太空誘變育種解析

1、太空誘變是利用太空中的強輻射、微重力、高真空、弱磁場等誘變因子對植物種子、組織、器官或生命個體的基因變異的誘變。太空誘變育種摘要：現(xiàn)在，越來越多的國家利用太空誘變來培育新品種，同時在這一方面取得了良好的成果，由此開辟了一條植物育種的新的途徑關鍵字：太空誘變 特點 安全性 應用 展望 太空育種又稱航天育種、空間誘變育種，是利用太空技術通過高空氣球、返回式衛(wèi)星、飛船等航天器將作物的種子、組織、器官或生命個體等誘變材料搭載到200400 km高空的宇宙空間，利用強輻射、微重力、高真空、弱磁場等宇宙空間特殊環(huán)境誘變因子的作用使生物基因發(fā)生變異，再返回地面進行選育，培育新品種、新材料的作物育種新技術。其

2、核心內容是利用太空環(huán)境的綜合物理因素對植物或生物遺傳性的強烈動搖和誘變，在較短的時間內創(chuàng)造出目前地面誘變育種方法難以獲得的罕見突變種質材料和基因資源，選育突破性新品種，由此而開辟一條植物育種的新途徑。太空誘變的主要因素1.微重力太空的重力環(huán)境明顯不同于地面，未及地球上重力十分之一的微重力(10-310-6 g)是引起植物遺傳變異的重要原因之一。許多實驗證明，植物感受和轉換微重力信號，是通過質膜調節(jié)細胞內Ca2+水平或磷脂蛋白質排列順序的變化等，引起ATP酶、蛋白質激酶、NAD氧化還原酶及光系統(tǒng)中許多酶類的活性變化等，從而在細胞分裂期微管的組裝與去組裝、染色體移動、微絲的構建、光系統(tǒng)的激活等方而

3、起作用，進而影響細胞分裂、細胞運動、細胞間信息傳遞、光合作用和生長發(fā)育等生理生化過程，并出現(xiàn)細胞核酶變、分裂紊亂、濃縮染色體增加、核小體數(shù)目減少等。已有的研究結果還指出，微重力是通過增加植物對其它誘變因素的敏感性和干擾DNA損傷修復系統(tǒng)的正常運作，從而加劇生物變異，提高變異率。2.空間輻射空間輻射源包括來自地磁場俘獲的銀河宇宙射線和太陽磁暴的各種電子、質子、僅粒子、低能重離子和高能重離子等。它們能穿透宇宙飛行器的外壁，作用于太空飛行器中的生物。研究結果表明，空間誘變與地面輻射處理發(fā)生的變異情況有許多類似之處，輻射敏化劑預處理能增加生物損傷。DNA和生物膜是射線作用的靶子。空間輻射主要導致生物系

4、統(tǒng)遺傳物質的損傷，如突變、腫瘤形成、染色體畸變、細胞失活、發(fā)育異常等。重離子輻射生物學研究的結果表明，質子、高能重離子等能非常有效地引起細胞內遺傳物質 DNA分子的雙鏈斷裂和細胞膜結構改變，且其中非重接性斷裂的比例較高，從而對細胞有更強的殺傷及致突變和致癌變能力嘲。對植物的研究證明，空間條件尤其是高能離子具有強烈的致變作用，導致細胞死亡、突變、惡性轉化，而且在微重力條件下輻射的誘變作用將會加強門。3.其它誘變因素植物材料在空間飛行時。是受各種空間因素綜合作用的，包括高真空、交變磁場、航天器發(fā)射過程中的強振、飛行舵內的溫度和濕變條件及其他未知因素。一般認為空間輻射和微重力的復合效應是主要的誘變因

5、素。太空育種的特點1.誘變效率高太空中的特殊條件對農作物種子具有強烈的誘變作用?？梢援a生較高的變異率，其變異幅度大、頻率高、類型豐富有利于加速育種進程。水稻自然變異的頻率在二十萬分之一化學誘變的變異頻率也在千分之幾而經空間處理的水稻變異頻率可達百分之幾。一般來說，太空育種變異率為5-10，最高的誘變率可超出10以上，其中有益突變率為2-3。2.變異方向不定。正負方向變異都有作為一種空間多環(huán)境特殊條件下產生的誘變，其誘變方向具有不確定性。一般單株有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、穗長、單株分蘗力等性狀呈偏正態(tài)分布，以正向變異為主。株高變異偏向增高，結實率偏向降低，但也有許多有利突變體出現(xiàn)。3.育種周期

