淺談輻射誘變技術在農業育種中的應用*

王 偉

（河南新安縣正村鎮農業服務中心，河南 洛陽 471800）

0 引言

目前，由于一些大型作物雜交品種繁多，重復使用的有益基因有限，因此遺傳基礎相對狹窄，水平相似，很難改變育種品種。新中國成立以來，長江下游和黃河流域小麥品種經過變化后產量顯著增加，但后續變化的產量不顯著，甚至有提高穩定性和產量大幅下降的趨勢。輻射誘變技術已被人工用于X射線、中子、激光、離子等物理誘變因子誘導植物遺傳變異，從而在短時間內獲得可用于生產和直接使用的突變體[1]。雖然輻射誘變技術只有幾十年的歷史，但由于其自身的特點和優勢，發展迅速，并已成為改良農業新品種的重要途徑之一。本文在水稻、小麥、花卉和樹木輻射試驗基礎上，總結了國內外輻射誘變農場的研究成果，分析其作用機理，主要目的是提高人們對輻射改性技術應用于農業生產的價值，提高人民的生活水平。

1 輻射誘變技術在農業育種中的起源與發展

1927年，美國李明教授首次成功發現一種新型X射線中的熒光粒子，可以有效抑制誘發各種植物果蠅的熒光輻射合成基因突變。植物學家斯塔德勒隨后首先成功發現了一種新型X射線熒光，對玉米農作物和大麥農作物的輻射基因合成誘變也能產生輻射效應，在對該植物育種栽培技術深入研究后逐步將這種輻射基因突變合成技術廣泛應用于各種植物在核能中的育種，并已經取得較好的育種技術研究成就[2]。20世紀80年代以來，利用現代激光分子細胞生物學，為現代激光無線輻射技術誘變植物育種系統技術發展注入了新的科學技術活力，促進目前世界植物突變培育體系技術與現代畜牧農業耕作植物育種系統方式相互影響，并不斷發展形成一套具有全球性的傳統畜牧耕作育種系統技術。近年來，突變培育體系的新種植物和新生態品種的種植培育已使作物在其生產地的數量等均呈現不斷上升和增長的趨勢。據2008年以及國際原子能機構的不完全統計數據，在近年首批成功利用現代激光無線輻射誘變分子技術成功培育的2 320個新品種中，中國已成功種植培育623個，占目前世界培育植物品種總數的26.85%。

2 輻射誘變技術的作用機理

我國是一個農業大國，在農業經濟發展上較為迅速。輻射誘變的發生機制主要就是圍繞著細胞染色體上的畸變和遺傳突變之間的相互關系，促進各類農作物發生細胞變異，進而提高農作物產量。一般來說，染色體上的畸變色差屬于植物細胞輻射突變損傷的一個重要典型遺傳特征，能夠直接體現其自身存在的植物輻射突變損傷。而在植物輻射誘變育種過程中，因發生了有絲分裂和細胞減數有絲分裂，進而出現畸變色差，這種細胞出現的畸變色差主要包括各種畸變遺傳類型、畸變遺傳行為和遺傳突變效應，而在高能和穿透性強的射線的輻射下，可以促使農業產品誘發出部分染色體數目，并且出現一定程度的結構和行為畸變[3]。例如，在對報春花卉傳播繁殖中植物輻射毒性突變的研究中，發現在植物報春花后期發生的核染色體功能斷裂和基因結構功能重建，以及經過植物輻射毒性誘變技術處理的類似紅魚的三葉草，可以在多種作物中直接產生更多的毒性突變。輻射的致突變性在于確保處理過的材料的DNA由于各種生物效應而產生大的突變，當輻射導致細胞染色體改變時，也會導致與生物體細胞質相關的核外遺傳變異，影響農業的發展。

3 輻射誘變技術在農業育種中的優勢

輻射基因誘變處理技術在我國農業水稻育種中通過進行水稻作物輻射基因誘變處理實驗，發現經過輻射誘變處理后的各種水稻作物細胞通常會連續發生多種基因突變，出現的這些多種突變基因類型主要為隱性染色體遺傳突變。該基因突變的遺傳特點大多表現為隱性遺傳突變，通常在突變中不明顯，只有當發生突變的隱性因子基因類型趨于純合時才可能會開始出現，不同繁殖性狀的基因遺傳突變頻率不同，葉綠素遺傳突變、矮化遺傳突變可能性較大，由此可知，不同突變體由于繁殖基因性狀不同應選擇具有不同基因大小的突變基因[4]。同時，突變效應一般穩定快速，當農作物受到X光輻射線總照射量為零或其他穩定值時，照射效率對最終突變效應也具有顯著性的影響，為了提高作物誘變品種效果，應根據不同作物育種目的來選擇合適的作物輻照率。與其他傳統農業技術相比，輻射強化誘變品種栽培技術可有效提高多種作物突變頻率，擴大作物突變效應范圍，為新作物品種的栽培繁育提供更為豐富的突變原材料，有效克服原生植物的品種自交不親和性，促進遠緣品種雜交和植物基因組的重組[5]。

