摘要：

      輻射誘變育種是指利用多種射線源（X射線、γ射線、β射線、中子束、離子束、太空環(huán)境輻射等）輻照目標(biāo)作物，創(chuàng)制新種質(zhì)的一種高科技育種手段。該類育種方法相比于常規(guī)育種，能夠產(chǎn)生更高概率的可遺傳變異，擴(kuò)大后代優(yōu)異群體數(shù)量，從而更易從表型甚至基因型中篩選出有利變異特征的突變體。目前我國(guó)大豆育種技術(shù)仍以常規(guī)雜交為主，產(chǎn)量水平提升較為緩慢，亟需利用新技術(shù)、新方法來(lái)提高大豆新品種的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等性狀的綜合表現(xiàn)，而將輻射誘變應(yīng)用到大豆育種領(lǐng)域是一種改善品種生產(chǎn)表現(xiàn)的有效手段。從誘變作用機(jī)理、誘變?cè)搭愋?、誘變產(chǎn)生的突變體種類等幾大方面，梳理了國(guó)內(nèi)外有關(guān)大豆的輻射誘變研究成果，以期為今后大豆輻射誘變育種的應(yīng)用研究提供參考。

      關(guān)鍵詞：

      大豆；輻射誘變；品種選育；突變體

      大豆起源于中國(guó)，19世紀(jì)早期隨著航海事業(yè)發(fā)展，由我國(guó)傳到美洲大陸，近代在美洲擴(kuò)展種植，目前已成為世界極為重要的糧食作物之一。大豆在國(guó)內(nèi)用途廣泛，作為高營(yíng)養(yǎng)作物在國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。由于我國(guó)目前仍存在可用耕地面積不足、人口基數(shù)大的問(wèn)題，農(nóng)作物種植布局策略仍要以保證口糧為先，導(dǎo)致大豆種植面積偏小。2023年數(shù)據(jù)顯示：我國(guó)大豆年產(chǎn)量2084萬(wàn)t，進(jìn)口量卻高達(dá)9940.2萬(wàn)t，自給率僅有17.3%。國(guó)內(nèi)有限的大豆產(chǎn)能僅能基本滿足國(guó)內(nèi)食品加工需求，在飼用、油用等領(lǐng)域需大量進(jìn)口來(lái)彌補(bǔ)產(chǎn)能缺口。同時(shí)，國(guó)內(nèi)大豆平均單產(chǎn)水平較低，與世界大豆主產(chǎn)國(guó)（美國(guó)、巴西、阿根廷）相比，國(guó)內(nèi)大豆平均產(chǎn)量要降低70kg/667m²左右，單產(chǎn)提升速度與世界其他大豆主產(chǎn)國(guó)相比存在明顯差距。所以挖掘單產(chǎn)潛力，利用有限的耕地面積提升大豆單產(chǎn)水平，并兼顧品質(zhì)的提升仍是振興國(guó)內(nèi)大豆產(chǎn)業(yè)的首要任務(wù)。目前我國(guó)在大豆育種研究領(lǐng)域雖然已積攢了大量成果，種植品種經(jīng)歷了多輪的更新?lián)Q代，品種在多方面均實(shí)現(xiàn)了改良提升，但育種方式仍以常規(guī)雜交育種為主。單一的育種手段和親本之間血緣關(guān)系存在重疊性等制約因素極大地限制了國(guó)內(nèi)大豆品種在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等方面的提升速度和改良潛力，亟需通過(guò)新型育種手段，結(jié)合運(yùn)用現(xiàn)代化科技創(chuàng)造大豆有利性狀變異，從種子層面解決目前國(guó)內(nèi)的大豆產(chǎn)業(yè)困境。

      從20世紀(jì)開(kāi)始，輻射誘變育種已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，且國(guó)內(nèi)外通過(guò)輻射誘變已育成了大量植物新品種，提供了可觀數(shù)量的優(yōu)異種質(zhì)資源。對(duì)大豆育種來(lái)說(shuō)，輻射誘變也是行之有效的方法，其作為一種人工干預(yù)途徑，可使植物的突變率提高到3%左右，相比于自然突變率的0.01%要高出100倍甚至1000倍以上。人工誘發(fā)的變異范圍較為廣泛，往往超出一般的變異范圍，甚至該變異是自然環(huán)境尚未出現(xiàn)或很難出現(xiàn)的新突變體?，F(xiàn)有的一系列通過(guò)輻射誘變育成的優(yōu)異品種也證明了此種方式在作物性狀改良方面的顯著成效，具備性狀穩(wěn)定快、育種年限短的優(yōu)點(diǎn)。本文梳理了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的有關(guān)大豆輻射誘變研究成果，針對(duì)誘變作用機(jī)理、輻射誘變?cè)础⒄T變產(chǎn)生的大豆突變體進(jìn)行分類和概述，以期為今后的大豆輻射誘變育種和相關(guān)理論研究提供參考依據(jù)。

