小麥誘發突變技術育種研究進展

于沐 周秋峰

（鄭州市農林科學研究所，鄭州 450005）

技術與方法

小麥誘發突變技術育種研究進展

于沐 周秋峰

（鄭州市農林科學研究所，鄭州 450005）

誘發突變育種技術是利用射線、離子、中子等物理輻射因素及空間環境誘變種子或植物離體組織，獲得有益突變體，縮短育種周期的育種技術。據國際誘變育成品種數據庫的不完全統計，截至2016年5月，世界上60多個國家在214種植物上誘變了超過3 200個正式發布的突變品種，21個國家誘變了254個小麥突變體，其中我國誘變小麥164個，占總量超過64%而位居世界第一。綜述了誘變技術在小麥育種方面的成就，概述了獲得的小麥農藝性狀、產量、品質等性狀突變，并對今后小麥誘變育種的目標及方法進行了展望。以期為小麥誘變育種的進一步發展提供借鑒，促進現代物理農業的應用及發展。

小麥；誘變育種；誘變因素；突變類型

1928年，Stadler研究首先證明了X射線對大麥有誘發突變效應；1930年，Nilsson用X射線輻射誘變獲得了穗型緊密、莖稈堅硬、直立型的大麥突變體。作為原子能技術農業應用的重要組成部分，植物輻射誘變育種在20世紀50年代后期應運而生。20世紀60年代中期開始應用于生產，利用輻射誘變在小麥、水稻、大豆等主要作物上育成了新品種。用γ射線輻射小麥種子，其后代出現了很多有益變異，如矮稈、抗病、早熟、蛋白質和氨基酸含量增加、產量增加等，極大豐富了育種工作者的選育原始材料［1］。也有采用多種誘變方法綜合處理，利用多種優勢，不斷完善誘變手段。目前全球已有100多個國家利用輻射誘變技術改良糧食作物、經濟作物和苗木花卉等。

誘發突變技術具有提高作物突變頻率，擴大突變范圍，改變農作物品種單一的不良性狀，克服原有品種缺陷，突變性狀通常穩定較快，因而縮短了育種周期，較快提高作物品質的諸多優點。植物誘變技術包括輻射誘變、化學誘變、組織培養、病毒和反向遺傳學操作。輻射誘變來源有α、β、γ、Χ射線，電子束、離子束、中子和其他粒子、紫外及微波輻射?；瘜W誘變劑有堿基類似物、修飾劑和嵌入染料。利用輻射誘變技術已獲得大量的甚至一些罕見的小麥種質突變體。根據FAO/IAEA（聯合國糧農組織/國際原子能機構）的突變品種數據庫（MVD）最新統計［2］，截至2016年5月，世界上60多個國家在214種植物上利用誘發突變技術育成和推廣了超過3 200個品種，其中中國810個，日本 481個，俄羅斯216個，荷蘭176個，美國139個。突變品種數量在地區分布上為：亞洲1 951個、歐洲955個、北美洲200個、非洲68個、拉丁美洲50個。亞洲育成的突變品種已超60%。超過1 000個主要農作物的突變品種累計種植面積幾千萬公頃，增加了農村收入，改善了人類生活水平，對世界糧食安全和環境可持續發展有巨大貢獻。其中我國利用核輻射誘變技術培育的植物新品種數逐年增加，至2016年5月我國已累計在54種植物上培育出810個突變品種，占世界總量的25%。突變技術的應用產生了大量的遺傳變異，并在植物育種、遺傳學和基因組學研究中扮演了重要角色。

2014年9月24日，在第58屆國際原子能機構大會上，世界糧食安全在誘變育種的杰出成就獎頒給了來自秘魯、中國、布隆迪、印度尼西亞、越南5個國家的研究組織，其中包括我國江蘇省農科院輻射突變育種團隊，發布了17個突變品種，包括8個水稻、5個小麥和4個罕見突變種質資源。其中3個突變體小麥品種種植面積超過3 000萬hm2，創造超過300億人民幣的社會經濟效益。另外，還有19個來自不同國家的科研機構獲得了成就獎，包括浙江大學核農研究所的水稻團隊，中國農科院的小麥誘變育種團隊，四川原子能研究所的遺傳育種團隊。

1 小麥誘變技術育種取得的成就

前捷克斯洛伐克1965年用X射線處理培育的矮稈、高產、優質大麥品種“鉆石”在1989年以前歐洲國家以其為材料培育了135個新品種，種植面積占歐洲54.6%［3］。20世紀70年代，意大利核能研究所通過直接和間接誘發突變育種培育出10個硬粒小麥主要栽培品種，改變了本國硬粒小麥依靠進口的局面［4］。

