藻類誘變育種技術(shù)及其應(yīng)用

藻類誘變育種技術(shù)及其應(yīng)用

藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要原型，在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。它們?cè)谑澜绶秶鷥?nèi)的碳固定和環(huán)境恢復(fù)中發(fā)揮著非常重要的作用。同時(shí)藻類與人類生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有著密切的關(guān)系,藻類分布廣泛且具有多樣性,許多藻類富含蛋白質(zhì)、維生素、微量元素以及各種生物活性物質(zhì)等,是人類的重要營(yíng)養(yǎng)源,是人類發(fā)展“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”的基礎(chǔ)。隨著藻類養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大,種質(zhì)成了決定養(yǎng)殖質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵問(wèn)題。應(yīng)用傳統(tǒng)的育種方法如選擇育種、雜交育種等,培育出了一系列的優(yōu)良品系或品種,推動(dòng)了我國(guó)海藻養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。然而傳統(tǒng)育種具有育種周期長(zhǎng)、性狀不穩(wěn)定等缺點(diǎn),限制了藻類遺傳育種的研究進(jìn)展。藻類誘變育種技術(shù)是近些年隨著生物技術(shù)發(fā)展起來(lái)的育種技術(shù),它是指利用各種物理和化學(xué)因素誘發(fā)藻體產(chǎn)生遺傳變異,再根據(jù)育種目標(biāo),定向選擇、培育新品種,同時(shí)獲得有價(jià)值的突變?cè)弩w的育種方法誘變育種技術(shù)根據(jù)不同作用機(jī)理,主要包括物理誘變和化學(xué)誘變。物理誘變是通過(guò)不同的輻射源對(duì)植物進(jìn)行電離或非電離輻射,是一種應(yīng)用比較早、操作方便、誘變頻率較高的誘變技術(shù);化學(xué)誘變是利用化學(xué)誘變劑誘導(dǎo)植物發(fā)生突變,具有成本低、使用方便、誘變作用專一性強(qiáng)等特點(diǎn),是一種迅速發(fā)展的育種方法。本文就這兩類誘變技術(shù)的誘變機(jī)理、生物學(xué)效應(yīng)以及在藻類育種中的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述,并對(duì)藻類誘變育種的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,以期為藻類誘變育種研究提供參考。1超聲檢測(cè)手段物理誘變輻射源有紫外線、X射線、γ射線、α射線、重離子束、超聲波和激光等。其中對(duì)藻類誘變效果好,應(yīng)用較廣泛的有紫外線、X射線、γ射線和離子束。1.1吡啶二聚體是致突變的第層次紫外線是一種非電離輻射,是使用最早、沿用最久、應(yīng)用最廣泛的一種物理誘變劑。紫外線可引起DNA與蛋白質(zhì)的交聯(lián)、胞嘧啶與尿嘧啶之間的水合作用、DNA鏈的斷裂、形成嘧啶二聚體等,從而導(dǎo)致基因突變。而形成嘧啶二聚體是產(chǎn)生突變的主要原因;嘧啶二聚體不僅可以由單鏈上相鄰的兩個(gè)胸腺嘧啶之間反應(yīng)后形成,也可以產(chǎn)生于雙鏈相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)胸腺嘧啶之間紫外誘變因?yàn)槠湓O(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便,而且成本低、安全性高等特點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用,成為誘變育種的首選方法。紫外線誘變?cè)谖⒃逵N中應(yīng)用的比較多,獲得了大量具有優(yōu)良性狀的突變?cè)逯?具有較好的誘變效果在大型海藻育種中也有紫外誘變研究的報(bào)道,但是由于紫外線對(duì)藻體組織的穿透能力有限,通常是用藻體的原生質(zhì)體、孢子、配子或幼嫩的葉狀體做為材料進(jìn)行誘變1.2位等染色體畸變?cè)孱惖恼T導(dǎo)育種射線輻射源包括X射線、γ射線、α射線或β射線等。輻射可以造成共價(jià)鍵斷裂,引起DNA鏈的斷裂,當(dāng)修復(fù)時(shí)不能恢復(fù)到原狀就會(huì)產(chǎn)生突變。如果射線擊中染色體則可能導(dǎo)致斷裂,再修復(fù)時(shí)會(huì)造成缺失、重復(fù)、倒位和易位等染色體畸變?cè)孱愝椛溆N早期主要以X射線為誘變?cè)?后期γ射線、α射線和β射線等其他射線輻射應(yīng)用逐漸增多。