种质改良与创新（精选4篇）
种质改良与创新 篇1
从1978~1998年全国种植面积在6.7万hm2的以上的品种中, 自交系来源中含Reid的种质M14、W24、系14、5003、U8112、B73、7922、C8605-2、丹9046、4112、本7884-7等。2003-2012年吉林省玉米杂交种中Reid种质所占的比例在19.2%~35.7%, 平均27.8%。最近几年, 在全国乃至东北地区郑58、PH6WC改良系、7922改良系、C8605-2改良系应用面积呈上升的趋势。
1 玉米Reid种质的引进
从20世纪50年代我国就引入第1批Reid玉米种质, 东北地区最早引入Reid种质主要有M14、W20、W24、B73等, 并用于双交种、三交种、单交种的选育, 东北春玉米区用M14、系14 (M14变异株) 、B73育成吉双83 (英64×M14/oh43×铁133) 、四双一号 (英64×铁84/M14×W20) 、吉单101 (吉63×M14) 、四单8 (系14×MO17) 、吉单122 (B73×黄早4) 、四单18 (416×B73) 、吉引704 (B 73×MO17) 。
在20世纪70年代末, 东北地区和国内引入第2批国外杂交种XL80、U8、3147、3382等, 从这批杂交种育出著名的掖107、U8112、沈5003、铁7922等优秀自交系, 用这批优良自交系组配一批优良杂交种沈单7 (5003×E28) 、铁单8 (7922×旅9宽) 、哲单20 (773-2×7922) 、四单105 (495×7922) 、四单152 (7922×四D375) 、海单2 (7922×丹360) 、掖单11 (5003×52106) 为我国玉米科研和生产作出重要贡献。
2 对玉米Reid种质的综合评价
5003、7922可代表中国的育种水平, 具有叶片数目少, 株型清秀, 耐密植, 果穗中、长、穗轴细、子大粒、马齿型、出籽高、自身产种量高、抗玉米大斑病、茎腐病、丝黑穗病、抗玉米螟虫、高抗倒伏等优点。
5003和7922宜作母本、制种产量高。自交系熟期略晚、使育出的杂交种产量高, 耐干旱、耐瘠薄、稳产性好、抗逆性强、广适性。
优良玉米自交系5003、7922及其衍生系在春玉米区已广泛应用了近20a, 是春玉米区推广面积最大、选育品种数量最多、应用时间最长、最有潜能的自交系, 也是东北地区的骨干种质之一。
近年来, 5003、7922对玉米叶斑病、茎腐病发病较重, 有的年份雌雄发育不协调, 雄穗先开花, 雌穗花丝抽不出来, 5003在东北地区感玉米穗粒腐病、感玉米绣病。用5003、7922所组配的杂交种宜发生灰斑病、弯苞菌叶斑病、青枯病和茎腐病, 个别品种感穗粒腐病, 严重影响新品种使用寿命和推广年限。
东北地区用M14、沈5003、铁7922、U8112等做基础材料, 选育出系14、K10、铁C8605-2、丹9046、本溪M67、本7884-7、吉8902、四-4112、四-D387、吉A-394、吉B232等优良自交系, 使Reid种质很快成为东北地区和全国的核心玉米种质之一。国内用这批衍生系组配的杂交种表现出高产稳产、抗病性强、适应性广的优点, 深受辽宁、吉林、山西、河北、宁夏、新疆、黑龙江、内蒙古等地的农户欢迎。
3 玉米Reid种质的改良与创新
辽宁省对5003、7922改良获得最佳效果, 丹东市农科院用5003×7922育成9046, 铁岭市农科院用7922×5003育成C8605和C8602-2。
吉林、黑龙江等省针对5003、9046、U8112在该地区生育期偏长, 5003后期脱水慢, 有穗粒腐病。这几个晚熟自交系, 在黑龙江早熟区、吉林中熟区不能直接应用, 黑龙江省农科院用长3×5003/长3育成K10;四平市农科院用B37Ht来改良8112育成4112;用MO17×L105/8112育成四-D387;吉林省农科院用9046×4112育成吉A-394。其中, 在东北地区改良成效最大、选育品种最多、应用面积最大的自交系有:系14、铁C8605-2、丹9046、K10、本溪M67、本7884-7、吉8902、四4112、四-D387、吉A-394、吉B232已成为东北春玉米区重要的骨干系, 形成了我国改良Reid新类群。
