co-射線輻射玉米突變體的選育

co-射線輻射玉米突變體的選育

20世紀50年代末，中國在農(nóng)業(yè)科學(xué)上的應(yīng)用已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)科學(xué)的重要組成部分。其中，60co輻射法的應(yīng)用是核農(nóng)學(xué)研究中最重要、最常見的方法。我國育種工作者采用輻射方法,在小麥、玉米、水稻、棉花、大豆等作物上育成了上百個品種,有些在生產(chǎn)上得到了大面積推廣應(yīng)用,取得了顯著社會經(jīng)濟效益。玉米是最早用作輻射誘變和細胞遺傳學(xué)研究的材料之一,許多前輩為此做了大量工作。但在早期,理論研究較多,以育種為目標輻照誘發(fā)突變研究較少。我們自開展玉米輻射育種以來,注重根據(jù)育種目標選擇突變體,用60Co-γ射線輻射方法誘發(fā)玉米的各種遺傳變異,獲得了許多矮稈、早熟、抗病、高配合力、不育等各種類型的突變體,極大地豐富了育種遺傳資源,提高了育成新品種的幾率,收到很好的效果。1射線輻射誘變,增加了玉米、小麥豐富的遺傳變異性能增加了選擇優(yōu)良基因型的幾率,也是玉米育種成功的基礎(chǔ)。過去從栽培品種中自交分離的方法已證明難以獲得理想的優(yōu)良基因型,后來普遍采用雜交種分離自交系,即二環(huán)系方法,但由于組配雜交種的骨干系不多或為其衍生系,造成遺傳基礎(chǔ)狹窄,因而出現(xiàn)親緣關(guān)系日益接近的趨勢,影響了配合力的提高。應(yīng)用γ射線輻射誘發(fā)基因突變已成為獲得新變異的重要途徑。多年來,我們以玉米雜交種為基礎(chǔ)材料,進行60Co-γ射線輻射誘變研究,獲得了大量的變異材料,并育成一批具有特異性狀的自交系,如原武02、華風(fēng)100、原齊123、原齊722、魯原133、魯原476、魯原43等,用這些突變系先后培育出魯原單4、8、9、13、14、16、22號等一系列審定雜交種和許多試驗種。這充分證明:γ射線輻射增加了變異的多樣性,為創(chuàng)造新的玉米優(yōu)良基因型提供了基礎(chǔ)。誘發(fā)突變不但增加了遺傳變異性,而且擴大了基因差異性,因而可以選育出配合力高的突變系。研究表明,突變基因型效應(yīng)間存在著極顯著的差異,加性和非加性基因效應(yīng)同時存在,加性效應(yīng)起主導(dǎo)作用。2輻射材料的選擇2.1對新類型的產(chǎn)生及誘導(dǎo)來源的確定自交系是基因純合體,性狀表現(xiàn)高度一致,遺傳基礎(chǔ)相對狹窄,因此,輻射自交系,主要目的是改良它的個別不良性狀。然而,自交系經(jīng)多代自交純化,會產(chǎn)生衰退現(xiàn)象,生活力減弱,容易受到γ射線輻射損傷;另外,自交系的遺傳基礎(chǔ)比較貧乏,往往不易獲得多量可供選擇的突變。但輻射處理確實會使自交系的變異范圍擴大,選擇機會增加。我們進行的研究表明,適宜的誘變處理促進了新類型的產(chǎn)生。如黃早4自交系,存在著籽粒顏色淺黃白頂、重度感染小斑病的缺點,我們用60Co-γ射線200Gy劑量照射后,其后代出現(xiàn)了淺黃色、純黃色、圓形和扁長形籽粒的類型,粒色、粒型的突變率占到了總數(shù)的7.44%;得到了抗病性明顯提高的新株系;在植株高度上也有0.19%的正突變和4.91%的負突變。這些都充分說明自交系經(jīng)輻照處理后,能夠出現(xiàn)符合育種目標的個體。2.2輻照利用,促進新類型的產(chǎn)生和分離雜交種的基因型復(fù)雜,遺傳物質(zhì)豐富,其輻射后代的變化更是多種多樣,因此,我們更多的是選用雜交種作為輻射育種的素材。掌握誘變規(guī)律,提高選擇效果,是玉米輻射育種的關(guān)鍵問題;輻射材料的遺傳背景對突變性狀的表現(xiàn)和誘變效果有重要作用。玉米采用γ射線輻射誘變的目的是選育新的具有優(yōu)良性狀和高配合力的自交系。盡管采用雜交種誘變有時不易對誘變因素的實際效果進行確切的區(qū)分,但國內(nèi)外的試驗已充分表明,適宜的誘變處理促進了新類型的產(chǎn)生和分離。輻射造成的基因突變與基因重組相結(jié)合,構(gòu)成了復(fù)雜的變化,導(dǎo)致了新基因型的產(chǎn)生。