密級： 論文編號： 中國農(nóng)業(yè)科學院 學位論文 高能混合粒子場誘變小麥的分子機理研究 .) .) I 摘 要 本文通過研究 高能混合粒子場 (誘變小麥獲得的突變體的基因組 異的位點分布、類型 、頻率及突變模式，并以 射線誘變獲得的具有相同表型的突變體做參 照，分析 射線誘變所得突變體 之間的分子 差異，探討 變的特點，初步揭示 變小麥的分子機理。 選用隨機分布于小麥 21 對染色體上的 114 對微衛(wèi)星（ 物，對 射線 處理冬小麥品種 得的矮桿 突變體 ，以及選用隨機分布于小麥 21 對染色體上的 120 對 射線 處理冬小麥品種 卑兒脫穗型突變體 對獲得的部分多態(tài)性 異片段進行了序列測定。 研究結(jié)果表明， 理 得的矮桿突變體 的 態(tài)性位點主要分布在染色體 2A、 2B、 2D、 3D 和 5A 上，而 射線處理產(chǎn)生的多態(tài)性位點主要分布在染色體 2A、 2B、 2D、4A 和 5A 上； 理 得的 斯卑兒脫 穗型突變體 的 態(tài)性位點主要分布在染色體 3A、 3B、 3D、 5A 和 6A 上，而 射線處理產(chǎn)生的多態(tài)性變異位點主要分布在 染色體 2A、 2D、5B 和 5A 上。 理 得的矮桿突變體 的 態(tài)性位點總頻率分別為 射線處理的 態(tài)性位點總頻率分別為 理 得的 斯卑兒脫 穗型 突變體 的 態(tài)性位點總頻率都為 射線處理的 態(tài)性位點總頻率分別為 理 得的矮桿和 斯卑兒脫 穗型 突變體 中共產(chǎn)生 增條帶的增加、擴增條帶長度的差異和擴增條帶的缺失 3 種變異類型，且與 射線處理相比， 理較容易產(chǎn)生擴增條帶的增加和擴增條帶長度的差異，不易產(chǎn)生擴增條帶的缺失。序列分析表明， 理產(chǎn)生的突變類型主要是堿基的轉(zhuǎn)換和插入，其中堿基 T 為易發(fā)生突變的堿基，且 理的總突變頻率高于 射線。 變能夠在 平上導(dǎo)致 小麥 遺傳物質(zhì)變異， 且其誘變機制不同于 射線， 是一種有效的 誘發(fā)突變新途徑 。 關(guān)鍵詞： 小麥，突變體，高能混合粒子場， 射線， 列 y of SR in in To of by in 3 in Y9 H7 14/120 of of 3 SR in A, 2B, 2D, 3D A of 3 R in A, 2B, 2D, 4A A in Y9 SR in A, 3B, 3D, 5A A of 3 R in A, 2D, 5B A in Y9 of of 3 R in Y9 of of 3 R in Y9 in 3 Y9 in 3 Y9 H7 in 3 Y9 H7 R be to SR in 3 in Y9 H7 It R NA of be a 錄 第一章 文獻綜述 . 1 究目的和意義 . 1 發(fā)突變在小麥育種中的應(yīng)用概況 . 2 變新方法在小麥 育種中的應(yīng)用 . 2 子束注入誘變 . 2 天搭載誘變 . 4 面模擬空間因素誘變 . 5 發(fā)突變的生物學檢測研究進展 . 7 究內(nèi)容與目標 . 8 第二章 高能混合粒子場誘變小麥獲得的突變體的 析 . 9 料和方法 . 9 驗材料 . 9 驗方法 . 9 果與分析 . 12 變體 . 12 變體 態(tài)性位點分 布 . 16 變體 態(tài)性表現(xiàn)形式 . 18 變體 態(tài)性頻率分析 . 19 結(jié) . 22 第三章 高能混合粒子場誘變小麥獲得的矮桿突變體的序列分析 . 23 料與方法 . 23 驗材料 . 23 驗方法 . 23 果與分析 . 26 異片段的克隆及對陽性克隆的檢測 . 26 桿突變體的基因變異分析 . 27 結(jié) . 28 四章 討論與結(jié)論 . 31 論 . 31 能混合粒子場誘變小麥獲得的突變體 . 31 能混合粒子場誘變小麥獲得的突變體 . 31 能混合粒子場誘變小麥的機制 . 32 論 . 33 參考文獻 . 34 致謝 . 41 作者簡介 . 42 中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 1 第一章 文獻綜述 究目的和意義 我國小麥常年播種面積 2600萬公頃 、產(chǎn)量 1億噸，分別占糧食作物播種面積和總產(chǎn)量的 25%和 22%左右，種植面積和總產(chǎn)量僅次于水稻，是第 2大糧食作物。