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1、第八章 诱变育种,本章重点：诱变育种的概念、诱变方法，诱变育种程序。授课内容：一、诱变育种的概念及特点二、物理诱变三、化学诱变四、诱变后代的处理五、提高诱变育种效率的方法,一、诱变育种的概念及特点1、诱变育种的概念 利用理化因素诱发生物体产生变异，再通过选择育成新品种或新材料的育种方法。物理诱变：利用辐射，诱发基因突变和染色体变异化学诱变：应用化学物质诱发基因和染色体变异,20世纪20年代，Stadler用射线诱发玉米、大麦发生突变Tollenear(1934)利用射线育成第一个烟草突变品种Chlorina。Gustafsson(1948),利用芥子气（毒气、化学诱变剂）处理大麦获得突变体；N
2、ilan(1967)用硫酸二乙酯处理大麦育成矮杆、高产品种Luther。目前诱变育种已成为作物育种的重要方法之一。,2、特点（1）优点提高突变率，变异范围广。突变率可达3%，比自然突变高100-1000倍。突变类型多，还可能产生新基因。对单一性状改良有效。如早熟性、株高等。多为点突变和隐性突变，易稳定，育种年限短。热中子，极早熟大豆哈75-222，比原品种早32天；原丰早（射线，早40天）；印度，热中子，蓖麻早150天（270天120天）；大麦白粉病抗性基因mlo。,（2）局限有利变异少。难以综合改良。诱变的方向和性质尚不能控制。,株高变矮,熟期变早,果皮变深,辐射引起甘薯叶和块根的变异,3、
3、我国作物诱变育种成就1957年我国开始诱变育种工作。全国有50多个研究机构从事各种植物的诱变育种研究。截止到2001年，利用辐射诱变或诱变与其他相关技术相结合，在42种植物上共育成了625个突变品种。著名的有，原丰早（水稻）、鲁棉1号（棉花）；铁丰18（大豆）；山农辐63（小麦）、粤油22（花生）等。诱变育成的品种年种植面积超过900万公顷，创社会经济效益33亿多元。获得了大量的突变材料，是育种的重要种质资源。,表1.我国植物诱变育种成就(1966-2001),二、物理诱变,（一）物理诱变剂的种类及其性质 物理诱变剂：各种辐射线。因此，物理诱变通常称为辐射诱变。根据辐射线照射植物体后是否引起物
4、质的电离，可分为电离辐射线和非电离电离辐射线。目前用于作物育种的大多是电离辐射线。,1、电离辐射线,射线（伦琴射线）：最早用于诱变的射线。由x光机产生的电离辐射线，其能量和穿透力与光机的工作电压有关。工作电压低产生的为软射线，穿透力较弱，适于花粉外照射；工作电压高产生的为硬射线，穿透力较强，适合小块组织、愈伤组织的外照射。射线（丙种射线）：是一种短波长、能量高、穿透力强的电离辐射线。农用射线由放射性同位素60Co、137Cs产生，是目前应用最多的射线。需专门的照射室(60Co源室)，有严密防护，安全。适于外照射。（福建2处）；厦门大学的佳辐占，农大的eui水稻。,四川省农科院的钴圃外貌,钴源遥
5、控操作室,不同剂量钴辐射照射甘薯幼苗及成活表现,中子：不带电粒子，穿透力强，可直接进入细胞核内，适于处理种子、植株的外照射。射线：带电粒子,质量小速度快，可以穿透几毫米的组织。育种上常用的射线由放射线性同位素32P、35S产生。32P、35S必须进入植物组织和细胞后作为内照射才能产生诱变作用。,中子照射装置,高压发生器,靶室装置,加速管,不同剂量的中子处理后长出的小麦幼苗（剂量：低高）,2、非电离辐射线,紫外线：波长较长、能量较低、穿透力不强，多用于照射花粉、孢子、组织培养中产生的愈伤组织等。通常以低压水银灯作为紫外线源。有效波长为250290nm（核酸吸收光谱区）。其它物理诱变因素激光 电子
