航天诱变育种特点、机理研究及应用

　　航天诱变育种是将植物干种子搭载返回式航天器（卫星），经过空间诱变作用产生变异，在地面选择有益变异培育新种质、新品种的育种方法，与常规育种相比，航天诱变育种具有诱变频率高、变异幅度大、育种周期短和有利突变体多等特点［1－7］。

　　1 航天诱变育种技术的概念与原理

　　航天诱变育种又称“空间诱变育种”， 它是将农作物种子或供试诱变材料搭乘返回式卫星或宇宙飞船， 送到距地球 200～400 km 的太空， 利用空间宇宙射线的强辐射， 在高真空、 微重力和交变磁场等特殊环境中进行诱变处理， 使供试的农作物种子和材料产生有利变异， 返回地面试种后继续采用常规育种技术， 从中选育出农作物新品种［8－10］。 因此， 航天诱变育种技术是将航天技术、生物技术和农作物育种技术相结合发展起来的一项崭新的育种技术。

　　2 航天诱变育种特点

　　2．1 变异源丰富

　　卫星和飞船飞行的空间存在着各种质子、电子、离子、a 粒子、高空重离子等高能粒子以及 X射线、Y 射线和其他宇宙射线，它们都能穿透宇宙飞行器的外壁，作用于飞行器中的生物，有很高的相对生物效益，是有效的变异源。当植物种子被宇宙射线中的高能重粒子击中后， 种子中会发生多重染色体畸变。而且高能重粒子击中的部位不同，畸变的频率亦不同。 根尖分生组织和胚性细胞被击中时畸变频率最高。也有研究指出 DNA 和生物膜（尤其是核膜）是射线作用的靶子，DNA 被击中后引起的断裂或其他损伤能引起细胞的一系列修复活动， 若损伤未被修复或被错误修复做 p 染色体缺失、倒置、异位和重复等就可能引起遗传性状变异［11－12］。

　　2．2 育种周期短

　　通过传统育种获得一个新品种平均需要 10年左右的时间，从 5、6 代才开始稳定；而航天育种则只需 5 年左右的时间，在 3、4 代开始稳定，较常规手段育种周期大大缩短。

　　3 我国航天诱变育种取得的成果
　　
　　自 1987 年起， 在国家“863”计划的资助下，全国已有 23 个省、 市的 70 多家科研单位参加了航天诱变育种和空间生命科学的多学科研究，先后 10 多次利用返回式卫星、 神州号飞船搭载了水稻、小麦、大麦、棉花、大豆、谷子、花生、牧草、萝卜、茄子、番茄、青椒、百合等几十种作物的 1000 多个品种， 其中 500 多个品种产生了有利性状的遗传变异， 已从中选育成功水稻、小麦、棉花、大豆、油菜、黄瓜、芹菜、番茄、大葱、西瓜、白莲等作物品种 513 个， 占世界各国航天诱变育成新品种总数的 25％， 累计示范推广面积超过13．33 万 hm2，有的品种初具产业化规模。 我国育成的太空稻新品种可增产 20％， 小麦可增产10％～15％， 育成的粮食作物新品种在生产上大面积推广后， 每年可为我国增产粮食 30～40 亿kg［13－14］。

　　4 航天诱变育种机理研究进展

　　国内外学者在以往的研究中， 关于航天诱变机理的探索研究主要集中在空间环境因素对生物体效应的影响研究以及突变体的筛选和对筛选到的突变体细胞学和分子生物学的研究上；在国内，更多的研究集中在对突变体的筛选和农作物新品种的选育上， 而国外研究工作主要集中在植物或细胞组织在空间条件下生长发育及其生理和遗传特性的变化，空间微重力、高能重粒子对植物种子和植株的影响， 植株及其细胞在空间条件下生长发育及其衰老过程， 低等植物在空间的生长规律等方面的研究上， 以便改善利于人类生存的空间环境，并试图建立太空农场，解决太空中宇航员的食物供应， 从而进一步为加速航天探索提供基础和条件。尽管国内外学者做了大量的研究工作，但目前关于航天诱变的机理还未研究清楚。当前，关于航天诱变机理主要有以下几种假说：

　　4．1 微重力假说

　　在宇宙中， 空间重力仅仅为地球的百万分之一到十万分之一， 目前广泛认为微重力是影响植物生长发育和发生遗传变异的重要因素之一。 该假说认为在卫星近地面空间条件下， 不及地球重力十分之一的微重力是影响飞行生物生长发育的重要因素。 在地球重力场中生长的植物均具有向重性， 而当植物进人空间环境后， 重力极大的降低， 这使植物失去了在静止状态下的向地性生长反应，因而导致对重力的感受、转换、传输、反应发生变化，产生直接效应和间接效应。

　　4．2 太空辐射假说

　　大量的研究表明， 宇宙辐射是造成生物系统遗传物质发生变异的重要原因之一， 当植物种子被宇宙射线中的高能重粒子（HZE）击中后，会出现更多的多重染色体畸变，植株异常发育率增加，而且 HZE 击中的部位不同， 畸变情况也不同，根尖分生组织和下胚轴细胞被击中时， 畸变率最高。

　　5 航天诱变技术在水稻育种上的应用

　　水稻航天诱变育种是将水稻干种子搭载返回式航天器（卫星），经过空间诱变作用产生变异，在地面选择有益变异培育新种质、 新品种的育种方法，与常规育种相比，航天诱变育种具有诱变频率高、变异幅度大、育种周期短和有利突变体多等特点。 自 1987 年以来，我国利用返回式卫星搭载种子，在地面上选育出一批高产、优质的农作物新品种和新的种质资源。 在水稻航天诱变育种上尤为突出，已育成多个水稻新品种（组合）并通过省级品种审定委员会审定。这些品种有航育 1 号、华航1 号 、宇 航 2 号 、优 航 1 号 、桥 科 951 及 盐粳 927等。

　　6 航天诱变育种的展望

　　航天诱变品系的分子生物学研究将是一个重要的发展方向。 作物育种长期以来是以植株表型性状为基础的，当性状的遗传基础简单时，表型选择是有效的。 但是作物遗传改良的目标性状多为遗传基础比较复杂的数量性状，表型选择效率低，且由表型来推测基因型存在不可靠性。 针对空间诱变后的植物材料在后代表型性状中产生的变异，通过分子生物学研究，克隆并找到产生品种有益性状的基因，如抗病、优质、高产等性状的相关基因，通过遗传工程的手段，将其转入到作物基因组中，以期表达目标性状，将对育种效率有较大幅度的提升。

　　参考文献：

　　［1］ 李东芳，倪丕冲 ，沈桂芳．水稻航天诱变育种及其机理研究的进展与展望，生物技术通报，2004 年 3 期．［2］ 刘纪原．中国航天［J］．2001，11：6－10．
　　［3］ 徐建龙．空间诱变因素对不同粳稻基因型的生物学效应研究［J］．核农学报，2000，14（1）：56～601．
　　［4］ 李忠娴．航天育种研究动态与展望［J］．江 西农业科技 ，2000，（3）：43－441．
　　［5］ 张世成 ，吴政卿 ，杨会民 ，等．小麦高空诱变育种研究［J］．核农学报，1997，12（3）：7－101．
　　［6］ 施 巾帼 ，范庆霞 ，王琳清 ，等．太空诱发红小豆大粒突变［J］．核农学报，2000，14（2）：93－981．
　　［7］ 赵 玉锦 ，赵琦 ，白志良 ，等．空间诱变高粱突变体的研究［J］．植物学通报，2001，18（1）：81－891．