據FAO/IAEA的突變品種數據庫（MVD）最新統計，自20世紀60年代以來，截至2016年5月，21個國家誘變的小麥突變體數量達到254個（圖1），利用輻射誘變技術培育的小麥突變體新品種數目自70年代初至80年代末增長最為迅速，90年代后穩步發展。其中自1966-2015年中國利用誘變技術已育成164個小麥突變品種，占全世界誘變小麥突變品種比例超過64%，其次是俄羅斯36個，日本7個。輻射誘變技術為我國小麥增產及保障糧食安全、促進農業發展作出了突出貢獻。

圖1 世界范圍內利用誘變技術育成的小麥突變品種總數與年代變遷

我國利用輻射誘變技術在突變小麥品種培育上取得的成就在亞洲乃至世界居于首位。瞿世洪［5］等用γ射線輻射雜合體育成了大穗早熟，抗逆性強，高產穩產的川輻2號，當年推廣面積達3.3×104hm2以上。李達祥［6］等所在的西昌農科所育成了西輻三號-八號、十二號、十三號等系列西輻小麥品種，產生了很大的經濟效益。黑龍江農科院利用輻射與雜交結合選育的高產優質龍輻麥3號［7］，并將純系材料經航空搭載后通過系譜法選育成我國第一個審定推廣的航天誘變春小麥新品種龍輻麥15［8］，隨后經衛星搭載育成了高產優質抗病性強的龍輻02-0958［9］，1996-2011年選育出抗倒伏、高產、抗病抗逆的龍輻麥19［10］。1986年中科院等離子體研究所率先使用低能離子技術選育了魯麥4號、魯麥6號、魯麥16號小麥新品種［11］。20世紀70年代初河南省南陽市農科院利用雜交、物理誘變、化學誘變“三結合”的方法，對創造新種質資源具有獨特作用，產生宛原50-2新矮源，兼具矮稈早熟、優質、抗病的優點，且誘變產生的突變體出現了一些性狀相對穩定、綜合性狀優良的高光效小麥類型［12］。1992年，以河南省主導品種豫麥13搭載返回式衛星育成的航育1號，較豫麥13增產5%，生產上多地試點都平均單產超500 kg，其中溫縣試點創造了河南省小麥高產的典型［13］。太空5號和太空6號是河南省農科院小麥所豐優育種研究室開始將航天高新技術用于小麥育種選育出的優質弱筋小麥［14，15］。河南省科學院同位素研究所在航天與輻射育種方面成果累累，其中小麥輻射育種成果最為突出，選育了豫同系列等抗病、大穗大粒優質小麥品種資源［16-18］。其中成功搭載神舟四號返回的第一代航天育種小麥品種富麥2008，畝產試驗高達707 kg［17］。河南省小麥誘變育種在新種質創造、育成品種數量和研究水平上已達到國內先進水平。目前，我國輻射誘變的因素及部分小麥成果，見表1。

表1 輻射誘變因素和部分小麥成果

2 小麥輻射誘變的突變類型研究

誘變創制的植物突變種質資源帶來的經濟價值潛力巨大：改變一個地區作物的種植面積和比例結構，增加產量和收益，減少殺蟲劑和農藥的使用，節水，通過作物早熟增加土地使用率促進輪作，提高作物的加工品質，滿足不同消費者的偏好，營養改良，易于收獲及脫粒，增加出口收入及減少進口［19］。有效利用核輻射與航天誘變等技術，可以改進植物蛋白質、淀粉、油脂的質量和產量，提高植物抗逆（澇、旱、鹽、熱、寒），抗主要病蟲害，培育綜合性狀優異的罕見新種質及育種新材料（不育系、自交系、恢復系等），帶來具有潛在生物能源、經濟價值及環境改良的誘變改良半馴化種或野生種種質［20］。

小麥的品質、產量、營養及多種抗性是由多個基因控制的，傳統誘變方法對這些性狀影響有限，而大幅提高基因突變頻率，改變基因變異方向，拓寬突變譜的輻射誘變技術利用高低能離子、中子、質子等，可以帶來的小麥突變效應主要有熟期提前、株高突變、分蘗數突變、粒色突變、產量增加、抗病性增強、品質改良、克服遠緣雜交不親和等［21］。輻射突變類型及部分小麥成果，見表2。