小麥增產(chǎn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高人民生活水平具有舉足輕重的作 用，新品種選育是促進小麥持續(xù)增產(chǎn)最直接有效的措施之一。 大量的研究和實踐證明，誘變技術(shù)在作物遺傳改良，創(chuàng)造遺傳新資源以及選育優(yōu)良新品種等方面成效顯著。這其中常規(guī)誘變因素如 射線、中子及 著科學的發(fā)展和學科之間的交叉，給作物誘變育種這門學科增添了新的活力，航天育種是隨著空間科學技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新興的誘變育種技術(shù)。 我國自 1987年開始利用高空氣球、返地衛(wèi)星和飛船搭載植物種子，從中獲得了大量的變異類型 ， 涉及糧食、蔬菜、花卉和林果等 (劉錄祥等， 2002)。目前 ， 已經(jīng)選育出一批新的突變類型和培育出具有優(yōu)良性狀的新品種， 然而，太空搭載實驗機會十分有限，因此模擬太空環(huán)境開展育種研究具有現(xiàn)實意義。 目前在太空環(huán)境的單因素地面模擬方面主要有粒子生物學效應(yīng)模擬、弱地磁生物學效應(yīng)模擬和微重力生物學效應(yīng)的模擬（劉錄祥等， 2004）。粒子生物學效應(yīng)模擬包括單粒子效應(yīng)模擬和混合粒子效應(yīng)模擬。在單粒子效應(yīng)方面，日本、法國和德國等在 20世紀 60年代便開始利用地面加速器開展研究，所研究的粒子種類主要有質(zhì)子、 56 16O、 120 2003），并將試驗結(jié)果用于放射醫(yī)學和宇航員的健康防護等方面。我國的加速器單粒子生物學效應(yīng)研究始于 20世紀 80年代末。中國農(nóng)業(yè)科學院航天育種中心等單位自 1996年以來，利用串列加速器開展了地面模擬高能單粒子誘變小麥的生物效應(yīng)試驗，初步建立起地面模擬高能單粒子誘變的方法。鑒于太空輻射是由多種高能、高 能線密度）粒子組成的混合場，單粒子效應(yīng)難以真實反映宇宙射線輻射效應(yīng)。本實驗室在太空生物效應(yīng)及其作物育種應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，利用北京正負電子對撞機模擬次級宇宙高能混合粒子 (主要包括派介子、謬子、正、負電子、高能光子和質(zhì)子等 )處理小麥種 子，開展了地面模擬次級宇宙粒子對小麥種子萌發(fā)與生長的影響的探索性試驗研究。 在前期 高能混合粒子場 誘變小麥的研究中 (劉錄祥等， 2005；韓微波等， 2006)，通過利用不同劑量的 高能混合粒子場 對小麥種子進行誘變處理，確定出了 高能混合粒子場 誘變處理小麥的適宜劑量為 200時發(fā)現(xiàn) 高能混合粒子場 處理 表現(xiàn)出比射線更高的相對生物學效應(yīng)，在可誘發(fā)的性狀突變種類、總突變頻率和有益突變頻率均高于射線處理。本研究旨在進一步對高能混合粒子場 和 射線 兩種不同處理方法 誘變小麥產(chǎn)生的 具有相同表型的突變體進行 分子差異比較分析，探討 高能混合粒子場 誘變對小麥 列的影響 及誘變小麥的特異性 ，為開拓作物誘變育種新途徑提供實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ) 。 中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 2 發(fā)突變在小麥育種中的應(yīng)用概況 誘發(fā)突變是小麥遺傳改進的重要途徑，是傳統(tǒng)雜交育種的重要補充和難以取代的育種手段，國內(nèi)外許多國家都開展了小麥突變育種研究工作。 實踐證明 , 誘發(fā)突變技術(shù)在作物品種改良上具有獨特的作用 , 它可以誘發(fā)基因突變 , 產(chǎn)生自然界原來沒有的或一般常規(guī)方法難以獲得的新類型、新性狀、新基因 , 能夠打破基因連鎖 , 提高重組率。