6、束、等,航天育种(太空育种):指利用返回式航天器和高空气球等所能达到的空间环境对植物的诱变作用以产生有益变异，在地面选育新种质、新材料，培育新品种的农作物育种新技术。其确切的诱变因素、诱变机理、遗传特点不清，在学术界还有争论。（上海东方科举论坛，张院士）我国在该领域取得了国际领先水平的研究成果，已育成许多作物新品种。,1987年8月5日，利用我国第九颗返回式科学试验卫星第一次将一批水稻和青椒等农作物种子送向太空，目的并不是育种，只是想了解空间环境对植物遗传性的影响。科学家无意中发现，上过天的种子发生了一些意外的遗传变异，因此人们开始考虑农作物的航天育种。2003年4月，经国家有关部门批准，航天
7、育种工程项目正式启动。（福建，2005年重大育种专项）到目前为止，我国先后进行了13次70多种农作物的空间搭载试验，在水稻、小麦、棉花、番茄、青椒和芝麻等作物上诱变培育出30多个品种通过审定，还获得了一些罕见突变材料。青椒：个头非常大，可当水果。水稻：福建农科院（特优航一号，II优航一号）、华南农业大学（抗病材料）。,（二）辐射处理方法,1、外照射：指受处理的材料暴露在射线下进行照射。要求射线能量大、射程远、穿透力要强，如中子、等。优点是方便，可集中处理大量材料，无污染（有严格防护）。,（1）根据照射时间的长短，分为：急性照射：指采用较高的剂量率在较短的时间(几分钟，几小时)内照射完全部剂量。
8、慢性照射：在长时间(几天、几个月、甚至整个生育期)内进行低剂量率的缓慢照射。据研究，慢照射比急照射对材料的损伤轻，形态畸变少，诱变效果稳定。也有相反结果的报道。,（2）根据处理植物材料不同，可分为：种子照射：干种子、湿种子、萌动种子。照射后及时播种。花粉照射：一是将花粉（n）收集于容器内，照射后立即授粉。一是直接照射植株上的花粉(便携辐照仪)。子房照射：直接照射植株上的子房。营养器官照射：特别适合于无性繁殖植物。愈伤组织照射,60Co射线种植房，慢照射,2、内照射:将放射性同位素（P32、S35）直接引入植物体内，由它放射出的射线在体内进行照射。易造成污染，应用受到限制。优点：剂量低、持续时间
9、长，大多植物都可在生育阶段处理。内照射的方法有以下几种：,浸种法：含32P或35S溶液浸泡种子或枝芽。施入法：做成“超微量元素”肥料施入土壤(如用32P的磷肥、35S的硫肥)，让植物入体内。涂沫法：将32P或35S与湿润剂配合，涂在植物体的创口上，通过根外吸收引入植物体内。注射法：用注射器将含32P或35S溶液注入植物组织内(如嫩枝、幼芽、花蕾、块茎、鳞茎等)。,（三）适宜剂量和剂量率的确定,适宜剂量：能够最有效诱发育种者所希望获得的变异类型的照射量。即活：后代要有一定的成活植株变：在一定的成活植株中，有较大的变异效应优：产生的变异有较多的有利突变。确定方法：以发芽率(或幼苗生长势)为指标，找
