农业种子研究进展论文

水稻航天诱变育种探析 摘要阐述了航天诱变育种技术的概念与原理、国内外航天诱变育种技术的研究与应用进展及水稻航天诱变育种的意义、特点 、取得的成果,并对太空育种的客观评价、太空育种食品安全性、太空诱变育种技术开发应用前景进行探讨,以期引起湖北省水稻育种工作者的重视,加速湖北省水稻育种进程,完善湖北省水稻育种学科建设。 “航天诱变育种”起步于20世纪60年代,目前世界上只有美国、俄罗斯和中国3个国家成功地进行了卫星搭载太空育种。我国是1987年开始将蔬菜等农作物种子搭载卫星上天的,已先后10余次利用返地卫星搭载植物种子,搭载品种1 000多种,500多个品种发生了遗传性变异,培育出了一些高产、优质、多抗的作物新品种、新品系及新种质,其中不少属于具有突破性影响的优良突变。10多年来中国在航天诱变育种方面发展迅速,取得了令人瞩目的成就。 实践证明,航天诱变育种是快速培育优良新品种的有效途径。广西、福建、浙江、江西、广东、湖南、黑龙江等省均有航天水稻品种审定并大面积推广,而湖北省水稻航天育种工作开展得较晚,没有得到湖北省育种家的足够重视。 湖北省农科院粮食作物研究所根据当前水稻育种的实际情况,结合高档优质水稻新品种选育,在实践八号卫星上搭载了4份高档优质水稻育种材料,初步展开水稻航天诱变育种。 1航天诱变育种技术的概念与原理 航天诱变育种(Space-flight mutation Breeding)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200～400km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,使搭载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。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航天诱变育种的意义 随着科学技术和国民经济的发展,人类的生存、生产活动从最初的陆地、海洋、大气层进入地球轨道空间和外层空间,并且开始适应、研究、认识、利用和开发太空环境,这是人类文明史上的一次伟大飞跃。 优良品种是农业发展的决定性因素,对提高农作物产量、改善农作物品质具有不可替代的作用。目前,我国的绝大部分农作物新品种都是在常规条件下经过若干年的地面选育培育而成的。把航天这一最先进的技术领域与农业这一最古老的传统产业相结合,利用空间诱变技术进行农作物育种,对加快我国育种步伐、提高育种质量、探索具有中国特色的新兴育种研究领域具有十分重要的意义。 水稻是最重要的粮食作物之一,世界上有1/3以上的人口以稻米为主食。我国是世界水稻生产大国,也是稻米消费大国,水稻栽培面积占粮食作物种植面积的1/3,产量占粮食总量的近1/2。因此,水稻已成为航天育种的重点选择对象。我国通过航天育种已经育成了高产、优质、抗病的水稻新品种,这对粮食增产、农民增收都具有重要意义。 3国内外航天诱变育种技术的研究与应用进展 3.1国外航天诱变育种研究进展 国外的航天诱变育种研究起始于20世纪60年代。近年来,航天大国对农作物种子除了通过返回卫星和航天飞机进行搭载试验外,还在已建成的空间站进行了生物试验。如俄罗斯农业科学院和宇航局在“和平号”宇航站的太空温室里试种太空小麦获得成功。各航天大国通过航天诱变育种技术的研究与应用,已先后培育成功100多个农作物新品种应用于生产,不仅为航天诱变育种奠定了理论研究的基础,还为航天诱变育种技术的开发应用开辟了广阔的前景。 据不完全统计,航天大国从1957～1997年的40年间,共发射进行空间生命科学研究的卫星120颗,搭载供试农作物种子的返回式卫星有38颗(次),其中前苏联16颗(次),美国14颗(次),中国7颗(次)。 3.2我国航天诱变育种的进展 我国是世界上第3个掌握返回式卫星技术的国家,此前已发射返回式卫星22颗,成功返回21颗。