6、短空間誘變植物一般在第4代可穩(wěn)定，少數(shù)在第3代就可穩(wěn)定。比常規(guī)育種的第6代穩(wěn)定提前2代，對縮短育種周期極為有利可以節(jié)約許多人力物力。4.可出現(xiàn)常規(guī)育種不易出現(xiàn)的變異太空育種不但能出現(xiàn)一些如產量、株高、生育期、品質、抗病性等常規(guī)誘變育種的變異，還能出現(xiàn)一些其它理化因素處理較少出現(xiàn)的特殊變異類型，如水稻早熟突變大穗型變異。大粒變異和秈、粳亞種種性的變異品質性狀的廣幅分離；蔬菜大果型變異，不育性突變；花卉花形變異花色變異等。太空育種的安全性 太空食品和普通食品沒有什么區(qū)別，是很安全的食品。關于太空食品安全性的問題，專家普遍認為，太空育種并沒有將外源基因導入作物中使之產生變異。作為誘變育種技術，太空育

7、種可使作物本身的染色體產生缺失、重復、易位、倒置等基因突變。這種變異和自然界植物的自然變異一樣，只是時間和頻率有所改變。太空育種本質上只是加速了生物界需要幾百年甚至上千年才能產生的自然變異。太空中宇宙射線的輻射較強，這是植物發(fā)生基因變異的重要條件。目前，人工輻射育種中的輻射劑量只是國際食品安全輻射量的幾十分之一，而太空中的輻射劑量還不到輻射育種輻射劑量的百分之一。宇宙射線引起的基因變異經常會讓人想到轉基因食品。轉基因作物是將外源基因導入植物體內而培育出的新品種，如轉基因大豆是將非大豆植物甚至動物、微生物的基因導入而產生的變異。而太空育種則是讓作物的種子自身發(fā)生變異，沒有外源基因的導入。我國頒布

8、的有關轉基因安全管理規(guī)定中特別排除了對自身通過突變產生的新物種的管理，這也說明太空育種是非常安全的，不用擔心其產品的安全性。太空食品是按照人類需要選擇出來的，不是轉基因食品。至于污染，則是栽培方法和使用農藥、化肥的問題。太空育種的應用實例太空育種已得到一定程度的應用。太空椒的果實比在陸地上培育的果實要大得多，口味、重量和外形發(fā)生了變化。太空黃瓜航遺一號早已通過了國家品種審定，最大單果重1 800 g，長52 cm，Vc含量提高了30，可溶性固形物含量提高了20左右，鐵含量提高了40。說明太空誘變可以獲得高營養(yǎng)成分、口感好的突變體。太空菜葫蘆長達75 CITI，平均單果重4 kg左右，最大單果重

9、8 kg，含有可治糖尿病苦瓜素。太空番茄平均單果重在350 g左右，最大單果重375 g，產量75 000 kg/hm2左右。此外，太空搭載的長形茄子，單果重達350 g，口感非常鮮嫩。太空甜椒872可溶性固形物含量提高了20，在太空甜椒中獲得了1個黃色后代和1個紅色后代，可以獲得太空五彩椒系列，而不同于以往五彩椒通過太空誘變獲得的黃色甜椒和紅色甜椒。雖然太空育種前景誘人，但目前這項事業(yè)的產業(yè)化還不盡如人意，許多成果還停留在中試階段和小規(guī)模生產階段。應當看到，太空育種是1個全新的交叉學科，涉及諸多領域，如航天技術、輻射技術、生物技術等，其本身還不是十分成熟和完善。太空搭載畢竟很少，主要是水稻和

10、小麥。因為我國是1個農業(yè)大國，太空育種技術受到重視，我國在太空技術方面雖然不是第1位的，但是在太空農業(yè)育種方面應該是第1位的。常規(guī)育種中的雜交技術一般需要8 a才可以獲得新品種，太空育種可以縮短一半時間，太空搭載回來以后，在地面上必須要進行不少于4代的培養(yǎng)。太空育種是1個很好的能夠縮短育種周期的方法。國內外太空育種研究現(xiàn)狀 利用航天器或返回式衛(wèi)星研究植物生長發(fā)育及遺傳變異的工作，迄今已有30多年的歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計19571997年全球發(fā)射空間生命科學衛(wèi)星120顆，搭載植物材料38次，其中前蘇聯(lián)16次，美國14次，中國8次。國外的太空育種研究始于1960年20世紀60年代初期，前蘇聯(lián)學者就研究

11、和報道了空間飛行對植物種子的影響。此后，美國和德國等許多實驗室研究了植物在空間條件下生長發(fā)育及其遺傳特性的變化空間微重力、高能粒子對植物種子和植株的影響植物及其細胞在空間條件下生長發(fā)育及其衰老過程，低等植物在空間的生長規(guī)律等。美國等國家在各種類型空間飛行器上進行了許多植物學試驗觀察空間條件下各種類型的植物材料發(fā)生的變化。1984年美國將番茄種子送上太空，逗留時間達6年之久，返回地面后經科研人員試驗，獲得了變異的番茄，其種子后代對人體無毒，可以食用。1995年。美國航天局又在北卡羅來納州立大學建立引力生物學研究中心重點研究植物對引力的感受和反應，以最終開發(fā)出適于太空旅行的植物舊。1996年，俄美

