作者：赵春芝 罗建新 张建成 赵春慧 江平 周俊 洪勇枫
摘要综述国内外小麦诱变育种所取得的成就，简要介绍了石蜡油-EMS花粉诱变、离子束注入、花粉辐照和空间诱变新技术的诱变机理、生物学效应及其在小麦育种上的应用。关键词石蜡油-EMS花粉诱变;离子束注入;花粉辐照;空间诱变;小麦育种;应用
小麦诱变育种是利用各种物理因素和化学诱变剂诱导遗传物质发生变异或突变，在较短时间内获得有利用价值的突变体，育成新的品种或创造新的种质资源。据联合国粮农组织和国际原子能机构的统计(FAO/ IAEA，1985年)，全世界诱变育成的小麦新品种共有70个。有些品种的种植面积很大，如苏联的新西北利亚67推广面积达300万hm2，成为一个突破性的适合西北利亚地区种植的春小麦品种;芬兰的Taava占该国硬粒小麦春小麦面积的65%;意大利育成的硬粒小麦品种Creso种植面积达45万hm2，约占该国硬粒小麦种植面积的1/3。此外，辐射育成的有利用价值的种质资源在1万份以上[1]。
我国小麦诱变育种始于20世纪50年代末期，1966年以后相继育成了鄂麦6号、太辐1号等许多诱变品种，并创造出大量新的种质资源，为小麦高产稳产做出了很大贡献，同时也使我国跨入了世界诱变育种的先进行列。据1983年不完全统计，已育成并在生产上利用的品种有51个，超过世界各国突变品种的总和，种植面积达300.0万~333.3万hm2，在生产上起了积极作用。在51个小麦品种中，直接利用突变体所育成的品种有44个，间接利用突变体所育成的品种有7个，其中山农辐63在1984年的种植面积达到120万hm2，鄂麦6号在1981年的种植面积超过了33.3万hm2，鲁滕1号在1975年的种植面积达到23.3万hm2以上，新曙光1号、宁麦3号、豫原1号、鄂麦9号最大种植面积也都超过20万hm2。原丰1号、金丰1号、郑六辐、原丰4号、小偃6号、烟农685等品种种植面积均在6.67万hm2以上。其余品种的种植面积虽然不是很大，但都具有其特殊利用价值[2]。
近10年来，随着现代科学技术的迅猛发展和学科间的交叉渗透，人们不断改进诱变方法，探索新的诱变源。其中石蜡油-EMS花粉诱变、离子束注入、花粉辐照和空间育种等诱变新技术，已开始应用于植物品种改良，并显现出良好的发展前景，本文就植物诱变新技术在小麦育种上的应用研究作一概述。
1石蜡油-EMS花粉诱变技术
烷化剂甲基磺酸乙酯(Ethyl methane sulfonate，简称EMS)作为植物最有效的化学诱变剂之一，已成功地应用于多种作物的诱变育种。EMS诱变机理是通过与核苷酸中的嘌呤、嘧啶分子直接反应来诱发突变。EMS 诱发的突变体主要通过2个步骤完成:首先鸟嘌呤的C6位置被烷基化，而后在DNA复制过程中，烷基化的鸟嘌呤与胸腺嘧啶配对，导致碱基交换，即G∶C变为A∶T，形成点突变。石蜡油-EMS花粉诱变技术，由于诱变剂直接作用于配子，具有诱变率高、诱变范围广、产生的突变体多为点突变等特点，较传统的电离辐射优越。
早在20世纪60年代，人们就已开始采用EMS 水溶液处理植物种子，但诱变效率很低。自Neuffer等(1978年)将EMS 溶于石蜡油中处理玉米花粉获得成功后，石蜡油-EMS 处理花粉诱变技术在国外广泛应用起来[3]。刘治先[4]分别用该技术筛选出高油酸、高赖氨酸突变体和白玉米、甜玉米、糯玉米等特用玉米类型，为特用玉米育种和遗传研究提供了可贵的材料。薛守旺等[5]、魏良明等[6]采用同样方法得到浅黄粒、母株穗发芽、显性核不育突变体等。中国农业大学赵永亮等[7]采用EMS的石蜡油，直接处理玉米自交系黄早4和7922的成熟花粉，结果表明，在不同EMS处理浓度下，白色胚乳基因yl的诱变率平均为35.22%，最高达到150.38%。糖胚乳基因sul、糯胚乳基因wxl、脆胚乳基因btl和直链淀粉扩充基因ael的单基因诱变率分别为2.54×10-3 、l.09×10-3、0.36×10-3 和 0.36×10-3。sul和wxl的诱变率至少是自然突变率的100～1 000倍。