1978年以来先后利用返回式卫星共进行10多次空间搭载试验,已成功培育一批高产、优质、多抗的作物新品种、新品系及新种质。我国在航天诱变育种试验研究和植物的细胞学、生理学、分子生物学的机理研究方面,已经进入世界先进行列。 2006年7月22日,国防科工委在京召开我国首颗航天育种卫星——实践八号育种卫星出厂审定会。并将于2009年9月在酒泉卫星发射中心用长征二号火箭发射升空,飞行15d后返回地面。卫星搭载9大类180组2 000余份种子材料,种子材料主要包括粮食作物、经济作物和饲料牧草作物,以及微生物菌种与分子生物学材料。 据国防科工委有关负责人介绍,实践八号航天育种卫星将利用我国成熟的返回式卫星技术和诱变遗传技术相结合,通过发射育种专用卫星装载农作物种子,进行航天育种深入研究,结合地面模拟空间环境因素试验,全面探索航天育种技术的机理、方法和理论,培育优良物种。 4水稻航天诱变育种特点 航天诱变育种方法与常规育种的方法相比,有明显的优势和特点。一是部分品种的变异频率高,变异幅度大,有益变异增多,大多数变异性状稳定较快。李源祥等对水稻选育的研究结果表明,选育2代群体单株间主要农艺、经济性状出现了强烈的广谱分离;各种性状变异均向有利和不利两相反方向突变;部分性状呈偏态向有利方向发展;有的出现了生理性变异,变异在后代不能保存下来;有的产生遗传性变异,其优异的性能可稳定地遗传下去。二是育种周期缩短。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。三是单株间出现一些有利的特殊突变体,这是地面上其他理化因素诱变难于获得的。例如:利用航天育种创造的能够恢复籼型雄性不育系育性的粳型育性恢复基因突变系,获得的特色米(紫色米、茶色米),均是目前利用其他地面诱变育种手段较难获得的罕见突变。

人工种子(artificial seed) 是人为制造的种子，它是一种含有植物胚状体或芽、营养成分、激素以及其他成分的人工胶囊。植物组织培养可以诱导植物组织产生胚状体，这种结构与来自正常有性生殖的合子胚十分相似。将胚状体包裹在含有营养成分和保护功能的膜内，就可以做成人工种子，在适宜条件下，这种人工种子与天然种子一样，可以发芽出苗。人工种子是在植物的快速繁殖技术上发展起来的，它的主要优点是：繁殖速度很快，可以用发酵罐大量生产，生产成本比试管苗低，且体积小，易于运输等。人工种子的前景十分诱人。 ------------------------------------------------ 人工种子（artificial seeds，synthetic seeds）的概念最早是由Murashige(1978)提出的，是指通过组织培养技术，将植物的体细胞诱导成在形态上和生理上均与合子胚相似的体细胞胚，然后将它包埋于有一定营养成分和保护功能的介质中，组成便于播种的类似种子的单位。人工种子首先应该具备一个发育良好的体细胞胚（即具有能够发育成完整植株能力的胚）；为了使胚能够存在并发芽，需要有人工胚乳，内含胚状体健康发芽时所需的营养成分、防病虫物质、植物激素；还需要能起保护作用以保护水分不致丧失和防止外部物理冲击的人工种皮。通过人工的方法把以上3个部分组装起来，便创造出一种与天然种子相类似的结构——人工种子。 由于人工种子是通过无性繁殖产生的，与天然种子相较，人工种子可以工厂化生产和贮存；可以减少具有杂种一代优势的作物的育种程序；可以快速繁殖结实率低或难以用种子繁殖、育性欠佳的作物；可以快速推广优良种质资源；人工种子还具有节约种源、土地，不受季节限制的优点。因此，受到许多国家的重视，我国已将人工种子的研究列入了863高新技术发展计划。Kitto等（1981）用聚氧乙烯包裹胡萝卜胚状体首次制成了人工种子。