      1 輻射誘變育種作用機(jī)理

      生物誘變?cè)碇饕ㄟ^(guò)理化因素誘發(fā)變異，早在1920年就有學(xué)者通過(guò)研究證明可通過(guò)X射線對(duì)植物誘發(fā)變異，并在此后通過(guò)輻射誘變方法獲得了大麥、煙草、棉花等多種農(nóng)作物突變體。大豆輻射誘變育種研究最早是由蘇聯(lián)科學(xué)家于20世紀(jì)30年代開(kāi)展，該學(xué)者利用X射線對(duì)大豆子粒和花期植株進(jìn)行輻照處理，從而獲得突變體材料。我國(guó)大豆輻射育種研究起步于20世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)對(duì)大豆子粒進(jìn)行X射線照射，初步探究了適宜輻射劑量和輻射后代群體的相關(guān)農(nóng)藝性狀表現(xiàn)。該類育種方法旨在通過(guò)人工干預(yù)，對(duì)育種材料采用電磁、離子等輻射誘變方式，提高基因重組概率，進(jìn)而誘發(fā)植物產(chǎn)生遺傳基因突變，創(chuàng)制新的種質(zhì)資源類型。其作用機(jī)理可從細(xì)胞水平和分子水平上進(jìn)行解釋，輻射誘變?cè)诩?xì)胞水平上可導(dǎo)致染色體畸變，畸變特征可在輻射對(duì)象細(xì)胞的有絲分裂和減數(shù)分裂期觀察到，高能量的放射源誘發(fā)染色體的數(shù)量和結(jié)構(gòu)異變，從而導(dǎo)致單倍體的產(chǎn)生，也可導(dǎo)致細(xì)胞染色體的斷裂。在分子機(jī)理層面，輻射誘變產(chǎn)生的效果主要體現(xiàn)為DNA的損傷和修復(fù)、堿基缺失等，效果累加導(dǎo)致的基因突變。輻射能激活釋放原子的內(nèi)層電子而使原子離子化，進(jìn)而可與其他原子和分子結(jié)合而引起共價(jià)鍵斷裂，導(dǎo)致DNA鏈斷裂，經(jīng)自我修復(fù)仍不能恢復(fù)到原狀就會(huì)產(chǎn)生突變。其基因突變類型可分為堿基突變型和片段刪除型，除DNA數(shù)量和結(jié)構(gòu)變異外，還存在DNA甲基化變異、轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子變異。

      2 輻射誘變?cè)吹倪x擇

      目前國(guó)內(nèi)外在大豆誘變育種領(lǐng)域所采用的輻射誘變?cè)粗饕譃?0Co-γ射線、X射線、中子束、離子束和空間誘變等。

      2.1 射線誘變

      以X射線為代表的射線誘變應(yīng)用較早，且20世紀(jì)早期輻射誘變材料多通過(guò)X射線輻照獲得。隨著鈷源輻照設(shè)備的成熟，60Co-γ射線逐步取代X射線成為應(yīng)用最廣泛的輻射處理方法，其具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，該類射線穿透力強(qiáng)、波長(zhǎng)短，放出的帶電粒子使物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生電離或激發(fā)，從而形成正負(fù)離子或激發(fā)態(tài)原子，該類離子和原子與周?chē)蠓肿雍怂岷偷鞍踪|(zhì)發(fā)生反應(yīng)，易改變物質(zhì)內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，使得遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變異。照射方式可分為內(nèi)照射和外照射，內(nèi)照射是指將放射性核素放入生物體內(nèi)進(jìn)行射線照射，外照射是指將誘變材料置于輻照外部環(huán)境下進(jìn)行射線照射。也可將射線輻射分為急性照射和慢性照射，急性照射時(shí)間較短，通常只有數(shù)小時(shí)，短則幾分鐘即可完成，慢性照射通常需要數(shù)天、數(shù)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