3.1 对7922株高进行改良
辽宁铁岭、丹东农科院都同期发现, 在制种田中的7922植株过于高大, 用做母本时发现植株太高, 雄穗刚抽出就在苞叶中散粉, 去雄非常困难。5003抗叶班病、抗倒伏、穗较长、粒大, 它居有多基因位点控制的致矮性, 配合力高等优点。铁岭市农科院用7922×5003作基础材料育出铁C8605等;丹东市农科院用5003×7922作基础材料育出丹9046;都把7922株高270cm降到170cm左右, 对7922株高的改良获得极大的成功。
3.2 利用高抗叶斑基因来改良
吉林省辽源市农科院选用高抗叶班病、高抗穗粒腐的自交系齐319做亲本改良掖478育出D12, 用D12×D34育成吉东15品种。用5003×齐319/7922育出D01。用D01×丹598选育出吉东6品种。
3.3 利用本地骨干自交系来改良
吉林省通化市农科院用本省骨干系吉846来改良掖478, 重点解决掖478感穗粒腐病、感叶斑病、脱水慢等缺陷。用掖478×吉846育出LH2, 用LH2×丹340育成通育97号。吉林省平安种业用生产上骨干系M017来改良掖478, 用M017×478育出PA3-27, 用PA3-27×PA504育成平安38。吉原种业用生产上骨干系7884-7来改良掖478, 用掖107×7884-7育出J338, 用J338×J216育成原单68。
3.4 利用本地区综合种质来改良
内蒙古通辽市金山种业用本地骨干系, 综合种选系综31来改良掖478的缺陷, 重点拓宽Reid种质的应用范围。
4 Reid种质对东北春玉米育种的影响
4.1 Reid种质对东北玉米育种作出了重大贡献
自从这批国外杂交种XL80、U8、3147、3382的引入, 用5003和7922做基础材料育出一大批衍生系:铁C8605-2、丹9046、本溪M67、本7884-7、吉8902、四-4112、K10、四-D387、吉A-394、四-B232、L911等, 现已成为东北春玉米区重要的骨干系, 形成了我国改良Reid新类群和新种质。成功解决了生产上耐密植、耐干旱、抗倒伏、广适性等问题, 用这批改良系育出“丹玉系列”、“铁单系列”、“沈单系列”、“辽单系列”、“四单系列”、“吉单系列”、“龙单系列”为代表的早、中、晚熟系列杂交种, 在丰产性、耐密、耐旱、耐瘠薄、抗病、抗倒伏等方面都取得重大新突破。见表1和见表2。
4.2 丰富东北地区早、中、晚熟核心种质
“巧妇难为无米之炊”, 种质资源是玉米育种的基础, 改良Reid玉米种质需遗传基础丰富性和多样性, 当Reid种质引入春玉米区后, 东北地区玉米育种家们针对其缺点进行大量改良与创新, 先后育出50多个改良系和衍生系。早熟Reid改良代表系:K10;中熟Reid改良代表系:系14;中晚熟Reid改良代表系:吉8902、铁C8605-2、丹9046、本M67、本7884-7、四4112、四-D387、吉A-394、吉B232等, 它们已成为东北春玉米区重要的骨干系, 都广泛应用于生产和科研, 并很快形成Reid新的杂种优势类群, 它丰富了东北地区玉米育种“基因库”, 使东北育种水平又上一个大台阶。
4.3 推动东北地区耐密育种的发展与提高
自从Reid种质引入东北地区以后, 各大育种单位用5003、7922或衍生系做选育亲本育出一大批新品种, 表现高产稳产、耐密植、高抗玉米大斑病、抗丝黑穗病、高抗倒伏、适应区域广。
20世纪90年代后, 各大育种单位针对7922植株过高;5003抗叶病性差的主要缺点进行改良, 育出植株较矮, 配合力高、抗性较强、优点较多, 改良效果显著, 育成有代表性的自交系丹9046、铁C8605-2、K10、四-4112、吉8902、本7884-7、M67、四-D387等, 辽宁丹东市农科院用改良系丹9046育出丹玉26;丹东市农校育出丹933;吉林省农科院用改良系吉8902育成吉单209;用四-4112育成吉单189;四平市农科院用四-4112育成四密21;用C8605育成四单111、四单112、四单136、用M67育成四单151。本溪县农科所用M67育成本玉12、用7884-7育成本玉9、通化市农科院用7884-7育成通单24、黑龙江省农科院用K10育出龙单13;内蒙古赤峰市农科所用K10育出赤早5、吉林省农科院用K10育出吉单519。