20世紀(jì)70年代培育出的海帶新品種1170是經(jīng)過(guò)4000r的X射線處理后,又經(jīng)過(guò)篩選和自交獲得的品系,含碘量較高,葉片較厚,適溫性較高γ射線具有很強(qiáng)的穿透力,是目前藻類育種中最常使用的輻射誘變?cè)粗?。Choi等條斑紫菜和壇紫菜是我國(guó)大規(guī)模養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)品種,紫菜色素含量的高低決定著商品紫菜質(zhì)量的好壞,同時(shí)色素突變體對(duì)于紫菜的遺傳學(xué),生理學(xué)和育種學(xué)等方面的研究,以及對(duì)于養(yǎng)殖品種的改良都具重大意義除了色素突變體的研究,在紫菜抗逆速生新品種的誘變遺傳育種方面,也取得了一定的成果。陳昌生等1.3重離子束輻照針對(duì)傳統(tǒng)輻射源的突變頻率較低和突變隨機(jī)性較大等問(wèn)題,人們又發(fā)掘和利用了新的誘變因素及誘變技術(shù),其中重離子輻射技術(shù)發(fā)展迅速。重離子束具有傳能線密度(Linearenergytransfer,LET)高的特點(diǎn),與X射線、γ射線、電子束等低LET方法相比,重離子束單位劑量的誘變效率要高10倍,已經(jīng)在微生物及植物誘變育種中取得了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。重離子束輻照主要是引起DNA鏈發(fā)生各種斷裂及交聯(lián),進(jìn)而誘發(fā)細(xì)胞突變近些年重離子束輻射在微藻育種中主要應(yīng)用在產(chǎn)油微藻方面。王芝瑤等在紫菜和海帶中也有重離子束輻射誘變的研究,顯示出其在大型海藻中的應(yīng)用潛力。Niwa等1.4a,agp常壓室溫等離子體(Atmosphericandroomtemperatureplasma,ARTP)作為一種新興的高效生物突變手段,具有放電均勻、活性粒子濃度高、化學(xué)活性物種可調(diào)控性好、操作簡(jiǎn)單、安全性高、環(huán)境友好、突變速度快、突變率高及突變多樣性大等特點(diǎn)等離子體的主要組分是高濃度的活性粒子,能夠穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜,破壞DNA分子,引起突變,從而改變目標(biāo)生物的代謝途徑2突變指導(dǎo)思想目前烷化劑是藻類誘變育種中最有效和應(yīng)用最多的化學(xué)誘變劑。這類誘變劑具有一個(gè)或多個(gè)活性烷基,它們易取代DNA分子中活潑的氫原子,直接與一個(gè)或多個(gè)堿基起烷化反應(yīng),從而改變DNA分子結(jié)構(gòu),引起突變近些年EMS和MNNG誘變?cè)谖⒃逯袘?yīng)用廣泛,主要利用其誘導(dǎo)產(chǎn)生代謝產(chǎn)物過(guò)表達(dá)的突變體,如蝦青素、類胡蘿卜素和二十碳五烯酸(EPA)MNNG對(duì)于龍須菜來(lái)說(shuō)是一種高效誘變劑。張學(xué)成等3分子標(biāo)記技術(shù)在突變體篩選中的應(yīng)用大量實(shí)踐證明,誘變技術(shù)在創(chuàng)造新種質(zhì),培育植物新品種,提高種質(zhì)資源多樣性等方面具有獨(dú)特的作用。高等植物中誘變技術(shù)育種已取得了舉世矚目的成就,育成品種的數(shù)量、種植面積和取得的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益均居世界各國(guó)首位在誘變育種中,突變是隨機(jī)的,能夠產(chǎn)生大量的突變體,篩選具有目標(biāo)性狀的突變體是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的,因此建立高通量的突變體篩選方法,將有利于獲得有益變異的藻株。傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)特征和生理生化分析的方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代藻類種質(zhì)鑒定和新品種選育的要求。分子標(biāo)記技術(shù)的出現(xiàn)為這一問(wèn)題的解決帶來(lái)了契機(jī),利用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)突變體進(jìn)行分析、鑒定篩選,可以有效提高選擇效率與常規(guī)育種方法相比,藻類誘變育種是一種高效的育種手段,具有操作簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn),可以在短時(shí)間內(nèi)帶來(lái)豐富的遺傳變異。但誘變育種也存在一些不足,如誘變的頻率和幅度還不夠高、誘變的方向具有不確定性、誘變的效果不理想。要解決這一問(wèn)題,就必須根據(jù)藻類的生物學(xué)特性