辐射诱变技术在木本植物育种中的应用及展望_李玉岭.pdf

综述与专论2023,39(6):12-30生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN收稿日期：2022-08-22基金项目：山东省农业良种工程项目（2020LZGC011）作者简介：李玉岭，男，博士研究生，工程师，研究方向：林木分子育种；E-mail:通讯作者：毛秀红，女，博士，正高级工程师，研究方向：林木遗传育种；E-mail:辐射诱变技术在木本植物育种中的应用及展望李玉岭1 毛欣2 张元帅3 董元夫3 刘翠兰1 段春华1 毛秀红1（1.山东省林业科学研究院，济南 250014；2.河南农业大学，郑州 450000；3.费县国有大青山林场，济宁 273400）摘 要：辐射诱变在植物新品种选育和遗传改良方面发挥着重要作用，为了能让育种者迅速准确地了解辐射诱变在木本植物上的研究和应用情况，基于 CNKI 数据库及国际原子能机构官网，对 2000 年后公开发表的木本植物辐射诱变相关文献及公布的辐射突变品种进行统计分析。从辐射诱变机理、辐射效率影响因素、突变体鉴定及分离、辐射育种成果等方面进行了全面梳理。结果表明，目前辐射诱变机理尚不清楚，影响辐射效率的关键因素为适宜辐照剂量，其次要关注辐射材料的敏感差异性，鉴定突变体的方法有表型、生理生化、细胞学及分子标记，组合使用结果更准确。总体上木本植物辐射育成品种数量不多，并且有逐渐下降的趋势。该文综述了木本植物辐射育种研究进展，对辐射诱变存在的难题诸如诱变效率低、突变方向不易控制、突变体鉴定方法不完善等给出相应解决方案，并对今后辐射育种研究方向进行了展望，旨在为植物辐射育种研究及应用提供借鉴和新思路。关键词：辐射诱变；木本植物；育种；突变；诱变机理；突变体鉴定DOI：10.13560/ki.biotech.bull.1985.2022-1008Applications and Perspectives of Radiation Mutagenesis in Woody Plant BreedingLI Yu-ling1 MAO Xin2 ZHANG Yuan-shuai3 DONG Yuan-fu3 LIU Cui-lan1 DUAN Chun-hua1 MAO Xiu-hong1（1.Shandong Academy of Forestry,Jinan 250014;2.Henan Agricultural University,Zhengzhou 450000;3.Feixian State-owned Daqingshan Forest Farm,Jining 273400）Abstract:Radiation mutagenesis plays an important role in the selection and genetic improvement of new plant varieties.In order to provide breeders with a rapid and accurate picture of the research and application of radiation mutagenesis on woody plants,based on the CNKI database and the official website of the International Atomic Energy Agency,a statistical analysis of the published literature related to radiation mutagenesis in woody plants after 2000 and the released radiation mutant species were carried out.A comprehensive review was sorted out from the aspects of radiation mutagenesis mechanism,factors affecting radiation efficiency,mutant identification and isolation,radiation breeding achievements in this field.The result shows that the mechanism of radiation mutagenesis is still unclear,the key factor affecting radiation efficiency is the appropriate irradiation dose,followed by attention to the sensitive variability of the irradiated material,and mutant identification methods are phenotypic,physiological-biochemical,cytological and molecular markers,which are used in combination for more accurate results.Overall,the number of radiation-breeding woody plant varieties is small and tends to decline gradually.The progress of radiation breeding research in woody plants is reviewed,and solutions to the problems of radiation mutagenesis,such as low mutagenesis