低能離子束注入在小麥育種中的應(yīng)用探析

郭明明 樊繼偉 陳鳳 趙雪君 李強(qiáng) 孫中偉 王康君 張廣旭 浦漢春 代丹丹

摘要 常規(guī)育種在近年來(lái)取得了很大的成果，但同時(shí)也使小麥品種出現(xiàn)一定的同質(zhì)化現(xiàn)象。離子束注入生物體后能夠打破基因連鎖，從而使小麥育種材料的遺傳背景多樣化。本文概括了離子束誘變育種方法及在小麥育種上的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對(duì)存在的問(wèn)題及應(yīng)用前景進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞 離子束；小麥；誘變育種

中圖分類(lèi)號(hào) S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）22-0044-01

Abstract In recent years，conventional breeding technology achieved great results，but the homogeneity phenomenon of wheat varieties was serious.Mutation breeding with ion beam implantation could enrich genetic background of breeding material by breaking gene linkage.In this paper，the methods of ion beam mutagenesis and its application in wheat breeding were summarized，and the existing problems and application prospects were discussed.

Key words ion beam；wheat；mutation breeding

近幾十年的常規(guī)小麥雜交育種致使其遺傳背景單一化，進(jìn)而導(dǎo)致品種的同質(zhì)化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。輻射誘變可以通過(guò)誘發(fā)基因突變和打破基因連鎖，使育種材料的遺傳背景多樣化和復(fù)雜化。近年來(lái)，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始重視并利用離子束注入技術(shù)開(kāi)展育種工作。離子束輻射誘變是通過(guò)能量、質(zhì)量、電荷協(xié)同作用產(chǎn)生分子原子移位和重組[1]，具有損傷輕、存活率高、突變率高等特點(diǎn)[2-3]。目前，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到多種作物的突變體庫(kù)構(gòu)建、品種改良、離子束介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因和種質(zhì)創(chuàng)新等方面[4-9]。

1 離子束誘變育種方法

1.1 離子束誘變育種特點(diǎn)

離子束是指具有能量的帶電粒子放射線，其中包括高能離子、中能離子和低能離子。其中，應(yīng)用到小麥育種上的多數(shù)為低能離子，低能離子束能量在104～105 eV之間，注入離子具有高線性能量轉(zhuǎn)移值，并且在射程末端形成尖銳的電離峰[1]。低能離子束能夠引起作物體內(nèi)DNA損傷，激發(fā)細(xì)胞對(duì)損傷DNA的修復(fù)，最終引起基因突變[10]。

1.2 注入離子種類(lèi)

目前，在離子束輻射誘變育種研究中所用的離子主要包括N、C、O、Ar、Ne、Fe等離子。不同離子產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)有一定差異[11]。其中，應(yīng)用最多的是N離子，這是因?yàn)镹離子是一種活性離子，易誘導(dǎo)生物體產(chǎn)生變異，從而導(dǎo)致DNA損傷[12]。

2 低能離子注入在小麥育種上的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 注入離子的能量和劑量對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響

有研究認(rèn)為，隨著注入劑量的增大，種子存活率呈低—高—低的趨勢(shì)[13]。姬生棟等[14]研究結(jié)果表明，不同品種對(duì)劑量的敏感程度存在顯著差異，其中低劑量對(duì)種子成苗率沒(méi)有影響；當(dāng)劑量增加到10×1017 N+/cm2時(shí)，種子成苗率接近半致死劑量的成苗率。王衛(wèi)東[15]認(rèn)為在小麥作物上，劑量率應(yīng)在2～3 mA水平，利用離子束輔助遺傳轉(zhuǎn)化的劑量應(yīng)在3×1017～5×1017 N+/cm2之間；而用來(lái)誘變育種的劑量應(yīng)在6×1017 N+/cm2以上。另外，離子束注入對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)和濕面筋含量影響較為明顯，而對(duì)吸水率和容重的影響較小[16-17]。因此，研究不同小麥種質(zhì)材料的最佳誘變能量和劑量，對(duì)小麥誘變育種具有重要的意義[18]。

2.2 低能離子注入在小麥育種上的應(yīng)用

離子注入生物體可以創(chuàng)造有利的可遺傳的變異材料，而在小麥育種方面主要開(kāi)展的是誘變育種和離子輻射介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因研究。楊贊林等[18]運(yùn)用N離子注入太古核不育小麥輪回材料，成功選育出3個(gè)小麥新品種?；粼Ｆ降萚19]利用該技術(shù)獲得了一批穩(wěn)定遺傳2代或3代的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新株系，并且得到了一部分具有特異性狀的新材料。李 強(qiáng)等[20]研究結(jié)果表明，N離子注入對(duì)小麥M1代的影響主要表現(xiàn)在株高、結(jié)實(shí)率和成株率等方面；而隨N離子注入劑量的增加，小麥M2代的突變率不斷升高。郭向萌等[8]認(rèn)為，離子束誘變育種還可以提高遠(yuǎn)緣雜交的親和性，為小麥育種研究提供了新的途徑。