2.1 農藝性狀突變

2.1.1 熟期突變 小麥生育期可以通過人工誘變得到熟期突變體而得到改良。魯麥4號是直接利用突變體培育而成，全生育期 220 d左右，比泰山1號早熟 3-4 d，比山農輻63早熟 2-3 d［2］。魯麥6號系70-4-92-1親本經CO2激光處理多年選育出的晚播早熟冬小麥品種［22］。春小麥定西24號連續兩年經低能重離子注入后，均得到了抽穗期提前3-4 d的突變體，并且頻率較高，因而低能重離子注入春小麥可以作為獲得早熟性狀突變體的重要手段之一，在育種中得到應用［23］。李蘭真［24］選用省內外的優質小麥用離子注入法設置了4個能量和劑量的不同處理，大部分品種成熟期均變晚，其中優質小麥陜優225屬于半冬性成熟期較晚的品種，經離子注入處理后，M1代中少數單株成熟期提前了3-4 d。魯麥20是山東省農科院原子能研究所在利用快中子與CO2激光復合處理70-4-92-1小麥干種子育成早熟系的基礎上，利用60Co-γ射線誘變處理321E成熟花粉自交選育的特早熟矮稈品種［25］。西輻4號系“夫爾拉林”小麥品種經60Co-γ射線處理而成的突變體經雜交選育而成［26］。研究表明，拔節至抽穗期間的時間縮短是熟期提前的主要原因，并且小麥灌漿早且快［25］。

表2 輻射突變類型和部分小麥成果

2.1.2 稈高突變 一般高稈種質材料經過輻射出現植株變矮的個體概率最高達一半以上，其中最矮的比原品種矮一半，但超矮稈據李樹華試驗觀察屬于不遺傳變異，如原株高110-120 cm的高稈大穗品種84B179經過60Co-γ照射，M1、M2出現株高僅65-80 cm的矮稈變異，超矮稈變異在加代純和穩定選擇中未能遺傳下來，只選擇到株高80 cm的變異系88M4619［27］。李蘭真［24］試驗豫麥39經30 keV，3×1017N+/cm2離子注入效果最佳，M1代株高比對照降低12-29 cm，M2代仍然較低，共選出18個優良單株，平均株高76.8 cm，克服了豫麥39植株偏高易倒伏的缺點且保留了諸多其他優點。矮稈突變體多屬隱性突變，且由單或雙基因來控制。

2.1.3 粒色突變 人工誘變白色種皮小麥突變體具有重要意義，紅色種皮會影響小麥加工時面粉的出粉率和白度。中稈中間型品種寧春4號經60Co-γ輻射后，得到了白粒突變體［27］。豫麥12號是博農7023經250 Gyγ射線照射的突變體，比原品種早熟3-5 d，矮30 cm，粒色由紅色突變為白色［16］。

2.1.4 穗型突變 矮稈多穗型感銹品系混7經過60Co-γ照射，在云南得到3株輻射M1代有芒雙穗變異株及分枝穗變異［27］。陳秀蘭等［28］研究發現經低能氮離子注入后，揚麥5號誘發了4種穗型變異，M2代出現棍棒狀穗、紡錘形（頂芒）穗、大穗及長方形（頂芒）穗；小麥品種89017突變系 M2代中出現了與親本不同的棍棒狀穗和擬斯卑爾脫穗。穗部性狀的變異多為不利變異多，在輻射材料的選擇上宜選高稈大穗、多粒、晚熟、籽粒不飽滿的類型［27］。

2.2 產量因子及產量突變

小麥品種產量的提高依賴于產量三因素（千粒重、穗粒數和畝穗數）的協調組合。單位面積的產量提高需要其構成因素的相互協調發展，產量因子是小麥產量育種最直接可靠的指標。

2.2.1 千粒重突變 千粒重的遺傳主要為加性效應，在遺傳上是產量構成因子中最可靠的因素，因此可以通過增加粒重來提高產量。0.25 KGy，0.3 KGy劑量γ射線照射高稈大穗品種84B179后，M0代秋播后的變異后代88Ly592、90j265品系繁殖多世代后較原品種84B179千粒重分別增加4.2、4.1 g，增產1.64%-17.5%，比對照品種寧春4號增產2%-4.9%［27］。

2.2.2 穗粒數突變 穗粒數是產量構成因子中最活躍的部分，每穗粒數與產量有很高的正相關性。高稈大穗品種84B179經0.25 KGy，0.3 KGy劑量γ射線照射后的變異后代88Ly592、90j265品系繁殖多世代后較原來品種穗粒數略增，其增產的原因是株高降低，群體及個體發育相對均衡協調，穗、粒、重三要素都有益于產量增長［27］。