國際范圍內(nèi)的誘發(fā)突變技術(shù)應(yīng)用于作 物品種改良已經(jīng)取得了顯著成就。據(jù)不完全統(tǒng)計 , 目前國際上已有 61 個國家利用誘發(fā)突變技術(shù)在 164 種植物上育成 2 277 個品種 , 其中中國 630 個、俄羅斯 210 個、荷蘭 176 個、美國 128 個、日本 120 個（劉錄祥等， 2004）。從 1966 2004 年中國利用誘變技術(shù)已經(jīng)育成了 132 個小麥品種 , 這些新品種的育成和推廣為中國小麥增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻 （ 2004） 。 用于小麥品種改良的常用誘變因素可分為電磁輻射和粒子輻射兩大類。電磁輻射包括 X 射線、 射線、 無線電波、微波、熱波等 ；粒子射線包括 粒子、 粒子、中子、質(zhì)子、電子等。 而利用誘發(fā)突變改良小麥品種比較有成效的常用誘變因素主要有： X 射線， 射線及中子等。據(jù)統(tǒng)計（王琳清， 2004），我國利用不同誘變因素于突變育種所占比例分別為： 射線為 X 射線為 中子為 這些常用的誘變因素在小麥的誘變育種中占有很大的比例，但是卻存在著誘變方法單一，突變頻率不高，突變譜較窄等問題。因此，新的誘變方法的開發(fā)就顯得尤為重要。 隨著誘發(fā)突變研究的發(fā)展 , 國內(nèi)外許多研究者在原來的基礎(chǔ)上 ,不斷 從新誘變因素的開發(fā)以及改進等方面做了 大量工作 ,許多新興的誘變因素不斷涌現(xiàn)并應(yīng)用于育種實踐，如激光、軟 X 射線、離子束、電子束、同步輻射、質(zhì)子以及太空誘變等物理誘變因素，此外還有化學誘變因素。我國利用激光育成了小偃 6 號，浙麥 3 號、 4 號，魯麥 4 號、 6 號、 16 號以及秦麥 6 號 7 個小麥品種（蔡光澤， 2003）。安徽省農(nóng)業(yè)科學院利用 30離子注入小麥種子，育成了抗病高產(chǎn)品種皖麥 32。新的誘變因素在小麥育種實踐中正發(fā)揮著愈來愈重要的作用。 變新方法在小麥 育種中的應(yīng)用 子束注入誘變 離子束是元素的離子經(jīng)高能加速器加速后獲得的放射 線，其具有高傳能線密度 (、尖銳的電離峰 ( 及低氧增比 ， 可精確控制其入射深度和部位 ， 且注入深度常隨能量增加而增加 ， 而能量損失則隨注入深度不同而呈尖峰式 ( 曲線分布（ 等， 2004； 韓榕等， 2004） 。 因此離子束與電子束、 射線等相比具有很多獨特的優(yōu)點 ， 如 ： 可以在電場、磁場的作用下被加速或減速以獲得不同的能量 ； 可對其進行高精度的控制 ， 從而可獲得平行束 ， 也可被聚焦成微細束 ； 離子在固體內(nèi)的直進性好等。離子束物質(zhì)能量的傳遞特征是 ， 離子通過物質(zhì)時 ， 在物質(zhì)中的局部 引起高密度的電離和激發(fā)，而且經(jīng)加速后的離子具有一定的靜止質(zhì)量 ， 注入生物體后可以使質(zhì)中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 3 量、能量和電荷共同作用于生物體（陳怡平等， 2002）。因此 , 在育種和改良的應(yīng)用中植株表現(xiàn)出生理損傷小、突變譜廣、突變頻率高 ， 并有一定的重復(fù)性和方向性的新特點 (等， 2002)。 目前，離子束注入 技術(shù)在小麥遺傳育種中的應(yīng)用十分活躍，用粒子束注入技術(shù)選育出了性狀優(yōu)良的品種或突變系。作物產(chǎn)量，品質(zhì)，抗性等性狀往往是有多基因控制的數(shù)量性狀，傳統(tǒng)的誘變方法對這類性狀的改良效果不佳，而離子束誘變技術(shù)在對這些數(shù)量性狀的 改良上效果顯著（張利華等，1999）。 離子束注入 小麥后 著的生物 學 效應(yīng) (2002)。