3 存在的問(wèn)題

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家通過(guò)離子束注入來(lái)深入分析其誘變機(jī)理，并成功培育出一部分小麥新品種，說(shuō)明離子束生物技術(shù)在不斷成熟和完善。但是離子束注入技術(shù)在小麥育種方面依然存在著很多不定向性，不能準(zhǔn)確地按照育種家預(yù)定的育種計(jì)劃進(jìn)行，這就使小麥離子束輻射育種的工作量增加，降低了育種效率。

4 應(yīng)用前景

選擇適當(dāng)?shù)碾x子束注入小麥植株，不僅可促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育、提高產(chǎn)量、改善籽粒品質(zhì)[21]，而且可明顯縮短小麥新品種選育周期[22]。離子束注入能豐富生物體的遺傳背景，創(chuàng)制更多、更好的遺傳材料。隨著離子束輻射誘變研究的不斷深入，應(yīng)用前景廣闊，對(duì)指導(dǎo)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有非常深遠(yuǎn)的意義。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 余增亮.離子束生物技術(shù)引論[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[2] 陳恒雷，呂杰，曾憲賢.離子束誘變育種研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].生物技術(shù)通報(bào)，2005，24（2）：45-47.

[3] 黃國(guó)偉，毛培宏，金湘，等.低能離子注入介導(dǎo)外源DNA轉(zhuǎn)化的原理與應(yīng)用[J].基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)，2009，28（4）：815-820.

[4] 許學(xué)，劉斌美，宋美，等.N離子束與γ射線輻照日本晴和“9311”水稻突變體庫(kù)的篩選[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，2008，22（4）：389-393.

[5] 焦湞，史艷芹，秦廣雍.離子束誘變對(duì)M4代小麥醇溶蛋白和氨基酸組分的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（6）：25-27.

[6] 陳秀蘭，柳學(xué)采.利用離子注入誘變創(chuàng)造小麥新種質(zhì)[J].江蘇農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，19（2）：62-64.

[7] 吳麗芳，李紅，宋道君，等.建立低能離子束介導(dǎo)小麥轉(zhuǎn)基因方法并獲得轉(zhuǎn)GUS基因植株[J].遺傳學(xué)報(bào)，2000 27（11）：982-991.

[8] 郭向萌，押輝遠(yuǎn).離子輻射誘變小麥育種研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（11）：6334-6335.

[9] 黃群策，梁秋霞，李玉峰，等.低能氮離子注入同源四倍體水稻的生物學(xué)效應(yīng)[J].激光生物學(xué)報(bào)，2003，12（5）：354-359.

[10] YU Z L，DENG J G，HE J J.Mutation breeding by ion implantation[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，1991，59/60：705.

[11] 程備久，朱蘇文，李培金，等.不同離子輻照對(duì)離體質(zhì)粒DNA損傷與轉(zhuǎn)化活性的影響[J].激光生物學(xué)報(bào)，2001，10（1）：40-43.

[12] WANG X Q，HAN J W，YU Z L.Study on damage of molecular structure of solid uracil induced by low energy argon ions implantation[J].Acta Biophys Sinica，1998，14（2）：201-206.

[13] 黃衛(wèi)東，余增亮.氮離子注入固體甘氨酸和酪氨酸研究[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，21（3）：342-348.

[14] 姬生棟，王育水，馬柯.離子束生物技術(shù)在小麥育種上的應(yīng)用[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004（5）：6-10.

[15] 王衛(wèi)東.離子注入小麥誘變劑量效應(yīng)及轉(zhuǎn)化后代遺傳特性研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2004：1-82.

[16] 郭春強(qiáng)，靳文奎，廖平安，等.離子束注入對(duì)小麥品質(zhì)性狀的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，32（5）：866.

[18] 楊贊林，滋斌杰，余增亮，等.皖麥生物學(xué)特性和栽培技術(shù)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001（5）：27-28.

[19] 霍裕平，秦廣雍，蘇明杰，等.離子束誘變小麥遺傳新規(guī)律的研究[C]//第一次國(guó)際離子束生物工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2002：87-90.

[20] 李強(qiáng)，任立凱，陳鳳，等.小麥N離子束注入誘變育種的應(yīng)用研究[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，48（7）：18-22.

[21] 周小云.氮離子束注入對(duì)春小麥生理生化的影響及其對(duì)鹽脅迫的反應(yīng)[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2005：41.

[22] 秦廣雍，霍裕平，王衛(wèi)東，等.離子束輔助大豆基因群轉(zhuǎn)移小麥后代的蛋白質(zhì)變異分析[C]//第一次國(guó)際離子束生物工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2002：159-164.