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第七章第七章 诱变育种诱变育种一、诱变育种成就和意义一、诱变育种成就和意义利用利用理化因素诱发理化因素诱发植株发生植株发生变异变异，再通过后代的鉴定和选择育成新品种的方，再通过后代的鉴定和选择育成新品种的方法。法。历史历史 19271927年，年，MullerMuller在第三次国际遗传学大会论述在第三次国际遗传学大会论述X-X-射线诱发果蝇产生大量变射线诱发果蝇产生大量变异，提出诱发突变改良植物；异，提出诱发突变改良植物；之后，之后，StadlerStadler首次证明首次证明X-X-射线可以诱发玉米和大麦突变；射线可以诱发玉米和大麦突变；Nilsson-Ehle&GustafssonNilsson-Ehle&Gustafsson（19301930）利用）利用X X射线辐照获得了茎秆坚硬、穗射线辐照获得了茎秆坚硬、穗型紧密、直立型的大麦突变体。型紧密、直立型的大麦突变体。19341934年，年，TollenearTollenear利用利用X X射线育成了第一个射线育成了第一个烟草突变品种烟草突变品种ChlorinaChlorina，并在，并在生产上得到了生产上得到了推广推广。19481948年，印度利用年，印度利用X X射线诱变育成射线诱变育成抗干旱的棉花品种。抗干旱的棉花品种。诱变源不断丰富和改进，诱变源不断丰富和改进，从早期的紫外线、从早期的紫外线、X-X-射线到射线到r射线、射线、射线、中射线、中子和各种化学诱变剂子和各种化学诱变剂第六章第六章 诱变育种诱变育种我国的主要业绩：我国的主要业绩：1957年，中国农业科学院成立了我国年，中国农业科学院成立了我国第一个原子能农业利用第一个原子能农业利用研究室；研究室；随后各省也相继成立有关研究机构；随后各省也相继成立有关研究机构；20世纪世纪60年代中期开始在水稻、小麦、大豆等主要作物上利用辐射诱变年代中期开始在水稻、小麦、大豆等主要作物上利用辐射诱变育成了新品种，在生产上得到了应用。育成了新品种，在生产上得到了应用。20世纪世纪70年代后期，植物辐射诱变育种开始应用于蔬菜、糖料、瓜果、年代后期，植物辐射诱变育种开始应用于蔬菜、糖料、瓜果、饲料、药用和观赏植物育种。饲料、药用和观赏植物育种。9个品种获国家发明奖，包括：水稻原丰早、棉花鲁棉个品种获国家发明奖，包括：水稻原丰早、棉花鲁棉1号、大豆铁丰号、大豆铁丰18和黑农和黑农26等等意义：意义：丰富和拓宽丰富和拓宽了变异类型，尤其是自然界很少有的性状变异，增加了变异类型，尤其是自然界很少有的性状变异，增加了可利用基因资源。了可利用基因资源。第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种二、物理诱变二、物理诱变1、诱变剂种类和诱变的原理、诱变剂种类和诱变的原理：电磁辐射电磁辐射引起生物引起生物DNA损伤或断裂，修复时发生错误拼接与复制，辐射后代表现型损伤或断裂，修复时发生错误拼接与复制，辐射后代表现型产生变异，对于可遗传的变异可以加以选择。产生变异，对于可遗传的变异可以加以选择。（1）紫外线：波长）紫外线：波长200-390nm，低能电磁辐射。，低能电磁辐射。激发原子激发原子外层电子电磁辐射外层电子电磁辐射，非电离辐射。，非电离辐射。穿透力弱，只适用于单细胞组织或生物穿透力弱，只适用于单细胞组织或生物（2）X射线：波长射线：波长1nm以下，以下，核外电磁辐射核外电磁辐射，原子中激发态跃迁到低能态产生射线。原子中激发态跃迁到低能态产生射线。射线特性取决于工作电压和靶材料（钨、钼）射线特性取决于工作电压和靶材料（钨、钼）软软X射线：射线：0.1-1nm，穿透力弱，穿透力弱(mm)，（微效突变），（微效突变）硬硬X射线：射线：0.001-0.1nm，穿透力，穿透力(cm)，早期常用于诱变育种，早期常用于诱变育种高能高能X射线：射线：10-8-10-3nm，穿透力强，穿透力强第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种（3）r射线：波长小于射线：波长小于10-3nm，核内电离辐射，能量高，穿透力强（，核内电离辐射，能量高，穿透力强（cm)。