花卉化学诱变育种及其应用 |
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摘 要：通过综述化学诱变育种发展历程、诱变剂种类、诱变机理、育种特点及应用等五方面的内容，阐述了国内外花卉化学诱变育种五方面的应用概况，指出了花卉化学诱变育种存在五方面的问题，同时展望了七方面的利用优势 1 化学诱变育种简述 中国苗木网,www.999miaomu.com 一般来说，单个植株发生突变的频率介于千分之一至万分之一之间。单个基因则介于十万分之一至百万分之一之间，然而人工诱变可使自然突变提高千倍以上，从而使人们定向地创造和筛选变异成为可能[2]。 中国苗木网,www.999miaomu.com 1.3.4 嵌入剂：是一类能引起移码突变的化合物，常用的有吖啶橙、二氨基吖啶（原黄素和吖啶黄素等吖啶衍生物）。它们都是扁平的三环化合物，大小和嘌呤-嘧啶对大致相等，它能结合到DNA上，并插入邻近的碱基之间，使DNA骨架变形，导致染色体配对交换过程中不等价交换，形成两个重组分子，一个多一个碱基对，另一个少一个碱基对，造成识别和阅读错误产生移码突变。吖啶类物质诱发的移码突变只能由吖啶剂诱发回复[3]。 1.3.5关于控制遗传可能性。目前已知突变对所研究的作物的作用同下述遗传背景有关：不同基因复制的非同步性与某些诱变剂作用先于DNA合成；病毒及游离体的相互作用与染色体某些部位有关；在控制因子作用下的基因变异的特异性与副突变；特殊的抗突变系统；基因易位、抑制某些基因的机能与操纵子；二倍体及单倍体选择等等[4-5]。 1.4 化学诱变育种的特点[3] 1.4.1 操作方法简便易行。与辐射诱变相比价格低廉，不需昂贵的X光机或γ射线源，只要有足够的供试材料，便可大规模进行，并可重复试验。 1.4.2 专一性强。特定的化学药剂，仅对某个碱基或几个碱基有作用，因此可改变某品种单一不良性状，而保持其它优良性状不变。 999苗木网,www.999miaomu.com 1.4.3化学诱变剂可提高突变频率，扩大突变范围：化学诱变可诱变出自然界往往没有或很少出现的新类型，这就为人工选育新品种提高了丰富的原始材料。 1.4.4 化学诱变剂是靠其化学特性与遗传物质发生一系列生化反应造成的，多基因点突变，且有迟发效应，在诱变当代往往不表现，在诱导植物的后代，才表现出性状的改变。因此，至少需要经过两代的培育、选择，才能获得性状稳定的新品种。 1.4.5 诱变后代的稳定过程较短，可缩短育种年限：经过化学诱变剂处理后，用种子繁殖的一二年生草花，一般F3代就可稳定，经3~6代即可培育出新品种。天然异花授粉或常异交植物，应注意防止种间或品种间天然杂交引起后代分离。对木本、宿根花卉和能用无性繁殖的植物，应采用营养繁殖以保持其品种特性。 2 化学诱变在花卉育种上的应用 花卉的化学诱变育种主要是利用秋水仙素诱导多倍体的产生，从而产生新品种。多倍体花卉新品种往往具有植株粗壮、叶大、花器官增大、花色更娇艳等特征，增加了花卉的观赏价值和商业价值，这在百合、萱草、金鱼草、马蹄莲、报春花等众多花卉上均获成功。 2.1 国外花卉化学诱变育种研究及应用概况 999中国苗木网,www.999miaomu.com 到1937年，美国布勒克斯里（Blakeslee）与艾鸟芮（Avery）二人应用秋水仙碱处理植物的种子，一举获得了45%以上的同源多倍体。有用EMS2.5%诱导麝香石竹的花色突变，1978年美国人用EMS 4%处理紫薇一小时，获得叶小而厚、花小、茎粗壮，抗白粉病耐干旱的突变体[3]。