园艺植物育种学12诱变育种

第十二章诱变育种mutationbreeding孙胜2009-6山西农业大学-园艺植物育种学概念诱变育种：用各种物理的或化学的手段，人工诱发有机体产生遗传物质的变异，并经过人工选择、鉴定，培育所创造新品种的育种途径。也叫突变育种或引变育种。特点：突破原有基因、基因库限制用各种物理、化学和生物因素或复合因素诱发基因突变丰富种质资源以选育新品种发展简史诱变育种起始于20世纪20年代末。最早发现x射线和化学药剂可提高基因突变频率。20世纪50年代，辐射育种技术兴起，并在园艺植物育种方面得到有效利用。据FAO/IAEA统计资料，通过诱变育种获得的果树新品种数量在近二十年内急剧增长。到1993年时，总计育成各种果树品种41个（不包括我国的），其中苹果9个，欧洲甜樱桃8个，欧洲酸樱桃4个，桃、石榴、葡萄、柚、橙、枣各2个，枇杷、无花果、香蕉、杏、黑穗醋栗、醋栗、油橄榄、扁桃及木瓜各1个，涉及19个果树品种。我国自60年代开始果树诱变育种，至90年代共育成10个品种中国农科院柑桔研究所--418红桔、中育7号、中育8号西新广农场--新光雪橙青海农科院园艺所--东垣红苹果内蒙古园艺所--梨品种朝辐1号、2号、10号、11号和辐射向阳红。可见，诱变育种在创造园艺植物品种方面还是有很大潜力的第一节诱变育种的意义和类别一、意义1.改良单基因控制的性状2.提高突变频率3.丰富原有的基因库4.改变植物的育性5.改变植物有性交配的亲和性6.缩短营养系品种的育种年限1.改良单基因控制的性状诱变育种适于进行个别性状的改良——品种修缮许多优良品种，只是个别性状存在缺陷。在杂交育种时，基因会发生分离和重组，有时会引起优良性状组合的解体。另一方面，由于基因间的连锁关系，可能引起优良性状夹带不良性状。诱变处理，可产生点突变（pointmutation），可改变品种的个别不良性状。对高度杂合的无性繁殖的园艺植物更有意义。——应用原则：如：辐射诱变得到的苹果短枝型突变体，既保留了原品种的优良性状，又获得了矮化型变异。2.提高突变频率辐射诱变，可使变异频率较自然变异（一般是万分之几至十万分之几）提高100~1000倍，为选择提供了丰富的材料3.丰富原有的基因库变异的类型多、范围广（有形态变异、结构变异、生理生化变异等果树、蔬菜类，要求获得果实或营养体的综合性状好，而观赏植物的花、叶、果都有观赏价值，只要叶型、花型、花色、株型等发生突变，都能构成观赏效果。所以，观赏植物诱变育种更易收到效果。另外，对于不能用种子繁殖的无性繁殖植物，诱变育种提供了一条有效途径。4.改变植物的育性花粉污染问题——辐射诱变不育系西伯利亚百合东方百合5.改变植物有性交配的亲和性自交不亲和——诱变自交亲和解决果树授粉问题花粉、花器官辐射处——克服远缘杂交不亲和6.缩短营养系品种的育种年限尤其是对童期长、高度杂合、可进行无性繁殖的果树，可省去杂交、播种等复杂程序以及漫长的童期等待过程。对诱变处理后发现的优良性状，可通过嫁接等方法固定，并进行鉴定。果树杂交育种，一般20-30年；辐射诱变，一般10年左右。局限性变异的方向和性质难以掌握诱变产生的突变多为劣变，有利变异很少。变异的方向和性质很难进行有效的预测和控制。二、诱变育种的成就诱变育种用于花卉育种的最多核技术的发展和新化学诱变剂的发现——诱变育种得到较为广泛的应用。无性繁殖植物占比重大。早乔纳金山东青岛市农科所1981年用快中子处理乔纳金休眠枝诱变育成。生长习性与乔纳金基本一致，生长势较弱。早果性强，风味同乔纳金，品质上，果实成熟期9月上旬，正值中秋佳节上市。金二十世纪梨属砂梨系统，又名王子二十世纪该品种系日本育种家西田光夫先生通过二十世纪梨进行辐射诱变成培育成的最新品种于1990年正式命名，并获日本农林水产省种苗登记。