楊紅善，常根柱，包文生

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅省航天育種工程技術(shù)中心，甘肅 天水 741030)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生的優(yōu)良豆科牧草，其營養(yǎng)價值高，生產(chǎn)潛力大，用途廣泛，在我國草產(chǎn)業(yè)發(fā)展中十分重要。紫花苜蓿產(chǎn)業(yè)被譽(yù)為“牛奶生產(chǎn)的第一車間”，據(jù)相關(guān)報道，按科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，用紫花苜蓿干草飼喂奶牛，可以使原料奶的乳蛋白率超過3.0%，乳脂率超過3.5%，這個指標(biāo)大大超過當(dāng)前的國家標(biāo)準(zhǔn)(2.75%)，并與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌[1-2]。針對我國目前氣候變化異常、紫花苜蓿當(dāng)?shù)仄贩N及老品種病蟲害嚴(yán)重、產(chǎn)量低、品質(zhì)差的現(xiàn)狀，篩選或培育適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展要求，具優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗旱、抗寒、耐瘠薄的紫花苜蓿品種迫在眉睫。同時，紫花苜蓿為多年生、異花授粉植物，遺傳背景復(fù)雜，遺傳改良有很大難度，傳統(tǒng)的育種方法周期長、轉(zhuǎn)基因育種難度大，因此尋找一種較為快捷有效的育種方式尤為重要。采用高端的空間技術(shù)與常規(guī)農(nóng)業(yè)育種技術(shù)相結(jié)合，則是一種具有高創(chuàng)新型的育種研究，航天誘變育種是以高科技為背景的新興育種方法，我國的航天育種走在世界前列，主要集中于農(nóng)作物和蔬菜[3]，牧草航天育種近幾年剛剛起步，主要集中于紫花苜蓿方面的研究。應(yīng)用航天誘變技術(shù)，培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全的牧草航天誘變新品種、新品系和育種新材料，可加快推動我國草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 航天誘變育種

1.1航天誘變育種的定義 航天誘變育種是以高科技返回式衛(wèi)星為平臺的新興育種方法，指將植物種子或其他生命體，搭載于神舟飛船等返回式航天器，利用空間的特殊環(huán)境(如空間宇宙射線、高真空、微重力、弱磁場等因素)綜合作用，引起生物體染色體畸變，導(dǎo)致生物體遺傳變異，地面種植，獲得有益突變體，選育新品種、新品系和新材料的植物育種技術(shù)[3]。

1.2航天誘變的機(jī)理 航天誘變是高真空、微重力、空間輻射及太空未知誘因的綜合作用，包括以下3方面：1)宇宙射線、高能離子、宇宙其他物質(zhì)照射種子胚芽，導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂重組，從而使遺傳信號改變；2)航天器上升、回落、失重、微重力等環(huán)境可改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)，使得緊湊螺旋狀的染色體拉長，導(dǎo)致遺傳信號改變；3)其他許多太空未知誘因，這些因子正在研究過程中[4-9]。

1.3航天誘變育種的特點(diǎn) 誘變頻率高，變異幅度大，縮短育種周期。特殊的太空環(huán)境能誘發(fā)作物種子產(chǎn)生遺傳變異，誘變種子地面種植后，變異類型多，變異幅度大，多數(shù)變異性狀在后代能穩(wěn)定遺傳，可加快育種進(jìn)程，一般在SP4代即可穩(wěn)定，比常規(guī)育種可提前1～2個世代，在植物育種上具有創(chuàng)新突破。作物抗逆性和產(chǎn)量顯著提高。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)將“特秈占13”航天搭載，經(jīng)地面選育，從SP4代中選育出早晚季適用的新品系“華航一號”較原種增產(chǎn)5%～15%，一般增產(chǎn)10%，同時得到5個品系，稻瘟病抗性比原“特秈占13”抗性頻率從52.9%提高到70%以上[10-13]。改善農(nóng)作物、蔬菜的品質(zhì)。航天誘變后水稻蛋白質(zhì)含量提高了8.7%～12%，青椒的Vc含量提高了19%～23%[11]。較轉(zhuǎn)基因作物安全。航天誘變產(chǎn)生的變異屬于內(nèi)源基因發(fā)生改變，沒有外源基因的加入，一般不存在基因安全性問題[3]。