2.2.3 產量突變 經人工誘變得到產量提高的突變體并經過審定的小麥品種數量眾多，產生了顯著的經濟效益。原冬3號麥稈粗壯，抗倒伏，穗大，粒多，能夠抗銹病和白粉病，還能耐干熱風，適宜性強，高產穩產，每畝產量達到400 kg左右。揚麥158是集高產、多抗、優質、廣適應性于一體的突破性小麥新品種。適宜在長江下游和中游部分地區不同地形、土質、耕作制度的中上等肥水條件下種植應用。該品種在品比試驗中均名列前茅，分別比揚麥5號增產14.86%，比鄂恩1號增產20. 46%，比浙麥1號增產28.36%。平均畝產350.76 kg［2］。皖麥42號系參加區試及生產試驗，3年連續產量蟬聯第一，較揚麥5號增產28.53%［29］。富麥2008發揮了航天誘變的技術優勢，成穗數高，結實性好，是2004年在黃淮南片小麥新品種區試中產量水平突破畝產700 kg以上的極少品種之一，達到畝產707 kg的高產記錄［17］。太空5號于1999-2000年參加河南省春水組區試，產量第一［15］；太空6號在河南省區試中連續2年較對照豫麥18平均增產3.66%，生產試驗中，10點有8點增產［14］。煙農5158是雜交后經空間誘變處理系統選育而成，2004-2005年區試平均畝產537.98 kg，比對照魯麥14號增產11.62%［2］。

2.3 品質突變

經過輻射誘變育種選育的小麥新品種，其濕面筋、粗蛋白、蛋白質、氨基酸等含量及其他品質都可發生較大變化。經人工選育已得到一批高面筋、高蛋白、高氨基酸等品質突變的已審定品種。龍輻83328經航天處理中選出的5個新品系濕面筋含量較親本高4.7%-6.3%，粗蛋白含量較親本高1%-2.1%，穩定時間較親本高0.3-2.2min［9］。航天選育的新品種太空6號濕面筋含量34.2%，粗蛋白含量14.81%，穩定時間1.8 min，面粉白度高且穩定［14］。豫同05-08是用γ射線處理鄭優8號后，選育的高蛋白（16.86%）、高面筋（42.5%）突變系，結實性好［18］。甘春20是甘肅農業大學采用雜交育種結合輻射誘變技術選育而成的面包型春小麥新品種，營養和加工品質優良，籽粒高蛋白（17.52%），高面筋（39.4%），賴氨酸含量0.52%。龍輻麥10號是黑龍江省農科院用1.1RADγ射線處理83-187 g干種子，經體細胞培養產生的體細胞無性系，經過組培育成。該品種被評為國家優質面包麥，曾獲農業部中國農業博覽會優質農產品銀質獎［2］。

2.4 抗病性突變

誘發抗病性突變可以通過以下四種途徑：第一種是保留原有優良性狀的同時，輻射優良品種使其產生抗病突變；第二種是輻射感病品種種子，在后代選出抗病突變體，最終選育成抗病品種；第三種是誘變出各抗病單株的抗病基因，通過雜交選育綜合抗病基因型品種；第四種輻射誘變出新型抗病基因再選育［30］。

孫光祖［7］等將γ射線照射的小麥幼胚接種在含赤霉病菌的培養基上離體篩選，獲得了高抗赤霉病的突變體RB976。小麥89017及揚麥5號的種子經低能N+離子處理后，從其M2代中篩選出了抗白粉病的優良品種［28］。富麥2008是利用10 Gy劑量60Co-γ射線照射豫麥57，是首次通過太空誘變育種成功改進小麥抗黑胚病性能的報道［17］?？关S產、高抗黑穗病的隴輻2號是以氧離子貫穿定點注入春小麥14615得到的，對流行的葉銹、黃矮、條銹病的抗病性也較好［31］。龍輻83328純系種子經水及航天處理中選出的晚熟品系97-5199對稈銹病的4個致病類型均免疫，高抗葉銹病，抗根腐?。?］。

3 展望

3.1 加強輻射誘變基礎理論研究

輻射誘變機理還不甚清楚、有益突變的頻率較低、突變的方向難以把握等問題依然存在。因此在基礎理論方面加強分子生物學、細胞學、生理生化方面的研究有利于誘變育種的發展［21］。在突變育種的實踐中，多重視突變的獲得，而對突變體的深入研究往往不夠，如深入研究矮桿早熟高蛋白高面筋突變體，對優質小麥育種有重要意義。利用基因組、代謝組和蛋白組學的理論方法，加快對重要突變體的特異性狀進行分子鑒定，研究其調控機制；并對其進行分子定位、基因克隆及表達譜和功能分析，建立重要突變新種質基因資源的分子突變育種平臺［20］。今后誘變的基礎研究將更多關注增加有益變異突變譜，發展突變體快速鑒定及篩選。

