花卉化学诱变育种及其应用

摘自：互联网

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
　　关键词：花卉；化学诱变育种；诱变剂；应用
　　花卉化学诱变育种是人工利用化学诱变剂诱发花卉产生遗传变异，再通过多世代对突变体进行选择和鉴定，培育成具有较高观赏价值的花卉新品种的技术，通过此技术运用可达到培育新品种的目的。
　　1化学诱变育种简述
　　1.1化学诱变育种的发展历程
　　化学诱变育种始于20世纪初。1943年Ochlkers用脲烷处理月见草以后，化学药剂的诱变作用得到了肯定。Gustafsson等于1948年用芥子气处理大麦获得突变体，开创了化学诱变在农作物育种上应用的先河。50年代的研究较为广泛并逐渐取得成果，此后农作物化学诱变育种在世界各国得以推广。到1990年为止，利用化学诱变育种育成的新品种（系）有106个，约占诱变育成品种（系）的70%，以禾谷类居多，其中大麦15个，水稻12个，小麦9个，玉米7个[1]。
　　我国化学诱变育种起步于20世纪50年代后期，经过40年发展取得了令世人瞩目的成就，诱变育成的品种数量和种植面积居世界首位。据不完全统计，至1994年底，我国已在40多种植物上育成了430多个优良突变品种，年种植面积900万hm2以上，增产粮棉、油50亿公斤，创造了巨大的社会效益和经济效益[2]。
　　1.2化学诱变剂种类
　　化学诱变剂早年常用芥子气，到现在新的诱变剂不断被发现和应用，约300多种，有特殊诱变效果的30余种，主要有下列几类[3]：
　　1.2.1烷化剂类：如甲基磺酸乙脂（EMS）、乙基磺酸乙脂（EES）、甲基磺酸甲脂（MMS）、丙基磺酸丙脂（PPS）、甲基磺酸丙脂（PMS）等。
　　1.2.2核酸碱基类似物：5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-溴去氧尿嘧啶核苷（5-BUdR），8-氮鸟嘌呤、咖啡碱、马来酰肼等。
　　1.2.3吖啶类（嵌入剂）：吖啶橙、二氨基吖啶、人工合成ICR化合物。
　　1.2.4无机类化合物：H2O2、LiCl、亚硝酸、MnCl2、CuSO4等。
　　1.2.5简单有机类化合物：抗生素、丝裂霉素、重氮丝氨酸、中性红、甲醛、乳酸等。
　　1.2.6异种DNA：嘌呤及其衍生物等。
　　1.2.7生物碱：石蒜碱、秋水仙碱、喜树碱、长春花碱等。
　　1.3化学诱变机理
　　1.3.1碱基与突变
　　DNA结构中有4种碱基，即腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶，一般腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对。如碱基系列中一个碱基被另一个碱基对所代替，叫做碱基替换，以嘌呤替代嘌呤或嘧啶替代嘧啶的替换过程称替换。如嘌呤替代嘧啶或嘧啶替代嘌呤称颠换。碱基替换过程中只改变替换碱基的那个密码子，也就是说每一次碱基替换只改变一个密码子，不会涉及到其它密码子。如在碱基系列中插入一个新的碱基或在碱基系列中丢失一个碱基，造成后面的整个DAN上的密码子都被改变称移码突变[3]。
　　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]。
　　1.3.2碱基类似物的诱变机制
　　碱基类似物是一些非标准的核酸碱基，它们的分子结构与天然碱基非常相似，它可在DAN复制中替代天然碱基，引起配对错误，从而由一种碱基对替换另一种碱基对。如2—氨基嘌呤（2AP），它主要置换腺嘌呤，从而引起A-T到G-C的转换。
　　1.3.3化学物质诱变机制
　　一些烷化基、亚硝酸盐及羟胺都能改变核酸中的核苷酸的化学结构，导致碱基的替换。
　　1.3.3.1亚硝酸具有氧化脱氨的作用,它能使腺嘌呤脱去氨基成为次黄嘌呤。次黄嘌呤不能与胸腺嘧啶配对，却能与胞嘧啶配对，这样受亚硝酸处理的DNA分子中就具有次黄嘌呤，经过DNA复制，使原来的A-T对转换成G-C对。
　　1.3.3.2烷化基能使DNA分子中的碱基烷基化，导致配对时出现误差，产生碱基替换。如甲基磺酸乙脂(EMS)主要与鸟嘌呤作用，嘌呤环的N-7上接上烷基，造成G-C向A-T的转换或T-A向C-G的颠换。
　　1.3.3.3羟胺（HA）：是一种还原剂，作用胞嘧啶上，使它的氨基变成醇基，不再与鸟嘌呤配对，因此在DNA复制时，能将G-C对转换成A-T对。
　　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。
　　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。因此耕种帮建议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
　　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EMS4%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(SpathoglottisPlicata)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125nag／L秋水仙素处理五唇兰(DoritispulcherrimaLind1．)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
