核辐射在育种方面的应用

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1、辐射育种的应院：园艺学院 名：朱代强李志宁 号：107331612173107331612171核辐射在农业育种方面的应用及发展辐射育种是近年来发展起来的一种新奇的种植技术。它利用射线、X射线或者是中子、激光和离子束等照射农作物 的种子、植株或某些器官和组织，促使它们产生各种变异，再从中选择需要的可遗传优良变异，从而在短时间内获得 有利用价值的突变体，以供直接生产利用或者是在此基础上培育出新的种质资源的一种新兴的育种技术。经过这 样的技术种植，一个青椒重量可以达到500克，玉米能够结出7个棒，黄瓜可以长到半米高，而美丽的花卉也都神话般 地发生变异，“一串红”本是一串串地开花，在这里可以满株开花

2、，如同一座小塔。“万寿菊”本是单层的四瓣花， 这时开出的花却变成了多层的六瓣花。“矮牵牛”也会由原本开红色的小花，培育后花朵变大，而且一株可以开出红、 白、粉等多种颜色的花朵。辐射技术在植物育种方面有重要的作用，在植物遗传改良上有独特的作用，该技术可大大提高基因突变频 率，在较短的时间里，创造出育种目标所需要的种质材料，有时能诱发产生自然界稀有的、未曾出现过的或用一 般方法难以获得的新类型、新性状、新基因，对已消失的基因进行人工再创造，能够在原有遗传背景不变的情况 下，直接使植物体出现新的有用性状的变异，可在较短时间内使植物改良，缩短育种过程，提高作物改良效率， 具有突变的“创新”优势。辐射诱

3、变育种技术在中国兴起虽然只有数十年的历史，但因有其自身的特点与优势，所以发展以水稻、小麦、大 豆、花卉和林木等材料所做的辐照试验为依托，综述了国内外在辐射诱变育种方面所取得的成就，分析了该技术的作 用机理、特点、优势、适用范围及其发展历程并对其发展方向和应用前景做出了展望。其主旨在于提高人们对辐射 诱变育种技术在农业生产中应用的价值、意义及其前景的认识，并为该技术的进一步发展和应用提供参考与借鉴， 以期促进现代化农业育种的发展和应用，提高人民的生活水平与质量。诱变源的种类及特性1, 紫外线:辐射源是紫外光灯，能量和穿透力低，能成功地用于处理花粉粒。2, 电磁辐射和中子:容易穿透植物组织。3,

4、X射线：辐射源是X光机。X射线又称阴极射线，是一种电磁辐射，它不带电核，是一种中性射线。4, 伽马（Y）射线：辐射源是钻60（6oCo）和铯137 S7Cs）（放射性核素Cs-137是日本福岛第一核电站泄露出的 放射性污染中的一种。）及核反应堆。伽马（Y）射线也是一种不带电荷的中性射线。5, 中子：辐射源为核反应堆、加速器或中子发生器。根据中子能量大小分为超快中子、快中子、中能中子、慢中 子、热中子。6, p射线：辐射源为磷32 （32P）和硫35（35S）。B射线是一束电子流，产生与X或丫射线相似的作用。辐射诱变育种技术的起源与发展1927年，美国的研究人员相继发现了x射线对玉米和大麦的诱变

5、效应，并随之开始了将这种诱变应 用于植物育种的试验研究；1934年，世界上运用辐射诱变技术人工培育出突变品种的第一例是用x射线 的诱变效应成功地培育出了烟草突变品种。进入20世纪50年代后，人类对核能的研究有了长足的进展， 核技术也逐渐被广泛地应用到了医学、军事、工业和农业，辐射诱变育种技术也随之在植物的性状改良 方面得以应用。从60年代起，人们对辐射诱变的规律有了进一步的认识，促成了辐射育种技术的逐步成 熟。1969年，联合国农粮组织(FAO)与国际原子能机构(IAEA)出版发行了突变育种手册，这是辐射 诱变育种技术由初期的基础研究阶段走向实际应用的标志性转折。实际上,20世纪70年代，辐射