最常用的物理诱变剂最常用的物理诱变剂，60%诱变育成品种是利用诱变育成品种是利用r射线射线防护：水泥墙体、铅板、金属离子溶液、水体等防护：水泥墙体、铅板、金属离子溶液、水体等辐射源辐射源：60Co：由非放射性金属钴在中子反应堆中形成；半衰期：由非放射性金属钴在中子反应堆中形成；半衰期5.3年年137Cs：铀裂变产生，半衰期：铀裂变产生，半衰期30年，能量是年，能量是60Co的一半的一半处理方式：外照射处理方式：外照射慢照射：低剂量长时间（几天至整个生育期）的照射慢照射：低剂量长时间（几天至整个生育期）的照射急照射：高剂量短时间内完成；急照射：高剂量短时间内完成；设施结构：控制室：升降控制、安全报警、剂量监测、电视监控；设施结构：控制室：升降控制、安全报警、剂量监测、电视监控；迷道：控制室与照射室之间过道，迷道：控制室与照射室之间过道，S、C、L形；形；照射室：照射源、储源井、升降装置照射室：照射源、储源井、升降装置处理对象：植株、种子、组织、器官、愈伤组织、花粉（无嵌合体）处理对象：植株、种子、组织、器官、愈伤组织、花粉（无嵌合体）第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种浙江农科院的浙江农科院的60Co射线种植房射线种植房第七章第七章 诱变育种诱变育种慢照射 种植房急照射的照射室结构与种植房相似第六章第六章 诱变育种诱变育种黑龙江农科院的黑龙江农科院的60Co射线温室射线温室（慢照射）（慢照射）第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种四川农科院的钴圃全貌四川农科院的钴圃全貌（慢照射）（慢照射）第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种粒子辐射粒子辐射（4）射线：放射性同位素射线：放射性同位素32P、35S、14C、131I穿透力远小于穿透力远小于r射线（射线（mm）、但电离密度大）、但电离密度大内照射内照射：同位素溶液浸泡、注射处理，常用：同位素溶液浸泡、注射处理，常用32P（半衰期短）（半衰期短）射线：氦的原子核。穿透力更弱，电离密度更大。射线：氦的原子核。穿透力更弱，电离密度更大。对有机体内产生严重的损伤，诱发染色体断裂的能力很强。对有机体内产生严重的损伤，诱发染色体断裂的能力很强。中子：中子：外照射外照射（5 5）航天育种：航天育种：利利用用太太空空微微重重力力、高高能能粒粒子子、高高真真空空、缺缺氧氧和和交交变变磁磁场场等等综综合合物物理理诱诱变变因因子子进行诱变和选择育种研究。进行诱变和选择育种研究。我我国国于于19871987年年开开始始进进行行航航天天搭搭载载育育种种，由由此此育育成成了了大大田田作作物物、蔬蔬菜菜和和花花卉卉作作物共物共5050多个物种的多个物种的300300多个优良新品种。多个优良新品种。特点：诱变作用强、变异幅度大、微突变类型多和有益变异多等优点，特点：诱变作用强、变异幅度大、微突变类型多和有益变异多等优点，因此对于产量和品质等经济性状改良作用大。因此对于产量和品质等经济性状改良作用大。第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种2、影响辐射效果的因素、影响辐射效果的因素原则：目标性状突变率大；诱变当代（原则：目标性状突变率大；诱变当代（M1）死亡率低）死亡率低植物对诱变剂敏感性植物对诱变剂敏感性不同的作物和同一作物不同品种的敏感性不一样不同的作物和同一作物不同品种的敏感性不一样多倍体比二倍体钝感；多倍体比二倍体钝感；十字花科、麻类、烟草钝感，豆科敏感；十字花科、麻类、烟草钝感，豆科敏感；籼稻钝感，粳稻敏感籼稻钝感，粳稻敏感作物的不同器官、组织及发育时间和生理状况，敏感性不一样作物的不同器官、组织及发育时间和生理状况，敏感性不一样代谢缓慢比代谢旺盛的阶段钝感代谢缓慢比代谢旺盛的阶段钝感处理前后的环境条件也影响诱变效果处理前后的环境条件也影响诱变效果种子含水量，风干种子受种子含水量，风干种子受r射线影响最小射线影响最小氧气和含水量增加氧气和含水量增加r射线损伤和突变率射线损伤和突变率不同目的性状的最佳诱变剂量不同不同目的性状的最佳诱变剂量不同第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种照射剂量控制照射剂量控制放射性强度：放射源放射性强度：放射源mCi(10-3Ci);uCi(10-6Ci)剂量强度：单位物质吸收的剂量。