经过20余年的研究，人工种子的研究取得了很大进展，除了胡萝卜、苜蓿、芹菜、水稻、玉米、甘薯、棉花、西洋参、小麦、烟草、大麦、油菜、百合、莴苣、马铃薯等农作物种子外，花卉和林木人工种子如长寿花、水塔花、白云杉、黄连、刺五加、橡胶树、柑桔、云杉、檀香、黑云杉、桑树、杨树等都有成功生产的报道。 1. 人工种子的制备方法与技术要求 人工种子制备包括胚状体的诱导与同步化、人工种子的包埋、人工胚乳的制作、人工种皮的制作、人工种子贮藏等步骤内容。 1.1 胚状体的诱导与同步化 生产高质量的胚状体是制作人工种子的关键。从目前的研究结果来看，并不是所有的植物种子都开发出了胚状体培养发生技术。不同植物的体细胞的培养亦有难易。在生产人工种子时，要求胚状体具有可观的成株率，甚至超过天然种子。 胚状体的诱导：胚状体可从悬浮培养的单细胞得到，也可通过试管培养的愈伤组织、花粉或胚囊获得。胚状体一般在培养物的表面产生，其形状与合子胚类似，但胚状体却是无性繁殖的产物。实际操作中，一般在试管中诱导出愈伤组织，并在含生长素的培养液中悬浮培养，然后置于含生长素的发酵罐中，使细胞迅速扩增，再将细胞移入无生长素的发酵罐中诱导出大量胚状体。 胚状体同步化处理或分选：胚状体的同步化是指促使所有培养的细胞或发育中的细胞团块进入同一个分裂时期。只有同步化了细胞才可能成批地产出成熟胚胎。常用的方法有： 化学方法：饥饿法——将培养基中的一些重要成分反复去除和添加；阻断法——在培养初期加如DNA合成抑制剂，如5-氨基脲嘧啶，阻断细胞分裂的G1期。 物理方法：低温处理法、过滤筛选法、渗透压分离法、密度梯度离心法(体胚不同的发育阶段密度有差异)等到胚状体胎成熟以后，就可以进行人工种子的包埋了。其中过滤筛选法较实用、快速。 1.2 人工种子的包埋 人工种子的包埋关系到人工种子萌发、贮藏和生产应用等重要环节。Redenbaugh于1984年首次筛选出透水性好的海藻酸钠作为胚状体和不定芽的包埋剂。包埋方法主要有将胚状体或小植株悬浮在一种粘滞的流体胶中直接播入土壤的液胶包埋法；将体细胞胚经干燥后用聚氧乙烯等聚合物进行包埋的干燥包裹法；以及通过离子交换或温度突变形成凝胶包裹材料的水凝胶法，Redenbaugh等用此法包裹单个苜蓿体细胞胚制成了人工种子，离体成株率达86%。组合包埋法以及流体播种、液胶包埋、琼脂、铝胶囊等新颖包埋法也开始被应用，George等用硅胶包埋谷子体细胞胚，葫发率达82%，且4℃贮藏14天后仍能自行裂开、顺利萌发。 对胚状体包裹要求做到：首先，不影响胚状体萌发，并提供其萌发与成苗所需的养分和能量，即起到胚乳的作用；其次，使胚状体经得起生产、贮存、运输及种植过程中的碰撞，并利于播种，即起到种皮的保护作用；最后，针对植物种类和土壤等条件，满足对人工种子的特殊需要。 目前研究中的人工种子普遍采用水凝胶法，以海藻酸钙作为包埋剂，它具有对胚状体无毒害作用、价格低廉等优点。但由于海藻酸钙对水溶剂有很好的通透性，使得包埋其中的营养物质、激素、抗生素等(即人工胚乳成分) 容易渗透出来，造成营养泄露；另外，由于没有真正意义上的“人工种皮”的包裹保护，一些病原微生物容易侵入胚状体，对种子造成破坏，因而目前绝大多数人工种子都只能在无菌条件下才能达到较高萌发率。 1.3 人工胚乳的制作 为了满足包裹要求，要有针对性地在包裹剂中加入大量养分、无机盐、有机碳源、植物生长调节剂，以及抗菌素和有益菌类。选用无毒、透气和吸水性强的木薯淀粉与1.5%海藻酸钠(1/2MS培养基配制)混合制作的胚乳可改善单一海藻酸钠人工胚乳的透气性、吸水性和发芽率，人工胚乳中加入GA3有利于人工种子的发芽，加入CaCl2有利于向培养物供氧，提高人工种子发芽率和耐贮藏性，加扩活性炭可改善营养固定和缓释，提高人工种子在土壤中的成苗率。 1.4 人工种皮的制作 人工种皮既要求允许内外气体交换畅通，以保持胚状体的活力，又要能防止水分及营养成分的渗漏和起保护作用。一般采取双层种皮结构，内种皮通透性较高，外种皮硬，透性小，起保护作用。 