我国于1992年引入，经8年观察，专家评议认为是今后梨树发展极有希望的新品种三、诱变育种的类别1、物理诱变2、化学诱变3、其他因素1、物理诱变辐射诱变——电离辐射电离辐射：穿透力很强的高能辐射，穿过介质时使介质发生电离，具有特殊的生物学效应X射线、γ射线、β粒子、中子、激光离子注入N+、C+、Ag+、Ar+低能离子太空诱变——变异幅度大、频率高，稳定快极端温度（极端低温）——极地和高寒地带植物突变率高太空育种是利用太空环境的高真空、微重力、强辐射、交变磁场及其它因素的综合作用，致使植物体内染色体等遗传物质发生突变，从中选择优良的突变个体。大青杨太空育种主要是解决耐寒性和速生性的问题。前苏联曾做过类似的太空育种，其速生性提高30％。据了解，大青杨是生长在中国东北小兴安岭的一种杨树。这3000粒树种总重只有2克，被包装在3个试管中，2002年12月30日随神舟四号飞船升空，经过160多小时的太空遨游，于2003年1月5日返回地面。航天育种培育出高产太空椒.利用卫星搭载农作物种子，开展空间育种技术研究和探索，是发展现代农业的一项全新尝试。黑龙江省农业科学院园艺分院生物技术中心采用航空诱变育种途径培育而成的高产太空椒。2、化学诱变概念——应用特殊的化学物质诱发基因突变和染色体变异。效应——诱导多倍体（倍性育种）；诱发基因突变；诱发染色体断裂。化学药剂——烷化剂类、碱基类似物等。作用机理——参与细胞内生化反应而起作用3.其它因素自体突变——现象月见草种子老化能增加突变率金鱼草缺乏某些营养元素会引起突变组培再生植株突变频率高陈种子——诱发突变——生物体或细胞内部因素第二节辐射诱变一、辐射源和辐射剂量二、辐射诱变机理三、辐射处理的方法一、辐射源和辐射剂量（一）辐射源1.X射线：X光机2.γ射线：60钴、137铯及核反应堆3.β粒子：32磷、35硫4.中子：核反应堆、加速器或中子发生器5.激光：激光器6.紫外线（UV）：紫外灯（二）辐射剂量剂量单位对辐射测量的方式——对辐射在空气中的效应的测量——辐射量对被照射物质所吸收能量的测量——吸收剂量对辐射源本身的测量——放射性单位强度剂量率——单位时间所辐射或吸收的剂量1.辐射剂量和辐射剂量率：符号X；适用于X射线、γ射线单位：C/kg；剂量率：C/(kg·s)2.吸收剂量和吸收剂量率：符号D；适用于γ、β、中子等任何电离辐射；单位：Gy（戈瑞）；1Gy=1J/kg；剂量率：Gy/h、Gy/min、Gy/s3.粒子注量和注量率：1）Gy表示；2）注量：n/cm2；注量率：n/（cm2。s）4.放射性强度：Bq（贝可）单位时间内核衰变数目（二）辐射剂量（一）辐射生物学作用的时相阶段（二）辐射对染色体和DNA的作用（三）植物对辐射损伤的修复（四）辐射敏感性二、辐射诱变机理（一）辐射生物学作用的时相阶段Dertinger和Jung1970年提出，4个时相阶段1.物理阶段：电离、激发2.物理-化学阶段：自由基3.化学阶段：生物大分子反应4.生物学阶段：生化过程改变，细胞结构组成变化物理阶段：主要特征是辐射能量使生物体内各种分子发生电离（产生自由电子）和激发（把束缚电子激发到更高的能级）。物理-化学阶段：主要特征是通过电离的分子重排，并产生许多化学性质很活泼的自由基（具高能）。OH.+OH.H2O22OH.+O22HO2.H.+O2HO2.H2O辐射H2O++e-H2O+e-H2O-H2O+H++OH.H2O-OH-+H.化学阶段：这一阶段是自由基的继发作用，自由基与生物大分子发生反应，引起分子结构的变化。生物学阶段：细胞内生物化学过程发生改变，从而导致各种细胞器的结构及其组成发生变化，包括染色体畸变和基因突变，产生遗传效应。（二）辐射对染色体和DNA的作用1.辐射——生物体直接作用：射线→生物大分子间接作用：射线→水→自由基→生物大分子2.辐射——染色体引起染色体畸变和基因突变；染色体数目改变3.