第八章誘變育種

InducedMutationBreeding

誘變育種是利用物理或化學因素人為誘發(fā)植物發(fā)生可遺傳性變異，然后根據(jù)育種目標進行選擇，從而育成新品種或獲得新的種質(zhì)資源的方法。第一節(jié)作物誘變育種概況

（1）物理誘變1904年，De.Vries提出了輻射誘發(fā)突變的作用。1908年，Gager最早報道了人工誘發(fā)變異的研究結(jié)果。

1927年：Muller.X射線誘發(fā)果蠅產(chǎn)生大量變異。一、誘變育種的發(fā)展1930年：瑞典人Nilson-Ehle和Gustafsson利用輻射得到了有實用價值的硬稈、密穗大麥突變體。1928年:Stadler.X射線和鐳可以提高大麥誘變頻率。1934年：Tollenear第一個用輻射誘變育成品種（煙草品種“赫洛里納”。）1934：Tollenearthefirstmanwhouseradiationinducedmutationbredatobaccocultivar“Chlorina”.1942年：Freisieben和Lein首先應用誘變方法改良大麥的白粉病，并提出誘變育種程序，但由于戰(zhàn)爭影響，研究未繼續(xù)開展1942年前后：Nilson-Ehle和Gustafsson系統(tǒng)研究了物理誘變育種的最佳條件1958年和1960年：Nilson-Ehle和Gustafsson用X射線處理大麥Bouns，育成了早熟品種Palas和Mari（2）化學誘變：1943年：Auerbach，Robson發(fā)現(xiàn)第一個誘變劑-芥子氣。1948年：Gustafsson利用芥子氣誘發(fā)獲得大麥突變體。1967年：Nilan用硫酸二乙酯（DES）處理大麥種子育成了矮稈、高產(chǎn)品種Luther二、誘變育種的基本特點擴大突變譜、提高有益突變頻率、創(chuàng)造作物新類型比自然突變頻率高幾百倍，甚至上千倍突變范圍廣泛，類型多樣打破不利連鎖，實現(xiàn)有益基因重組小麥—大賴草、小麥—簇毛麥抗銹病、白粉病、赤霉病的小麥易位系的培育有效改良品種的單一性狀誘變處理易于誘發(fā)點突變，可使現(xiàn)有品種某個單一性狀得到有效改良IR8

原豐早（早熟45天）輻射誘變產(chǎn)生的蘋果紅果皮突變體柑桔的無籽突變縮短育種年限人工誘發(fā)產(chǎn)生的突變多為隱性突變，自交可得到純合的突變體，一般在F3代就可穩(wěn)定下來，可縮短育種年限無性繁殖作物：通過無性繁殖迅速固定突變誘變的方向無法有效控制，有利突變率不高三、國內(nèi)外誘變育種的成效突變新品種的培育據(jù)FAO/IAEA突變品種數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，到2009年9月底，60多個國家在170多種植物上育成并通過商業(yè)注冊的植物突變品種總數(shù)已達3088個，其中突變體直接利用品種1984個我國累計在45種植物上培育出802個植物突變品種水稻：原豐早、浙輻802小麥：山農(nóng)輻63、川輻1號、揚輻麥2號大豆：鐵豐18、黑農(nóng)26棉花：魯棉1號突變新種質(zhì)的創(chuàng)制與利用大麥突變品種Diamant

水稻品種Calsose76

、揚稻６號突變基因資源的挖掘與利用第二節(jié)輻射誘變電磁輻射：電場和磁場交變振蕩的方式穿過物質(zhì)和空間而傳遞能量

無線電波、微波、熱波、光波、紫外線、X射線和γ射線等粒子輻射：高速運動的粒子，它們通過損失自己的動能把能量傳遞給其它物質(zhì)

α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子、電子、離子束及介子等一、輻射誘變（物理誘變）因素輻射種類輻射源能量危險性透入組織的深度X射線X光機通常為50-300千伏危險，有穿透力幾毫米至許多厘米γ射線放射性同位素如Co60、Cs137及核反應堆達幾百萬個電子伏特危險，有穿透力很多厘米中子（快中子，慢中子及熱中子）核反應堆或加速器如：釙-鈹中子源，鐳-鈹中子源從小于1電子伏到幾百萬電子伏特很危險很多厘米β粒子，快速電子或陰極射線