剂量强度：单位物质吸收的剂量。照射剂量：照射剂量：伦琴（伦琴（R）表示，是）表示，是X和和-射线的剂量单位射线的剂量单位库伦库伦/千克（千克（Coulomb/Kg），相当于），相当于3.876*103R（新）新）吸收剂量：吸收剂量：拉特（拉特（Rad）表示）表示戈瑞（戈瑞（Gray），相当于），相当于1J/KG或或100Rad（新新）中子流量：单位平方厘米的中子数（中子流量：单位平方厘米的中子数（n/cm2），也可用），也可用Rad来表示。来表示。剂量率：单位时间内物质的吸收剂量剂量率：单位时间内物质的吸收剂量（R/min）半致死剂量半致死剂量LD50：处理当代植株成活处理当代植株成活50%临界剂量临界剂量：处理当代植株成活：处理当代植株成活40%各种作物对各种作物对-射线和快中子处理适宜剂量列于射线和快中子处理适宜剂量列于表表7-3第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种三、化学诱变三、化学诱变1943年首先发现脲烷诱发月见草、百合等染色体畸变年首先发现脲烷诱发月见草、百合等染色体畸变 1948年，年，Gustafsson等曾用芥子气处理大麦获得突变体等曾用芥子气处理大麦获得突变体1、诱变剂种类和诱变原理：、诱变剂种类和诱变原理：（1）烷化剂烷化剂：带有一个或多个烷基带有一个或多个烷基 在在碱性条件碱性条件下，下，置换碱基（置换碱基（G G）中的氧原子，）中的氧原子，烷化碱基烷化碱基 烷化烷化DNA中的中的磷酸磷酸 酸性条件没有诱变能力，但引起生理伤害酸性条件没有诱变能力，但引起生理伤害毒性大，能致癌，易挥发，使用时必须注意通风毒性大，能致癌，易挥发，使用时必须注意通风 主要烷化剂：主要烷化剂：甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（EMS）硫酸二乙酯（硫酸二乙酯（DES）乙烯亚胺（乙烯亚胺（EI）亚硝基乙基脲（烷）亚硝基乙基脲（烷）第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种（2）叠氮化钠）叠氮化钠 等电点等电点PI4.8 在在酸性条件酸性条件下，产生下，产生NH3，替代碱基上其它基团（替代碱基上其它基团（氨基化氨基化）影响影响DNA的正常合成，它只作用于复制中的的正常合成，它只作用于复制中的DNA 充氧溶液提高诱变效果充氧溶液提高诱变效果 诱变效果较好，使用较为安全诱变效果较好，使用较为安全 碱性条件下无效碱性条件下无效 对多倍体无效对多倍体无效（3）碱基类似物碱基类似物DNA碱基的化学结构相类似的一些物质碱基的化学结构相类似的一些物质渗入渗入DNA取代原有碱基，导致碱基错配取代原有碱基，导致碱基错配5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5BU）和）和5-溴脱氧尿核苷（溴脱氧尿核苷（BUdR）是胸腺嘧啶（）是胸腺嘧啶（T）的类似物；的类似物；5-氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-AP）是腺嘌呤（）是腺嘌呤（A）的类似物）的类似物第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种2、处理方法：、处理方法：溶液浸泡处理种子、植物枝条、芽溶液浸泡处理种子、植物枝条、芽滴液处理植株切口或花序滴液处理植株切口或花序结合组织培养结合组织培养气体熏蒸花粉（烷化剂）气体熏蒸花粉（烷化剂）有效有效PH是成败的关键是成败的关键烷化剂烷化剂PI的碱性范围，叠氮钠的碱性范围，叠氮钠PI的酸性范围的酸性范围 处理环境影响诱变效果处理环境影响诱变效果 