1.4航天誘變育種國內(nèi)外研究進(jìn)展 我國是世界上掌握了返回式衛(wèi)星技術(shù)的3個國家(俄、美、中)之一，在開展航天誘變育種研究方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，航天育種在我國自1987年開始嘗試性研究，目前已在國內(nèi)形成快速發(fā)展的趨勢。至今，已通過國家或省級鑒定的小麥(Triticumaestivum)、水稻(Oryzasativa)、辣椒(Capsicumspp.)、番茄(Lycopersiconesculentum)等農(nóng)作物及蔬菜品種72個，我國的航天育種已走在了世界前列。相比農(nóng)作物，牧草的航天育種尚處于初始階段，主要集中于紫花苜蓿品種的選育。航天育種小麥產(chǎn)量6 185.7 kg·hm-2，比普通小麥(4 698 kg·hm-2)提高了31%，航天育種大豆(Glycinemax)產(chǎn)量3 000 kg·hm-2，比普通大豆1 737 kg·hm-2提高了72%。

國外的航天育種以俄羅斯和美國為主，研究始于20世紀(jì)五六十年代，近年來，除了通過返回式衛(wèi)星進(jìn)行搭載試驗外，主要在已建成的空間站進(jìn)行了生物試驗，如俄羅斯農(nóng)業(yè)科學(xué)院和宇航局在“和平號”宇航站的太空溫室里試種太空小麥獲得成功；美國就植物對引力的感應(yīng)進(jìn)行研究，最終開發(fā)適合太空生長的植物，供宇航員食用[14-18]。國外在空間生物細(xì)胞學(xué)研究方面主要對經(jīng)過空間誘變的哺乳動物細(xì)胞進(jìn)行分子生物學(xué)及生理學(xué)研究，來了解空間環(huán)境對生物有機(jī)體的作用和影響，進(jìn)一步研究空間生物細(xì)胞學(xué)的發(fā)展規(guī)律[19]。蔬菜航天育種方面，美國從20世紀(jì)80年代開始將番茄種子送上太空，在地面試驗中得到了變異植株[20]。國外通過航天誘變育種已先后成功培育了多個農(nóng)作物新品種應(yīng)用于生產(chǎn)，但航天誘變在紫花苜蓿方面的研究國外相關(guān)報道很少。

2 紫花苜蓿航天誘變研究

2.1紫花苜蓿及其他草品種航天搭載 以往航天育種的注意力主要放在農(nóng)作物和蔬菜上，忽視了草類植物，近幾年開始探討草類航天育種工作，且主要集中在紫花苜蓿研究。1987-2005年是我國航天育種的研究和立項階段，在這期間先后利用返回式衛(wèi)星和神舟飛船共進(jìn)行19次搭載試驗，搭載品種2 000余種，2006年開始進(jìn)入發(fā)展階段，2006年9月9日“實踐八號”農(nóng)業(yè)育種衛(wèi)星一次搭載品種2 000多種，其中農(nóng)作物約占40%，蔬菜約占30% ，而草品種僅占1%左右[4]，部分草類植物搭載品種見表1。另外，張?zhí)N薇[21]指出，在草類植物航天誘變育種方面，1994年首次搭載了紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、紫花苜蓿、新麥草(Psathyrostachysjuncea)3種牧草，此后，神舟3號、4號、5號和實踐八號，先后搭載了紫花苜蓿、草地早熟禾(Poapretensis)、野牛草(Buchloedactyloides)和白三葉(Trifoliumrepens)等，中國林業(yè)科學(xué)院花卉研發(fā)中心近年來對航天搭載的草地早熟禾(Poapretensis)、黑麥草(Loliumperenne)生長低矮的性狀進(jìn)行了研究。

