離子束輻射技術(shù)在食用菌育種中的應(yīng)用研究進(jìn)展

摘" "要" "食用菌營(yíng)養(yǎng)豐富、經(jīng)濟(jì)附加值高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)展。我國(guó)擁有豐富的食用菌種質(zhì)資源，產(chǎn)業(yè)規(guī)模居世界首位，但育種技術(shù)研發(fā)力量薄弱、技術(shù)相對(duì)滯后。離子束輻射可以打破基因連鎖，對(duì)生物體遺傳物質(zhì)進(jìn)行修飾和改良，利用離子束輻射進(jìn)行食用新品選育和品種改良近年來(lái)備受關(guān)注。闡述了離子束輻射育種技術(shù)機(jī)理、主要方法、特點(diǎn)，及其在食用菌野生菌株馴化、品種改良與選育等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞" "食用菌；離子束輻射；育種

食用菌是包括香菇、木耳、猴頭、靈芝等在內(nèi)的一類(lèi)可供人類(lèi)食用或藥用的大型菌類(lèi)，不僅味道鮮美，而且富含具有抗癌、抗菌、抗病毒、降壓、降脂、健胃、保肝、調(diào)節(jié)免疫等多種保健功能的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素和微量元素，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，市場(chǎng)潛力大。我國(guó)擁有豐富的食用菌種質(zhì)資源和世界第一的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但在技術(shù)發(fā)展與生產(chǎn)需求脫節(jié)的情況下，食用菌育種研究卻起步較晚。金針菇、雙孢菇、冬菇等主要食用菌的誘變繁殖技術(shù)，國(guó)外已獨(dú)占其中，技術(shù)壁壘問(wèn)題特別突出。

1988年，余增亮等人研究發(fā)現(xiàn)，水稻種子受到離子束照射后，水稻葉片出現(xiàn)黃花、斑紋、白化等變異表型，作物離子束照射改進(jìn)研究成果的序幕由此拉開(kāi)。近年來(lái)，利用離子束輻照植物種子、真菌孢子或其他微生物，對(duì)生物體的遺傳物質(zhì)進(jìn)行修飾和誘變，選育產(chǎn)量高、抗性廣、品質(zhì)優(yōu)良的新品系已經(jīng)成為育種研究的新熱點(diǎn)。綜合探究離子束輻照技術(shù)在食用菌育種的應(yīng)用進(jìn)展，以期為豐富我國(guó)食用菌種質(zhì)資源、促進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1" "離子束輻照誘變育種技術(shù)

1.1" "作用機(jī)理nbsp; "物理誘變育種的關(guān)鍵技術(shù)之一是輻照誘變，目前常用的輻照源有X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、電子束、電離束、紫外線(xiàn)等。1927年，Muller用X射線(xiàn)（X-ray）輻照果蠅精子，證實(shí)了X射線(xiàn)輻照可以誘發(fā)果蠅基因突變，并顯著地提高了突變率。紫外線(xiàn)會(huì)在DNA復(fù)制過(guò)程中造成突變，從而形成阻礙堿基間正常配對(duì)的嘧啶二聚體，進(jìn)而被培育成新的變種或種質(zhì)。

與傳統(tǒng)輻射不同的是，離子光束輻射會(huì)使生物細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜受到侵蝕和破壞，從而使其滲透力增加。接著帶電粒子穿過(guò)細(xì)胞膜，隨機(jī)碰撞胞內(nèi)蛋白質(zhì)、酶和DNA，并發(fā)生電荷交換，使基因或染色體的序列或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)生物體生長(zhǎng)及代謝表型產(chǎn)生影響。離子光束輻照具有誘變操作簡(jiǎn)單、通量高、突變效率高、突變譜廣等特點(diǎn)，目前已有多個(gè)品種受到育種家的廣泛關(guān)注。

1.2" "主要方法

1.2.1" "高能離子束輻射誘變育種" "高能重離子束指通過(guò)粒子加速器將原子序數(shù)大于4的帶電粒子加速，使其能量為幾百M(fèi)eV-GeV的帶電粒子射線(xiàn)。由于其傳能線(xiàn)密度高、穿透力強(qiáng)，造成細(xì)胞核中的DNA損傷比例顯著增加，因此具有無(wú)需真空環(huán)境，大氣中即可誘變、誘變時(shí)間短、突變率高的優(yōu)點(diǎn)。在糧食作物（如玉米、水稻、小麥等）、經(jīng)濟(jì)作物（如番茄、白菜、油菜等）、觀(guān)賞植物（如花卉）等新品種選育項(xiàng)目中，成功應(yīng)用了重離子輻射誘變育種技術(shù)，進(jìn)步非常顯著。

