吳笛　汪磊

【摘要】：本文詳細敘述了幾種誘變技術(shù)在植物育種中的應用，如EMS誘變技術(shù)、離子注入誘變育種技術(shù)、空間誘變育種技術(shù)、激光輻射誘變育種技術(shù)，同時也詳細闡述了各種誘變育種技術(shù)的應用與發(fā)展歷程，對其使用方法以及作用原理進行了深入的探究，并深入探究了各項技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】；誘變技術(shù)；植物育種；應用發(fā)展；

在植物正常的生長狀態(tài)下，植物發(fā)生變異的概率還是非常低的，而植物的進化就是一種植物對自身變異的一種選擇過程，因植物生長具有一定的穩(wěn)定性以及一致性，想要植物自身對環(huán)境進行優(yōu)化改良的進化還是很難的，植物之間存在的差異是一種遺傳性的差異，也是物種自身進行長期積累變異的結(jié)果表現(xiàn)。隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，自20世紀以來，人類對植物遺傳變異的研究領(lǐng)域有了重大的突破，從而掌握了各種植物的變異手段，繼而豐富了對遺傳變異技術(shù)的研究實踐的經(jīng)驗，也為植物的遺傳學研究打下了良好的基礎(chǔ)，并對作物育種方面的研究提供了物質(zhì)支持。對植物我們一般采用物理、化學、生物的手段進行誘變突變，從而使植物細胞核的染色體發(fā)生基因突變，從而達到使后邊發(fā)現(xiàn)性狀變異的目的。我們最早是通過實驗發(fā)現(xiàn)的誘變技術(shù)，是用X光照射果蠅的實驗，通過這個實驗，我們第一次對誘變有了深入的認識，隨后的X光就被廣泛的應用在植物的誘變技術(shù)上了。但隨著該技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，對這項技術(shù)的研究得到了重大的突破，我們又發(fā)現(xiàn)了許多的誘變源，如γ射線等誘變源被應用到了誘變技術(shù)中。在1943年，通過對脲烷處理月見草等植物的實驗成果進行深入的分析探討，發(fā)現(xiàn)了植物的染色體畸變，這一發(fā)現(xiàn)標志著化學誘變技術(shù)的問世?；瘜W誘變通常是使用化學誘變劑通常都是一些分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的化合物，這類化合物的誘變效果是非常好的。大量的研究結(jié)果表明，植物的誘變技術(shù)在我們對新材料的研究、創(chuàng)造新物種、以及進行物種改良等方面有著非常好的研究效果。尤其是對我們在培育新物種方面有著極為獨特的成效，能充分解決在育種培育過程中發(fā)生的特殊問題。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，人們對誘變技術(shù)的研究也越來越深入，誘變技術(shù)也在不斷的被改良，近些年來，新的誘變技術(shù)有著非常好的發(fā)展前景，這些新技術(shù)包括MS誘變技術(shù)、離子注入誘變育種技術(shù)、空間誘變育種技術(shù)、激光輻射誘變育種技術(shù)等新型的育種技術(shù)，并且已經(jīng)應用到了物種的改良發(fā)面，作用于改善物種的品質(zhì)。本文根據(jù)這些新型誘變技術(shù)在玉米育種的應用作了詳細的概述。

1、 EMS誘變技術(shù)

1953年，EMS所具有的突變誘導性被首次報告，之后就在誘變育種技術(shù)中得到了廣泛的應用，并且得到了非常顯著的效果。EMS能與核苷酸中的嘧啶分子直接進行反應，從發(fā)達到誘發(fā)突變的目的，EMS誘發(fā)突變的作用原理非常簡單，主要是鳥嘌呤被烷基化，之后再DNA的復制中烷基化的鳥嘌呤與胸腺嘌呤發(fā)生配對，從而導致堿基發(fā)生交換，形成了突變點，達到了基因突變的目的。