王衛(wèi)東等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)離子注入后，小麥表皮細胞紊亂，出現(xiàn)裂縫和破損，并且這種影響隨劑量的增加逐漸明顯，而未經(jīng)離子注入的對照處理則表皮細胞紋路清晰，很有規(guī)律，并且隨 劑量的增加 ， 出苗率逐漸降低 ， 苗高和第一葉長也逐漸降低 ， 變異系數(shù)增加，幼苗的活力指數(shù)下降 （王衛(wèi)東等， 2003） 。柳學余和 D. M. 得到了相似的結(jié)論， 在 不同離子束注入 處理中不僅可以發(fā)現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)變異，而且發(fā)現(xiàn)了三級和四級連續(xù) 易位等高級結(jié)構(gòu)變異 ， 染色體畸變類型和頻率與注入離子種類、劑量以及生物體部位有關(guān)。 離子束注入引起細胞壁剝離，細胞排列紊亂，形狀變化巨大，細胞被拉長、扭曲和絞鏈，細胞間質(zhì)基本上被蝕，留下很深的溝槽和孔洞 (等 ， 2004)。 顧月華等（ 2000）報道，無論是萌動的種子還是干種子， N+離子輻照均誘導(dǎo)了顯著的依賴于劑量的有絲分裂畸變，輻射誘導(dǎo)的核畸變的主要類型有核粘連，微核，雙微核，多核和畸形核等。并且發(fā)現(xiàn) N+ 離子注入誘導(dǎo)的染色體畸變類型，主要表現(xiàn)為染色體橋（包括單橋，雙橋，多橋及粘著性染色體橋），落后 染色體，游離染色體，染色體斷片，四倍體染色體等類型 (宣云， 2004)。 離子注入 還 可引起生物體多種生理變化損傷，如導(dǎo)致葉綠體畸變，引起呼吸代謝、過氧化物酶、自由基以及自由基清除酶等的變化 。 李興林等將能量為 20子注入小麥種子胚乳，發(fā)現(xiàn)過氧化物酶 (活性顯著提高，過氧化氫酶活性 (丙二醛含量 (蛋白質(zhì)含量較大程度的下降。 離子束注入小麥引發(fā)的 熟突變，品質(zhì)突變，產(chǎn)量突變，抗病突變以及促成易位系等其它突變 (1997)。 李蘭真等用 30氮離子注入豫麥 39， K（未處理的本品種）降低 12292代共選 18株，株高 67均為 76.8 服了豫麥 39植株偏高的缺點。張金蓮等連續(xù)兩年以低能重離子注入春小麥品種定西 24號后，均獲得了抽穗期早 34天的突變體。陳秀蘭等以不同能量氮離子注入 89017及揚麥 5號種子，其 代選出一些抗白粉病的優(yōu)良變異類型。 1989年，安徽省農(nóng)科院作物所和中國科學院等離子體物理研究所合作，通過選育遺傳背景豐富的太谷核不育小麥輪回材料進行低能離子注 入處理，培育出皖麥 32號，皖麥 42號，皖麥 43號 3個新品種和一批高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，多抗的新品系和新種質(zhì)。陳秀蘭等以不同能量（ 20， 30， 40離子注入 89017及揚麥 5號種子，其 和 離子注入誘變培育的優(yōu)良變異類型有 有早熟，矮桿及抗白粉病等特征（宣云等， 2004）。實踐證明離子束注入技術(shù)在小麥誘變遺傳改良中的效果明顯，具有良好的應(yīng)用前景。 中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 4 天搭載誘變 航天誘變 育種是指利用返回式衛(wèi)星、飛船等航天器搭載農(nóng)作物種子，利用太空中的特殊環(huán)境（太空輻射、微重力、高真空、弱地磁等因素）誘發(fā)突變，然后返回地面種植選育，育成新品種的作物育種技術(shù)（劉錄祥等， 2004）。 航天 環(huán)境具有 太空輻射、微重力、高真空、弱地磁 等特點 ， 具有誘變育種的多種因素。空間輻射的主要來源有地球磁場捕獲高能粒子產(chǎn)生的地磁俘獲帶輻射、太陽系外突發(fā)性事件產(chǎn)生的銀河宇宙射線及太陽爆發(fā)產(chǎn)生的太陽粒子輻射。在空間輻射所包括的多種高能帶電粒子中，質(zhì)子的比例最大，其次是電子、氦核及更重的離子等。對植物的研究證明空間條件尤 其是高能粒子具有強烈的致變作用。微重力條件對植物生長周期中很多功能產(chǎn)生影響。 一般認為，太空輻射和微重力是主要誘變因素，并傾向于微重力通過提高生物對太空輻射的敏感性和抑制 劇生物損傷并提高變異率。關(guān)于空間條件對植物影響的研究，國際上在 20世紀 50年代就已經(jīng)開展，但是側(cè)重于其對宇航員的健康傷害和防護辦法的研究。