太空誘變育種解析

1、太空誘變是利用太空中的強(qiáng)輻射、微重力、高真空、弱磁場等誘變因子對(duì)植物種子、組織、器官或生命個(gè)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(shí)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(guān)鍵字：太空誘變 特點(diǎn) 安全性 應(yīng)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(shù)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(gè)體等誘變材料搭載到200400 km高空的宇宙空間，利用強(qiáng)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(jìn)行選育，培育新品種、新材料的作物育種新技術(shù)。其

2、核心內(nèi)容是利用太空環(huán)境的綜合物理因素對(duì)植物或生物遺傳性的強(qiáng)烈動(dòng)搖和誘變，在較短的時(shí)間內(nèi)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(zhì)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(shí)驗(yàn)證明，植物感受和轉(zhuǎn)換微重力信號(hào)，是通過質(zhì)膜調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平或磷脂蛋白質(zhì)排列順序的變化等，引起ATP酶、蛋白質(zhì)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(xì)胞分裂期微管的組裝與去組裝、染色體移動(dòng)、微絲的構(gòu)建、光系統(tǒng)的激活等方而

3、起作用，進(jìn)而影響細(xì)胞分裂、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)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(xì)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(jié)果還指出，微重力是通過增加植物對(duì)其它誘變因素的敏感性和干擾DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)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(zhì)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(jié)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(yù)處理能增加生物損傷。DNA和生物膜是射線作用的靶子?？臻g輻射主要導(dǎo)致生物系

4、統(tǒng)遺傳物質(zhì)的損傷，如突變、腫瘤形成、染色體畸變、細(xì)胞失活、發(fā)育異常等。重離子輻射生物學(xué)研究的結(jié)果表明，質(zhì)子、高能重離子等能非常有效地引起細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì) DNA分子的雙鏈斷裂和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)改變，且其中非重接性斷裂的比例較高，從而對(duì)細(xì)胞有更強(qiáng)的殺傷及致突變和致癌變能力嘲。對(duì)植物的研究證明，空間條件尤其是高能離子具有強(qiáng)烈的致變作用，導(dǎo)致細(xì)胞死亡、突變、惡性轉(zhuǎn)化，而且在微重力條件下輻射的誘變作用將會(huì)加強(qiáng)門。3.其它誘變因素植物材料在空間飛行時(shí)。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(qiáng)振、飛行舵內(nèi)的溫度和濕變條件及其他未知因素。一般認(rèn)為空間輻射和微重力的復(fù)合效應(yīng)是主要的誘變因

5、素。太空育種的特點(diǎn)1.誘變效率高太空中的特殊條件對(duì)農(nóng)作物種子具有強(qiáng)烈的誘變作用?？梢援a(chǎn)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(jìn)程。水稻自然變異的頻率在二十萬分之一化學(xué)誘變的變異頻率也在千分之幾而經(jīng)空間處理的水稻變異頻率可達(dá)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(fù)方向變異都有作為一種空間多環(huán)境特殊條件下產(chǎn)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(jié)實(shí)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(duì)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(chǎn)量、株高、生育期、品質(zhì)、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(zhì)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(guān)于太空食品安全性的問題，專家普遍認(rèn)為，太空育種并沒有將外源基因?qū)胱魑镏惺怪a(chǎn)生變異。作為誘變育種技術(shù)，太空育

7、種可使作物本身的染色體產(chǎn)生缺失、重復(fù)、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(shí)間和頻率有所改變。太空育種本質(zhì)上只是加速了生物界需要幾百年甚至上千年才能產(chǎn)生的自然變異。太空中宇宙射線的輻射較強(qiáng)，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(jīng)常會(huì)讓人想到轉(zhuǎn)基因食品。轉(zhuǎn)基因作物是將外源基因?qū)胫参矬w內(nèi)而培育出的新品種，如轉(zhuǎn)基因大豆是將非大豆植物甚至動(dòng)物、微生物的基因?qū)攵a(chǎn)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(dǎo)入。我國頒布

8、的有關(guān)轉(zhuǎn)基因安全管理規(guī)定中特別排除了對(duì)自身通過突變產(chǎn)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(dān)心其產(chǎn)品的安全性。太空食品是按照人類需要選擇出來的，不是轉(zhuǎn)基因食品。至于污染，則是栽培方法和使用農(nóng)藥、化肥的問題。太空育種的應(yīng)用實(shí)例太空育種已得到一定程度的應(yīng)用。太空椒的果實(shí)比在陸地上培育的果實(shí)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(hào)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(dá)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(chǎn)量75 000 kg/hm2左右。此外，太空搭載的長形茄子，單果重達(dá)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(gè)黃色后代和1個(gè)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(xiàng)事業(yè)的產(chǎn)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(chǎn)階段。應(yīng)當(dāng)看到，太空育種是1個(gè)全新的交叉學(xué)科，涉及諸多領(lǐng)域，如航天技術(shù)、輻射技術(shù)、生物技術(shù)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?yàn)槲覈?個(gè)農(nóng)業(yè)大國，太空育種技術(shù)受到重視，我國在太空技術(shù)方面雖然不是第1位的，但是在太空農(nóng)業(yè)育種方面應(yīng)該是第1位的。常規(guī)育種中的雜交技術(shù)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(shí)間，太空搭載回來以后，在地面上必須要進(jìn)行不少于4代的培養(yǎng)。太空育種是1個(gè)很好的能夠縮短育種周期的方法。國內(nèi)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(jì)19571997年全球發(fā)射空間生命科學(xué)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(jì)60年代初期，前蘇聯(lián)學(xué)者就研究