3.2 育種目標探討

FAO/IAEA在2008年舉辦國際植物誘變技術大會上提出了10大研究熱點，其中關注到突變植物強化促進微營養改良，誘變改良作物的抗逆性以應對全球氣候的變化，誘發突變改良作物品質，種子植物誘變產生新品種的選育這幾個熱點問題。近期小麥誘變育種依然會以改良品質、改變熟期、改進生物和非生物逆境的抗性、改善豐產性為主。抗病性是較難通過常規育種得到的性狀，通過誘發突變亦難度較大、突變頻率較低。為應對全球氣候變化，滿足日益增長人口的糧食需求，減少農藥的使用以保證生態環境安全，選育出高產優質綜合性狀優良，具有潛在經濟價值、環境改良和生物能源意義的小麥新種質仍是育種家的工作重點。

3.3 育種方法展望

國際植物誘變技術大會上提出了誘發突變的新技術和新方法，高通量突變篩選技術，基因組時代研究誘發突變的挑戰和機遇等熱點問題。我國在近幾年來在植物誘發突變高效篩選的新技術方法，誘變新材料與突變基因新資源的創制，突變基礎理論的研究，誘變新品種培育與農業產業示范，加強國際間誘變育種的合作與交流方面有所發展。

高抗病性、優質等性狀與某些農藝性狀有所相關，選育過程可以參考農藝性狀，但要提高育種的效率和準確性，還得依靠人工接種和品質分析等技術。依托現代分子生物技術的發展，通過核輻射與航空環境等誘變小麥后代群體的目標性狀突變體進行定向篩選，將直接篩選田間表型與生理生化分析技術與分子標記輔助篩選等技術相結合，以及利用高分辨熔解曲線分析（high resolution melting curves analysis，HRM）［32］和定向誘導基因組局部 突 變（targeting induced local lesion IN genomes，TILLING）［33］、基因表達分析（serial analysis of gene expression，SAGE）［34］、多樣性微陣列（diversity arrays technology，DArT）［35］等技術，可以高通量高效的對突變基因進行篩選。

促進農作物持續增產和改善品質最有效的途徑是種質創新。除了具有育種周期短、針對性強、破除基因連鎖、促進優異基因聚合等技術優點，輻射誘變育種還能與傳統育種及分子生物育種技術相結合，多種技術及學科的協同合作，將帶動誘變育種的進一步發展，在往后小麥育種的產量提高、品質優化、抗逆性增強等方面發揮巨大作用。突變技術在植物育種計劃的廣泛使用在世界各地數以百計的作物物種中產生了成千上萬的新作物品種。絕大多數品種（包括谷物、油料作物、根和塊莖類作物和觀賞植物）發布在發展中國家，種植面積覆蓋上億公頃，為國家經濟貢獻數十億美元。因此，植物誘變育種是一種有效的保護和加強全球食品安全的途徑。

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（責任編輯 狄艷紅）

Research Advances on Induced Mutation Breeding Techniques of Wheat

YU Mu ZHOU Qiu-feng
（Agricultural and Forestry Science Institute of Zhengzhou，Zhengzhou 450005）

Induced mutation breeding is a technology that uses physical radiation factors of ray，ion and neutron as well as the spaceflight environment to induce the seeds or in vitro tissues of plants，thus the advantageous mutants are obtained，and the breeding cycle is shortened. According to incomplete statistics of the FAO/IAEA database，up to May 2016，more than 3200 officially mutant cultivars in 214 crop species are released in more than 60 countries of the world. And 254 wheat mutants have been released by 21 countries，and 164 wheat mutants of which are in China and accounts for 64% of total，which is the top one in the world. This article summarizes the domestic achievements of inducing techniques for wheat breeding，outlines the mutations of traits such as wheat agronomic traits，yield and quality traits，and forecasts the goals and methods of induced mutation in wheat breeding. Those aim to provide reference for the further development of wheat breeding by induction，and to promote the application and development of modern physical agriculture.

wheat；induced breeding；induced factor；mutation type

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.03.007

2016-07-14

河南省農業科技攻關計劃項目（112102110067）

于沐，女，碩士，研究實習員，研究方向：小麥優質高產育種與栽培技術；E-mail：ym8926123@163.com