6、诱变 育种已经成为一种新兴的技术和有效的手段得到了迅速的发展并被广泛应用，并且其技术重点已经转向 了早熟、抗病、高产、无籽变异和突变体的杂交利用。我国辐射诱变育种的研究起始于20世纪50年代， 从70年代后期进入了快速的发展阶段。中国农业科学院原子能利用研究所利用辐射诱变技术育成国内第 一个粮饲兼用玉米新品种中原单32号。该品种产量高、品质好、绿杆成熟，适于青储、氨化和微生物发酵处理。江苏里下河地区农业科学研究所选育的水稻新品种扬稻6号,是一个具有非常突出优点的 优质、高产、多抗新品种,大面积的亩产水平达600公斤，高产田块达826.2公斤;解决了长期以来水稻生产 中大面积丰产与优质、多抗难以

7、兼顾的矛盾。目前国家水稻超级863计划中的育种研究，均以该品种作为 核心材料。黑龙江省农业科学院作物育种研究所选育的龙辐麦系列专用小麦品种，不仅在黑龙江省占有较 大比例的播种面积,而且在产业化运作方面也进行了积极探索。加快了科研成果的转化，收到了较好的经济 效益。浙江大学核农学研究所经过多年研究，利用诱变技术选育出白化转绿型叶色突变体,首次建立起利 用辐射诱变培育带叶色标记的杂交水稻不育系技术体系，并首先育成一批带叶色标记的实用不育系。该不 育系具有苗期白化、后期转绿的叶色标记功能。这一遗传育种工具材料的创制大大提高了农作物种子生 产过程中剔除假种、杂种的可操作性，为生产放心种子提供了可靠的技

8、术支撑。1987年以来，我国的诱变 育种专家在航天育种机理研究、地面模拟实验和新品种选育方面开展了一系列科研工作。到目前为止， 已有50多个利用航天育种技术育成的农作物优异新种质、新品系进入省级以上品种区域试验，包括水稻、 小麦、番茄、青椒和芝麻等10多个农作物新品种或新组合通过品种审定。杂交水稻新组合特优航1号， 实现了优质与高产的有机结合，是中国水稻航天育种的重大突破。在福建省晚杂优区试中，其产量比对照水 稻平均增产9.61%,达到极显著水平,创“六五”攻关以来该省所有区试品种组合产量的最高纪录,且品质 达到国家优质米二级标准。该品种已通过福建省及国家农作物品种审定。太空5号小麦是第一个利

9、用航 天技术育成并通过审定的优质、高产小麦新品种。该品种比对照小麦平均增产9.67%,品质达到国标优质 弱筋小麦标准。现已通过河南省农作物品种审定，并获国家“十五”新品种后补助二等奖。中芝1号芝 麻是利用航天技术育成的集高产、高含油量、抗病、抗倒伏等多个优良性状于一体的突破性芝麻新品种。 该品种在全国12个试验点进行区域试验时全面增产，比对照组平均增产12.7%,增产幅度居“九五”以来 全国所有参加区试品种的首位。该品种已通过湖北省农作物品种审定和全国芝麻鉴定委员会的鉴定。与 此同时，我国的诱变育种专家在航天育种关键技术的创新研究方面也取得重要进展。从粒子生物学、物理 场生物学和重力生物学等不

10、同角度研究了空间环境各因素的诱变特异性；开创了地面模拟空间环境诱变 农作物遗传改良的新途径,为全面探索航天诱变育种机理和建立航天育种技术体系奠定了坚实的基础。 近年来，在植物突变本品种的育成数量、种植面积和经济效益等方面，均以较大优势领先于世界其它 国家。据国际原子能机构2008年的不完全统计，在全世界利用辐射诱变技术成的2 320个新品种中， 中国育成的多达623个，占世界总量的26. 85%，每年为国家增加可创经济效益40亿元，辐射育种 技术为我国农业生产的发展起到了巨大的促进作用。辐射诱变的作用机理在细胞水平上，辐射诱变的作用机理主要是围绕染色体畸变和突变关系进行的。染色体畸变是植物辐射