11、和報(bào)道了空間飛行對(duì)植物種子的影響。此后，美國和德國等許多實(shí)驗(yàn)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(duì)植物種子和植株的影響植物及其細(xì)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(jìn)行了許多植物學(xué)試驗(yàn)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(shí)間達(dá)6年之久，返回地面后經(jīng)科研人員試驗(yàn)，獲得了變異的番茄，其種子后代對(duì)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(xué)建立引力生物學(xué)研究中心重點(diǎn)研究植物對(duì)引力的感受和反應(yīng)，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(hào)軌道站培育和收獲了150個(gè)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(chǎn)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(jì)太空計(jì)劃中，將植物在密封太空艙內(nèi)的生長發(fā)育引為重點(diǎn)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(duì)植物生長發(fā)育的影響。 我國的空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)始于20世紀(jì)60年代，是目前世界上掌握航天器返地技術(shù)的3個(gè)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(shí)用價(jià)值的作物品種在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用，而我國進(jìn)行了較全面的研究和應(yīng)用，太空育種研究已達(dá)到世界先進(jìn)水平。自1987年以來我國空間科學(xué)家和農(nóng)業(yè)生物學(xué)專家9次利用返回式衛(wèi)星、2次利用神舟號(hào)飛船和4次利用高空氣球，廣泛開展農(nóng)作物、微生物、抗生素、酶制劑生產(chǎn)菌、昆蟲等太空育種研究，搭載了70多種植物、500多個(gè)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(jīng)國內(nèi)23個(gè)省、市、自治區(qū)70多個(gè)研究單位利用太空返回植物變異資源進(jìn)行多年的地面選育，已培育出一批具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病新品種(系)和一大批種質(zhì)資源，從中還獲得了一些有可能對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)等經(jīng)濟(jì)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(zhì)、新材料可廣泛應(yīng)用于常規(guī)育種和雜種優(yōu)勢育種，將對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)等主要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳改良產(chǎn)生重大影響。目前經(jīng)審定的新品種有19個(gè)，其中水稻新品種5個(gè)、小麥2個(gè)、棉花2個(gè)、青椒1個(gè)、番茄1個(gè)、芝麻1個(gè)、西瓜3個(gè)、蓮子3個(gè)、靈芝1個(gè)，另外還有選育出的新品系50多個(gè)。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(xué)技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，太空育種已引起國內(nèi)外育種家普遍關(guān)注，它將成為推動(dòng)2l世紀(jì)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(nóng)作物新品種(組合)和一些有實(shí)用價(jià)值的新種質(zhì)，但能在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的仍然很少，對(duì)一些誘變后產(chǎn)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(zhì)不夠全面。衛(wèi)星搭載誘變后又經(jīng)歷45年定向選擇后育成的品種在產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性上缺乏競爭力生產(chǎn)上難以推廣。因此，太空育種的選材是關(guān)鍵，必須選用最新、綜合素質(zhì)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(qiáng)。(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(yīng)的基礎(chǔ)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(jī)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(shù)體系建立與集成還有待進(jìn)一步完善?？臻g誘變?cè)?/p>

16、抗病育種、改善品質(zhì)和培育早熟高產(chǎn)品種等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。要探索和建立一套太空育種技術(shù)體系，并對(duì)太空育種的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行集成，從而提高太空育種效率。植物育種的關(guān)鍵是將基因型選擇與表型選擇相結(jié)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(chǔ)的。當(dāng)性狀的遺傳基礎(chǔ)簡單時(shí)，表型選擇是有效的。但是作物遺傳改良的目標(biāo)性狀多為遺傳基礎(chǔ)比較復(fù)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(zhǔn)確性較差的問題。對(duì)航天誘變品系的分子生物學(xué)研究將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。針對(duì)航天誘變后的植物材料在后代表型性狀中產(chǎn)生的變異，利用分子生物學(xué)的方法，克隆到特異的基因通過遺傳工程的手段，將其轉(zhuǎn)入到作物基因組中，以期目標(biāo)性狀得以表達(dá)。另外，分子標(biāo)記輔助選擇是現(xiàn)代分子生物學(xué)與傳統(tǒng)遺傳育種的結(jié)合點(diǎn)。借助與目標(biāo)基因緊密連鎖的遺傳標(biāo)記，分析基因型，鑒定分離群體中含有目標(biāo)基因的個(gè)體，也可以加快