　　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(Rosahybrida)、郁金香(tulipagesneriana)、百日草(Zinniaelegans)、大丽花(Dahliahybrida)等著名品种也几乎都是多倍体[9]。
　　黄济明(1983)在百合的诱导试验中，得到的多倍体百合植株具有花大、粗壮、耐贮藏运输等优点。张教方等(1990)在诱导金鱼草（AntirrhinummajusL.）的研究中，结果表明，用浓度为0．3％～0．5％的秋水仙素溶液处理种子24h的效果较好，同时四倍体的金鱼草的花加大0．5～0．8倍，花瓣增厚、重瓣效果增强，可大大提高其观赏性。岳桦等（1992）以0.05%的秋水仙素处理金鱼草红色品种48h诱变率为36％，诱变获得的多倍体金鱼草显著增大,长平均增大25％,宽平均增大20.3％，雄蕊瓣化，重瓣效果显著。1995年，杜仙明等利用二倍体矮脚白小白菜经秋水仙素诱变后，已初步育成四倍体品种。邓国础(1997)以春兰(CymbidiumgoeringiiRchb．f．)的圆球茎为材料，利用秋水仙素进行人工诱变处理，出现了植株变矮，叶片增宽、增厚等变异。林芬（1997）用秋水仙素对春兰的原球茎处理，原球茎明显增大，幼叶明显变宽变厚。王鸿鹤等(1998)以重瓣大岩桐(Sinningiaspeciosa)叶片为外植体，经秋水仙素处理得到大量的多倍体植株。陈发棣(1999)利用秋水仙素对二倍体菊花脑[Dendranthemanankingens(Hand—Mazz)X．D．Cui]浸种诱导多倍体获得四倍体菊花脑。牛维和等对君子兰(CliviaLind1．)种子进行诱变处理，用浓度0．25％的秋水仙素处理36h，所得到的多倍体诱变率为40％。Chen等采用剥去生长点外幼叶后用秋水仙素溶液滴苗或涂抹取得了明显的效果，剥滴处理诱导变异频率提高到52．6％，处理效果提高到30.4％；剥涂处理变异率提高到60％，处理效果提高到29.4％。雷家军(1999)采用组织培养并结合秋水仙素诱导多倍体的方法，成功地获得珍贵野生资源五叶草莓(FragariapentaphyuaA．Los．)的加倍植株。张兴翠等(2000)报道了互叶白干层(MelaleucaleucadendraL．)快速繁殖方法及运用秋水仙素诱导处理培养多倍体的几种途径。
　　王俐等(2001)在组织培养条件下，对库拉索芦荟(AloeveraL．)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(Epipremnumaureum)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(ViolatricolorL.)，以l2～36h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3d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(PapaverrhoeasL.)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24h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”(‘Pinkperfection’)两个品系。李培旺等（2004）用0.25％秋水仙碱浸泡和共培养48h以上均能诱导绿玉树(Euphorbiatirucalli)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(Scindapsusaureuscv.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(DianthuscaryophyllusL.)50h，变异率达21％[10-25]。
　　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。因此耕种帮建议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，因此耕种帮建议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。
　　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。
　　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。
　　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。

作者：李枝林、黄丽萍、郑丽、余朝秀、李雪娇（云南农业大学花卉研究所）

编辑：中国草坪网编辑部