放射性同位素如32P、35S或電子加速器達幾百萬個電子伏特有時有危險達幾毫米α粒子放射性同位素2-9百萬電子伏特內(nèi)照射很危險十分之幾毫米質(zhì)子核反應堆或質(zhì)子加速器達幾十億電子伏特很危險達很多厘米輻射源的特性二、輻射誘變機制電離輻射作用的特點物理學階段一般持續(xù)10-18~10-15秒。能量從輻射傳到生物體內(nèi)，使生物體內(nèi)各種分子發(fā)生電離和激發(fā)

物理化學階段一般持續(xù)10-12~1秒。在這一階段進行一次或是一系列復雜的反應，直至反應系統(tǒng)達到熱平衡，產(chǎn)生許多化學性質(zhì)很活躍的自由原子或自由基。

生物化學階段一般持續(xù)約10-1~102分鐘。這期間上一階段中所形成的自由原子和自由基繼續(xù)相互反應，并和他們周圍的物質(zhì)起反應，特別是和生物重要大分子核酸和蛋白質(zhì)起反應，引起它們分子結(jié)構(gòu)的變化。

生物學階段一般持續(xù)幾秒鐘至若干年。在這一階段中，由于生物重要大分子結(jié)構(gòu)變化，使細胞內(nèi)生化過程發(fā)生改變。

電離輻射的直接作用和間接作用

直接作用：指靶分子直接吸收了電離輻射的能量后所起的作用。間接作用：指靶分子從周圍其他分子中吸收了輻射能量所起的作用。最重要的是對核酸（特別是DNA）的直接作用和間接作用。電離輻射的生物損傷與修復細胞吸收輻射能量后導致細胞出現(xiàn)DNA損傷如果DNA損傷不能得到及時修復，在一個細胞周期后，DNA損傷就有可能成為遺傳性突變代謝紊亂形態(tài)畸形缺綠矮化發(fā)育遲緩不育死亡三、輻照誘變的生物學現(xiàn)象嵌合現(xiàn)象嵌合體類型（ChimeraTypes）扇形（Sectoral）平周（Periclinal）不完全平周（Mericlinal）嵌合合形成過程（ChimeraDevelopment）扇形（Sectoral）平周（Periclinal）不完全平周（Mericlinal）SectoralChimera扇形嵌合體SectoralChimera扇形嵌合體ChimerainM1Periclinal

Chimera平周嵌合體MericlinalChimera不完全平周嵌合體第三節(jié)化學誘變一、化學誘變劑的特點對生物分子的影響是個別的，對處理材料的損傷輕由于是化學基團之間的反應，更多是引起分子水平上的變化誘發(fā)點突變率高，染色體畸變較少表現(xiàn)遲效作用化學誘變主要表現(xiàn)在潛在損傷存在殘留藥物的后效作用有一定特異性定向遺傳變異的程度比電離輻射高，突變譜與輻射誘變不同化學誘變劑多為致癌物質(zhì)二、化學誘變劑的種類1烷化劑具有烷化功能的化合物,帶有一個或多個活性烷基（CH2，C2H5），可置換堿基中的氫原子。硫芥、氮芥、環(huán)氧衍生物、乙烯亞胺、硫酸酯、磺酸酯、磺內(nèi)酯、重氮烷2疊氮化物

如NaN3

替換作用3堿基類似物

如5溴尿嘧啶和

5溴脫氧尿核苷置換作用

4.其它種類的化學誘變劑

抗生素、羥胺（NH2OH）及其衍生物、亞硝酸（HNO2）、誘發(fā)多倍體的藥劑

第四節(jié)誘變育種方法

種子、植株、無性繁殖器官、花粉、雌蕊、幼胚、愈傷組織等

種子最為常用。

一、誘變材料的選擇

callusgametes二、誘變處理劑量的確定1、作物對輻射敏感性因不同作物類型或品種而異豆科>禾本科>十字花科因不同的組織器官及發(fā)育時間和生理狀態(tài)而異因處理前后的環(huán)境條件而異半致死劑量（LD50）:照射處理后，植株能開花結(jié)實存活一半的劑量。2、劑量選擇半致矮劑量（D50）：照射處理后，植株生長受到抑制，苗高降低到對照的一半所需的劑量。臨界劑量：照射處理后植株成活率約40%的劑量。

