大豆誘變育種的研究進(jìn)展

靳鯤鵬，李 丹，李小霞，曹晉軍，韓文清，劉永忠，李萬星

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 谷子研究所，山西 長治 046011）

大豆[Glycine max（Linn.）Merr.]屬于豆科蝶形花亞科植物，4 500年前發(fā)現(xiàn)于黃河流域，是世界五大作物之一。大豆不僅是植物油和飼料蛋白的主要來源，還是異黃酮、植物雌激素等一些次生代謝產(chǎn)物的來源[1]，同時(shí)也是我國一些傳統(tǒng)食品的主要原材料。2018年我國大豆進(jìn)口量8 803 萬t，進(jìn)口量近7年來首次減少，但我國仍是世界上最大的大豆進(jìn)口國。面對(duì)現(xiàn)狀和困局，選育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)大豆新品種是重要的途徑和方法。

誘變育種技術(shù)是指在人為控制的條件下，利用各種物理和化學(xué)因素誘導(dǎo)植物，使其產(chǎn)生變異，再通過選擇可遺傳的目標(biāo)性狀而培育出種質(zhì)資源或新品種的方法[2-3]。與常規(guī)育種相比，誘變育種方法操作簡單，突變頻率顯著提高，可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得更多的變異類型，豐富了遺傳變異范疇，擴(kuò)大了突變體資源庫，為育種工作者篩選和創(chuàng)制種質(zhì)、品種提供了嶄新的平臺(tái)和手段[4]。

筆者在國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大豆誘變育種研究的基礎(chǔ)上，對(duì)育種過程中主要應(yīng)用的化學(xué)誘變、物理誘變、航天誘變等方法進(jìn)行總結(jié)，對(duì)其誘變機(jī)理、誘變影響和鑒定方法進(jìn)行了論述，以期為今后大豆誘變育種研究提供理論支撐和幫助。

1 誘變育種方法

1.1 化學(xué)誘變育種

化學(xué)誘變育種通常借助化學(xué)誘變劑對(duì)植株的種子、花粉、花藥、單細(xì)胞組織進(jìn)行處理，化學(xué)誘變劑分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易造成生物DNA 的損傷和錯(cuò)配修復(fù)。目前，化學(xué)誘變劑按誘變機(jī)制可分為3類：（1）烷化劑，這類誘變劑通過置換其他分子中的氫原子使得一些堿基烷基化，代表物有甲基磺酸乙酯（EMS）、乙烯亞胺（EI）、亞硝基甲基脲烷（NMU）等。（2）核酸分子堿基類似物，這類誘變劑分子結(jié)構(gòu)與DNA 堿基類似，DNA 復(fù)制時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)配，導(dǎo)致產(chǎn)生變異，代表物有5-溴尿嘧啶、馬來酰肼等。（3）嵌入劑，這類誘變劑可以嵌入生物體DNA 分子，造成密碼子編組的改變，從而影響正常的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，造成生物體的突變。這類代表物包括溴化乙啶（EB）等[5-7]。（4）其他作用類型的誘變劑，包括亞硝酸、疊氮化鈉（NaN3）。其中，EMS、NaN3在大豆上應(yīng)用較多，筆者主要對(duì)這兩種誘變劑進(jìn)行詳細(xì)闡述。

EMS 是目前應(yīng)用最普遍的一種化學(xué)誘變劑，該誘變劑主要在鳥嘌呤N-7 的位置上進(jìn)行誘導(dǎo)突變，使氫離子被活性烷基取代，易發(fā)生轉(zhuǎn)換型、置換型兩種突變。轉(zhuǎn)換型突變是胸腺嘧啶代替胞嘧啶與烷基化的鳥嘌呤配對(duì)，置換型突變是由于糖苷鍵發(fā)生斷裂，使得原本鳥嘌呤的位置空缺，在進(jìn)行下一步復(fù)制時(shí)，4種堿基都有機(jī)會(huì)進(jìn)入其互補(bǔ)位造成置換[8]。目前，采用EMS 誘變技術(shù)育成的大豆品種有冀豆8號(hào)、化誘5號(hào)、科新3號(hào)等[9-11]。