现已筛选出海藻酸钠、明胶、果胶酸钠、琼脂、树胶等可作内种皮应用，某些纤维素衍生物与海藻酸钠制成复合改性的包埋基质可明显改善人工种皮的透气性，海藻酸钠中加入多糖、树胶等可减慢凝胶的脱水速度，提高干化体细胞胚的活力。 外层种皮可选用半疏水性聚合膜，以降低海藻酸钙的亲水性，对人工胚乳起固定作用。另外可在膜上添加毒性小的防腐剂或溶菌酶，以防止微生物的侵入。Ling-FongTay用壳聚糖作为外种皮制作的油菜人工种子萌发率达100%，但在有菌条件下萌发率仍不高。美国杜邦公司生产的由乙烯、乙酸和丙烯酸三种物质聚合的Elvax材料是目前认为较好的一种人工种皮材料。 人们仍在积极寻找其他的包埋方式和包埋材料，以完善现有人工种皮的制作技术。 1.5 人工种子的贮藏 贮藏是人工种子的主要难点之一，目前应用的有低温法、干燥法、抑制法、液体石蜡法等及上述方法的组合。干燥法和低温法组合是目前应用最多的，胡萝卜愈伤组织在15℃相对湿度25%的条件下存放一年仍可再生。大豆体胚干化到原体积的40%～50%后再吸水，萌发率仍达到31%。干化增强人工种子幼苗的活力，可能与其超氧化物酶和过氧化物酶的活性显著提高，从而减轻低温贮藏对体胚的伤害有关。通过电镜观察和电导值与脱氢酶的比较，发现干化有助于体胚贮藏期间细胞结构、膜系统的保持和酶活性的提高，使体胚具有更好的耐贮性。富含胡萝卜体胚的悬浮培养液包埋于水溶性塑料薄膜内，形成的胶囊26℃干化4天后再吸水萌发仍可获得植株，高浓度的蔗糖、脯氨酸和ABA预处理体胚能提高干化耐受性，这可能与ABA等抑制体胚过早萌发、促进干物质积累有关。近年，液氮冻存体胚及包裹体胚的报道也越较多。 防腐是人工种子贮藏和大面积田间应用的关键技术之一。Castillo制得的人工种子虽有较高的萌发率，但未能在有菌条件下成苗，其主要原因是人工种子易感染病菌而腐烂。在甘薯人工种皮中加400～500mg/L的先锋霉素、多菌灵、安苄青霉素或羟基苯酸丙酯，均有不同程度的抑菌作用，萌发率可提高4%～10%。 2. 人工种子技术存在的主要问题 尽管目前人工种子技术的实验室研究工作已取得较大进展，并且已在繁殖遗传工程植物、减数分裂不稳定植物、稀有及珍贵植物的过程中，显示出超常的优势。但从总体来看，目前的人工种子还远不能像天然种子那样方便、实用和稳定。主要障碍在于人工种子的质量和成本：(1)许多重要的植物目前还不能靠组织培养快速产生大量的、出苗整齐一致的、高质量的胚状体或不定芽；人工种子的质量达不到植物正常生长、运输和贮藏的要求；人工种子的制种和播种技术尚需进一步研究。(2)目前多数人工种子的成本仍然高于试管苗和天然种子。虽然一些研究机构已经建立起大规模自动化生产线，能够生产出高质量、大小一致、发育同步的人工种子，但是它的成本仍高于天然种子。以苜蓿为例，目前生产1粒人工种子所需成本是0.026美分，而1粒天然苜蓿种子的成本是0.0006美分，二者相差40多倍。因此，人工种子要真正进入商业市场并与自然种子竞争，必须降低生产成本。由于人工种子是由组织培养产生的，需要一定时间才能很好地适应外界环境，因此人工种子在播种到长成自养植株之前的管理也非常重要，在推广之前必须经过农业试验，并对栽培技术及农艺性状进行研究。 由此可见，人工种子要想成为种植业的主导繁殖体，目前仍有相当的困难。 3. 人工种子在园林绿化及水土保持方面的应用前景 人工种子与试管苗相比，具有所用培养基量少、体积小、繁殖快、发芽成苗快、运输及保存方便的特点；人工种子技术适用于难以保存的种质资源、遗传性状不稳定或育性不佳的珍稀林木的繁殖；人工种子可以克服营养繁殖造成的病毒积累，可以快速繁殖脱毒苗。因此，人工种子在快速繁殖苗木和人工造林方面，具有很大的应用前景。现在，我国处于经济高速发展时期，需要有大量的优良苗木种子供应，而我国现有的林木种子供应远远不能满足社会需求。人工种子可以工厂化地提供绿化种子，解决种子供应量不足的矛盾。随着人工种子技术的不断成熟完善，必将给我国的园林绿化方式带来革命性的变化