11、损伤 典型的表现特征，在辐射处理材料的有丝分裂和减数分裂细胞中都观察到了染色体畸变（比如畸变类型、畸变行 为及其遗传效应）。当通过辐射将能量传递到生物体内时，生物体内各种分子便产生电离和激发，接着产生许多 化学性质十分活跃的自由原子或自由基团。它们继续相互反应，并与其周围物质特别是大分子核酸和蛋白质反应， 引起分子结构的改变。由此又影响到细胞内的一些生化过程，如DNA合成的各种酶活性的改变等，使各部分结 构进一步深刻变化，其中尤其重要的是染色体损伤。由于染色体断裂和重接而产生的染色体结构和数目的变异即 染色体突变，而DNA分子结构中碱基的变化则造成基因突变。那些带有染色体突变或基因突变的细胞，

12、经过细 胞世代将变异了的遗传物质传至性细胞或无性繁殖器官（用射线照射无性繁殖器官，可以提高芽率，是加速选育 新品种的有效途径之一），即可产生生物体的遗传变异。注:碱基是核酸、核苷、核苷酸的成分。换言之，辐射诱变就是使处理材料的DNA因发生断裂、损伤和碱基缺失等多种生物学效应而促使其产生大的突变。 另外，在射线促使细胞染色体发生改变的同时，还会引起生物体与细胞质有关的遗传性核外变异。辐射诱变的方法照射方法：-外照射内照射间接照射外照射:指放射性元素不进入植物体内，而是利用其射线（X射线、Y射线、中子）照射植物各个器官。这 种方法简便，在诱变育种中比较常用。根据照射时间的长短，分为急性照射和慢性照

13、射。急性照射指采用较高的剂量率进行短时间处理。慢性照 射是在长时间内进行低剂量率的缓慢照射。慢照射比急照射对材料的损伤轻，形态畸变少，而且诱变效果稳 定。根据照射植物的器官组织不同可分为：种子照射、花粉照射、子房照射、营养器官照射、植株照射、其他 植物器官组织的照射等等。内照射:将放射性元素引入植物体内，由它放射出的射线在体内进行照射。内照射优点:剂量低、持续时间长、多数植物可在生育阶段进行处理等。方式：1浸种法：浸泡种子和枝条2施入法：施入土壤，使植物吸收3涂抹法：4注射法等：注射入茎杆、枝条、芽等部位适宜剂量和剂量率的选择概念致死剂量：全部致死的剂量值适宜剂量：（半致死剂量）：50%存活时

14、的剂量值剂量的选择原则：活：后代要有一定的成活植株变：在一定的成活植株中，有较大的变异效应 优：产生的变异有较多的有利突变。剂量率：P=D/TP（剂量强度）、D （放射剂量）、T （照射时间） 辐射对照辐射量照射量辐射量SI单位库伦千克A-1 （CkgA-1）SI单位专名未定专用单位伦琴(R) 1伦=2.58x10-4库伦千克I(1R=2.58x10A-4CkgA-1)吸收剂量焦耳千克心1 （JkgA-1）戈瑞(Gy) 1戈瑞=1焦耳千克A-1=100 拉德(1Gy=1JkgA-1=102rad)拉德(rad) 1拉德=10-2焦耳千克A-1=1 00 尔格克I (1rad=10A-2JkgA

15、-1=102e rggA-1)当量 剂量 放射 性活 度焦耳千克心1 (JkgA-1)秒 I (Si)希沃特（Sv） 1希沃特=1焦耳千克心1=10贝可勒尔（Bq） 1贝可勒尔=1秒-1 （1Bq=1sA-1）雷姆(rem) 1雷姆=10人-2焦耳千克A-1 (1rem=10-2JkgA-1)居里(Ci) 1 居里=3.7x1010秒I (1Ci=3.7x1010sA-1)个人辐射育种的程序处理材料的选择突变世代的划分分离世代群体数量的估计突变体鉴定和选择突变体鉴定和选择形态鉴定实验室鉴定遗传学鉴定生物化学鉴定抗性突变体的离体筛选鉴定辐射育种的材料以种子为辐射处理材料以花粉为辐射材料以营养器官