2.2紫花苜蓿航天誘變研究

2.2.1誘變效應(yīng)田間觀測 紫花苜蓿種子航天搭載后，表現(xiàn)出較強(qiáng)的誘變效應(yīng)。張月學(xué)等[8]研究發(fā)現(xiàn)，航天誘變的同一批紫花苜蓿不同品種，在發(fā)芽率、單株分枝數(shù)等性狀上存在差異。任衛(wèi)波[23-24]研究了搭載于第18顆返回式衛(wèi)星的中苜1號、龍牧803、敖漢苜蓿3個品種，結(jié)果表明，中苜1號苗期搭載單株株高顯著低于地面對照，而分枝期-開花期單株株高比地面對照顯著增加；龍牧803搭載單株苗期和分枝期的株高相比地面對照顯著增加，初花期則無顯著差異；敖漢苜蓿搭載單株在3個時期的株高都顯著高于地面對照，可見生物學(xué)效應(yīng)因品種和時期而異，3個品種的誘變效率存在差異。王蜜等[25]研究搭載于“實踐八號”的3個紫花苜蓿品系，發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿搭載SP1代和SP2代種子的發(fā)芽率和鹽脅迫發(fā)芽率均無顯著變化；通過田間觀測和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，搭載后的紫花苜蓿SP1代單株株高、分枝數(shù)、單株生物量鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均出現(xiàn)不同程度的增加，與地面對照差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)；SP2代種子的千粒重增加了5%～9%，發(fā)芽率、種苗苗質(zhì)量、芽長和根長顯著增加，硬實種子數(shù)、霉變種子數(shù)顯著減少。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所與甘肅省航天育種中心及天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所合作，以2002年搭載于“神舟3號”飛船的4個紫花苜蓿品種德寶、德福、阿爾岡金、三得利為基礎(chǔ)材料，在蘭州和天水建立了兩個紫花苜蓿航天搭載材料選育圃及兩個紫花苜蓿航天誘變育種試驗區(qū)，連續(xù)3年觀測記載，初步確定了7種變異類型：多葉(3株)、白花(1株)、速生和高產(chǎn)(14株)、大葉(11株)、抗薊馬、蚜蟲(7株)、早熟(7株)、矮生、分蘗性強(qiáng)(2株)，所選單株已分別掛牌標(biāo)記，正在進(jìn)一步選育，其中多葉型紫花苜蓿新品系“蘭航1號”已進(jìn)入品比試驗階段。

表1 牧草航天搭載試驗Tab 1 Test of forage space mutation

2.2.2誘變效應(yīng)分子標(biāo)記研究 分子標(biāo)記(Molecular Markers)是近年出現(xiàn)的新型遺傳標(biāo)記，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于植物遺傳圖譜的構(gòu)建、植物育種的早期篩選、植物遺傳多樣性分析與種質(zhì)鑒定等方面。植物種子經(jīng)航天誘變后，在地面種植而成的植株，所產(chǎn)生的變異，有的可以穩(wěn)定遺傳給下一代，有的不能穩(wěn)定遺傳給下一代。分子標(biāo)記有利于變異植株的早期選擇，同時一些早期選擇表現(xiàn)不明顯，而在后代中表現(xiàn)優(yōu)良的植株，可以通過分子標(biāo)記達(dá)到直接選擇的目的。因此，分子標(biāo)記技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于植物航天誘變育種中[26-38]。

分子標(biāo)記在紫花苜蓿航天育種中的應(yīng)用，范潤鈞等[39-40]就搭載于“神舟3號”飛船的4個紫花苜蓿品種，從17對SSR引物中最終篩選出6對擴(kuò)增條帶較多、條帶清晰、信號強(qiáng)的引物，對224株SP1代單株材料利用這6對SSR引物進(jìn)行擴(kuò)增，共檢測到25個等位基因，其中15個與地面對照基因組存在多態(tài)性，多態(tài)性表現(xiàn)為擴(kuò)增片段的缺失或增加。王蜜等[25]研究中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所搭載于“實踐8號”衛(wèi)星的3個紫花苜蓿品系，在田間初步篩選出15個變異單株，隨后對選擇的單株材料開展了蛋白質(zhì)與分子方面的檢測分析，結(jié)果表明，搭載SP1代幼苗的過氧化物酶平均活性比地面對照提高了18.6%；聚丙酸胺凝膠電泳結(jié)果顯示，過氧化物同工酶比對照增加了1條酶帶；RAPD檢測結(jié)果表明，15個變異單株通過株系自交鑒定，其中5個單株的株高變異可以穩(wěn)定遺傳，搭載SP1代的可遺傳變異率為1.196。杜連瑩等[41]用36對引物對8個搭載于“實踐八號”的紫花苜蓿品種及地面對照進(jìn)行RAPD隨機(jī)擴(kuò)增，通過篩選得到21個引物分別在8個品種擴(kuò)增出帶型清晰、重復(fù)性好和多態(tài)性高的條帶，包括條帶的新增和缺失；航天搭載的8個紫花苜蓿品種其中新增條帶多態(tài)率最高的達(dá)9.72%；而缺失條帶多態(tài)率最高為12.82%。