迄今為止，國外尚未開展利用太空環(huán)境條件進行作物誘變育種的研究工作。 航天育種在有效創(chuàng)造罕見突變基因資源和培育作物新品種方面已發(fā)揮出越來越重要的作用，成為空間生命科學研究的重要組成部分，并 顯現(xiàn)出良好的發(fā)展優(yōu)勢（劉錄祥， 1997； 2003）。 1987年 8月 5日 ， 隨著 我國第九顆返回式 科學試驗 衛(wèi)星 的成功發(fā)射，一批 水稻和青椒等 作物 種子 被送 向 太空 。后續(xù)試驗 發(fā)現(xiàn)， 在空間飛行過 的種子 中出現(xiàn)了遺傳 變異 ，因此人們 開始 利用 這種方式 進行作物航天誘變 育種 的探索 。 太空環(huán)境是一種特殊的誘變源，誘發(fā)產(chǎn)生的變異幅度增大、有益變異增多。利用太空環(huán)境誘變作物種子創(chuàng)造新種質(zhì)、培育新品種已經(jīng)取得明顯成果。 迄今，我國利用返回式衛(wèi)星、神舟飛船和高空氣球先后進行了 22次作物種子等生物材料的空間搭載試驗。 2006年 9月 9日，我國還專門發(fā) 射了用于作物育種的“實踐八號”航天育種衛(wèi)星，裝載了包括 152種植物、微生物和動物等 2020份生物品種材料。經(jīng)過近 20年的探索研究，我國航天育種工作取得了可喜的成果，育成了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的青椒、番茄、水稻、蓮子、小麥等作物新品種、新品系，從中獲得一些有可能對產(chǎn)量有突破性影響的罕見突變。 航天誘變技術(shù)培育的作物新品種正逐步在生產(chǎn)中發(fā)揮作用（劉錄祥， 2007）。例如，華南農(nóng)業(yè)大學育成的 “華航 1 號”水稻新品種，在國家區(qū)試和生產(chǎn)試驗中產(chǎn)量比對照品種“汕優(yōu) 63” ，成為我國第一個通過國審的空 間誘變水稻新品種。目前已累計推廣種植面積 20 多萬 福建農(nóng)科院育成的“特優(yōu)航 1 號”雜交稻新組合將優(yōu)質(zhì)、超高產(chǎn)結(jié)合于一體，是我國利用航天技術(shù)育成并通過國家品種審定的第一個雜交水稻新品種（劉錄祥， 2007）?！皟?yōu)航 1 號”雜交稻是利用航天誘變育成的航 1 號恢復(fù)系組配的將優(yōu)質(zhì)、超高產(chǎn)結(jié)合于一體的雜交稻新組合，在雜交稻產(chǎn)量及品質(zhì)平衡提升方面取得重要突破，連續(xù)三年大面積產(chǎn)量超過 12000kg/前已累計示范推廣20 多萬 張世成 (1996) 等利用衛(wèi)星高空處理小麥豫麥 13，獲得高產(chǎn)新品系。該品系比 對照豫麥 2號增產(chǎn)中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 5 比原品種增產(chǎn) 且抽穗期、成熟期提前 1增大，成穗數(shù)提高，豐產(chǎn)性好。 河南農(nóng)科院小麥所選育的“太空 5號”是我國利用航天技術(shù)育成并審定的第一個弱筋優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥新品種。優(yōu)質(zhì)面條小麥新品種“太空 6號” 2003年 8月通過河南省品種審定， 2004年 5月列為國家級星火計劃項目。目前生產(chǎn)累計推廣面積達到 20多萬 已被河南省種子管理站確定為重點推廣品種，生產(chǎn)利用前景十分廣闊。 航天育種技術(shù)創(chuàng)新有效推動了育種新種質(zhì)和新材料的創(chuàng)制（劉錄祥， 2007）。例如，極早熟、抗病、強筋小麥新種 質(zhì) 質(zhì)、多蘗和高配合力的水稻新矮源材料 復(fù)譜廣、恢復(fù)力強、配合力高、抗瘟性好、米質(zhì)較優(yōu)的強恢復(fù)系新種質(zhì)航 1號；特大粒蓮子、特大粒紅小豆突變系、特長角果雙低油菜和綠豆突變體等，均是目前利用其它誘變手段較難獲得的罕見突變，將對作物產(chǎn)量和品質(zhì)等重要經(jīng)濟性狀的遺傳改良產(chǎn)生重大影響。