物理诱变（一）物理诱变剂的种类物理诱变剂：各种辐射线。因此，物理诱变通常称为辐射诱变。根据辐射线照射植物体后是否引起物质的电离，可分为电离辐射线和非电离电离辐射线。目前用于作物育种的大多是电离辐射线。

射线

射线射线中子

x射线紫外光激光

射线

射线

射线

水泥墙1、电离辐射线χ射线（伦琴射线）：最早用于诱变的射线。由x光机产生的电离辐射线，其能量和穿透力与χ光机的工作电压有关。工作电压低产生的为软χ射线，穿透力较弱，适于花粉外照射；工作电压高产生的为硬χ射线，穿透力较强，适合小块组织、愈伤组织的外照射。γ射线（丙种射线）：是一种短波长、能量高、穿透力强的电离辐射线。农用γ射线由放射性同位素60Co、137Cs产生，是目前应用最多的射线。需专门的γ照射室(60Co源室)，有严密防护，安全。适于外照射。（福建2处）；厦门大学的佳辐占，农大的eui水稻。四川省农科院的钴圃外貌钴源遥控操作室中子：不带电粒子，穿透力强，可直接进入细胞核内，适于处理种子、植株的外照射。β射线：带电粒子,质量小速度快，可以穿透几毫米的组织。育种上常用的β射线由放射线性同位素32P、35S产生。32P、35S必须进入植物组织和细胞后作为内照射才能产生诱变作用。中子照射装置高压发生器靶室装置加速管株高变矮熟期变早果皮变深不同剂量的中子处理后长出的小麦幼苗（剂量：低→高）不同剂量钴辐射照射甘薯幼苗及成活表现辐射引起甘薯叶和块根的变异2、非电离辐射线

紫外线：波长较长、能量较低、穿透力不强，多用于照射花粉、孢子、组织培养中产生的愈伤组织等。通常以低压水银灯作为紫外线源。有效波长为250～290nm（核酸吸收光谱区）。诱变育种其它技术电子束：产生的高能电子流，具有在M1代生物损伤小，M2代诱变效率高、突变谱较宽等特点。。激光辐照诱变育种：在辐射诱变中主要利用波长为2000～10000A°的激光离子注入诱变育种空间诱变育种：返回式卫星或高空气球(30～40km)搭载植物种子。空间环境的特点高真空、微重力和强辐射航天育种

(太空育种):指利用返回式航天器和高空气球等所能达到的空间环境对植物的诱变作用以产生有益变异，在地面选育新种质、新材料，培育新品种的农作物育种新技术。其确切的诱变因素、诱变机理、遗传特点不清，在学术界还有争论。（上海东方科举论坛，张院士）我国在该领域取得了国际领先水平的研究成果，已育成许多作物新品种。1987年8月5日，利用我国第九颗返回式科学试验卫星第一次将一批水稻和青椒等农作物种子送向太空，目的并不是育种，只是想了解空间环境对植物遗传性的影响。科学家无意中发现，上过天的种子发生了一些意外的遗传变异，因此人们开始考虑农作物的航天育种。2003年4月，经国家有关部门批准，航天育种工程项目正式启动。（福建，2005年重大育种专项）到目前为止，我国先后进行了13次70多种农作物的空间搭载试验，在水稻、小麦、棉花、番茄、青椒和芝麻等作物上诱变培育出30多个品种通过审定，还获得了一些罕见突变材料。青椒：个头非常大，可当水果。水稻：福建农科院（特优航一号，II优航一号）、华南农业大学（抗病材料）。航天育种神州六号航椒1号航茄2号航天葫芦太空椒：

“太空椒”卫星87-2单果最重达750g，平均重量达400克，亩产比地面对照的青椒高25%—30%，维生素C含量和可溶性固形物的含量也高20%和25%，而得病率却减少62%。果实大、口感好、产量高，β胡萝卜素为普通番茄的3倍,特别耐贮运。这个巨人南瓜是驻哈“老虎团”生产基地自行培育，并经过我国首次载人航天飞船“神州五号”带入太空育种的。品质好，一般重量在300到400斤。巨人？？亮相哈尔滨香坊公园孔雀草花朵大、多、艳丽，而且一株孔雀草开不同的花色不同花朵。这是什么？放射性活度：居里（Ci）;毫居里（mCi）;微居里（μCi）；贝可（Bq）新1Ci=3.7×1010Bq剂量强度：是指受照射的物质每单位质量所吸收的能量，即物质所吸收的能量/物质的质量照射量：以伦琴（R）表示，是X和γ射线的剂量单位。吸收剂量：以戈瑞（Gy）表示。中子流量：以单位平方厘米的中子数表示。吸收剂量率：即单位时间内所吸收的剂量。二、辐射处理的剂量单位和剂量率三、辐射诱变的机理