NaN3本身不具有誘變效應(yīng)，植物吸收后通過系列代謝轉(zhuǎn)變成誘變劑。NaN3在pH值=3 時(shí)可以最大程度生成HN3分子，該分子易通過細(xì)胞膜滲透進(jìn)入細(xì)胞，在DNA 復(fù)制時(shí)發(fā)生作用，誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生點(diǎn)突變。NaN3只有在DNA 復(fù)制活躍時(shí)才發(fā)揮作用，所以在以種子為處理材料時(shí)需要提前浸種，使種子處于代謝活躍的萌發(fā)狀態(tài)[12-14]。

1.2 物理誘變育種

物理誘變育種是將農(nóng)作物的種子、花粉、器官、組織等通過物理因素處理引起植株產(chǎn)生可遺傳的變異方法。目前，物理誘變法主要包括電離輻射誘變、離子束注入誘變、激光誘變、微波誘變、磁誘變等方法[15]。電離輻射誘變和激光誘變?cè)诖蠖刮锢碛N上應(yīng)用較多，其余方法在大豆上的應(yīng)用相對(duì)較少。

電離輻射誘變利用γ、β、X 等引起物質(zhì)電離、能量較高、穿透能力強(qiáng)的射線和中子進(jìn)行誘變處理。放射源發(fā)射出的快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子經(jīng)過植物體時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列的能量轉(zhuǎn)移和交換，產(chǎn)生大量的帶電粒子，這些粒子會(huì)影響植物體內(nèi)的生理功能，從而引發(fā)突變[16]。日本九州農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站通過輻射誘變加雜交育種的方法得到了無腥味大豆室姬，該品種酯氧合酶完全缺失，豆腥味明顯減少[17]。

激光是一種高能量、顏色單一、定向性強(qiáng)的輻射光。激光誘變通過光、熱和電磁效應(yīng)的綜合作用，使作物細(xì)胞內(nèi)染色體斷裂或形成片段，從而引起突變[18]。目前，用于植物誘變育種的激光類型有CO2、He-Ne、紅寶石等7種。安激1號(hào)、安激2號(hào)是安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過激光加常規(guī)的育種方法選育的早熟、高產(chǎn)品種[19-20]，合農(nóng)71 是由黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過有性雜交、60Co-γ 輻射誘變和分子設(shè)計(jì)3種方法選育的品種[21]。

1.3 航天誘變育種

航天誘變育種技術(shù)是借助航天工具（返回式衛(wèi)星、宇宙飛船）將種子或者誘變材料帶入太空，利用空間強(qiáng)輻射、高真空、微重力等特殊環(huán)境進(jìn)行誘變處理，將材料帶回地面后進(jìn)行多代的傳統(tǒng)選育，培育出新品種的方法[22]。通過航天誘變育種技術(shù)加常規(guī)育種技術(shù)選育出的大豆新品種有金源55號(hào)、合豐61號(hào)、克山1號(hào)等[23-24]。

2 誘變育種對(duì)大豆性狀的影響

2.1 農(nóng)藝性狀的影響

材料經(jīng)過誘變處理后，會(huì)出現(xiàn)正向或者反向突變，突變株在生育期、育性及相關(guān)表型上有所體現(xiàn)。姜振峰等[25]用0.04%的NaN3對(duì)黑農(nóng)37、抗線2號(hào)、東農(nóng)42號(hào)、東農(nóng)92-070、東農(nóng)44號(hào)5個(gè)大豆品種進(jìn)行處理。結(jié)果表明，處理后的植株成活率降低，有矮化和生育期推遲的現(xiàn)象。薛永國等[26]對(duì)4個(gè)大豆品種進(jìn)行60Co-γ 輻射和EMS 誘變處理，研究發(fā)現(xiàn)，輻射誘變的出苗率較高，隨著發(fā)育進(jìn)程死亡率增加，而化學(xué)誘變成株率高；兩種方法誘變處理后均有不育株、黃化株、無生長點(diǎn)植株等畸形苗的出現(xiàn)；各品種在不同處理?xiàng)l件下一、二粒莢的比例增加，三、四粒莢的比例減少，且有更多的極值存在。謝圣男等[27]對(duì)大豆品種綏農(nóng)14 進(jìn)行EMS 處理，在二代植株中發(fā)現(xiàn)大量突變體，包括白化突變體、黃化突變體、匍匐株突變體、矮稈突變體、株高突變體、種皮顏色突變體、花色突變體等。