东北地区用这批Reid改良新种质育出一大批高抗玉米大斑病、抗丝黑穗病、耐密植、抗倒伏、适应区域广性的杂交种, 使东北地区粮食产量又翻一番。
5 今后东北地区玉米育种的设计与战略
5.1 组成新的抗多种叶斑病、配合力高综合群体 (Reid群)
把东北地区Reid改良系组配成新的综合群体, 群体轮回改良与导入优异种质相结合, 拓宽了原始群体种质基础, 选择16个Reid改良系, 采用半姊妹轮回选择, 边轮回选择边加入国内外新的Reid改良系, 充分打破不良基因的连锁, 让优秀基因重组。经过几轮选择以后, 再从多轮改良后综合群体中选系。
5.2 在Reid改良系群内进行改良
生物性状的稳定是相对, 但不是决对的, 变异是普遍存在的, 玉米自交系也不例外。世界上没有绝对的纯, 也没有绝对的稳定。否则, 就没有生物的进化。自交系随着使用时间的延长, 一些生理小种也要发生变异和进化, 逐渐暴露出一些缺点。采用国内最新育成的Reid骨干系, 对老牌Reid改良系进行改良和创新, 真正形成新的Reid杂种优势群。可与旅大、黄改、国内外兰卡、78599、综合群体等类群进行组配。
5.3 利用中国地方种质进行改良
要改出中国特色Reid新类群, 主要采用以下几种:Reid改良系×黄改系;Reid改良系×东北地方种质。选出新的Reid改良系可直接测配与应用。可与旅大、国内外兰卡、78599等类群进行组配。
5.4 利用国外Reid新种质进行改良
美国两大主要优势群, 一类是Reid群;另一类是兰卡群, 主要采用Reid改良系×国外Reid新种质进行改良, 同另一类组配, 始终站在最高点才不致落伍。
5.5 利用78599种质来改良
把78599选系高抗叶斑病、保绿性好、商品品质优良的基因导入Reid种质中, 形成新的Reid杂种优势群。
5.6 利用含有热带种质种来改良
采用热带种植7490-92来改良9046、C8605-2、4112、8902、7884-7、M67等, 通过热带、亚热带种质之间相互融合既可创出新种质。还可以保持与旅大红骨改良系和黄改系之间的杂种优势。
参考文献
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种质改良与创新 篇2
目前在台山、番禺等部分地区草鱼与南美白对虾的鱼虾混养模式养殖效果较好。该模式以养虾为主, 每亩放养虾苗 (标粗苗) 3～4万尾, 同时搭配300 g左右大规格草鱼种上百尾。通过混养草鱼, 水体生态系统处于平衡状态, 虾塘水质得到有效改善, 且由于草鱼吃病虾死虾, 因此对虾养殖过程中病害较少, 养殖效益比较稳定, 每667 m2纯利润在5 000～7 000元之间。
近年来, 亲鱼遗传背景不清、近亲繁殖导致草鱼出现种质退化的现象, 环境污染也使得草鱼天然种群数量明显下降。针对此问题, 有行业人士表明, 可采用定期更换亲鱼的方式提高草鱼种质。业内部分苗种场如广州海大种苗基地引进长江水系的野生亲鱼, 据介绍其后代鱼苗生长至2 kg左右仍能保持较快的生长速度;湖北石首老河长江“四大家鱼”原种场其亲鱼来自于长江水系的原种, 据称生长速度、抗病力都不错。
细胞工程在玉米种质改良中的应用 篇3
关键词：细胞工程,玉米,种质改良
随着分子生物学技术的完善和发展, 生物技术在玉米育种中的应用越来越广泛。生物技术按研究对象主要分为:细胞工程、基因工程, 分子标记技术。通过生物技术不但可以创造和丰富种质资源, 而且可以创造出新品种, 加快育种进度。
细胞或组织培养技术日益成熟, 我国已培养成20多种植物, 其中小麦、玉米、高粱和辣椒等作物为我国首先培育成功。谷明光等 (1975) 首次获得玉米花粉植株以来, 国内外学者加强了利用组织培养技术对玉米的研究。杭玲等 (1991) 育成了玉米花培杂交种桂三1号和桂花1号, 推广8万多亩。用此技术育成的品种还有花单1号和玉单358等。