目前這些優(yōu)異新種質(zhì)、新材料已分別進入作物常規(guī)育種計劃及雜種優(yōu)勢育種，并為全國多家育種單位所引進和利用，對促進作物育種技術(shù)進步起到了重要作用。 面模擬空間因素誘變 太空環(huán)境因素協(xié)同誘變 具有顯著的特點和效應(yīng)，但由于太空實驗投資大，技術(shù)要求高，實驗機會也十分有限，因此，有必要進行地面模擬太空環(huán)境因素的試驗研究。目前在太空環(huán)境的單因素地面模擬方面主要有弱地磁生物學效應(yīng)模擬、微重力生物學效應(yīng)模擬和粒子生物學效應(yīng)的模擬，而粒子生物學效應(yīng)的模擬又包括單粒子生物學效應(yīng)的模擬和混合粒子生物學效應(yīng)的模擬。（劉錄祥，2004）。 地磁生物學效應(yīng)模擬 弱地磁是空間環(huán)境重要因素之一。目前全球已經(jīng)建有 7個大型的 屏蔽地磁場的零磁空間實驗室。我國于 1989在中國地震局地球物理研究所建立了第 1個零 磁空間實驗室，主要用于精密儀器校正和消磁等。 1998年，中國農(nóng)業(yè)科學院航天育種中心與中國地震局地球物理研究所合作，利用模擬空間弱地磁處理小麥種子發(fā)現(xiàn)，一定周期的零磁空間可明顯抑制種子萌發(fā)和幼苗生長，但抑制損傷不存在劑量效應(yīng)，即抑制效應(yīng)并不隨著處理時間的增長而增強（劉錄祥， 2002） 。 在小麥花藥培養(yǎng)過程中附加一定周期的零磁處理，有助于促進高質(zhì)量愈傷組織及其綠苗的獲得率，并可有效提高小麥花培后代的變異類型和頻 率（劉錄祥， 2000）。 微重力生物學效應(yīng)模擬 目前國際范圍內(nèi)對微重力的地面模擬僅 限于落塔裝置，而且利用該裝置所產(chǎn)生的微重力只有幾秒至幾十秒，顯然不能用于植物材料的實驗研究。在地面模式空間實驗中，人們大都利用回轉(zhuǎn)器模擬微重力效應(yīng)，而不是模擬產(chǎn)生微重力。目前研究者大都利用回轉(zhuǎn)器模擬微重力效應(yīng)。中國農(nóng)科中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 6 院航天育種中心與中國科學院力學所合作，利用回轉(zhuǎn)器和三維旋轉(zhuǎn)儀模擬微重力效應(yīng)處理小麥種子發(fā)現(xiàn)可顯著促進萌發(fā)，特別是在幼苗生長的最初 1周內(nèi)，效果更為顯著，種子處理后幼苗活力的提高可部分地歸因于生理酶活的增強和胚根及側(cè)根生長 的加速，還可以影響小麥細胞的形態(tài)及生理功能，對染色體和 景生 ， 2003）。 單 粒子生物學效應(yīng)模擬 粒子生物學效應(yīng)模擬包括單粒子效應(yīng)模擬和混合粒子效應(yīng)模擬。在單粒子效應(yīng)方面，國外從 20世紀 60年代便開始利用地面加速器開展研究，但實驗結(jié)果一般用于放射醫(yī)學和宇航員的健康防護等方面。到 20世紀 80年代中期以后，國際范圍內(nèi)的加速器單粒子生物學效應(yīng)的研究得到進一步加強。日本原子能研究所利用高能碳粒子輔照花粉介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移獲得了轉(zhuǎn)基因煙草， 并申請了專利（ 等， 1997）。我國的加速器單粒子生物學效應(yīng)研究始于 20世紀 90年代初。 1996年以來，中國農(nóng)業(yè)科學院航天育種中心等單位，利用串列加速器開展了地面模擬高能單粒子誘變小麥的生物效應(yīng)試驗，初步建立起地面模擬高能單粒子誘變的方法 。 能混合粒子場生物學效應(yīng)模擬 所謂高能混合粒子場，就是通過模擬太空環(huán)境 ， 利用地面加速器引出的高能電子束打固定靶，產(chǎn)生具有廣譜結(jié)構(gòu)， 能量在 200間的次級粒子 ， 主要包括派介子、謬子、正、負電子、高能光子、質(zhì)子等多種粒子的混合粒子場（韓微波等， 2005）。