2.2 生理生化的影響

薛永國等[26]對(duì)誘變后的大豆植株進(jìn)行蛋白質(zhì)、脂肪含量的檢測，發(fā)現(xiàn)群體內(nèi)存在個(gè)體差異較大的植株。如對(duì)照黑農(nóng)48 的蛋白質(zhì)含量極大值為46.65%，極小值為42.44%，經(jīng)過誘變處理后，極大值為48.66%，極小值為39.97%，且不同處理、不同品種變異出的結(jié)果一致。因此，可根據(jù)育種目標(biāo)對(duì)后代進(jìn)行選擇，從而選育出突破性的品種。裴友財(cái)?shù)萚28]對(duì)大豆品種吉農(nóng)18 進(jìn)行EMS 誘變處理，結(jié)果顯示，亞麻酸和油酸存在較高的變異系數(shù)，說明該性狀發(fā)生了重組現(xiàn)象。張鑫等[29]對(duì)種皮色、臍色發(fā)生突變的大豆品種材料進(jìn)行qPCR 檢測，苯丙氨酸解氨酶作為苯丙酸代謝途徑的關(guān)鍵酶，其基因表達(dá)量發(fā)生了顯著變化。

2.3 抗病性的影響

浙鮮9號(hào)是以臺(tái)灣75為親本，經(jīng)過航天誘變加系譜法選育出的大豆品種。對(duì)大豆花葉病毒病SC-15株系和SC-18株系的抗性從高感提高到了中抗和中感[30]。呂秀珍等[31]將晚熟抗病毒病感灰斑病大豆品種經(jīng)輻射誘變處理加系譜選育法育成了合豐33號(hào)，該品種具有抗病毒病兼抗灰斑病的特性。

3 誘變株鑒定方法

3.1 形態(tài)學(xué)鑒定

在誘變?nèi)后w中，通過觀察分析篩選出與對(duì)照株存在表型差異的突變個(gè)體，如株高、葉型、臍色，經(jīng)過連續(xù)多代選擇培育出性狀穩(wěn)定的大豆新品種。

3.2 試驗(yàn)測定鑒定

對(duì)于抗病、抗蟲突變個(gè)體的篩選，通常采用抗性鑒定的方法。具體方法是將突變?nèi)后w種植在自然病（蟲）圃或人工?。ㄏx）圃進(jìn)行篩選[32]。對(duì)于特定物質(zhì)（高蛋白、高脂肪、高異黃酮）突變個(gè)體的篩選通常采用試驗(yàn)測定的方法[33]。

3.3 分子生物學(xué)方法鑒定

分子標(biāo)記輔助育種是利用分子標(biāo)記與目標(biāo)基因緊密連鎖的特點(diǎn)，通過檢測雜交后代中的分子標(biāo)記，即可檢測到目的基因。該方法具有快速、準(zhǔn)確、不受環(huán)境干擾的特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外對(duì)重要性狀的分子標(biāo)記進(jìn)行了研究，包括大豆油分含量[34-35]、產(chǎn)量[36]、抗花葉病毒[37]、抗蟲性等[38]。

定向誘導(dǎo)基因組局部突變（targeting induced local lesions in genomes，TILLING）技術(shù)是將誘變?nèi)后w與PCR、高通量檢測等技術(shù)結(jié)合起來的方法，可快速準(zhǔn)確檢測出誘變產(chǎn)生的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和相關(guān)核苷酸的插入和缺失。TILLING 技術(shù)可從分子水平上篩選大豆突變體，對(duì)誘變?nèi)后w實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的篩選[39]。

4 展望

在大豆育種過程中科學(xué)合理地使用誘變育種技術(shù)可以增加突變頻率、提高育種效率、縮短育種時(shí)間，現(xiàn)已成為選育大豆新品種的有效手段之一。但是，突變具有不確定性，且在篩選突變后代時(shí)多以表型為主，容易遺漏一些非表型突變。為此，在今后的研究過程中須與分子生物學(xué)緊密聯(lián)系，加強(qiáng)突變機(jī)理研究，從分子水平鑒定突變體，從而不斷提高育種效率，實(shí)現(xiàn)可調(diào)控、有目標(biāo)的育種過程。