1 细胞工程概念
细胞工程是指以细胞为基本单位, 在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞的某些生物学特性按人们的意志发生改变, 从而改良生物品种和创造新品种, 加速动物或植物个体的繁殖, 或获得某些有用的物质的过程。其中, 细胞或组织培养是其核心技术。玉米细胞工程主要包括 (1) 单倍体培养, 包括花粉培养 (孤雄生殖) 和子房培养 (孤雌生殖) 等; (2) 细胞变异体培养, 用于耐盐、耐旱、耐铝和抗病等细胞变异株的诱导和筛选; (3) 其它外植体培养, 如幼胚、幼叶、成熟胚和幼穗等的培养。
细胞或组织培养在玉米育种上有两方面的意义, 其一是通过细胞和其它外植体的人工培养, 快速获得可选择的理想再生体。二是是转基因育种的组成部分, 为基因转移提供了适宜的受体细胞, 为植株再生和正常发育创造了良好的条件。
单倍体培养就是单倍体育种, 即通过单倍体培养讯速获得纯合二倍体, 达到缩短育种年限的目的。花培育种是国际上20世纪60年代发展起来的新技术, 我国已培养成20多种植物, 其中小麦、玉米、高粱和辣椒等作物为我国首先培育成功。花药培养获得单倍体是一项新兴的生物技术, 目前在玉米育种中广泛应用。下面简述玉米花药培养和单倍体育种育种程序及要点:
2 花药培养的一般程序
当玉米尚处于孕穗期时, 将未成熟的雄穗取下, 一般需经过一段时期的冷处理。花药接种前进行压片镜检, 选出小孢子发育单核中晚期和双核早期的花药, 放入诱导培养基。约21～28天后, 可观察到胚状体, 胚状体转入再生培养基, 产生小植株, 经过染色体加倍, 产生双单倍体。然后经自交产生双单倍体种子。另外, 也可通过诱导胚状体获得愈伤组织, 把愈伤组织转移到再生培养基上便也可产生再生植株。其优点是同一块愈伤组织可产生几棵植株, 便于染色体加倍。但由于增加了愈伤组织阶段, 使离体培养时间加长, 增加了遗传变异的可能性。
2.1 影响花药培养效率的因素
2.1.1 供体植物基因型的选择
研究发现, 供体植物的基因型对花药培养效率的影响是非常显著的。遗传分析表明, 只有很少的基因参与单雄发育, 而且胚状体的形成和随后的植株再生没有关联性, 是由不同的基因决定的。单雄发育反应的加性遗传方差大于非加性遗传方差, 即为数量遗传性状。遗传成分参与单雄发育反应的事实, 暗示了由花药或小孢子培养再生的植株至少含有一些有利基因。因此, 花药和小孢子培养就可用来选择有利基因的积累。
2.1.2 对花粉发育阶段的选择
处于不同发育阶段的花药, 其花培效率差别很大。只有花粉发育到一定时期的花药, 才对外界刺激最敏感。玉米的花粉, 以单核中后期为佳。此时花药长度约4mm, 颜色呈淡绿色。原因可能是, 小孢子发育的第三期是胚胎形成的临界期, 超过了这一时期胚状体就不能形成;也许是在小孢子发育过程中, 花药内激素水平在不断改变, 由于花粉的成熟使激素平衡变得不合适, 或为花粉发育所必需的其他一些成分已经耗尽, 从而影响了诱导率 (颜昌敬, 1990) 。检查花粉发育时期, 一般可用醋酸洋红和碘-碘化钾染色压片, 然后在显微镜下进行观察。
2.1.3 温度胁迫处理
接种前的冷处理有利于提高花药培养效率, 但确切的机制尚不清楚。可能与一种特定的蛋白质有关。根据基因型的不同, 供体植物生长状况的不同, 以及离体培养的温度不同, 最适的预处理也不相同。典型的玉米花药预处理一般为4～14℃处理7～14天。接种后的温度胁迫也对花培效率有作用。无论是冷处理还是热处理, 都能使胚状体和再生植株的数量大大增加。
2.1.4 诱导培养基及其成分的选择
用来诱导孢子体的小孢子发育以及随后的胚状体发生的培养基称为诱导培养基。玉米中经常用培养基有N6、玉培、正14等。
①培养基中的糖份:蔗糖的效果最好 (Butter, 1997) 。除了提供培养物的碳源以外, 还起着调节渗透压的作用。不同的糖浓度与花药培养效率关系密切, 正常为蔗糖浓度6～15%。