原齊123自交系就是一個例證,它聚合了雙親的優(yōu)良性狀,具有一般自交系不同時具備的早熟、矮稈、抗病、高配合力的優(yōu)點,是用輻射方法選育出的一個較好的玉米突變體。雜交種作為輻射的基本材料,會使變異類型增加,各性狀的分離變異范圍明顯較未處理的大,使我們獲得更多的選擇機會,提高了優(yōu)良基因型的選擇頻率。如輻射處理的“原矮157×Va35”雜交種,M2株高變異范圍為107~230cm,未處理的為170~220cm。輻照處理后,還可出現(xiàn)超親性狀,如“中7490×1806”經(jīng)輻照誘變后,從中分離出叢生矮縮型和葉片直立、株型筒狀的株系;輻92-18中出現(xiàn)葉片極窄、排列稀松、葉色很深的株系和葉片似劍麻狀、有肉質(zhì)感、尖硬的株系;“齊319×吉835”的輻照后代中分離出穗長22.3cm的大穗系。近年來,我們還采用不同自交系組配成綜合種誘發(fā)新系,其分離和變異很大,已選出一些有希望的株系進行測配。因此,我們認為在玉米育種過程中,引入輻射誘變因素,對選擇新類型的玉米自交系是可行有效的。2.3產(chǎn)生較好突變系的組合采用γ射線輻照處理雜交種,雖然提供了較廣泛的變異性,但并不是任何材料都可選出優(yōu)良的變異系,親本材料的遺傳背景仍然是突變的基礎(chǔ)。多年來,我們先后輻照處理了上百個雜交組合,但選出的較好突變系只集中在少數(shù)幾個組合中,這些組合均是原來根據(jù)育種目標有計劃組配的,或是在生產(chǎn)上表現(xiàn)好的。如在“原武02×齊3l”中選出的原齊123、原齊722;“原齊721×黃早4”中選出的魯原133;“金黃55×C鳳104”中選出的魯原824;國外雜交種中選出的魯原476;“478×318”中選出的魯原43等等。當時選擇這些組合進行輻照處理的目標是:通過親本自交系在性狀上的互補,獲得株型理想、抗病性好、配合力高、自身生產(chǎn)性能好的自交系。由于選育目標明確,因此見效快,效果好。2.4花粉的輻射處理大量實踐表明,采用γ射線輻射作物的細胞容易誘發(fā)突變。花粉是單倍性的生殖細胞,它具有結(jié)構(gòu)簡單和數(shù)量大的特點,也是輻射誘變可充分利用的基礎(chǔ)材料。同時,輻射花粉也是創(chuàng)造作物非整倍體遺傳材料的有效方法,花粉處理當代就可出現(xiàn)各種突變類型。用低劑量的γ射線輻射處理花粉也是克服植物雜交不親和性、促進遠緣雜交的有效措施之一。我們采用不同的照射劑量分別處理“魯原92×340”、“魯原92×C9-331”、“魯原33×8112”等玉米組合的花粉,結(jié)果表明,較大輻射劑量(80Gy以上)處理后,正常籽粒很少,會形成較多的秕?；蚺轄钗?這說明有些花粉即使和雌性細胞結(jié)合也不能形成正常的種子。外觀正常的籽粒種下后,第二代會出現(xiàn)許多雄穗極小、花藥小且不伸出護穎、花粉極少或無花粉的植株,而且它的雌穗小,花絲也很少。采用50Gy以下劑量處理花粉后,得到的正常籽粒就提高了許多,其后代在生育期、株高、株型、果穗等性狀上的變異范圍都要大于對照,體現(xiàn)出較理想的輻射效應(yīng),提高了育種選擇的幾率。另外,由于玉米花粉在自然情況下存活時間較短,所以應(yīng)該在采集花粉后立即進行輻照處理,盡快授粉。3輻射劑量對玉米的影響適當?shù)摩蒙渚€輻射劑量是誘發(fā)突變的一個重要因素。玉米自交系與雜交種存在著不同的輻射敏感性,要得到良好的誘變效果,必須首先確定適宜的輻射劑量范圍。據(jù)我們的經(jīng)驗,用60Co-γ射線輻射玉米自交系,劑量以130~210Gy為宜;雜交種的輻射劑量則以250~350Gy較合適。當劑量超過400Gy時,死亡率較高,反而會失去許多選擇的機會;劑量過小,則不會出現(xiàn)明顯的變異。如何在提高輻射劑量的情況下,既能保證玉米存活較多的株數(shù),又能獲得更多變異,是十分重要的。試驗證明,種子的大小、含水量的多少,播種時的氣溫、地溫、墑情等環(huán)境條件,均能顯著影響處理材料對射線的敏感性。據(jù)我們的試驗:輻射后再用微波處理,可減少死亡率,因此可以把雜交種的輻射誘變劑量提高到380Gy、400Gy甚至420Gy,以利突變幾率的提高。