乌克兰人用0.01%N—乙基—N—亚硝基脲处理夹竹桃植物，诱导出晚花，有特异花色的突变体，用0.02%N—乙基—N—亚硝基脲及氨基苯酸处理菊花，得到二株白色突变体，还实现了五个玫瑰品种的花色改变。Kashikar以二倍体矮牵牛的白花品系为材料，用甲烷乙磺酸盐(EMS)和r射线处理，使其花色发生突变，从中选育新花色的矮牵牛品种[6]。Mazumder和Bhowmik用γ射线和EMS对紫花苞舌兰(Spathoglottis Plicata)的原球茎进行处理获得了8个叶绿素的突变体。在高浓度的激素作用下，万代兰属花色发生变异，蕙兰属花瓣变厚，蝴蝶兰属整个植株发生变异[7]。Hansen等(1996)用125 nag／L秋水仙素处理五唇兰(Doritis pulcherrima Lind1．)的原球茎，再生植株中有46％为四倍体。 2.2 我国花卉化学诱变育种研究及应用概况 中国苗木网,www.999miaomu.com 我国花卉的化学诱变育种起步晚，目前已培育出多倍体重瓣大岩桐[8]。武汉植物所通过染色体加倍诱导，已获得一批荷花四倍体品系，用四倍体与二倍体杂交，又选出一批三倍体品系。这些荷花花瓣宽厚，花朵增大，色艳，开花时花朵不完全开放，别具姿色。现今菊花（Dendranthema× grandiflorum）、月季(Rosa hybrida)、郁金香(tulipa gesneriana)、百日草(Zinnia elegans)、大丽花(Dahlia hybrida)等著名品种也几乎都是多倍体 [9]。 999苗木网,999miaomu.com 王俐等(2001)在组织培养条件下，对库拉索芦荟(Aloe vera L．)用秋水仙素进行染色体加倍的诱导处理，诱变率达50％，得到了叶片变厚、叶色变深、叶片变大的四倍体植株。随着植物组织培养技术的发展，越来越多的作物可以通过组织培养再生植株，这使秋水仙素在离体组织水平上诱导细胞内染色体加倍成为可能。郭英等（2002）对小叶绿萝(Epipremnum aureum)不定芽及愈伤组织用0．05％秋水仙素溶液浸泡法振荡培养3天，长大的植株表现出茎、叶柄增粗，叶片增大变厚，多倍体诱导率为12.5％ 。郑思乡等(2003)以0．1％～0.2％秋水仙素处理三色堇(Viola tricolor L.)，以l2～36 h为佳，最高诱变频率可达到26％ 。张兴翠（2003）等以浓度为0.1％的秋水仙碱溶液浸泡处理药用百合丛生芽3 d效果最好，得到的变异芽75％为纯合的四倍体。马新才等（2003）用1.0%的秋水仙素处理虞美人(Papaver rhoeas L.)48h, 诱变率达55.0%,获得大量的四倍体、八倍体。郑思乡，毛琪等（2004）在离体培养下利用秋水仙素诱导东方百合2n配子杂交后代多倍体，突变率50％，结果突变后代不但出现四倍体而且出现一定数量的三倍体和不稳定的非整倍体。郑思乡，章海龙等（ 2004）用0.05％ 的秋水仙素处理东方百合24 h的诱变效果最佳，诱变频率高达50％ 。 上海园林科研所直接剥下百合试管苗中的鳞片用秋水仙素溶液浸泡处理后，加倍得到了“雨虹”(‘Rainlxmhybrid)和“粉完美”(‘Pink perfection’)两个品系。李培旺等（2004）用0.25％秋水仙碱浸泡和共培养48 h以上均能诱导绿玉树(Euphorbia tirucalli)产生大量的四倍体小苗。张兴翠（2004）以浓度为0.2％的秋水仙素溶液浸泡处理花叶绿萝(Scindapsus aureus cv. Wilcoxii)24h效果最好，得到的变异芽7l％ 为纯合的四倍体。