德国在抗病育种上采用γ射线、EMS、快中子更换处理的方法育成了抗多种病害(秆锈、叶锈、颖枯病)的小麦新品种;小麦品种宛原28-88、宛原75-6也是我国用γ射线、EMS复合处理育成的;施巾帼等利用200GY γ射线与0.3%EMS复合处理原东3号小麦品种，选育出了抗逆性和适应性强、落黄性好、对条锈与白粉病具有持久抗性、株高85 cm的矮原东3号[8]。
2离子束注入诱变育种
低能重离子注入生物学是20世纪80年代在我国兴起的新的研究领域，这一新的交叉边缘学科一诞生，就以其重大的科学意义和广阔的应用前景而备受世界关注。离子注入用于作物诱变育种的原理是:将适当的荷能离子注入到作物种子或器官的某一组成部分上，引起基因突变，以达到选育新品种的目的。由于注入离子的能量、质量分布存在峰值，诱变区域是局部的，在局部区域内的作用又是强烈的和具有双重性(能量交换和离子植入);加之离子注入的射程和能量能够控制，植入离子的种类又较多，因而诱变作用是多重的，能在损伤较轻的情况下，出现较高的突变率。离子注入诱变育种，具有损伤轻、突变率高和突变谱广的特点，是人工诱变方法的一个新发展[9]。
离子注入与生物体的相互作用存在峰值，在峰值范围内，注入离子与生物体的相互作用是局部的、双重的和不易修复的。这种荷能离子注入使染色体易位、倒位、重复、缺失，或者使DNA 分子断链、取代和补充，从而引起遗传基因突变。离子注入具有显著的生物学效应:植物细胞表面受到离子束的蚀刻，细胞壁减薄，细胞膜损伤;有的细胞壁被削去一部分，露出了胞质，细胞核变形甚至被击碎而消失，细胞间留下深的孔洞，注入剂量较大时细胞破裂，细胞电导率增加;离子束注入会引起亚细胞结构损伤，例如导致叶绿体畸变，各类自由基浓度、SOD 酶活性发生变化;离子注入引起染色体畸变，各类作物处理当代不仅发现染色体初级结构变异，而且发现复杂的高级结构变异。染色体畸变类型与离子种类和剂量有关;离子注入可引起当代群体生物学效应，如N+注入可明显提高甜菊、烟草的当代产量和品质;另一方面，离子注入还可诱发能遗传的当代突变，如N+注入获得可遗传的水稻黄化突变体、棉花短果枝突变体和番茄早熟大果突变体[10]。
离子注入一般多以处理后植株存活1/2的剂量即半致死剂量(LD50)作为引变敏感性的指标。为探明离子注入小麦的最佳引变剂量，杨赞林等[11-12]分别选用0、20、40、60、80、100次(每次照射1×1015 N+/cm2)等剂量照射3个稳定的小麦品系干种子，种植于田间，调查发芽率、发芽势和田间出苗情况。离子注入后3个品系的发芽率、发芽势都有一定程度的降低，发芽势明显低于对照，并随剂量的加大而显著下降，其中经60、80次以上的处理与对照相比差异极显著，发芽率则不同，在20次照射时反而较对照有所提高，40次开始低于对照，且剂量越大降低越多，60次时发芽率开始急剧下降。不同基因型间存在差异，半致死剂量在60～80次，田间实际出苗情况也证实了上述结果。要指出的是:所测得的LD50是N+ 注入小麦干种子的结果，能否认为这就是小麦离子注入的最佳引变剂量尚需进一步的研究，特别是不同作物、同一作物的不同品种，甚至同一品种的不同器官、组织、细胞，甚至分子基因等的敏感性也不同，可注入的离子和剂量更是多种多样。针对这些特点，研究确定各自的最佳引变剂量，不仅有利于近期的新品种选育，从长远观点看，对今后发展定向诱变也是十分必要的。经过10多年的努力，先后选育并审定了皖麦32号、皖麦42号、皖麦43号3个新品种和一批各具特色的新品系，其共同特点是:一般产量4 658.3～6 469.5 kg/hm2，较对照增加10%左右。