1.2.2" "室溫等離子誘變育種" "常壓室溫等離子（ARTP）是指溫度范圍在25～40 ℃。具有高活性粒子的等離子射流（如激發(fā)態(tài)氦原子、氧原子、OH-自由基等）可以在大氣壓下產(chǎn)生。ARTP技術(shù)在微生物和植物誘變育種中，具有多種破壞遺傳物質(zhì)的機(jī)制和多種產(chǎn)品變異型的優(yōu)勢(shì)，操作簡(jiǎn)單，具有較高的安全性。楊茹等利用變異菌株抗菌菇褐斑病病原多羅假單胞菌，經(jīng)ARTP照射誘變白色金針菇，抗性提高15.49%。李塬等用ARTP對(duì)靈芝菌株原質(zhì)體進(jìn)行照射，經(jīng)篩選得到豐產(chǎn)型靈芝菌株2株，不僅遺傳穩(wěn)定性好，而且其靈芝多糖產(chǎn)量也明顯增加。

1.2.3" nbsp;低能量離子光束輻射育種" "由軌道電子剝離或部分剝離的帶正電原子核形成的能量射線(xiàn)（射線(xiàn)能級(jí)10～100 keV），低能離子束指原子序數(shù)大于2，其特點(diǎn)是在生物安全性好的同時(shí)，傳能線(xiàn)路密度大、誘變效率高。泰夏蘭等利用離子束對(duì)稻種進(jìn)行輻射后，經(jīng)篩選得到穩(wěn)定的株系，其中有7個(gè)株系對(duì)光周期不敏感。李景鵬等利用碳離子光束照射誘變稻種，經(jīng)多代篩選，選育出生長(zhǎng)繁殖明顯增高的水稻新株系。董先茹等突變株X-004的蟹味菇是利用氮離子束誘變得到的。

1.2.4" "太空輻射誘變育種" "太空環(huán)境中的高真空、微重力和強(qiáng)輻射等多種因素相互影響，使得生物的基因突變和性狀異常的發(fā)生幾率更高。因此，太空輻射誘變育種具有突變種類(lèi)多、正向突變種類(lèi)多、選育時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。2002年，利用“神舟四號(hào)”飛船搭載沁州黃谷子，經(jīng)過(guò)多年特殊選育和異地鑒定，成功培育出黃谷子新品種。

1.3" "主要特點(diǎn)" "與傳統(tǒng)輻射育種相比，離子光束輻照育種具有以下特點(diǎn)：①對(duì)誘變材料要求不嚴(yán)格，可廣泛應(yīng)用于植物種子、器官、組織，也可應(yīng)用于細(xì)菌、真菌菌體或細(xì)胞等，應(yīng)用范圍廣。②突變頻次高，花樣繁多，變異者多。通常的誘變率在0.1%～3%，對(duì)生物的生長(zhǎng)周期、代謝產(chǎn)物的積累以及抗性都有很好的作用。③只進(jìn)行三代離子束輻照誘變操作就基本穩(wěn)定了，育種周期短，子代性狀穩(wěn)定。④生物輻射誘變育種技術(shù)具有很高的生物安全性，其原理與生物自然變異相似，即生物的染色體或基因會(huì)發(fā)生缺失、重復(fù)、易位等突變，通過(guò)人工誘變的方式進(jìn)行，誘變不過(guò)是讓這些突變的幾率提高而已。自然突變的周期縮短了，生物的安全性隨之提高。

2" "離子輻射技術(shù)在食用菌育種中的應(yīng)用

利用先進(jìn)技術(shù)，不斷培育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的食用菌是食用菌產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重要保障。常見(jiàn)的食用菌培植技術(shù)有選種培植、雜交培植、誘變培植等，也有原生質(zhì)體融合、基因工程技術(shù)培植等新型技術(shù)。誘變育種是利用物理、化學(xué)等誘變因子，通過(guò)高突變率、可產(chǎn)生多位點(diǎn)突變、子代性狀多樣的特征，使食用菌發(fā)生遺傳性變異或染色體斷裂等突變，再經(jīng)選擇、鑒定變異，從而培育出具有目標(biāo)特征的新品種。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（FAO/IAEA）的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)誘變育種技術(shù)，尤其是物理誘變技術(shù)，到2019年已成功培育新作物品種 3 200多個(gè)。

2.1" "野生菌株馴化" "野生菌株可采用低能離子束繁育技術(shù)輔助馴化，以更好地開(kāi)發(fā)利用食用菌資源。凡啟超等用氮離子束照射誘變后，發(fā)現(xiàn)以野生松乳菇為誘變對(duì)象的菌絲產(chǎn)量、粗蛋白產(chǎn)量、粗多糖產(chǎn)量均有明顯增加的變異株。

2.2" "高產(chǎn)食用菌育種" "農(nóng)作物新品種選育的基本要求是高水平產(chǎn)量，利用低能氮離子光束照射，蔣益等誘變金耳酵母狀分生孢子菌，在產(chǎn)量比對(duì)照菌株高12.3%的高產(chǎn)金耳多糖突變菌株中成功篩選出一株。譚一羅等通過(guò)氮離子光束照射誘變猴頭菇孢子，篩選出的變異株生長(zhǎng)速度提高25.3%，液態(tài)發(fā)酵生物量提高30.67%。