efficiency,poor control of mutation direction and imperfect mutant identification methods,are given,and the future directions of radiation breeding research are also prospected,aiming to provide reference and new ideas for plant radiation breeding research and application.Keywords:radiation mutagenesis;woody plants;breeding;mutations;mutagenesis mechanism;mutant identification2023,39(6)13李玉岭等：辐射诱变技术在木本植物育种中的应用及展望辐射育种是利用物理诱变因素（射线、带电粒子束等）诱导植物遗传物质发生突变，经过筛选、测定、选择，较短时间内得到理想突变体，从中选育出新种质的育种方法。辐射诱变具有诸多优势，一是提高突变频率，创造多种突变体，丰富种质资源。刘刚等1利用辐射与杂交组合方法育出桑树（Morus alba L.）新品种川 799。唐小浪等2利用辐射育种得到性状优良的少核年桔。二是增强植物抗逆性，改善品质。利用 射线辐射诱变得到抗白粉病、抗锈病速生杨树3-4。库尔勒香梨枝条辐射处理后，果肉石细胞含量减少，可溶性糖和维生素 C 含量增高5。三是冲破基因连锁，促进基因重组。辐射会使染色体断开，出现一系列染色体结构变异（包括易位、倒位、重复及缺失等），从而增加基因重组机会。研究表明，辐射花粉可以冲破劣性基因的连锁遗传，诱导基因发生精良突变6。四是保持原有优良特性，改良个别不利性状。如辐射诱变选育的沃柑突变系渝沃无核，成熟期早、种子数量少、品质更优7。射线处理玫瑰香橙和 Nambangan 蜜柚，种子数量也明显减少8-9。五是缩短育种年限以及克服远源杂交不育。研究发现，花粉经较高剂量射线照射后杂交，能获得较多类型的单倍体，短期内可获得优良育种资源。而花粉经较低剂量射线照射后，可有效解决远缘杂交不亲和问题6,10。由于单一规模化种植导致生物多样性降低，而且木本植物育种周期长，使木本植物育种面临很多困难和挑战，而辐射诱变可快速产生大量符合育种目标的新种质、新材料，缩短育种年限。本文从辐射诱变机理、影响辐射效率的因素、突变体的鉴定及分离、木本植物辐射育种成果等方面进行全面梳理，为辐射诱变在木本植物育种上的应用提供技术借鉴和参考。1 辐射诱变机理研究诱变机理是辐射诱变育种的理论基础，一般认为辐射对生物体的作用包括直接作用和间接作用。直接作用是指诱变源（如射线）直接将能量传递给生物分子而产生电离和激发，引起分子结构异常及生物活性丧失。间接作用即自由基理论，生物体受到辐射，细胞中的水吸收能量形成水自由基，这些自由基既可与遗传物质发生生物学效应引起基因突变，又可直接作用于生物分子（如蛋白质），造成它们的损伤11。辐射诱变机理尚不清楚，目前研究主要集中于染色体畸变和基因突变。1.1 染色体畸变 染色体畸变主要包括染色体数量变异、结构异常和行为畸变，染色体畸变可能导致单倍体型或其他非整倍体类型的出现、染色体断裂、结构重组以及行为变异（如染色体桥、染色体落后）。由于染色体对辐射具有高度敏感性，因此植物辐射损伤典型特征便是染色体畸变。1.2 基因突变 辐射诱变的分子机理主要围绕遗传物质损伤、修复及其与突变形成的关系来展开。辐射能激活释放原子的内层电子而使原子离子化，进而可与其他原子和分子结合而引起共价键断裂，导致 DNA 链断裂，经自我修复仍不能恢复到原状就会产生突变12。研究表明，辐射后基因突变主要包括碱基突变（C/G-T/A 型、A/T-G/C 型、A/T-T/A 颠换型）和片段删除型突变13。辐射除了诱发植物 DNA 数量和结构的变异，还存在 DNA 甲基化变异、转座子及反转录转座子变异，从而引起植物表型改变14-15。总体上，辐射诱变分子机理主要是关注 DNA 变异及挖掘引起性状变异的基因16。2 木本植物辐射效率的影响因素2.1 诱变源选择 辐射诱变源包括可电离辐射源（、X、等射线源和中子、电子束）和非电离辐射源（重离子束、激光和紫外线）。诱变源的选择直接影响诱变效率。据统计，目前利用辐射诱变育成的植物新品种中，射线占到 70%以上17。木本植物辐射诱变以60Co-应用最多（表 1）。2.2 辐射材料选择及辐射敏感性差异一般而言，辐射效率的高低与诱变材料的选择紧密相关，因此需要选择综合性能指标较好、适应环境能力强的材料。木本植物诱变材料以种子应用最多，这可能与种子携带方便、易保存、繁殖效率较高、诱变及突变体筛选方便等优点有关。果树上用枝条作为辐射材料较普遍，约占果树诱变材生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.614表 1 我国木本植物辐射诱变的研究应用（2000 年-至今）Table 1 Research and application of radiation mutagenesis of woody plants in China（2000-present）类别Category植物名 Plant name诱变源Mutagenic source辐射材料Radiating materials辐射剂量Radiation dose形态 Mor-phology发育 Devel-opment生理生化Physiology&Biochemistry细胞学Cytology分子鉴定Molecular identification参考文献Reference林木Forest威灵仙 Clematis chinensis137Cs-种子 SeedLD50=109.5 Gy，适宜剂量（Appropriate dose range）50-109.5 Gy+18秀丽槭 Ac