籽粒品质经农业部品质测试中心分析:皖麦42号粗蛋白质的含量11.31%，容重776 g/L，湿面筋24.1%，沉降值26.8 mL，稳定时间5.6 min，在1999—2000年度参加国家冬小麦品种区域试验的111个品种中，21个品种产量比对照种增产达到显著水平，12个品种品质达到或接近优质中筋小麦指标，皖麦42 号均名列其中。又据安徽农业大学初步测定，该品种蛋白质缺少1条A蛋白带(A、B、C蛋白带)，适合加工制作优质面条;皖麦32号粗蛋白质含量13.89%;皖麦43号更高达15.51%，烘烤面包评分为86.5分，适合加工优质馒头。柳学余等利用不同能量(20、30、40 keV)和不同注入次数(30、60、90次)的N+和H+注入小麦种子，结果表明上述各处理对麦苗生长无明显的抑制作用，但对其根系发育品种之间有不同的反应，以30 keV的N+注入麦种40次，对胚及胚乳均有明显的刻蚀作用[8]。 免费论文下载中心
3花粉辐照诱变技术
小麦成熟花粉辐照诱变机理是:小麦成熟花粉处于单倍性的较稳定状态，用适当的辐照剂量处理后，以发生位点突变为主，且各花粉粒发生突变的位点不尽相同。用这些具有新基因型的花粉授粉后，必然直接使后代发生种类繁多的变异，从而可使得许多与产量结构有关、受微效多基因调控的数量性状(株高、熟期、穗形、粒形和千粒重)发生有益突变的新类型。这些突变类型在3代以上世代中还会继续扩大其变异幅度，体现出微效多基因突变逐渐累加表达的情况[13]。河北农业大学程志锋等[14]以小麦抗叶锈近等基因系为材料，应用60Co γ射线进行辐照并用EMS溶液进行处理，对小麦的发芽率、三叶期、致死率及抗病性进行分析结果表明，试验所用的诱变剂量对小麦近等基因的发芽率影响不显著。所用处理中到达三叶期的时间基本相同，但三叶期至四叶期的时间却随着浓度的增加而减少。当辐照剂量达到或大于0.15 kGy时，致死率显著增加。在EMS浓度为0.4%，60Co γ射线辐照剂量为0.15 kGy时，得到了3株小麦抗叶锈病近等基因系的突变体。所得最佳诱变组合为EMS浓度为0.4%，60Co γ射线辐照剂量0.15 kGy。中国农业科学院作物科学研究所李桂英等[15]以普通小麦中国春、J-11为母本，分别用5、9、15、30、50、100 Gy的γ射线辐照黑麦AR202散粉期穗子，并将其花粉授予普通小麦J-11和中国春，研究了不同剂量γ射线辐照黑麦花粉对杂交结实率及杂种幼胚、胚乳发育的影响，结果表明:低剂量(5～9 Gy)γ射线下结实率略有提高;15～100 Gy剂量时结实率随剂量增加逐渐下降。各种处理剂量的辐射对杂种幼胚和胚乳发育均有伤害作用，杂交种子含胚率、杂种幼胚成苗率随剂量增加而下降。对于J-11/AR202组合而言，对照杂种含胚率100%，剂量5～9 Gy处理时降至96.5%～90.2%，剂量15～100 Gy时为84.3%～69.7%;对照幼胚培养成苗率93.3%;5～100 Gy处理时为90.0%～24.6%。在50～100 Gy高剂量处理中国春×AR202中，利用幼胚培养技术有5.9%～8.8%幼胚获发育成完整植株，这是常规靠种子繁殖难以获得的。说明将花粉辐照技术与幼胚拯救、花药培养技术有效结合，可能是快速获得突变体、提高诱变育种效率的有效途径。祝丽英等[16]用含有EMS 的石蜡油溶液处理10个玉米材料的成熟花粉的研究结果表明:花粉离体萌发率随EMS 体积分数的增加而降低，并与M1结实率呈高度正相关;M1受到严重的生理损伤，表现为出苗率低，出苗时间长，成株率下降;m2代中，籽粒突变性状以粒色突变为主，苗期突变性状主要是叶片颜色突变，成株期突变性状有株高、株型等多方面;同一处理浓度下，花粉离体萌发率、M1代生理损伤和m2代的诱变效应的大小因材料品种不同而不同。