瞿素萍，熊丽等（2004）以0.05％ 的秋水仙溶液处理香石竹(Dianthus caryophyllus L.)50h，变异率达21％[10-25] 。 中国苗木网,999miaomu.com 3 化学诱变育种在应用中存在的问题 3.1 花卉化学诱变培育的新品种存在的问题[26]，其一是幼苗期一些品种的生命力较弱，在条件差的地区难以直播，需创造生存环境条件才能获得栽培成功；其二是开花后易感病、早衰，影响景观效果；第三是宿根品种少，需每年种植。而草花育种不仅要求园艺性状上求新求异，而且要求生活力强、抗性与耐性高，同时育种手段要求便于操作、效果好、成本低。因此，期望得到的品种与化学诱变技术的结合仍是一个长期而艰巨的过程。 3.2 化学诱变育种自身也存在一些问题，如必须考虑处理的安全性、诱变剂的稳定性及其不利代谢产物等[27]。除了要注意诱变剂本身的理化特性、处理材料的遗传背景以及某些作用因素如剂量、温度、浓度等外，还必须考虑诱变处理材料的选择以及后代的鉴定与筛选等，因此，如何将化学诱变与其他育种手段及现代生物技术结合以增加突变频率，提高育种效果，仍然是作物诱变育种工作的重要课题。 3.3 化学诱变剂有迟效作用，即诱变能引起生物学损伤和染色体断裂，但并不立即表现和断开，而且存在残留药物的后效作用，在后代中引起的生物损伤大[1]。由于引起的突变范围广，后代选择需要足够大的群体；突变频率尚不够高，突变方向难以掌握，具有很大的随机性；后代突变体的鉴定工作量大；很多化诱剂毒性较大，具有残留效应等都值得认真对待。 999苗木网,www.999miaomu.com 3.4 虽然也有一些化学诱变剂的毒性很小，如NaN3，非但不是致癌剂，而且毒性很小，使用极其方便。但大部分化学诱变剂能致癌[28]，使用中必须十分谨慎，要避免化学诱变剂与皮肤接触和吸入其蒸气，即使已处理完的废液亦需妥善处理。 3.5 用秋水仙碱处理材料时，由于细胞发育的不同步性，有的细胞已经变成四倍体，有的变成八倍体，也有的没有变化[29]。如何从嵌合体组织中分离和筛选出理想的多倍体材料还是个难点，因此嵌合体问题限制了多倍体育种的发展。 4 展望 4.1 化学诱变剂引起的突变频率较高，尤其是产生非常高的叶绿素突变频率，在大部分的情况下，就突变的数量而言，化学诱变剂要比辐射诱变更有效。另外，化学诱变剂有特异性，遗传变异定位的程度比辐射高，诱发的突变性状有明显的专一性[28],有便于根据人们的需要，定向培育新品种。 4.2 化学诱变育种的作用是迟发突变，即化学物质在细胞分裂、DNA转录时才起作用，化学诱变是一种修饰性变异，几乎不产生染色体畸变，只是产生一些替代作用，通过对广大基因位点的温和的修饰，综合影响数量性状[26]，使其表现出较大的变异，是花色育种的一个良好技术手段，以此可培育出花色各异的新品种。 999苗木网,www.999miaomu.com 4.3 成熟的组织培养技术和化学诱导的技术组合非常重要，因为诱导提供了变异材料，而组培提供纯合稳定技术和扩繁技术，这样才能避免嵌和体内细胞竞争对变异细胞不利的局面，使分离变异细胞和快速扩大繁殖成为可能，并形成新品种选育基础。 4.4 花卉育种的主要目标之一是提高观赏特性，与粮食作物育种相比，可以不用过多考虑诱变后植物的安全性，为花卉化学诱变育种中化学诱变剂的选择提供了更大空间。 4.5 多倍体在植物花卉上表现出很多优点，如花朵巨大性、可孕性低、适应性强、有机合成速率提高、克服远缘杂交不亲和等，经过不断的选育和稳定，能快速创造出新品种[30]，为花卉在育种上的突破提供了较大帮助。