其實早在上世紀60年代EMS就被用來浸泡育種，但是誘變的效率非常低，主要原因就是EMS與水發(fā)生化學反應，生成了甲磺酸這種有毒的化合物，甲磺酸不但不能起到右邊作用，還會嚴重損傷植物，甚至會對植物造成不育的效果。另外就是胚細胞被許多細胞包圍，尤其是在成熟的種子中，而且細胞膜還具有雙透性，從而進一步的妨礙EMS進入胚細胞內(nèi)。最后一點就是產(chǎn)生突變的基因難以固定，尤其是在細胞進行了無數(shù)次的分裂分化后，攜帶突變因子的染色體會因為復制的次數(shù)過多，在復制過程中出現(xiàn)不易表達的狀況甚至發(fā)生丟失。

這種狀況直至1978年才得到了改善，通過對成熟玉米花粉貯藏在輕質(zhì)石蠟油中的實驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)玉米劃分仍然能保存活力，于是便將EMS與亞硝基胍混合，融入到石蠟油中，配成乳濁液與懸濁液，再對玉米的成熟花粉進行誘變處理，誘變結(jié)果非常好，誘變后的育種后代出現(xiàn)高頻率的基因突變。

隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展與應用，技術(shù)的水平也在不斷地創(chuàng)新與突破，1986年，美國的一家種子公司通過對EMS處理玉米自交系的研究，獲得了單一核苷酸除草劑的突變體這一研究成果，并于1988年申請了專利保護。1987年，通過對玉米劃分的處理研究，獲得了儒質(zhì)，甜質(zhì)的突變體。1991年，含有IT抗除草劑性能基因的玉米雜交種被首次推出。因其并非是轉(zhuǎn)基因玉米，不存在人體食用的安全問題，所以被大眾所接受，市場反應效果良好。1991年通過對EMS對玉米花粉進行處理的研究，發(fā)現(xiàn)了儒質(zhì)基因的誘變頻率。1992年，通過EMS處理花粉，發(fā)現(xiàn)了高賴氨酸材料。目前，人們已經(jīng)認識到EMS誘變育種的重要性，對EMS誘變技術(shù)進一步的研究工作正在不斷的進行，EMS誘變育種技術(shù)正在不斷地成熟與完善，通過對誘變創(chuàng)造特用玉米的研究，我們又有了很多意外的收獲，研究結(jié)果表明，化學誘變技術(shù)基本創(chuàng)造了時至今日所累積的所有玉米的全部類型，包含了全部的特性玉米?；谑褂肊MS處理玉米的單倍體胚性細胞的研究，獲得了抗玉米小斑病的突變體。使用EMS劃分誘變技術(shù)，篩選了很多玉米的突變體。之所以選用玉米花粉進行誘變，主要是因為成熟的玉米花粉的精細胞是雙核細胞，一旦發(fā)生突變，就可以將突變基因傳遞給受精后的合子。玉米花粉的誘變基本不會引起植株畸變，通過大量的研究結(jié)果表明，使用EMS進行誘變花粉的突變，效果是非常明顯的，而且更容易處理突變性狀。雖然誘變方向是不能控制的，但是只要誘變的頻率足夠高，誘變的群種足夠大，就能選出突變目標。另外，EMS結(jié)合石蠟油的誘變技術(shù)成功率是非常高的，更重要的是操作簡便快捷，被認為是最有效的誘變技術(shù)之一。非常值得一提的就是化學誘變開拓了一種便捷快速的玉米育種培育方法，這在培育特性玉米的實踐中具有十分重要的意義。和普通的玉米相比，特性玉米在生產(chǎn)上是十分困難的，配合力是非常低的，但是使用EMS與石蠟油結(jié)合的化學誘變技術(shù)，可以再很短的時間內(nèi)就得到各種類型的特用玉米，而且保留了優(yōu)質(zhì)的性狀，沒有外來玉米的滲入。對于獲得的單個基因突變體，為了我們培養(yǎng)出雙基因以及多個基因組合的突變體，提供了引導方向，并創(chuàng)造了堅實的物質(zhì)條件。也為我們創(chuàng)造培養(yǎng)更具商業(yè)價值的的突變體打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 、離子注入誘變育種