4 輻射誘變技術在農業育種中的具體應用

4.1 在農作物方面的應用

輻射誘變育種技術在我國農業水稻育種中的實際應用期間，除在水稻、高粱和其他農作物中應用輻射傳播誘變技術外，還有許多農業應用中的實例。例如，中國科學院等離子體研究所利用等離子輻射誘變育種技術，經過7年13個農業育種傳播季節，成功培育出一個水稻新品種，水稻種子直接可以播種在當地稻田中，大大減少了當地農民的工作量，具有良好的經濟效益和社會效益[6]。在關于玉米植物輻射激光誘變有益育種的相關實驗方面，根據2010年7月19日的研究報告，中科院現代物理研究所與甘肅金鄉農業發展有限公司項目聯合共同承擔的“玉米新品種重電離輻射處理”實驗項目，利用重力光加速器技術提供的激光離子束對選定的玉米自交品系植株進行輻射研究，篩選出有用的突變體，并由此產生了許多有益的育種變化，有益育種變異發生頻率約為7.0%~17.9%[7]。輻射激光誘變育種技術在現代農業玉米育種中主要為玉米作物的綜合創新和玉米新品種的栽培開辟一條新的農業育種技術途徑。除了糧食作物外，輻射誘變技術在其他一些作物的育種試驗中也取得了良好的效果[8]。

4.2 在花卉中的應用

在花卉品種改良方面，輻射誘變育種技術在我國得到了廣泛應用，并取得了可觀的成果，據統計，該領域已測試了近50種植物，產生的新品種僅在玫瑰、菊花、美人蕉種植上就有近100個，選取不同花種和批次花卉育種結果作為實驗數據。北京林業大學采用輻射法培育的菊花新品種，不僅四季開花，而且耐低溫能力更強；安徽農業大學利用輻射技術培育的8個冬菊花新品種的自然開花期為11月至次年1月；河南農業大學以菊花的植株、愈傷組織、枝條、根系和植物組織為試驗材料，對其進行X射線照射，并與組織培養相結合，培育出多種新品種花卉[9]。此外，輻射誘變育種技術在我國農業植物育種中通過對慢性輻射激光誘變品種繁殖的深入研究，不僅成功培育了一系列新品種，而且在育種研究中也獲得了許多有價值的創新發現，利用X光輻射線對百合組織品種培養基中形成的多種品種進行慢性激光輻射誘變試驗，結果表明，X光輻射線對百合品種細胞生長具有明顯的生物抑制毒害作用。花卉品種輻照適宜劑量統計表如表1所示。

表1 花卉品種輻照適宜劑量統計表

4.3 在果樹上的應用

輻射誘變技術在農業育種中具有一定的優勢，例如在果樹生產中，輻射誘變技術是改良園藝植物品種的有力工具，在實際應用期間也是克服落葉果樹遠緣不親和性的最有希望的方法之一[10]。雜交育種與落葉果樹品類輻射育種技術的結合還可以同時用于創造新的落葉果樹品種，這也將是當前和未來關于落葉果樹品種雜交植物育種和輻射栽培技術改良的戰略方向。根據聯合國及農業植物技術發展聯合組織的相關數據，輻射誘變技術對果樹品種成熟表現的改變，主要集中在果樹品種改變成熟期，通過雜交育種誘導落葉果樹變成矮化植物，提高落葉果樹抗病性，主要供試材料為干濕種子和花粉[11]。

5 結束語

目前，輻射生物誘變育種技術已發展成為有機農業育種物理誘變的重要技術，并在有機農業育種實踐中已經得到廣泛應用。然而，輻射生物誘變育種技術在有機農業作物育種中還不成熟，特別是當有機輻射與其他具有致癌風險的輻射光線相互結合時，是否會對農作物生長產生負面影響還需深入研究，微生物共同致突變機制需要深化，一方面，它給當前的農業工作帶來了很大的盲目性；另一方面，它也給未來的農業工作帶來了更多的內容。隨著這一領域研究的深入，輻射誘變技術將在育種領域開辟更廣闊的前景，如質量改進或新的訓練，在遠程雜交中獲得與目標基因的異源染色體易位是最理想的結果。