辐射——DNA氢键断裂、糖与磷酸基断裂、交联现象DNA受辐射后引起的异构现象，会导致有机体性状变异。（三）植物对辐射损伤的修复生物体——自我修复能力抑制修复体系，提高突变频率EDTA，咖啡因，BUdR（四）辐射敏感性植物不同种类和品种，敏感性不同染色体DNA含量决定敏感性：DNA含量越多越敏感多倍体比二倍体更抗辐射植物组织器官、发育阶段和生理状态不同，敏感性不同根枝条种子；性细胞体细胞；幼龄植株老龄植株三、辐射处理方法（一）照射材料的选择1.种子——使用最普遍。处理量大、便于运输、操作简单。辐射处理种子及时播种（贮存效应）2.营养器官和植株——无性繁殖园艺植物常用。枝条、块茎、鳞茎、球茎等多年生果树：结果早，鉴定快。照射后嫁接或扦插繁殖3.花粉和子房——最大优点：很少产生嵌合体4.离体培养材料——可避免和减少嵌合体的形成。辐射单倍体诱发突变，无论显隐性，都能在细胞水平或个体水平上表现出来，经加倍可获得二倍体纯系。（二）适宜剂量及剂量率的选择1.在一定范围内增加剂量可以提高突变和突变谱，但超过一定范围后增加剂量会降低成活率和增加不利突变率。2.剂量选用原则：活——后代有一定成活率变——在成活个体中有较大的变异效应优——变异的个体中有较多有利变异临界剂量－－被照射材料的存活率为对照的40％的剂量值。LD50(半致死剂量)---辐照后存活率为对照的50％的剂量率。高剂量——造成大量死亡；选择几率降低；造成染色体损伤较大，导致有害突变比例大大增加。预备实验：不同剂量梯度，枝条辐射后插于瓶内，20℃3～4周，统计萌芽率。（三）辐射处理方法的选择1.外照射——材料不含辐射源，环境无污染，首选急性照射——短时间内完成总照射剂量慢性照射——较长时间内完成总照射剂量重复照射——几个世代中连续照射2.内照射——剂量低，持续时间长，多数植物可在生育阶段进行；蜕变效应；需要防护浸泡法注射或涂抹法饲喂法（或施肥法）第三节化学诱变一、常用化学诱变剂及其机理二、化学诱变方法三、影响因素有关化学物质：具诱发基因突变和染色体断裂效应，使生物产生遗传性变异的化学药剂种类有：秋水仙素，烷化剂类，核酸碱基类似物及其他诱变剂。一、常用化学诱变剂及其机理（一）烷化剂——最重要的一类诱变剂带有一个或多个活泼的烷基通过烷基置换取代其他分子的氢原子“烷化作用”——作用机制它们借助于磷酸、嘌呤、嘧啶基的烷化而与DNA或RNA起作用，进而导致“遗传密码”的改变。作用重点是核酸1.烷基磺酸盐和烷基硫酸盐类：如甲基磺酸乙酯（EMS），硫酸二乙酯（DES）。2.亚硝基烷基化合物：如亚硝基乙基脲（NEH），N-亚硝基-N-乙基脲烷（NEV）。3.次乙亚胺和环氧乙烷类：如乙烯亚胺（EI）。4.芥子气类：包括氮芥类和硫芥类。（一）烷化剂这类药剂以化学结构上与核酸碱基（A，G，C，T）相似的特点，可以在不妨碍DNA复制的情况下，作为组成DNA的成分而掺入到时DNA中去，由于它们在某些取代基上与正常碱基不同，造成碱基配对的差错，而引起突变。（二）碱基类似物eg：5-溴尿嘧啶（BU），5-溴去氧尿核苷（BUDR），它们是胸腺嘧啶（T）的类似物，化学结构与胸腺嘧啶极度为近似，由于这个特点，5-BU，BUDR便能够冒名顶替，掺入到DNA链的某一个胸腺嘧啶的位置上，引起遗传密码复制的差错，而造成突变。另外，2-氨基嘌呤（AD）是腺嘌呤（A）的类似物；马来酰肼（MH）是尿嘧啶（U）的异构体。（三）其他诱变剂a、脱氨剂：如亚硝酸（HNO2）在pH5以下的缓冲液中，能使DNA分子的嘌呤和嘧啶基脱去氨基，使核酸碱基发生结构和性质改变，造成DNA复制紊乱。eg：A和C脱氨后分别生成H（次黄嘌呤）和U（尿嘧啶），这些生成物不再具有A和C的性质，因此，复制分别与C和A配对，遗传密码因此而改变，遗传性状随之也发生改变。b、此外，羟胺（NH2O