花卉的观赏价值由多因素构成，一些畸形花却具有很高的观赏价值，通过多倍体育种，可以产生具有较高观赏价值的畸形花，这是观赏植物的重要特色之一，应充分发掘和利用。 4.6 合子期化学诱变在很多作物上已取得了较好效果，采用注射化学药剂或切断受精后的花柱滴加化学药剂，化学药剂可以通过授粉后形成的花粉管通道进入胚囊[31]，促进了花卉化学诱变育种中诱变方法的多样性，为获得更多变异的花卉新品种创造了新的育种方法和途径。 苗木网,www.999miaomu.com 4.7 现今的化学诱变剂种类繁多,针对不同植物种类选择出诱变效果好而毒副作用小的化学诱变剂，再结合现代生物技术等不同复合处理技术，寻找更加有效而安全的化学诱变育种方法都是今后化学诱变育种的主要内容。而通过技术的不断成熟、发展和整合，化学诱变育种必将成为更加有效和受欢迎的育种方法。（云南农业大学花卉研究所 李枝林 黄丽萍 郑丽 余朝秀 李雪娇） 参考文献： [1] 安学丽,蔡一林. 化学诱变及其在农作物育种上应用[J]. 核农学报，2003.17(3):239-242 [2] 马惠平. 诱变技术在作物育种中的应用[J]. 种子, 1998.20(4):48-50 [3] 程金水. 园林植物遗传育种学[M]. 北京：中国林业出版社, 2002.12:170-174 [4] 柳学余. 农作物化学诱变育种[M]. 南京：东南大学出版社, 1992.9:1-132 [5] 董颖苹，连勇，何庆才,等. 植物化学诱变技术在育种中的运用及其进展[J].种子, 2005,24(7):54-58 [6] 宋希强，刘华敏,李绍鹏,等. 观赏植物新品种选育的方法与途径[J].世界林业研究, 2004(12):6-10 [7] 王卜琼，李枝林,余朝秀. 兰花育种研究进展[J].园艺学报,2005，32(3)：551～556 苗木网,999miaomu.com [8] 刘小莉,刘飞虎. 花卉育种技术研究进展[J]. 亚热带植物科学, 2003.32(2):64-68 [9] 孙莉. 加快我国花卉育种进程的途径[J]. 长春大学学报,2004,14(4):76-81 [10] 张晓曼,周怀军，张启翔，等. 花卉多倍体育种研究[J].河北林果研究, 2004, 19(3):288-294 [11] 郭英，梁国鲁. 小叶绿萝同源多倍体诱导研究初报[J]. 西南园艺,2002, 30(4):1-3 [12] 郑思乡，胡秀，雷小云，等. 离体培养条件下三色堇多倍体诱导研究[J]. 云南农业大学学报,2003,18(4):397-400 [13] 李培旺，李昌珠，周朴华，等. 绿玉树多倍体诱导及其抗寒性研究[J]. 湖南林业科技,2004,31(5):7-9 [14] 张兴翠. 花叶绿萝的多倍体诱导及快速繁殖[J]. 西南农业大学学报(自然科学版), 2004, 26(1):58-60 [15] 张兴翠，周昌华，殷家明, 等. 药用百合的多倍体诱导及快速繁殖[J]. 西南农业大学学报,2003,25(1):14-17 [16] 瞿素萍，熊丽，莫锡君, 等. 香石竹的多倍体诱导及其变异研究[J]. 西南农业大学学报(自然科学版),2004,26(5):609-612 [17] 瞿素萍，王继华，张颢，等. 多倍体育种在园艺作物中的应用[J]. 北方园艺,2003(6)： 58～60 苗木网,999miaomu.com [18] Paulo E. 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