②培养基中的激素种类及比例:激素对诱发细胞的分裂、生长和分化起着决定性作用。各种研究表明, 生长素 (特别是2, 4-D:1～2㎎/L) 和细胞分裂素 (特别是KT或BA) 的适当比例, 能促进孢子体的小孢子发育。Hongchang等 (1991) 的实验, 比较了9种不同的激素组合, 发现当玉培培养基中加入2㎎/L2, 4-D和1.5㎎/L Kinetin时, 诱导频率最高。宋建成等 (1998) 发现, 2～4㎎/L的2, 4-D有利于胚状体的诱导, 0.1～0.2㎎/L的TIBA (2, 3, 5_三碘苯甲酸) 则显著提高了胚状体的分化率, 花药培养最终效果以0.1㎎/L的TIBA为最佳, 每100枚花药产生绿苗17.2株, 比2～4㎎/L的2, 4-D处理提高85.5%。
③有机附加物:如氨基酸、酪蛋白、乳清蛋白等。其中, 酪蛋白水解物 (CH) 对胚状体的形成有显著的促进作用。CH的这种效应可能因为含有L-Glu和L-Asp这两种氨基酸。另外, 在培养基中加入脯氨酸 (500～800㎎/l) 能够促进愈伤组织的增殖和幼苗的健壮 (Ku等, 1981) 。
④活性炭:有促进花药中花粉愈伤组织和胚状体形成的作用。0.5%的活性炭使玉米花药中愈伤组织或胚状体的诱导频率提高一倍左右, 在分化培养基中加入0.5%的活性炭, 还能促使分化的幼苗健壮, 根系发达 (颜昌敬, 1990) 。原因可能是因为活性炭吸附了培养物在培养过程中分泌的有毒代谢产物, 或吸收了蔗糖在高压消毒时产生的有毒化合物—5-羟甲基糠醛, 从而给花粉细胞的分裂、分化和幼苗的生长, 创造了有利的环境条件。
⑤琼脂:琼脂 (0.7～0.8%) 在诱导培养基中常被用做凝胶剂, 琼脂糖 (0.6～0.7%) 效果也很好 (Nitsch等, 1982;Dieu和Beckert, 1986) 。Butter等 (1997) 通过比较不同的凝胶剂, 发现脱乙酰基吉兰糖胶 (0.1～0.2%) 凝固的培养基与琼脂凝固的培养基相比, 胚状体的生成量多一倍。
2.1.5 植株的再生
要得到再生植株, 可直接将胚状体转移到再生培养基, 也可以先诱导愈伤组织, 然后再转到再生培养基。玉米的再生培养基多以N6或玉培为基础。再生培养基与诱导培养基的主要区别是, 蔗糖浓度的减少 (2%～4%) 和添加细胞分裂素, 如Kinetin (1～2.5 /L) 或BA (0.5～1.0 /L) , 来促进芽的诱导。Kuo等 (1986) 报道, 1 /L的Kinetin对植株分化最有效。Butter等 (1997) 通过比较各种培养基, 发现以玉培为基础的培养基, 含30g/L的蔗糖, 2.5 /L的Kinetin, 用琼脂糖凝固, 可以有效的完成植株再生, 每100个胚状体可产生10～20株再生植株。
与诱导愈伤组织不同, 植株再生时需要将胚状体暴露于光照下, 一般胚状体或愈伤组织需在白色荧光灯下 (16h光周期) , 26～28℃培养。也有研究提出, 增加红色荧光有助于植株再生 (Nitsch等, 1982) 。
通常根在再生培养基中或移到无激素的培养基中后产生。如果培养基中加入多效唑 (MH) 1～2 /L, 会促进根的发育和生长。当再生植株产生出发育良好的根系时, 就可移出试管。在一般的程序中, 当胚状体直径达到1～2mm时, 转入再生培养基以诱导芽和植株的形成。早期转移, 在接种21天后将花药转移到再生培养基上, 尽管平均成胚花药数目略有降低, 但平均再生植株数增加了10倍 (Barloy, 1993) 。
3 利用单倍体细胞进行基因转导
单倍体细胞是外源基因转入的理想目标, 因为它将使转化体成为完全纯合的植株, 导入一个纯合的基因组将避免转化植株的后代发生分离。作为单细胞系统, 离体的小孢子用做遗传转化的靶, 可以避免嵌合再生体的形成。而且, 与离体培养相关的体细胞无性系变异的可能也相对较小, 因为与其它靶组织相比, 其培养时间较短。