離子注入誘變育種技術(shù)的發(fā)展還要從離子注入說起，離子注入是從80年代初期開始，廣泛的應用到金屬材料方面的一項高新技術(shù)，主要是用來進行金屬的表明改良。1986年中國科學院等離子物理研究所做出了對這項技術(shù)應用到植物育種方面這一方向的研究。并率先展開了研究，目前已取得重要的進展，并在誘變機理方面以及育種應用方面取得了重要的進展。離子注入誘變育種具有損傷輕以及突變率高的特點，因其這一優(yōu)良特點，在人工誘變的方法有了一個新的發(fā)展，提供了一個新的方向。

將能量為幾十到幾百的荷能離子注入到植物中，通過能量沉積、動量傳遞、離子注入、電荷交換這一過程，并且在離子到達終位前，同靶材料中的分子原子相互作用，使得生物分子發(fā)生電離損傷導致。通過彈性碰撞、沖撞導致原子移位，從而留下了鍛煉或是缺陷。離子能量逐步降低的這一過程使得核阻能上升，達到了能量損失的峰值，這時的離子也就沉積了下來。對于諸如的活性離子，他們會在沉積過程中不斷的與生物分子發(fā)生置換，形成新的分子基因，因為粒子的能量沉積，導致離子中一小部分能量將隨著動能方向轉(zhuǎn)移到表面，從而引起生物表明的二次離子發(fā)射。至于濺射的離子，可以是分子也可以是離子或是原子。入社的離子在發(fā)生碰撞時也可以直接將動量離子傳遞給表面粒子，也會發(fā)射具有較高能量的二次離子。

由此可見，離子注入的基本過程中便隨著有能量的沉積和傳遞，也有離入電荷的交換。這些過程都是在極短的時間內(nèi)發(fā)生的，難以區(qū)分各自的作用與獨立過程，但是每個過程都會產(chǎn)生不同的效應，特別是生物學效應。應特別注意的是在離子注入與生物體相互作用的范圍內(nèi)，相互作用是局部的，具有雙重性以及不易修復的兩種特性。因此離子的注入就可能會導致染色體的斷裂以及缺失。也可能會因為堿基結(jié)果的改變從而造成誘發(fā)點的突變。根據(jù)離子注入誘變小麥的實驗，研究結(jié)果表明誘變注入小麥發(fā)生誘變的效果大大的高于γ射線，甚至會在誘變初代中就出現(xiàn)非常明顯的變異。目前離子注入誘變技術(shù)已經(jīng)成功的應用到水稻、小麥等物種進行遺傳改良，并且在遠緣雜交等方面都得到了極為廣泛的應用。但是對于在玉米上的應用與研究還是相對較少的。但利用離子舒服技術(shù)處理玉種子的研究，或得到一種高光效的材料，為在玉米方面的研究提供了珍稀的資源。

3、 空間誘變育種技術(shù)