1）外照射：受照射的植物體所接受的輻射來自植物體外部的輻射源。X射線、γ射線、中子源等。

2）內(nèi)照射：將照射源引入被照有機體內(nèi)進行輻射。32P、35S、131I、14C、3H。

一般采用注射法、浸泡法、施入法

三、誘變處理方法1.物理誘變劑的處理方法2、化學誘變劑處理方法

浸泡法滴液注射涂抹施入熏蒸3、影響處理效果的因素處理材料誘變劑處理條件環(huán)境條件1）處理材料與誘變效果的關(guān)系處理材料的基因型處理材料的部位處理材料的發(fā)育時期處理材料的生理條件2）誘變劑與誘變效果的關(guān)系誘變劑種類：以硬粒小麥為例：甲烷磺酸酯>DES>氮丙烷誘變劑的劑量：劑量太低不能誘發(fā)突變，在一定范圍內(nèi)增加劑量可提高突變率，超過一定范圍后，生物損傷加重，不利于提高突變率。3）處理條件與誘變效果的關(guān)系處理時間：以化學誘變劑被種子等器官飽和吸收為標準

誘變劑濃度范圍甲基磺酸乙酯（EMS）0.15-0.3M硫酸二乙酯（DES）0.015-0.02M乙烯亞氨（EI）0.85-9.00Mm亞硝酸乙基脲（NEH）1.2-1.4Mm疊氮化鈉（NaN3）0.01-0.004M處理濃度：溫度水解半衰期（小時）DESEMS400.327.29301.0025.9203.3493.11013.1378527.6796059.61716處理溫度：

環(huán)境條件可通過影響處理材料的生理狀態(tài)和敏感性、誘變劑的活性和穩(wěn)定性，處理材料與誘變劑的相互作用而間接地影響誘變效果。包括溫度、種子含水量、pH值和氧氣等。環(huán)境條件與誘變效果的關(guān)系1）選擇適宜的處理材料2）選擇適宜的誘變劑和誘變劑量3）采用適宜的處理時期4）誘變因素的復合處理4、提高誘變育種效率的方法四、突變體的鑒定與誘變后代處理突變率和突變譜突變率(MutationRate)

是指一定的基因在單位時間內(nèi)(如每一個世代)發(fā)生突變的幾率。突變率一般通過突變頻率或突變體頻率進行估測。突變頻率(MutationFrequency)突變頻率是指在一生物群體中一定時間內(nèi)實際發(fā)生的突變顯現(xiàn)幾率。突變體頻率（MutantFrequency）是指在某一群體內(nèi)突變體出現(xiàn)的頻率。突變體頻率（%）=M2代出現(xiàn)的突變株數(shù)×100M2代群體的總株數(shù)突變頻率（%）=M2代出現(xiàn)的突變數(shù)×100M2代穗（株）行數(shù)例如,大麥某個M1穗有20粒種子,長成幼苗后,其中有正常綠苗16株,白化苗4株,則可以認為該M1穗包含的突變數(shù)是1個,突變體數(shù)是4個。突變譜(MutationSpectrum)指作物經(jīng)誘變處理所產(chǎn)生的各種突變類型多少。

年代世代工作內(nèi)容第1年M0用合適的誘變劑處理5000粒以上的種子第2年M1將處理過的種子點播出現(xiàn)形態(tài)變異，多系生理損傷所致可遺傳突變多為隱性，一般不進行選擇顯性突變體可以被發(fā)現(xiàn)但多為嵌合體從每個M1

植侏（穗子）上分別收獲約20粒種子第3年M2每個M1單株上的種子種成株系鑒定突變的株系，選擇優(yōu)良突變體按單株分別收獲中選的突變體2、誘變后代的處理系譜法（Pedigreemethod）年代世代工作內(nèi)容第4年M3種植所選M2單株后代成系統(tǒng)穩(wěn)定優(yōu)異突變株系混收后轉(zhuǎn)入M4代進行產(chǎn)量比較對于仍變異的株系可繼續(xù)選擇優(yōu)良突變體，單株收獲第5年M4對上個世代表現(xiàn)優(yōu)良一致的株系進行產(chǎn)量比較試驗淘汰仍有分離的株系第6-9年M5—M8對表現(xiàn)穩(wěn)定的突變體進行區(qū)域試驗第10年M9對通過區(qū)域試驗的種子進行繁殖和推廣系譜法（Pedigreemethod）年代