生物技术在玉米种质改良中将发挥越来越重要的作用。随着细胞工程技术的发展, 转基因技术的日益成熟, 玉米种质改良将进入一个新的发展阶段。细胞工程会在改良玉米抗性、抗虫、抗涝、抗旱、抗除草剂等方面发挥更大的作用, 改变目前我国玉米种质遗传基础狭窄难题;结合转基因技术实现转基因育种, 培育出高抗、优质、高产新品种。
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诱变技术在玉米种质改良中的应用 篇4
据Maluszynskideng (1995) 报道, 目前世界上已经有50多个国家在154种植物上利用诱变方法育成了1737个品种, 其中农作物1275个, 直接利用突变体的有769个, 利用突变体作为杂交亲本间接选育而成的有506个。其中禾谷类居大多数, 达822个, 水稻最多, 有318个。玉米居第四位。在各种植物的改良中以提高产量、植株矮化、早熟性和抗病性方面所占的比重最高。
由于诱变技术产生的突变率是自然突变率的100～1000倍, 而且变异范围广, 甚至可以产生自然界尚未出现和很难出现的基因型。所以, 加强诱变技术在玉米种质改良中的应用, 不失为扩大玉米种质基础的一种快速、高效的育种方法。国内外育种家都进行了大量的研究。并取得了显著的成绩。
1 物理诱变育种技术
物理诱变育种的初期主要是利用X射线, 而今主要是应用γ射线。根据Micke等 (1990) 的汇总, γ射线处理育成的品种达570个, X射线处理育成292个, 中子处理育成49个, 其他射线育成22个, 合计933个, 占全部育成品种的90.8%, 化学诱变处理育成95个。
在国内, 山东省农科院用Co60处理玉米自交系武105和多229的杂交一代干种子, 育成了株型理想、果穗大、抗病性好、产量高等优点的原武02。组配鲁原单4号等累计推广面积达596.3万hm2。丹东市农科院用Co60射线处理玉米种子, 选育出了高产、高抗、广适的优良玉米自交系丹340和丹360。丹340这是我国玉米育种应用最广的自交系之一, 该系组配的掖单13、铁单9号等16杂交种, 其中掖丹13, 在1996年全国种植面积超过134万hm2, 名列各品种榜首。吉林省四平农科所将M017辐射处理育出了4F1自交系, 组配的四早6杂交种, 在吉林、黑龙江有过很大的推广面积。同样的方法育成的自交系还有华凤100、原齐123、原齐722、鲁原133、原辐黄、辐80、等。
1.1 物理诱变剂的种类
典型的物理诱变剂是不同种类的射线, 常见的有X射线、γ射线和中子, 此外还有紫外线和β射线。
1.2 诱变机理
X射线和γ射线都是能量较高的电磁波, 能引起物质的电离。当物体的某些较易受辐射敏感的部位受到射线的撞击时而发生离子化, 可以引起DNA链断裂, 当修复时不能恢复到原状就会出现突变。如果射线击中染色体则可能导致断裂, 在修复时可能造成缺失、重复、倒位和易位等染色体畸变。中子不带电, 但当与生物体内的原子核撞击后, 使原子核变换产生γ射线等能量交换, 从而影响DNA和染色体的改变。
1.3 处理材料的选择
处理应选用遗传基础广泛的材料, 例如高产、综合性状好和适应性广的推广品种, 通过诱变改良一两个性状的缺点。选用自交系很难获得理想的结果, 原因是自交系纯合度高, 遗传基础贫乏, 生活力低, 难以接受辐照的损伤。处理部位有植株或植株的局部、种子以及花粉, 应用最广泛的而且最见效的方法是处理种子。
1.4 诱变剂量的选择
玉米自交系、杂交种、品种间有着不同的辐射敏感性, 要得到良好的诱变效果, 必须选取适宜的剂量范围。剂量较高, 会产生严重的损伤, 失去选择机会;剂量较低, 则不会产生明显的变异。据报道, 用60Co-γ射线辐照自交系时, 剂量为135～190Cy, 辐照杂交种时, 剂量为200～320Cy为宜 (周柱华, 1997) 。
1.5 突变性状与选择
经过诱变处理的种子或营养器官所长成的植株或直接处理的植株均称为诱变一代 (M1) 。大多数突变都是隐性突变, 少量是显性突变, 如果处理花粉后出现显性突变, 则经授粉后能在当代立即识别, 产生隐性突变则只有经过自交或近亲繁殖后才能发现。如果处理种子就只能产生突变的杂合子和未改变的组织的嵌合体。