10、出发芽率为对照一半的剂量，即“半致死剂量”(LD50)，以此为中心确定实验剂量。（实际应用时难）,1、剂量单位伦(伦琴,R)：是和射线的剂量单位。1g空气中吸收83尔格（erg）的能量成为1伦。照射剂量单位：库仑/千克(Coulomb/)=3.876 103R。拉特(Rad)：又称组织伦琴。1g受照射物质吸收100尔格的能量。吸收剂量单位：戈瑞(Gray)=100Rad居里(Ci)：放射性强度，育种上通常用毫居里(mci)或微居里(uci)表示。1 Ci=3.71010次核衰变/秒；mCi=10-3Ci；Ci=10-8Ci中子流量：每平方厘米的中子数（n/cm2）,2、剂量率 单位时间内被照射
11、植物所所受的剂量。R/h、R/min或R/S。辐射诱变效果与剂量大小有关，也与“剂量率”有关。一般情况下，剂量率过高（急性照射），会显著影响幼苗成活率和生长速度。通常干种子剂量率为60100 R/min，花粉为10 R/min左右。,3、作物的辐射敏感性（1）敏感性：在一定剂量的射线照射下，生物体、组织、细胞或细胞内含物在形态上和机能上发生变化的大小。或产生一定的生物学效应所需的照射剂量大小，剂量越大，敏感性越小。反之，则越大。,（2）敏感性的测定指标生长受抑制程度：半致矮剂量(D50)植株成活率：致死剂量（LD100）：辐射引起植株全部死亡剂量半致死剂量（LD50）：辐射引起50%植株死亡剂
12、量临界剂量：辐射后植株存活40%的剂量植株不育程度：不育株%幼苗根尖和幼芽细胞染色体畸变率细胞分裂间期细胞体积、染色体体积变化。,（3）作物敏感性差异不同作物：豆科禾本科十字花科不同亚种，不同品种：粳稻籼稻不同器官、组织、细胞：根叶；分生组织成熟组织；性细胞体细胞；不同染色体倍数：单倍体二倍体多倍体不同发育时期、生理状态：幼龄植株老龄植株；生殖生长营养生长；未成熟种子成熟种子；湿种子干种子等实践上，应使用多个剂量。如水稻，1.5 R，2.0 R，2.5 R,（4）环境影响含水量温度贮藏效应O2浓度,三、化学诱变,（一）化学诱变剂的种类和性质 能与生物体的遗传物质发生作用并改变其结构，使后代产生
13、可遗传的变异的化学物质称为化学诱变剂（chemical mutagen）。常用的化学诱变剂有：1、烷化剂 它带有一个或多个烷基（-CH3，C2H5），能转移到电子密度较高的核酸分子中，置换碱基中的氢原子引起DNA复制错误。,常用的几种烷化剂：甲基磺酸乙脂 EMS乙烯亚胺 EI亚硝基乙基尿烷 ENU(NEU)亚硝基乙基脲 ENH(NEH)硫酸二乙脂 DES,2、核酸碱基类似物 在化学结构上与核酸碱基相似，不妨碍复制，但因可置换碱基，引起碱基配对差错导致突变。如：5-溴尿嘧啶(5-BU)。3、其它化学诱变剂：如叠氮化合物、甲醛、抗生素（链霉黑素）、亚硝酸、DNA、生物碱（秋水仙碱）等。,各化学诱变
14、剂的特性 p103表7-4,用玉米总DNA 浸泡莆大麦2号（二棱）（左上）的D2中出现各种棱突变体（下图）,（二）处理方法,1、材料：种子、幼苗、花粉、愈伤组织等2、方法：浸渍法：诱变剂溶液浸渍受处理材料。注入法：用注射器将药液注入处理材料。涂抹和滴液法：将药剂涂抹在植株、枝条或块茎等材料的生长点或芽眼上，也可用吸管吸药滴于芽、侧芽上。熏蒸法：将花粉、花序或幼苗置于一密闭小箱内，使药剂（挥发性的）产生蒸汽进行熏蒸。施入法。注意污染问题,（三）处理的浓度和时间,诱变效果与化诱剂浓度、诱变剂种类、植物材料、处理时间、温度、pH值等有关。适宜的浓度需通过“幼苗生长试验”来确定。一般认为：禾谷类植物由
