藻类诱变育种技术及其应用

藻类诱变育种技术及其应用

藻类是水生生态系统的主要原型，在整个生态系统中发挥着重要作用。它们在世界范围内的碳固定和环境恢复中发挥着非常重要的作用。同时藻类与人类生活及经济发展也有着密切的关系,藻类分布广泛且具有多样性,许多藻类富含蛋白质、维生素、微量元素以及各种生物活性物质等,是人类的重要营养源,是人类发展“蓝色农业”的基础。随着藻类养殖规模的不断扩大,种质成了决定养殖质量和产量的关键问题。应用传统的育种方法如选择育种、杂交育种等,培育出了一系列的优良品系或品种,推动了我国海藻养殖业的发展。然而传统育种具有育种周期长、性状不稳定等缺点,限制了藻类遗传育种的研究进展。藻类诱变育种技术是近些年随着生物技术发展起来的育种技术,它是指利用各种物理和化学因素诱发藻体产生遗传变异,再根据育种目标,定向选择、培育新品种,同时获得有价值的突变藻体的育种方法诱变育种技术根据不同作用机理,主要包括物理诱变和化学诱变。物理诱变是通过不同的辐射源对植物进行电离或非电离辐射,是一种应用比较早、操作方便、诱变频率较高的诱变技术;化学诱变是利用化学诱变剂诱导植物发生突变,具有成本低、使用方便、诱变作用专一性强等特点,是一种迅速发展的育种方法。本文就这两类诱变技术的诱变机理、生物学效应以及在藻类育种中的应用情况进行了综述,并对藻类诱变育种的应用前景进行了展望,以期为藻类诱变育种研究提供参考。1超声检测手段物理诱变辐射源有紫外线、X射线、γ射线、α射线、重离子束、超声波和激光等。其中对藻类诱变效果好,应用较广泛的有紫外线、X射线、γ射线和离子束。1.1吡啶二聚体是致突变的第层次紫外线是一种非电离辐射,是使用最早、沿用最久、应用最广泛的一种物理诱变剂。紫外线可引起DNA与蛋白质的交联、胞嘧啶与尿嘧啶之间的水合作用、DNA链的断裂、形成嘧啶二聚体等,从而导致基因突变。而形成嘧啶二聚体是产生突变的主要原因;嘧啶二聚体不仅可以由单链上相邻的两个胸腺嘧啶之间反应后形成,也可以产生于双链相对应的两个胸腺嘧啶之间紫外诱变因为其设备简单、操作方便,而且成本低、安全性高等特点,得到了广泛的应用,成为诱变育种的首选方法。紫外线诱变在微藻育种中应用的比较多,获得了大量具有优良性状的突变藻株,具有较好的诱变效果在大型海藻育种中也有紫外诱变研究的报道,但是由于紫外线对藻体组织的穿透能力有限,通常是用藻体的原生质体、孢子、配子或幼嫩的叶状体做为材料进行诱变1.2位等染色体畸变藻类的诱导育种射线辐射源包括X射线、γ射线、α射线或β射线等。辐射可以造成共价键断裂,引起DNA链的断裂,当修复时不能恢复到原状就会产生突变。如果射线击中染色体则可能导致断裂,再修复时会造成缺失、重复、倒位和易位等染色体畸变藻类辐射育种早期主要以X射线为诱变源,后期γ射线、α射线和β射线等其他射线辐射应用逐渐增多。20世纪70年代培育出的海带新品种1170是经过4000r的X射线处理后,又经过筛选和自交获得的品系,含碘量较高,叶片较厚,适温性较高γ射线具有很强的穿透力,是目前藻类育种中最常使用的辐射诱变源之一。Choi等条斑紫菜和坛紫菜是我国大规模养殖的经济品种,紫菜色素含量的高低决定着商品紫菜质量的好坏,同时色素突变体对于紫菜的遗传学,生理学和育种学等方面的研究,以及对于养殖品种的改良都具重大意义除了色素突变体的研究,在紫菜抗逆速生新品种的诱变遗传育种方面,也取得了一定的成果。陈昌生等1.3重离子束辐照针对传统辐射源的突变频率较低和突变随机性较大等问题,人们又发掘和利用了新的诱变因素及诱变技术,其中重离子辐射技术发展迅速。重离子束具有传能线密度(Linearenergytransfer,LET)高的特点,与X射线、γ射线、电子束等低LET方法相比,重离子束单位剂量的诱变效率要高10倍,已经在微生物及植物诱变育种中取得了巨大的经济与社会效益。重离子束辐照主要是引起DNA链发生各种断裂及交联,进而诱发细胞突变近些年重离子束辐射在微藻育种中主要应用在产油微藻方面。王芝瑶等在紫菜和海带中也有重离子束辐射诱变的研究,显示出其在大型海藻中的应用潜力。Niwa等1.4a,agp常压室温等离子体(Atmosphericandroomtemperatureplasma,ARTP)作为一种新兴的高效生物突变手段,具有放电均匀、活性粒子浓度高、化学活性物种可调控性好、操作简单、安全性高、环境友好、突变速度快、突变率高及突变多样性大等特点等离子体的主要组分是高浓度的活性粒子,能够穿透细胞壁和细胞膜,破坏DNA分子,引起突变,从而改变目标生物的代谢途径2突变指导思想目前烷化剂是藻类诱变育种中最有效和应用最多的化学诱变剂。这类诱变剂具有一个或多个活性烷基,它们易取代DNA分子中活泼的氢原子,直接与一个或多个碱基起烷化反应,从而改变DNA分子结构,引起突变近些年EMS和MNNG诱变在微藻中应用广泛,主要利用其诱导产生代谢产物过表达的突变体,如虾青素、类胡萝卜素和二十碳五烯酸(EPA)MNNG对于龙须菜来说是一种高效诱变剂。张学成等3分子标记技术在突变体筛选中的应用大量实践证明,诱变技术在创造新种质,培育植物新品种,提高种质资源多样性等方面具有独特的作用。高等植物中诱变技术育种已取得了举世瞩目的成就,育成品种的数量、种植面积和取得的经济、社会效益均居世界各国首位在诱变育种中,突变是随机的,能够产生大量的突变体,筛选具有目标性状的突变体是费时费力的,因此建立高通量的突变体筛选方法,将有利于获得有益变异的藻株。传统的形态学特征和生理生化分析的方法已经很难满足现代藻类种质鉴定和新品种选育的要求。分子标记技术的出现为这一问题的解决带来了契机,利用分子标记技术对突变体进行分析、鉴定筛选,可以有效提高选择效率与常规育种方法相比,藻类诱变育种是一种高效的育种手段,具有操作简单、效率高等优点,可以在短时间内带来丰富的遗传变异。但诱变育种也存在一些不足,如诱变的频率和幅度还不够高、诱变的方向具有不确定性、诱变的效果不理想。要解决这一问题,就必须根据藻类的生物学特性