对M1一般不进行选择, 长成的植株全部自交得到M2果穗。诱变处理得到的M1后代, 出现了严重的生物学损伤, M1种子的生命力下降, 如出苗率降低, 发芽势严重下降, M1植株表现抽雄早且持续时间长。
M2的植株出现分离现象, 是分离范围最大的一个世代, 但其中大部分是叶绿素突变, 叶片结构突变较少。M2的种植方式因选择方法不同而异, 主要有系谱法和混合法。系谱法的特点是种成穗行, 根据穗行的表现较易观察到变异植株, 再通过后代的鉴定和选择, 缺点是工作量大。混合法是在M1每株穗上收获几粒种子, 混合种植成M2, 从中选择单株和产量鉴定。此方法省工, 但选择突变体较困难, 不易注意到微小的突变。
M3代性状已基本稳定。但是, 某些突变性状尤其是微突变性状不一定都在M2代中出现。M3代被认为是选择微突变的关键世代。
2 化学诱变育种技术
化学诱变在创造玉米新种质中取得了巨大的成效。尤其是利用EMS (甲基磺酸乙酯) 花粉诱变方法的成功应用, 为玉米育种基础性研究提供了丰富素材。1987年美国ICI种子公司用EMS处理花粉获得糯质、甜质玉米突变体。AllenWright等, 在M3后代中筛选出10个高赖氨酸 (0.41%～0.53%) 突变材料。应用最成功的是美国ICI公司Greaves等以EMS—石蜡油处理玉米成熟花粉这项技术。获得了抗除草剂的显性基因 (IT) 。1991年ICI公司推出含IY抗除草剂基因的玉米杂交种, 当年销售额达到250万美元, 1992年突破1000万美元。在国内利用该技术获得多种特用玉米新种质。据赵永亮 (1998) 报道, 用含有EMS化学诱变试剂的石蜡油直接处理玉米花粉, 可以创造了迄今为止所积累的所有特用玉米类型, 包括白玉米、甜玉米、糯玉米、超甜玉米和高直链淀粉玉米;陈绍江等 (2001) 用此方法获得含油量在8%～9%的高油突变体。
化学诱变就是用化学诱变剂处理作物的植株、种子、花粉、花药、合子或单细胞组织培养物等, 以引起碱基置换、染色体断裂、基因重组或基因突变等生物学效应, 使后代产生变异。将化学诱变应用于作物育种, 根据育种目标从后代中选出新种质、新品系或特用品种是一种快速、高效的现代育种方法。
2.1 化学诱变剂的种类及作用机制
化学诱变剂大体有5种, 它们是烷化剂、碱基类似物、碱基异构体、染色体断裂剂、中草药。
2.1.1 烷化剂
指具有烷化功能的化合物, 带有一个或多个活性烷基, 该烷基转移到一个电子密度较高的分子上, 可置换碱基中的氧原子, 碱基被烷化后, DNA在复制时会导致配对错误, 产生突变。如乙烯亚胺类、磺酸脂类等。
2.1.2 碱基类似物
该类化合物在不妨碍DNA复制的情况下作为DNA的组成成分参加合成。因为碱基类似物在某些取代基上与正常碱基不同, 所以参与后使DNA复制发生偶然错配, 引起碱基对的交换, 从而引起变异。如5-溴尿嘧啶类似物, 2-氨基-嘌呤类似物等。
2.1.3 碱基异构体
如马来酰肼是尿嘧啶异构体, 能与细胞内的巯基起作用。
2.1.4 染色体断裂剂
如抗生素、丫啶等能打断染色体。
2.1.5 中草药
如长春花碱等可阻止纺锤体形成, 抑制细胞分裂。
2.2 诱变材料的选择
选综合性状优良, 适应性好, 但又须改良某个缺点的品种或品系。处理后稳定快, 能很快用于生产。选用杂合材料可增加重组率, 提高诱变效果, 但稳定慢, 可用于创造新种质上。选用优良的品系或自交系, 通过诱变改变某一个基因位点, 迅速培育出有应用价值的特用品种或更优系。
2.3 处理方法
2.3.1 种子处理
直接把干燥种子或浸泡过的种子放入诱变剂溶液中浸泡一段时间, 用水洗后立即播种, 或者重新干燥后待播。此法是目前玉米育种中常用的一种方法。
2.3.2 单细胞或组织培养物处理
培养前用诱变剂处理培养物, 然后再培养, 或在培养基中加入一定量的诱变剂进行培养。
2.3.3 花药或花粉处理
在临近开花时将穗子剪下插入处理液中, 开花时收集花粉, 或采用花粉薰蒸, 即在密闭容器中用诱变剂薰蒸花粉, 或用处理液处理成熟花粉, 如用EMS石蜡油溶液处理玉米花粉, 或在花药组培前将小穗剪下插入诱变剂中, 处理一定时间后, 取出培养。