空間環(huán)境誘變基本的空間環(huán)境特點就是高真空、強輻射和微重力等幾個方面。將植物搭載在衛(wèi)星或者高空氣球上，在飛行過程中就處于微重力的環(huán)境中，同樣的還有宇宙中的高能離子以及宇宙射線等。但是宇宙射線會對生物產(chǎn)生輻射誘變的作用，而且經(jīng)過多方面的生物學研究結(jié)果表明，宇宙中存在的高能粒子會使染色體發(fā)生斷裂，更重要的是，重接性斷裂的比率是非常高的。同樣的在微重力以及真空的環(huán)境中將會引起細胞活性酶的改變，從而會影響DNA的修復。對于太空所處的綜合環(huán)境的作用結(jié)果導致了環(huán)境誘導會發(fā)生較高的誘變效果。特別是與其他的誘變技術(shù)相比，空間誘變育種技術(shù)的特點就是變異范圍非常大，而且可能會出現(xiàn)自然界人工誘導技術(shù)中從未出現(xiàn)的誘變效果，甚至會出現(xiàn)新型的變異。這種誘變技術(shù)的好處就是有益的突變高，而且變異穩(wěn)定，而且也是產(chǎn)生新物種創(chuàng)造新物質(zhì)的重要途徑之一。目前的誘變研究大多集中在誘變的形態(tài)，以及生理變化等幾個方面。然而我國利用衛(wèi)星搭載植物種子進行誘變已經(jīng)獲得了水稻等農(nóng)作物的新的突變類型，并且培育出了一些新的物種品系?？臻g環(huán)境誘變技術(shù)對玉米的誘變研究起步較早，早在上世紀60年代就有試驗，并且研究結(jié)果表明宇宙射線能導致玉米種子的異常生長。并且玉米在受到宇宙射線中的高能轟擊之后會在葉子上出現(xiàn)黃色條紋。1994年對太空環(huán)境對玉米種子的發(fā)芽率的影響進行了實驗探究，研究結(jié)果表明，太空環(huán)境對玉米種子的發(fā)芽率并無影響，但是會出下生長抑制的狀況。由于當代植物的植株較高，葉片數(shù)量明顯減少。一些植株的根尖細胞中包含染色體橋等物質(zhì)。1998年對玉米自交系種子的研究又有了重大突破，通過對玉米自交系種子搭載往返衛(wèi)星之后在田間的生長過程發(fā)現(xiàn)，會出現(xiàn)少數(shù)的自交系負效果。從對誘變材料的分析與研究觀察中發(fā)現(xiàn)，空間誘變發(fā)生的頻率較高，范圍也是比較廣的，而且也是有助于改良農(nóng)產(chǎn)品的性狀以及農(nóng)藝性狀。但是由于地面育種的難以實現(xiàn)以及經(jīng)濟生產(chǎn)的影響難以突破，空間誘變育種技術(shù)在很多方面都受到了限制。

4、 激光輻射誘變育種

激光輻射誘變育種技術(shù)是屬于誘變育種技術(shù)的一個新的分支。從上世紀60年代開始，發(fā)達國家如美國、加拿大等就對激光與中技術(shù)展開了研究與應用。而我國與1972年才開始對這項技術(shù)展開了深入的研究與分析，時至今日，已取得大量的進展。并且在生物的細胞水平等方面均作出了大量的研究與探討，證實了激光輻射可對物種產(chǎn)生變異效果，并且產(chǎn)生的變異能夠遺傳。從而對誘變育種的技術(shù)進行了徹底的革新變革。另外就是在新物種的選育方向上取得了顯著地成績，證明了激光誘變育種技術(shù)的有效性。因為激光具有較高的方向性等基本特征，所以一旦某種激光的頻率以生物體內(nèi)的某種物質(zhì)的頻率相等，就會產(chǎn)生共振，從而積累能量引起化學鍵的斷裂。然后斷裂分子在進行相互作用，就能夠形成新的化學鍵，從而引起性狀的變異，另外激光還具有一定的電磁場效應，可以直接地影響生物的生長發(fā)育狀況，從而引起生物的變異。現(xiàn)如今激光誘變育種技術(shù)已經(jīng)被迅速應用到生產(chǎn)中，生產(chǎn)出一些高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新品種，激光輻射誘變技術(shù)也為玉米的育種提供了一種全新的研究方向。

5 、結(jié)束語

誘變育種技術(shù)是一種對物種進行創(chuàng)造改良的技術(shù)，他能有效的改良農(nóng)作物的基因以及農(nóng)藝形狀，通過誘變的手段進行育種，可以有效的改良比如早熟，株高等簡單的性質(zhì)。誘變育種技術(shù)與常規(guī)的育種技術(shù)相比，具有后代的性質(zhì)穩(wěn)定，育種的周期短等優(yōu)點，但是也有一些不足，就是進行誘變育種時，發(fā)生變異的方向不確定，突變頻率難以控制，想要解決這一問題就必須采用新型的誘變育種技術(shù)，擴大誘變的群種，從而加大選擇的機會。誘變育種技術(shù)使培育新物種的重要手段，也是豐富物種資源的重要手段，雖然在農(nóng)作物方面的一些誘變手段的應用方面的研究才剛剛起步，但是對理論研究已經(jīng)趨于成熟，但已有的研究成果已經(jīng)達到了驚人的效果，誘變育種技術(shù)已經(jīng)進入了一個新的時期。

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