王侯聪等[17] 用γ射线对水稻成熟花粉的辐照生物学效应的研究表明:水稻成熟花粉适宜诱变剂量为46 Gy左右，辐照成熟花粉杂交1代群体主要表现为结实率降低、植株较矮和抽穗期有所延长等辐照抑制效应;辐照成熟花粉杂交2代除少数株系无变异外，大部分株系均产生了性状的变异，植株变矮15～40 cm，抽穗期提早或推迟3 d和结实率降低至3%～85%，同时出现少量的落芒、落粒、千粒重增大或减少2～6 g等突变类型。辐照成熟花粉杂交3代以上群体还出现可遗传的新突变类型(株型极度开张、侏儒型、全不育和双内颖)，而且在抽穗期、株高和穗部性状方面较杂交2代有更大的变异类型。
4空间诱变育种
农作物空间诱变育种技术是利用返回式卫星或高空气球所能达到的空间环境对农作物种子的诱变作用来产生有益变异，并在地面选育新种质、新材料、培育新品种的农作物育种方法。植物种子由返回式卫星、高空气球搭载，经空间飞行后，由于受到微重力、宇宙中高能粒子、宇宙射线及高真空、近地磁场等地面无法模拟的特殊空间条件综合诱变作用，而引起植物细胞及细胞结构与功能发生相应的变异[18]。近年来，大量研究结果表明，空间诱变育种具有变异频率高、幅度大、变异易稳定和多数性状能遗传的特点，且有些变异迄今为止地面上用其他诱变因素处理难以出现，是产生新基因源和创造新种质的重要途径之一。空间诱变一般在SP4 代开始稳定，比一般常规育种提早2个世代稳定，有明显加快育种进程、缩短育种周期、提高育种效率等优点[19]。
自1987年中期至2001年初，我国成功地进行了10次植物种子的搭载试验，涉及到主要粮、棉、油及蔬菜、瓜果等作物品种，经国内23个省、市、自治区、直辖市的众多研究单位的育种工作者进行地面种植试验，育成了一批丰产、优质、早熟、多抗的作物新品系，并从中获得了一些有可能对产量有突破性影响的罕见突变，取得了一批可喜的航天育种成果或阶段性成果。空间技术诱变育种的最大优势在于它可以创造出地面其他育种方法难以获得的罕见种质材料，而这正是常规育种、杂种优势育种等取得重大突破的关键基础，以此作为杂交亲本，可以培育出在产量和品质上有突破性的优良品种。例如中国科学院上海植物生理研究所从卫星处理的小麦中选育出一个丰产、抗倒伏、抗赤霉素病的申植1号小麦新品系[20]。河南省农业科学院小麦研究所经高空气球和卫星搭载小麦品种豫麦2 号、豫麦13的干种子，从中选育出比原品种丰产性好、熟期提早1～2 d、品质明显改进的新品系郑航1号，其平均产量为6 894 kg/hm2，比当地品种豫麦2号增产20.9%。1996年秋播时该品种已种植了70 hm2之多[21]。太空5号是河南农业科学院小麦研究所利用航天育种技术育成并审定的第1个弱筋、优质、高产小麦新品种，2003年优质面条小麦新品种太空5号通过河南省品种审定，目前累计推广种植面积达到20万hm2之多[22]。黑龙江省农业科学院作物育种所利用卫星搭载纯系春小麦，已选育出丰龙辐95-4534和96-3601这2个优良突变系，2年产量鉴定试验显示较对照品种新克旱9号增产0.2%～2.8%[18]。
山东省烟台市农业科学院通过高空气球搭载处理后选育出丰产、抗倒伏和抗病等优点的烟航1号和烟航2号小麦新品种，比对照增产9.11%[23]。山东省农业科学院育成的小麦品种航天1号平均产量达到9 000 kg/hm2，太空小麦品种神州1号和太空17号在河南省栾城县种植，产量比当地品种增产1 050~1 500 kg/hm2，经检测各项指标均达到和超过国家一级优质标准[22]。江西省农业科学院旱作物研究所从卫星搭载后的小麦种子中选育出了6 个稳产的新品系[24]。
5结语
利用诱变技术，人工诱发遗传变异是丰富小麦种质资源，选育新品种的重要手段之一。上述几种诱变新技术应用于植物品种遗传改良的时间较短，许多问题仍有待进一步研究。但随着人们对诱变机理和生物学效应的深入研究及其在育种上不断应用，传统的小麦诱变育种将进入一个新阶段。
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