低浓度、延长处理时间，能减轻伤害，提高存活率和突变率低浓度、延长处理时间，能减轻伤害，提高存活率和突变率3、化学诱变剂的特点：、化学诱变剂的特点：诱发突变率较高，点突变多，染色体损伤轻，不引起染色体断裂；诱发突变率较高，点突变多，染色体损伤轻，不引起染色体断裂；生理代谢损伤大，容易引起生活力和可育性下降；生理代谢损伤大，容易引起生活力和可育性下降；使用所需的设备比较简单，成本较低，诱变效果较好；使用所需的设备比较简单，成本较低，诱变效果较好；对人体更具有危险性对人体更具有危险性第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种四、诱变育种的特点四、诱变育种的特点一、一、提高突变率，扩大突变谱提高突变率，扩大突变谱一般诱变率在千分之一左右，多种诱变因素可使突变率提高到一般诱变率在千分之一左右，多种诱变因素可使突变率提高到3%。二、改良单一性状比较有效，同时改良多个性状较困难二、改良单一性状比较有效，同时改良多个性状较困难三、三、性状稳定快，育种年限短性状稳定快，育种年限短诱发的变异大多是一个主基因的改变，因此稳定较快，一般经诱发的变异大多是一个主基因的改变，因此稳定较快，一般经34代代即可基本稳定，有利于较短时间育成新品种。即可基本稳定，有利于较短时间育成新品种。四、四、诱发突变的方向和性质难于掌握诱发突变的方向和性质难于掌握突变类型多种多样，但有益变异性状少，要求大群体。突变类型多种多样，但有益变异性状少，要求大群体。诱变育种与其它育种方法的结合诱变育种与其它育种方法的结合 杂交育种与诱变育种杂交育种与诱变育种 诱变育种与生物技术诱变育种与生物技术 复合诱变复合诱变第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种五、诱变育种的工作程序五、诱变育种的工作程序1、确立目标性状、选择处理材料、确立目标性状、选择处理材料单一性状改良，高频突变性状（早熟、矮秆、抗病）单一性状改良，高频突变性状（早熟、矮秆、抗病）2、材料选择、材料选择选择综合性状和适应性较好的选择综合性状和适应性较好的推广品种或优良品系推广品种或优良品系进行诱变处理进行诱变处理多倍体突变体的死亡率低、获得较多的变异，但多倍体突变体的死亡率低、获得较多的变异，但M2难于观察到变异难于观察到变异花培愈伤组织，处理当代显现，易于识别和选择，缩短育种年限花培愈伤组织，处理当代显现，易于识别和选择，缩短育种年限 体细胞培养产生的愈伤组织体细胞培养产生的愈伤组织3、诱变剂和剂量的选择、诱变剂和剂量的选择根据文献和经验，选择目标性状的高频诱变源根据文献和经验，选择目标性状的高频诱变源确立该诱变源的高频剂量范围，选择确立该诱变源的高频剂量范围，选择2-3种不同剂量进行试验种不同剂量进行试验4、处理群体的大小、处理群体的大小M2群体大小，群体大小，M1存活率、目标性状的预期变异率存活率、目标性状的预期变异率第七章第七章 诱变育种诱变育种第六章第六章 诱变育种诱变育种4、处理材料的种植和选择、处理材料的种植和选择（1）M1代植株及种植：代植株及种植：经诱变处理的种子或营养器官所长成的植株或直接出来的植株均称经诱变处理的种子或营养器官所长成的植株或直接出来的植株均称为诱变一代（或为诱变一代（或M1）点播、隔离（异花授粉作物）点播、隔离（异花授粉作物）主茎穗单收或混收：主穗突变率高，密植。主茎穗单收或混收：主穗突变率高，密植。不选择。原因：嵌合体、隐性突变多、多为非遗传的生理伤害变异不选择。原因：嵌合体、隐性突变多、多为非遗传的生理伤害变异处理花粉材料没有嵌合体处理花粉材料没有嵌合体（2）M2代及其以后世代的种植：代及其以后世代的种植：突变细胞参与生殖细胞的形成，在突变细胞参与生殖细胞的形成，在M2代变异的遗传性状出现分离的代变异的遗传性状出现分离的世代，应该加以选择世代，应该加以选择相当于一个相当于一个F2群体，大于群体，大于F2群体群体系谱法：系谱法：每个每个M1主穗种植一个主穗种植一个M2穗行，便于穗行间鉴别，工作量大穗行，便于穗行间鉴别，工作量大混合法：混合法：M1每穗混收每穗混收10-20粒左右，粒左右，M2混种，选择，混种，选择，M3株行鉴定株行鉴定第七章第七章 诱变育种诱变育种