15、处理种子所长成的植株生长下降50%-60%，就得到最适宜的突变量。而对乙基磺酸甲烷(EMS)来说，20%的生长下降就足够了。,1、浓度：化学诱变剂的剂量用克分子浓度或百分比浓度表示。高浓度处理，影响植株的存活率和育性下降。低浓度、低温、长时间处理，可以减轻药物对细胞的伤害，提高存活率和突变率。应考虑水解问题。几种化学诱变剂处理禾本科作物种子的适宜浓度见下表。,P106表7-5,2、时间：以受处理的组织完成水合植用并保证完全被诱变剂浸透为准。一般地，温度高，浓度大，处理时间应短；温度低，浓度小，处理时间应长。与预处理也有关，如种子预先浸泡，细胞膜透性提高，对诱变剂吸收快，且代谢活跃，敏感性提高，
16、处理时间可缩短。如果处理时间较长，由于诱变剂的水解，必须在诱变剂水解1/4时更换溶液保持相对稳定的浓度。如温度30C时DES（硫酸二乙脂）的半衰期为lh，那么处理0.5h时要更换一次药液。,3、温度：温度对化学诱变剂的水解速度有关。高温使水解速度加快，低温可保持药物的相对稳定性。在一定的温度范围内，提高温度有良好的效果。化学诱变剂易水解，一般需要缓冲剂，现配现用。化学诱变剂毒性大。如，烷化剂大多会致癌，氮芥类易造成皮肤溃烂；乙烯亚胺有腐蚀、易燃作用；亚硝基甲基脲(NMU)易于爆炸等。因此应注意人身安全、避免接触皮肤或误入口中。万一身体某部位被污染，可用大量流水冲洗或适当的化学清除剂洗涤。,四、
17、诱变后代的处理,（一）处理材料的选择1.综合性状良好的品种（个别缺点易改良）2.杂交材料（增加变异）3.单倍体（突变体易选择、易纯合）4.多倍体（对染色体畸变忍受力强，减少突变体死亡率）,（二）诱变后代的选择,1、M1的种植与选择（1）M1的种植 按不同剂量分别播种。由于生活力弱，发育不正常、有的个体还会死亡。因此，M1要大群体种植。为提高M1代的存活率，应注意精心管理，但可采用密植（主穗突变率高）。,（2）M1的选择 M1代可出现明显的形态变异，如株型变矮，生育期推迟或变早，白化等异常现象。但，突变多是隐性突变，且存在嵌合体现象，一般不进行选择。若处理的材料为杂种或单倍体，或发生了显性突变，
18、可进行选择。（3）M1的收获混收（个别特殊变异株单收）可只收获主穗，或从每株上收获几粒种子混和。,2、M2的种植和选择,（1）M2的种植：混合点播，应有一定的株距和行距，有利于性状充分表现，地力均匀管理一致，以便准确鉴定和选择。以株为单位种成株系（M1单收变异株）。（2）M2的选择 M2是选择的关键世代。根据育种目标要求，采用单株选择法（系普法）。,3、M3及以后世代的种植和选择 按系普法的程序进行。一般只需2-3次，甚至1-2次单株选择即可。为什么？特殊材料应注意保留。诱变的重要目的。如果处理的材料是营养体（无性繁殖、观叶花卉等），后代怎么选择？（提示：常常存在嵌合状态）,五、提高诱变育种效
19、率的方法,（一）衡量诱变效果的指标1.突变率 M2突变体数目占调查群体总数的%M2突变体株数 突变率（%）=100 M2种植总株数,2.诱变效率 突变率诱变效率=生物损伤3.诱变效果 突变率诱变效果=诱变剂量4.诱变功效 有用突变率诱变功效=诱变剂量,（二）提高诱变育种效率的方法1.选择适宜的育种材料。2.确定适宜的诱变剂和诱变剂量。3.采用适宜的处理时间。4.可采用综合诱变处理。5.扩大诱变后代群体6.与其它育种方法相结合。,思考题1.什么是诱变育种？诱变育种有哪些特点？2.解释术语：突变率；诱变效率；诱变功效；内照射；外照射；致死剂量；半致死剂量；临界剂量3.诱变育种与杂交育种在后代处理上有何异同？,