2.3" "食用菌抗耐性改良" "在食用菌的生產(chǎn)過(guò)程中，溫度、pH等環(huán)境因素以及病害污染均與食用菌的產(chǎn)量高低和質(zhì)量?jī)?yōu)劣顯著相關(guān)。食用菌株改良后，對(duì)環(huán)境的不良環(huán)境耐受性，如高溫/低溫、偏酸/偏堿、營(yíng)養(yǎng)環(huán)境、雜菌和病蟲(chóng)害等，對(duì)降低食用菌種植和培養(yǎng)成本、減少生產(chǎn)投入、提高種植經(jīng)濟(jì)效益都有好處。王連峰等利用氮離子束輻照香菇，使其子實(shí)體的最適生長(zhǎng)溫度提高了1～4 ℃。蔣益等利用氮離子光束照射云芝原生質(zhì)體，篩選出抗病水平提高5%、子實(shí)體產(chǎn)量提高10.3%的抗病高產(chǎn)云芝突變菌株。

2.4" "功能性食用菌株開(kāi)發(fā)" "食用菌不僅具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，許多藥用菌還有抗腫瘤、抗氧化以及降血壓等多種藥理學(xué)活性，具有較高的醫(yī)療保健價(jià)值。隨著功能型食品市場(chǎng)的崛起，選育高多糖、富集微量元素、高維生素含量的功能性食用菌育種逐漸成為研究熱點(diǎn)。李暢等將金福菇用氮離子束輻照，篩選獲得的突變體的子實(shí)體中洛伐他汀含量顯著增加，達(dá)到10.06～10.3 μg/g。張?jiān)揭暗扔肁RTP照射誘變靈芝菌株的原生質(zhì)體，經(jīng)篩選得到14個(gè)突變菌株，這些菌株的多酚類(lèi)產(chǎn)量明顯增加，抗氧化能力明顯增強(qiáng)。

3" "受輻射技術(shù)制約的食用菌生產(chǎn)

國(guó)內(nèi)外科研人員在食用菌育種上進(jìn)行了一系列的離子輻射技術(shù)探索，取得了一定的成果，但還存在著一些問(wèn)題：①對(duì)利用離子輻射誘導(dǎo)食用菌變異的機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠充分。在離子輻射導(dǎo)致突變方向和性質(zhì)難以準(zhǔn)確控制的情況下，離子束注入真菌孢子后造成的生物損害、表征改變、代謝異常以及由此產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)，具有多樣性和隨機(jī)性。需要利用基因組學(xué)、代謝組學(xué)等多種組學(xué)方法，以加速食用菌定向進(jìn)化為目標(biāo)，對(duì)誘變機(jī)制進(jìn)行深入研究。在誘變育種中使用的技術(shù)參數(shù)如離子種類(lèi)、劑量、能量等也會(huì)不同。②不同種類(lèi)和形式的食用菌樣品對(duì)真空、離子源和注入劑量的反應(yīng)也會(huì)不同。繼續(xù)完善優(yōu)質(zhì)品種誘變篩選流程，需要對(duì)注入工藝參數(shù)與菌株變異率規(guī)律、特異表征的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4" "技術(shù)展望

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在政府政策利好和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)回暖的大環(huán)境下，我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，成為繼糧油、蔬菜、水果之后的第五大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。

4.1" "以菌種遺傳圖譜為基礎(chǔ)的精準(zhǔn)育種" "食用菌遺傳背景不清、性狀連鎖分子標(biāo)記、功能基因不明確，是目前發(fā)展食用菌定向誘變技術(shù)的瓶頸。因此亟需通過(guò)測(cè)序及生物信息分析，建立健全食用菌種質(zhì)資源基因組、表觀(guān)遺傳組數(shù)據(jù)庫(kù)，探索真菌重要農(nóng)藝性狀遺傳規(guī)律，明確產(chǎn)量、抗病性等重要性狀連鎖分子標(biāo)記、功能基因，通過(guò)基因編輯、重組等實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)育種到精準(zhǔn)育種，再結(jié)合快速高通量篩選策略，疏通精準(zhǔn)定向育種瓶頸。

4.2" "多技術(shù)交叉融合" "大量研究顯示，優(yōu)質(zhì)的食用菌菌株可以通過(guò)離子光束輻照誘變技術(shù)進(jìn)行篩選而得到。在此基礎(chǔ)上，為提高育種效率和精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)質(zhì)菌種知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主化，將離子光束輻照與多學(xué)科、不同技術(shù)緊密結(jié)合，如基因組學(xué)、原生質(zhì)體融合技術(shù)、基因工程技術(shù)、分子標(biāo)記技術(shù)、細(xì)胞超微加工等，對(duì)推動(dòng)縣域經(jīng)濟(jì)特色發(fā)展，助力農(nóng)村振興，意義極其重大。

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張毅，陳璐，陜西省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，郵編710012（西安）；吳佩潔，廣州市從化海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心。

收稿日期：2024-09-09