A：物理阶段：主要特征是辐射能量使生物体内各种分子发生电离（产生自由电子）和激发（把束缚电子激发到更高的能级）。B：化学阶段：主要特征是通过电离的分子重排，并产生许多化学性质很活泼的自由基（具高能）。

D：生物学阶段：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成发生变化，包括染色体畸变和基因突变，产生遗传效应。

C：生物化学阶段：这一阶段是自由基的继发作用，自由基与生物大分子发生反应，引起分子结构的变化。四、植物的辐射敏感性和诱变剂量（一）测定辐射敏感性的指标植物的辐射敏感性：是指植物体对电离辐射作用的敏感程度①生长受抑制程度：半致矮剂量(D50)②植株成活率：致死剂量（LD100）：辐射引起植株全部死亡剂量半致死剂量（LD50）：辐射引起50%植株死亡剂量临界剂量：辐射后植株存活40%的剂量③植株不育程度：不育株%④幼苗根尖和幼芽细胞染色体畸变率⑤细胞分裂间期细胞体积、染色体体积变化。①不同科、属、种、品种敏感性不同②不同倍数植物敏感性不同③不同器官、组织、细胞、成分敏感性不同④不同发育时期、不同生理状态辐照敏感性不同

幼龄植株>老龄植株；未成熟种子>成熟种子；萌动芽>休眠芽豆科>禾本科>十字花科二倍体>多倍体植株>种子；根>叶；分生组织>其它组织

性细胞>体细胞；卵细胞>花粉细胞；（二）植物的辐射敏感性差异影响辐射敏感性的环境因素

①氧效应：在有氧条件下能显著增加辐射的敏感性。②水分效应：当种子含水量增加到使种子萌动的程度时，对辐射的敏感性急剧增加。③温度：辐射敏感性随辐照时温度的降低而减弱。④化学因素：辐射敏化剂抑制染色体的扩散,如EDTA，抑制损伤的修复,如咖啡因；辐射保护剂有利于损伤恢复，降低辐射生物学效应的物质，如酪氨酸苯丙氨酸色氨酸。⑤物理因素：主要射线种类、剂量率、照射方式等对植物辐射敏感性的影响。（三）植物的诱变剂量确定合适的诱变剂量是育种成败的关键。在适宜范围内随剂量提高，突变率上升，剂量过大会造成严重伤害或致死。在实践中，一方面惨老前人经验，一方面通过实验摸索。通常用M1代的辐射效应来衡量所选剂量是否恰当。五、辐射处理的主要方法外照射：指被照射的种子或植株所受的辐射来自外部某一辐射源，如钴源、X射线源、中子源等。

特点：操作简便、处理量大，最常用。

根据照射植物的器官组织不同可分为：种子照射、花粉照射、子房照射、营养器官照射、植株照射等。内照射：将辐射源引入生物体组织和细胞内进行照射的一种方法。特点：剂量低、持续时间长、多数植物可在生育阶段进行处理等。照射性元素在体内分布不均匀，放射性元素不断衰变。

主要方法：浸种法；注射法；施入法；涂抹法间接照射：对试材的培养环境进行辐射，使培养基或培养液中的水分子发生电离，产生强活性基因，再将试材引入进行培养。室外活体辐射圃室内辐射源第三节化学诱变化学诱变剂：能与生物体的遗传物质发生作用，并能改变其结构，使其后代产生变异的化学物质。一、化学诱变剂的种类烷化剂：

甲基磺酸乙酯（EMS）,硫酸二乙酯（DES）,甲基磺酸甲酯（MMS）,异丙基甲烷磺酸酯（iPMS）,芥子气类。另外，亚硝基乙基脲烷（NEU）,亚硝基乙基脲（NEH）,亚硝基甲基脲烷（NMU）,乙烯亚胺（EI）,1,4-双重氮乙酰丁烷,也是有效的诱变剂，但是是潜在致癌物质,应用危险。一、化学诱变剂的种类烷化剂：核酸碱基类似物

常用的有5-溴尿嘧啶（BU）、5-溴去氧尿核苷（BUdR）、2-氨基嘌呤（AP）、马来酰肼（MH）等。一、化学诱变剂的种类烷化剂：核酸碱基类似物叠氮化物

叠氮化钠（NaN3）在一定条件下可获得较高的突变频率，而且安全，无残毒。一、化学诱变剂的种类烷化剂：核酸碱基类似物叠氮化物嵌入剂丫啶橙,二氨基丫啶一、化学诱变剂的种类烷化剂：核酸碱基类似物叠氮化物嵌入剂丫啶橙,二氨基丫啶无机化合物H2O2,亚硝酸等生物碱石蒜碱,秋水仙碱,长春花碱等。抗生素链霉黑素，丝裂霉素C，重氮丝氨酸