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所有關(guān)課題組在太空生物效應(yīng)及其作物育種應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上， 在國內(nèi)外開展的地面模擬次級宇宙粒子對小麥種子萌發(fā)與生長的影響的探索性試驗研究， 從粒子生物學、物理場生物學和重力生物學等不同角度研究了航天環(huán)境各因素的誘變特性，比較分析了高能粒子誘變與 射線誘變的差異，探討了高能粒子誘變小麥的分子生物學機制，完善了地面模擬航天育種技術(shù)方法，開創(chuàng)了地面模擬航天環(huán)境誘變作物進行遺傳改良的新途徑。 高能混合粒子場誘變小麥利用 多種高能、高 能線密度）粒子組成的混合場 相互配合產(chǎn)生累加或協(xié)和誘變效應(yīng)。有的誘變因素可以減輕輻射損傷，對輻射具有保護效應(yīng)，可獲得更多的作物群體， 充分發(fā)揮 各種因素的特異性，增強誘變效果，使產(chǎn)生的變異有相應(yīng)的累加和超累加作用，從而直接或間接提高誘變效率，拓寬突變譜，更有希望獲得穩(wěn)定的優(yōu)良突變體，為育種實踐提供更好的種質(zhì)材料。 韓微波等（ 2005） 選用冬小麥品種中原 9號和中優(yōu) 9507作為試驗材料，以 60別以 0、 79 109 145 195 284 60 究了高能混合粒子場誘變的生物學效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)高能混合粒子場對冬小麥 制了種子的發(fā)芽勢，降 低了發(fā)芽率。并且 根長度縮短，且隨劑量增加所受的損傷也加強。研究還發(fā)現(xiàn)高能混合粒子場的輻射生物學效應(yīng)要大于相應(yīng)劑量的射線對能混合粒子場誘發(fā) 但抑制中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 7 根尖細胞的有絲分裂活動，而且引起根尖細胞染色體的畸變。分裂間期出現(xiàn)了微核；中期出現(xiàn)了染色體斷片、環(huán)狀染色體；后期出現(xiàn)了單橋、雙橋、多橋、落后染色體、游離染色體等類型，并表現(xiàn)出與劑量的相關(guān)性，并且發(fā)現(xiàn)高能混合粒子場誘發(fā)染色體畸變的種類和頻率都高于射線。經(jīng)高能混合粒子場處理后，在 兩個品種 性、株高、臘質(zhì)等。高能混合粒子場和射線兩種誘變源引起的突變類型相差不多，突變譜相當。中原 9號和中優(yōu) 9507 高能混合粒子場引起的總突變頻率、有益突變頻率都比射線要高。 誘變機理研究是誘變遺傳學的最根本問題，它的目的就是從細胞和分子水平上研究誘變因素與遺傳物質(zhì)相互作用的關(guān)系，闡明突變發(fā)生的機制，這是指導(dǎo)植物誘變育種的理論基礎(chǔ)。因為 是輻射生物學效應(yīng)的主要靶分子（宋云等， 2004）。分子水平上的輻射誘變機制的研究主要是圍繞 損傷修復(fù)及其與突變形成的關(guān)系。輻射引起的 損傷主要有 鏈斷裂，堿基等的損傷以及 交聯(lián)， 蛋白質(zhì)交聯(lián)等。 子的單鏈和雙鏈斷裂均會導(dǎo)致 子的解聚。植物 損傷的研究主要集中在 鏈斷裂上。通過對高能混合粒子場誘變小麥獲得的突變材料進行分子水平的研究， 不僅 有助于 對 航天 誘變育種機理進行系統(tǒng)研究，而且可能獲得可用于分子標記輔助育種和圖譜制作的分子標記，實現(xiàn) 突變基因的定位、克隆及轉(zhuǎn)化，從而更好地運用 航天 變異進行 作物 育種。 發(fā)突變的生物學檢 測研究進展 誘變技術(shù)應(yīng)用于育種實踐提高了育種的效率，這其中突變體的選擇是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。同時，不同的誘變方法其誘變的效應(yīng)是不一樣的，最終導(dǎo)致誘變的特點各異。 如何以有效的手段鑒定和選擇優(yōu)良突變體 以及如何檢驗和比較不同誘變方法的誘變效應(yīng)是應(yīng)首要考慮的問題 (宣云， 2004)。