16、为辐射材料选择材料的原则：1、综合性状好，个别性状有待改善;2、杂合子材料；3、易产生不定芽；4、对辐射较为敏感的材料。辐射育种的突变特点及其超常优势通过在水稻育种中所进行的辐射诱变试验发现，通过辐射处理的水稻细胞会发生多种突变，其中包括染色体 突变、基因突变和核外突变。在这些突变中，多数为基因突变。这种突变的特点为：（1）多数为隐性突变（2）不同 性状的基因突变频率不同，叶绿素突变、矮杆突变、早熟或晚熟突变等较易发生，因此，不同的突变育种性状应 有不同大小的M1 （辐射处理种子产牛的子一代）群体以供选择。（3）突变性状通常稳定快，一般经历34代即可稳 定，因而育种周期短，有利于在较短时间内育

17、成新品种。（4）在射线的总照射量为一定值时，照射量率对最终的 生物效应有着重要的影响。为了提高诱变效果，应该根据不同的育种目的，选择适宜的照射剂量率。与常规育种相比，辐射诱变育种具有如下优势：（1）可以提高作物的突变频率，扩大突变范围，从而为选育 新品种提供更为丰富的原始材料。利用辐射诱发作物的突变频率可从千分之几到三十分之一左右，要比自然突变 频率高出1000倍，并且突变的范围宽泛，能够克服植物的自交不亲和性、促进远缘杂交和基因重组，实现基因转 移，引起作物的形态结构和生理生化等多方面的变异。例如，用射线处理小麦种子，在其后代中出现很多有实用 价值的变异，如早熟、矮杆、抗病、抗倒伏以及蛋白质

18、和含油量增加等，极大地丰富了作物育种工作的原始内容。 （2）能够改变农作物品种单一的不良性状，克服原有品种的缺陷，并能够使种质发生突变的特性很快趋于稳定， 从而大大缩短育种周期。（3）可以较快地提高品种的品质。有的可使植株矮化和高产，如施巾帼等用质子辐照 冬小麦，结果不仅使其株高降低了 10 cm以上，而且其产量也比原品种提高了 10%以上；有的可显著地提高抗性， 如肖韵琴等用射线辐照红玉苹果，结果发现得到的突变体其斑点病发病率仅为5%，而比照组为55%。辐射种子的卫生安全性辐射种子的卫生安全性是人们最关心，也是最终能否被接受的关键问题。辐射加工是一种物理加工过程，是 通过射线作用于种子，种子

19、本身不接触放射源，不会产生放射性污染，也不会污染种子和环境。在种子辐射中使 用的辐射源它们的能量都低于在种子中可能引起诱导放射性的能量阈值，任何辐射处理后的种子都是安全的。辐 射种子的卫生安全性已被世界所公认，其安全性的公认为实际应用打下了良好的基础，但是，种子辐射技术的发 展也不是一帆风顺的，在国际上认可辐射种子的国家增加的同时，依然有许多国家和公众反对辐射种子，不允许 进口，种子辐射的前途不仅取决于它能否提高产品的质量更主要的是取决于消费者的接受程度，因此，应及时提 供信息资料，加大对消费者的宣传力度，以消除消费者的心理障碍，从而促进辐射种子的商业化，消费者一旦对 新技术有了了解，他们乐于

20、购买，相信辐射种子的前景十分可观。几点建议辐射育种技术也存在许多不足，还有待加强，如水果蔬菜新品质资源缺乏，在果蔬的高产、抗逆（抗病虫、抗 旱、抗涝、抗冻）高品质方面的育种还有待加强，育种的范围也不够广，推广速度很慢。目前，国内仅对苹果、 柑橘、荔枝、蘑菇等少数品种有较多的研究，但研究不够深入、不够细致。应该指出的是，农业科研特别是农作物的遗传育种研究具有其自身的特点需要有一个长期稳定的工作环境和 工作条件，需要对实验材料进行长期、连续的积累;需要一支相对稳定而又具有创新活力的科研队伍。与常规育种 方法相比，辐射诱变育种还是一个非常年轻的学科，它还处于发展和完善之中。为此建议:加强组织领导的协调， 进一步完善国家核农学研究体系。建立和健全持续有效的科研投入机制。在研究目标的设定上,既要加强基础 研究，又要重视提高科研成果的产业化水平，重视科技创新能力和在农业生产中的贡献率;在作物品种的选择上应 注意增加对花卉、蔬菜水果等经济作物诱变育种的研究。