2.2.3誘變效應(yīng)生理生化研究 任衛(wèi)波等[7]研究搭載于“實踐八號”的3個紫花苜蓿品系，發(fā)現(xiàn)誘變SP1代幼苗根尖細(xì)胞分離指數(shù)、染色體畸變等方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的誘變效應(yīng)，搭載后促進(jìn)品系二、品系四的細(xì)胞正常有絲分裂，抑制品系一的細(xì)胞正常有絲分裂；搭載種子根尖細(xì)胞染色體出現(xiàn)了微核、染色體橋、斷片、落后等畸變類型。馮鵬等[42]研究發(fā)現(xiàn)，種子含水量對誘變效應(yīng)具顯著影響，以含水量13%～15%為最佳。杜連瑩等[41]對“實踐八號”搭載的8個紫花苜蓿品種研究表明，SP1代根尖細(xì)胞的有絲分裂指數(shù)呈上升趨勢；搭載后的8個品種葉片內(nèi)POD活性均增強(qiáng)、可溶性蛋白含量均增高、葉片內(nèi)SOD活性均降低。馬學(xué)敏等[43]對不同含水量紫花苜蓿種子航天搭載后植株葉片保護(hù)酶活性的研究，得出空間誘變對植株的抗逆性產(chǎn)生正效應(yīng)，并在含水量13%～15%時達(dá)到最大的誘變效應(yīng)。

3 討論與展望

航天育種是近20多年來發(fā)展起來的一項新興育種技術(shù)，其綜合了航天科技、空間輻射、分子生物學(xué)、遺傳、育種等跨學(xué)科的高新技術(shù)，已成為空間生命科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。航天誘變在地面無法模擬，具有其特殊性和優(yōu)越性，已成為一種主要的誘變育種方法。目前航天誘變育種的研究大多數(shù)只是在田間對變異材料的直接選擇，對引起變異的機(jī)理如細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)及生物化學(xué)等方面還處于研究階段，理論研究滯后于應(yīng)用研究。另外，我國從事該項研究的人員十分分散，工作持續(xù)性不足，缺乏信息共享和材料交流，研究論文少，深入研究更少。

航天誘變育種多年研究得出其最顯著的特點(diǎn)是提高植物生物量、早熟性和抗逆性，這對紫花苜蓿而言最為重要。在理論和機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，更應(yīng)該加強(qiáng)育種方面的研究。通過田間觀測、室內(nèi)分析、分子標(biāo)記等各種方法的綜合評價，選出有益變異材料進(jìn)行品種選育工作，由于誘變育種研究存在一定的不穩(wěn)定性，如紫花苜蓿在SP1代選擇的有益單株材料，SP2代種植后會出現(xiàn)個體分離，要繼續(xù)選擇，不能認(rèn)為不穩(wěn)定而放棄，通常到SP3代或SP4代就可基本穩(wěn)定。

植物航天誘變具有不確定性。第一，可以創(chuàng)造出符合育種目標(biāo)或期望的有益變異，經(jīng)過多代選育可以培育出有益的新品種、新材料；第二，搭載不產(chǎn)生變異；第三，搭載后產(chǎn)生不利的變異。通常認(rèn)為誘變SP1代植株發(fā)生變異，有些屬于生理損傷，不能穩(wěn)定遺傳，有些可以穩(wěn)定遺傳給后代，再經(jīng)過三或四代的選育，使得變異性狀穩(wěn)定遺傳，獲得表型和基因型變異均穩(wěn)定的變異株系。

分子標(biāo)記在紫花苜蓿航天誘變研究中的應(yīng)用，有利于變異植株的早期選擇，如一些早期田間選擇表現(xiàn)不明顯，而在后代卻表現(xiàn)優(yōu)良的植株，可以通過分子標(biāo)記達(dá)到直接選擇的目的，可用于分析誘變材料當(dāng)代及后代基因型差異，鑒定變異群體中具有目標(biāo)基因的個體。同時，利用分子生物學(xué)的方法克隆出引起變異的誘導(dǎo)基因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將其轉(zhuǎn)入到載體中，使目標(biāo)性狀得以表達(dá)，可以得到更多的育種材料。

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