2.3.4 花丝诱导
用诱变剂处理未授粉的玉米花丝, 诱导花丝孤雌生殖。
2.4 突变性状与选择
处理后的材料会产生各种突变类型, 应根据诱变后代的特点及育种目标进行选择。对于那些诱变频率较低的突变性状, 应加大处理的群体数量;对于隐性性状, 要自交所有的M1植株, 在M2代进行选择。 (具体方法参照物理诱变) 。
2.5 石蜡油-EMS在玉米种质改良上的应用
利用石蜡油-EMS处理玉米花粉, 是近年兴起的一项诱变技术, 也是目前在玉米种质改良上最成功的化学诱变方法, 具体的处理方法步骤如下:
用EMS与轻质石蜡油混合, 制备成浓度为0.1%～0.2%EMS处理液;当雌穗花丝要抽出时, 用纸袋套住雌穗;在雄穗盛花期的前一天, 用纸袋套住雄穗, 第二天收集玉米新鲜花粉, 放入EMS处理液的瓶中, 盖好盖, 混合处理25分钟或45分钟;之后用毛笔, 把被处理花粉涂到选好的雌穗花丝上。套上纸袋, 挂牌记录。
诱变剂量的选择, 一般在EMS化学诱变处理45分钟的条件下, 以1.67×10-3和1.11×10-3两个浓度为宜 (赵永亮, 1998) 。一些研究结果认为, 略低于适宜剂量 (既0.667×10-3) 诱变出来的后代中较易获得早熟类型;略高于适宜剂量 (既>1.0×10-3) 的EMS石蜡油有利于晚熟突变的发生, 同时易获得矮秆突变体。温带自交系的半致死剂量 (最佳诱变浓度) 为0.5～1.0mL/L;群体的半致死剂量 (最佳诱变浓度) 为1.0～1.5mL/L (李海军等) 。突变性状与选择, 与物理诱变突变性状与选择方法一样。
3 航天诱变育种技术
又称空间诱变技术, 是将航天技术、生物技术和农作物育种技术相结合发展起来的一个育种新方法。农作物干种子在太空的特殊环境中受到空间宇宙射线、微重力、高真空、微磁场等因素诱发突变, 创造新种质, 培育新品种。是近20年随着航天技术的发展建立起来的一种诱变育种新途径, 是和平利用空间技术的一种新尝试。
自1987年以来, 我国先后十多次利用返回式卫星、神州号飞船搭载了粮食作物、油料作物、经济作物、蔬菜等几十种作物的1000多个品种, 其中有500多个品种产生了有利性状的遗传变异, 水稻、小麦、棉花、大豆、油菜、黄瓜、芹菜、番茄、大葱、西瓜、白莲等作物的新品种有513个, 累计示范推广面积超过13.33万hm2。 例如华航1号水稻新品种, 是我国第一个通过国家品种审定的空间诱变水稻新品种, 已累计推广种植20多万hm2。特优航1号杂交稻新组合集优质超高产于一体, 是我国利用航天技术育成并通过国家品种审定的第一个杂交水稻新品种。小麦“太空5号”目前累计推广种植面积达到20多万hm2。另外育成的新品种还有红鹤1号棉花、航天1号大豆新品系、中芝11 号芝麻、太空甜椒34等等。1994年四川大学处理的自交系玉米种子, 获得了一些生长势强、性状特异和早熟的自交系后代。但目前玉米还没有育成审定的新品种。
诱变机理主要因素有微重力、强辐射、转座子活化等。微重力能够使细胞分裂紊乱、染色体畸变、核小体数目发生变化, 从而影响植物的生长发育和信号传递等生理生化过程;宇宙空间辐射的高能重粒子具有强烈的诱变效应, 可以导致细胞死亡和突变;根据中科院遗传所的专家研究, 太空环境使潜伏的转座子激活, 活化的转座子通过移位、插入和丢失, 可以导致基因的变异和染色体的畸变, 致使搭载生物发生变异。空间搭载的材料实际上是处于近地空间多种诱变因素的复合影响之中, 当中包括高真空、压力、地磁强度、气温、卫星飞船发射时强振动及其他未知因素。因此, 增加了对航天育种机理研究的难度。
尽管航天育种成绩不斐, 但迄今为止对航天育种多侧重于实践, 而对诱变机理研究不够。 (1) 对空间诱变环境因子不详; (2) 对引起诱变的生物化学、细胞学及分子遗传学的机理尚不清楚。随着航天诱变技术在玉米种质改良中进一步研究和应用, 将开辟玉米育种新途径, 对加快育种步伐, 提高育种质量具有十分重要的意义。
参考文献
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