70 年代以前只是用常規(guī)的 表型 農(nóng)藝 性 狀判斷， 然而如產(chǎn)量，品質(zhì)以及抗性等比較復(fù)雜的數(shù)量性狀，表型選擇效率低。 70 80 年代以來則采用染色體壓片觀察其細胞水平上的變異及亞分子水平上的同工酶檢測， 細胞標記雖可克服形態(tài)標記的某些不足，但這類標記材 料的產(chǎn)生需要大量的人力和時間，并且有些物種對染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)變異反應(yīng)敏感或適應(yīng)此種變異的能力較差，難以獲得標記材料，從而限制了細胞標記在遺傳育種上的應(yīng)用（趙頌民等， 2004）。 生化標記是以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的標記，包括儲藏蛋白和同工酶。同工酶是來源相同，催化反應(yīng)的性質(zhì)相同而分子結(jié)構(gòu)有差異的酶蛋白分子。同工酶標記已被廣泛用于建立遺傳圖譜，種群分析等研究中。同工酶基因定位在小麥染色體工程方面得到廣泛應(yīng)用，越來越多的同工酶基因在小麥染色體上的定位為利用同工酶標記進行性狀和種質(zhì)鑒定提供了依據(jù)。同工酶表現(xiàn)為共顯性，可區(qū)分 雜合，純合，隱性基因；所需材料少，簡便，在種子或幼苗期就可以進行檢測；表現(xiàn)穩(wěn)定，不受人工和自然選擇的淘汰。但同工酶表達存在階段特異性和器官特異性，這雖然反映了有關(guān)作物發(fā)育的信息，同時也給同工酶資料的收集增加了難度，因此，可真正利用的位點不多，不能成為更加理想的遺傳標記。 90 年代以來分子標記技術(shù)不斷發(fā)展， 在農(nóng)作物上利用分子標記，對一些突變中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 文獻綜述 8 體進行分析，區(qū)別真?zhèn)瓮蛔凅w，利用與分子標記連 鎖 的關(guān)系對突變基因加以掛標。 分子標記技術(shù)是近 20 年來繼形態(tài)學標記，生化免疫遺傳標記和細胞遺傳學標 記后的一種新的遺傳標記技術(shù)，它是從平上來揭示遺傳物質(zhì)的遺傳變異情況，是植物遺傳育種領(lǐng)域內(nèi)的一項新興技術(shù) (1999)。分子標記技術(shù)實現(xiàn)了從表型選擇到基因型選擇的飛躍。 在對作物誘變育種產(chǎn)生的突變體進行選擇的育種實踐當中，常用的分子標記大致可分為三類： 第一類是基于限制性酶切和分子雜交技術(shù)為核心的分子標記，如限制性片段長度多態(tài)性（ 第二類是以 術(shù)為核心的分子標記，包括隨機擴增多態(tài)性 簡單重復(fù)序列（ 擴增片段長度多態(tài)性（ 第三類以 列為核心的分子標記，如單核苷酸多態(tài)性（ 究內(nèi)容與目標 本研究以不同基因型的小麥為材料，以 射線做參照，通過對高能混合粒子場誘變小麥產(chǎn)生的矮桿和斯卑兒脫穗型 突變體 系進行 析，研究高能混合粒子場誘變小麥引起整個基因組異的類型，根據(jù) 段多態(tài)性的差異分析高能混合粒子場和 射線誘變的差異，探討高能混合粒子場誘變的規(guī)律，初步揭示高能混合粒子場誘變小麥的機理。 通過對高能混合粒子場誘變小麥產(chǎn)生的矮桿突變體 系的突變位點 序列測定，研究高能混合粒子場誘變小麥產(chǎn)生 變異的類型、頻率、突變率及突變模式（具體包括 A、 T、 G、 C 四種核苷酸的突變頻率及規(guī)律） ，以及高能混合粒子場和 射線處理產(chǎn)生的相同突變體 子之間的差異，通過與 其親本品種的分子 指紋圖譜進行比較，從而初步揭示 高能混合粒子場 誘變對小麥 確 高能混合粒子場 誘變小麥 效應(yīng)， 探討高能混合粒子場誘變小麥的特點。 中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第二章 高能混合粒子場誘變小麥獲得的突變體的 析 9 第二章 高能混合粒子場誘變小麥獲得的突變體的 析 高能混合粒子場 (變是 為探索航天育種機理和開拓地面模擬航天育種技術(shù) 而開展的一種新的誘變因素， 含多種高能粒子， 與傳統(tǒng)的 射線相比有其自身的特殊性。通過對 射