12、合作首次成功地在“和平”號軌道站培育和收獲了150個麥穗的墨西哥小麥。俄羅斯在太空種植小麥于1999年獲得成功。1996年，美國布魯斯·巴格比研究出太空矮稈小麥，株高只有40 cm，生育期只有60 d，這種小麥產量高出普通小麥的3倍，有可能適合太空生長。美、日、西歐制定的21世紀太空計劃中，將植物在密封太空艙內的生長發(fā)育引為重點試種和培育豌豆、小麥、玉米、水稻、洋蔥、蘭花、郁金香等100多種植物研究宇宙飛行中各種因素對植物生長發(fā)育的影響。 我國的空間生命科學實驗始于20世紀60年代，是目前世界上掌握航天器返地技術的3個國家(中國、美國、俄羅斯)之一。目前國外作物太空育種還處于研究階段

13、，尚未育成有實用價值的作物品種在生產上大面積應用，而我國進行了較全面的研究和應用，太空育種研究已達到世界先進水平。自1987年以來我國空間科學家和農業(yè)生物學專家9次利用返回式衛(wèi)星、2次利用神舟號飛船和4次利用高空氣球，廣泛開展農作物、微生物、抗生素、酶制劑生產菌、昆蟲等太空育種研究，搭載了70多種植物、500多個品種的近50kg的種子，涉及糧、棉、油、蔬菜、瓜果、牧草和花卉等植物。經國內23個省、市、自治區(qū)70多個研究單位利用太空返回植物變異資源進行多年的地面選育，已培育出一批具有高產、優(yōu)質、抗病新品種(系)和一大批種質資源，從中還獲得了一些有可能對產量和品質等經濟性狀有突破性影響的罕見突變株

14、。這些各具特色的優(yōu)良新種質、新材料可廣泛應用于常規(guī)育種和雜種優(yōu)勢育種，將對作物產量和品質等主要經濟性狀的遺傳改良產生重大影響。目前經審定的新品種有19個，其中水稻新品種5個、小麥2個、棉花2個、青椒1個、番茄1個、芝麻1個、西瓜3個、蓮子3個、靈芝1個，另外還有選育出的新品系50多個。問題與展望 近十年來，我國太空育種得到迅猛的發(fā)展，隨著科學技術的進步和研究的深入，太空育種已引起國內外育種家普遍關注，它將成為推動2l世紀作物育種的重要手段之一。雖然我國太空育種已育成一批農作物新品種(組合)和一些有實用價值的新種質，但能在生產上大面積應用的仍然很少，對一些誘變后產生的罕見突變體的利用上也尚未取得

15、令人滿意的成果，究其原因主要有以下三方面：(1)選擇搭載的品種或材料綜合素質不夠全面。衛(wèi)星搭載誘變后又經歷45年定向選擇后育成的品種在產量、品質和抗性上缺乏競爭力生產上難以推廣。因此，太空育種的選材是關鍵，必須選用最新、綜合素質最好的品種或材料選送衛(wèi)星搭載誘變，這樣，培育出的新品種市場競爭力強。(2)我國的太空育種工作在培育新品種方面做得較多。而相應的基礎理論研究則較弱。太空育種研究工作多數(shù)注重大田突變體的直接選擇上，但在誘變機理和誘變后代材料的處理及選擇方法上研究得不夠。因此在田間選擇和后代材料處理上盲目性較大，選擇效率低，成效慢。(3)太空育種技術體系建立與集成還有待進一步完善?？臻g誘變在

16、抗病育種、改善品質和培育早熟高產品種等方面有獨特的優(yōu)勢。要探索和建立一套太空育種技術體系，并對太空育種的各項技術進行集成，從而提高太空育種效率。植物育種的關鍵是將基因型選擇與表型選擇相結合，提高選擇的效率。長期以來，作物育種是以植株表型性狀為基礎的。當性狀的遺傳基礎簡單時，表型選擇是有效的。但是作物遺傳改良的目標性狀多為遺傳基礎比較復雜的數(shù)量性狀，表型選擇效率低，且由表型來推測基因型存在準確性較差的問題。對航天誘變品系的分子生物學研究將是一個重要的發(fā)展方向。針對航天誘變后的植物材料在后代表型性狀中產生的變異，利用分子生物學的方法，克隆到特異的基因通過遺傳工程的手段，將其轉入到作物基因組中，以期目標性狀得以表達。另外，分子標記輔助選擇是現(xiàn)代分子生物學與傳統(tǒng)遺傳育種的結合點。借助與目標基因緊密連鎖的遺傳標記，分析基因型，鑒定分離群體中含有目標基因的個體，也可以加快