二、化学诱变的特点使用方便，成本较低能诱发更多的基因点突变有一定的专一性有些化学诱变只限于的特定部位发生变异三、化学诱变源的机理碱基类似物的诱变机制

碱基类似物的分子结构与天然碱基非常相似，它们能在DNA复制过程中掺入到DNA中，引起配对错误，从而由一种碱基对替换成另一种碱基对。改变DNA结构的诱变剂:羟胺烷化剂亚硝酸羟胺（NH2OH）：是一种重要的诱变剂，也是已知的最专一性的点突变诱变剂，只能与DNA中的胞嘧啶起作用，诱发G-C到A-T的转换

烷化剂：

DNA的磷酸基是烷化作用的最初反应位置，反应后形成不稳定的磷酸酯，水解成磷酸和去氧核糖，致使DNA链断裂。烷化基还使碱基发生烷化作用，造成G-C向A-T的转换或T-A向C-G的颠换。亚硝酸

能使腺嘌呤（A）脱氨成为次黄嘌呤，次黄嘌呤不能与胸腺嘧啶配对，而与胞嘧啶配对，这样受亚硝酸处理的DNA分子中就有次黄嘌呤，经过DNA复制，使原来的A-T对转换成G-C对。

叠氮化物NaN3是目前诱变效率最高的一种诱变剂，是一种点突变剂，与DNA的作用方式是碱基替换，因此处理种子最适宜的时间是DNA合成开始时。嵌入剂是一类能引起移码突变的化合物，它们都是扁平的三环化合物，大小和嘌呤-嘧啶对大致相等，它能结合到DNA上，并插入邻近的碱基之间，使DNA骨架变形，导致染色体配对交换过程中不等价交换，形成两个重组分子，一个多一个碱基对，一个少一个碱基对，造成识别和阅读错误产生移码突变。四、化学诱变处理方法（一）药剂的配制药剂配制：诱变处理时通常先将药剂配成一定浓度的溶液。试材预处理药剂处理药剂处理后的漂洗试材预处理在化学诱变剂处理前，将干种子预先用水浸泡，可以提高其对诱变的敏感性。通常把种子浸入流动的低温无离子水或蒸馏水中。此外，将材料浸泡在生长素溶液中，有提高化学诱变的效应。

浸泡能提高细胞膜透性，加速诱变剂的吸收，同时使细胞代谢和合成活跃起来，促进DNA的合成，药剂处理浸渍法：涂抹或滴液法：注入法：熏蒸法：施入法：药剂处理后的漂洗处理后要用流水冲洗植物材料10至30分钟，防止残存诱变剂对处理材料的损伤；也可使用一些化学‘清除剂’，如甘氨酸以解除氮芥的作用，硫代硫酸钠可解除DES(硫酸二乙酯)的作用。播种前防止种子风干，以免诱变剂浓缩，造成损害。影响化学诱变效应的因素诱变剂的理化特性被处理材料的遗传类型及生理状态诱变剂的浓度和处理时间处理的温度:一般宜在0至10℃下进行

诱变剂溶液pH及缓冲液的作用一般常用磷酸缓冲液,其pH值控制在7~9范围内。

延缓诱变剂的水解速度，并抑制在吸收期生物体代谢的变化

安全问题诱变剂都有程度不同的毒性，有的是潜在的致癌剂，因此在处理时避免与皮肤接触或吸入它的气体，一般多在具有通风管密闭条件的超净台上戴乳胶手套进行操作。第四节诱变育种的方法和程序（一）处理材料的选择选择原则首先必须根据育种目标来选择亲本材料亲本材料必须是综合性状优良而只具有一二个需要改进的缺点。为了增加诱变育种成功的机会，选用的处理材料应避免单一化。适当选用单倍体、原生质体和多倍体等做诱变材料。（二）处理部位的选择可处理干种子,湿种子,萌动种子,应用较多的是处理干种子。

优点是很少产生嵌合体

一旦获得好的突变体,就可直接繁殖利用。有时可诱发孤雌生殖

1.种子2.完整植株3.花粉4.子房5.合子6.营养器官7.组织培养物二、诱变剂量的选择概念致死剂量：半致死剂量：临界剂量：剂量的选择原则：活：后代要有一定的成活植株变：在一定的成活植株中，有较大的变异效应优：产生的变异有较多的有利突变。三、处理群体大小的确定一般根据突变率和M2群体大小来确定处理试材群体大小。突变率的高低与处理当代（M1）所见到的损伤（不育性和死亡）有关。1.诱变一代(M1)的工作M1的定义经过诱变处理的种子或营养器官所长成的植株或直接处理的植株。M1不选择M1植株隔离自交，使突变基因纯合。单株、单果、或按处理采收种子。四、诱变处理后代的选择M1不选择的原因：①M1存在着生物学损伤，植株生长较差