玉米花粉對輻照劑量較敏感,30~50Gy比較合適,超過80Gy會使花粉細胞受到嚴重的損傷和抑制,有些花粉即使和雌性細胞結(jié)合,也不能形成正常的種子。植株輻照一般在雄穗形成初期進行,劑量在12~30Gy為宜。4關(guān)于輻照轉(zhuǎn)化玉米植株高大,又是異花授粉作物,因此輻射后代的選育有別于自花授粉作物,其特點是需要進行套袋自交分離,工作量很大。我們對雜交種處理的數(shù)量,一般掌握每年春、夏兩季選擇種植6~10個雜交組合,每個組合播種200~300粒,其當代會出現(xiàn)輻照損傷,有些損傷以后可以恢復(fù),有些則能遺傳下去。M1代即按單株單穗自交,次年按穗系種植成穗行,播種時用種量比平常多2~3倍,以防出現(xiàn)白化、黃化、嚴重畸形苗。隨機留苗,每個穗系保持在50株以上,在人力許可的情況下,盡量多種。M2代植株選株套袋自交留種;M3代每個株系種植50~100株,株選與系選并進。M3代是玉米輻照后代分離最大,出現(xiàn)類型最多的世代,此代即可開始選擇株系進行早代測配并進行抗逆性鑒定,是選育的關(guān)鍵時期。一般M2、M3代種植30~80個穗系,M4代和M5代在測配和性狀鑒定的基礎(chǔ)上只種植部分優(yōu)良的株系,主要是繼續(xù)自交穩(wěn)定和組配新組合,每個中選突變系的種植株數(shù)適當增加,在發(fā)現(xiàn)好的組合時可及時進行親本種子的繁殖。上述種植數(shù)量,按照選擇誘發(fā)突變的要求來說,是遠遠不夠的,但受玉米植株高大因素的限制,它不可能像小麥、水稻那種矮小作物那樣在較小的面積上就能種植大量的群體,在現(xiàn)實的育種工作中,就上述工作量來說,也是相當大的。采用雜交種作輻射誘變材料,M2代出現(xiàn)的分離是基因重組的結(jié)果,其中也包含著潛在的基因突變。實踐中我們發(fā)現(xiàn),由于玉米雌雄配子存在異質(zhì)性,M1代植株經(jīng)自交產(chǎn)生的種子,大多是由正常和突變的配子形成的雜合體,同時由于玉米雌雄穗的獨特分化方式,誘發(fā)的隱性突變在M2代一般不能顯現(xiàn),M3代才會有純合的隱性突變體分離出來,因此M3代分離較多,這時也會有主要性狀基本穩(wěn)定的系,這與常規(guī)雜交分離迥然不同,但無論如何,M3代是玉米輻射育種中的一個非常重要的世代,應(yīng)把選擇的重點放在M3代,給予充分關(guān)注,防止盲目地淘汰突變體。5突變系的選擇原則輻射誘變出現(xiàn)矮稈或半矮稈類型的頻率很高,育種實踐中我們發(fā)現(xiàn),半矮稈的利用價值較高,因為它是受多基因控制,表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳,與正常自交系雜交后,可降低F1植株高度。我們利用輻射誘變育成的半矮稈自交系原武02與威鳳322配成的早熟、高產(chǎn)雜交種魯原單4號,植株高度只有1.8m左右,是一個很好的例子。玉米早熟突變在適宜劑量處理后代中較易獲得,即使兩個晚熟親本組配的雜交種經(jīng)輻照誘發(fā)也可獲得比親本早熟的突變類型,如我們通過輻射選育出的華鳳100突變系,比原親本華160和鳳可1都早熟。如果雜交種親本中有早熟系,出現(xiàn)早熟突變的幾率就更大了。但突變的早熟系在生育期和生育階段上并不是一致的,有的系整個生育期都發(fā)育較快,但這種早熟系往往表現(xiàn)為株矮、穗小、配合力低,失去了實際的利用價值,而有的系前期營養(yǎng)生長和穗分化時期較長,后期籽粒灌漿速度快,這種突變系一般表現(xiàn)為有較好的農(nóng)藝性狀和較高的配合力。因此,對早熟性的選擇應(yīng)將育種目標和突變系具有的農(nóng)藝性狀綜合起來考慮。雖然抗病性的誘變較為困難,但將輻照群體在發(fā)病條件下進行篩選,仍可獲得不同抗性的突變體,但概率較低。輻射誘發(fā)株型和葉型的突變是常見的,突變幾率較高,變異范圍也較廣泛,而且能較快地穩(wěn)定遺傳。我們選擇的突變系一般趨向于葉片較短、直立或斜伸,具有良好的株型,能充分利用陽光,適于密植。利用輻射誘發(fā)的雄性不育突變一般在M2和M3代分離出來,它們的不育性可用本穗系的可育株或其它自交系保持下來,但也有些是屬于