      2.2 中子誘變

      中子屬于高傳能線密度的電離輻射（LET），相對(duì)生物效應(yīng)（REB）較高，具有電離密度大、能量高的特點(diǎn)，已有研究表明，中子具備的REB是X射線的數(shù)十倍，且穿透力強(qiáng)，相比于X射線、60Co-γ射線輻射誘變率更高。中子本身不帶電荷，需要與物質(zhì)進(jìn)行相互作用產(chǎn)生次級(jí)電子，從而使物質(zhì)電離。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者們利用該誘變?cè)匆厌槍?duì)豆科、禾本科等多種糧食作物進(jìn)行了誘變處理工作，獲得了數(shù)量可觀的突變體材料，此外，針對(duì)棉花、苜蓿、花卉等經(jīng)濟(jì)作物的中子誘變研究也積累了一定的成果。

      2.3 離子束誘變

      20世紀(jì)80年代低能離子注入技術(shù)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)植物誘變育種領(lǐng)域得到應(yīng)用，植株可在較大劑量的離子束輻照環(huán)境下保持較高的成活率，從而增加誘發(fā)突變體的概率。高能重離子束誘變?cè)诖┻^(guò)生物介質(zhì)時(shí)，能夠引起DNA單鏈或雙鏈斷裂，以及堿基的突變、缺失，其輻射變異概率比60Co-γ射線高10倍左右。研究表明，電離輻射（LET）值越高，會(huì)誘導(dǎo)出更復(fù)雜的DNA雙鏈斷裂。離子束誘變育種的對(duì)象目前以水稻和小麥居多，關(guān)于大豆的應(yīng)用研究較少，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用碳離子束和氮離子束輻照大豆，對(duì)有關(guān)農(nóng)藝性狀的變異進(jìn)行了初步探究。有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)氮離子注入大豆抗疫霉菌，得到的突變菌株對(duì)大豆疫病的防治效果顯著提升。

      2.4 空間誘變

      空間誘變是利用返回式衛(wèi)星搭載誘變種子或其他材料，利用太空中具備的微重力、缺氧、時(shí)變電磁場(chǎng)、真空環(huán)境以及高能粒子等物理誘變因素促使供試材料發(fā)生變異，進(jìn)而產(chǎn)生植物突變體的一種方法。我國(guó)至今已通過(guò)空間誘變途徑對(duì)70余種植物、500多個(gè)品種的種子進(jìn)行了處理，并育成了一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗作物新品種。

      3 輻射誘變產(chǎn)生的大豆突變體類型

      由于輻射誘變產(chǎn)生的變異具有較大的不確定性，導(dǎo)致其后代材料可產(chǎn)生多種類型的突變體，針對(duì)現(xiàn)有的大豆輻射誘變突變體研究成果，可從以下幾個(gè)方面對(duì)大豆突變體的變異特征進(jìn)行概述。

      3.1 表型性狀的變異

      誘變材料最直觀的變異特征往往表現(xiàn)在后代群體的表型性狀層面，研究表明，物理誘變可誘發(fā)不同大豆品種的多種性狀變異，但變異也可能對(duì)后代材料產(chǎn)生負(fù)向影響，導(dǎo)致其后代不育株數(shù)量增多。薛柏等利用60Co-γ射線對(duì)大豆分別進(jìn)行不同劑量輻射后發(fā)現(xiàn)，高劑量的輻射對(duì)M?的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量有顯著抑制作用，M?幼苗形態(tài)也會(huì)出現(xiàn)諸如多片真葉、子葉折皺等表型變異。產(chǎn)生該類現(xiàn)象的原因可能是由輻射對(duì)種子造成的生理?yè)p傷引起的，損傷程度隨劑量的升高而增強(qiáng)，且不同品種對(duì)輻射劑量的耐受程度也有區(qū)別，表現(xiàn)為相同劑量下不同品種的發(fā)芽率和成活率存在差異。輻射劑量的差異也會(huì)影響大豆突變體的突變程度，大豆在株高、莖粗和百粒重等方面的變異可通過(guò)不同劑量段的射線輻照去誘發(fā)，該類研究有助于探尋獲得后代變異群體的適宜輻射劑量。大豆經(jīng)射線輻照后，后代材料可表現(xiàn)出明顯的熟期差異性，從而可篩選出早熟或晚熟突變體。王雪通過(guò)碳離子束誘變方法首次獲得了卷葉短葉柄大豆突變體材料，富集分析結(jié)果表明，突變體的生長(zhǎng)素與碳水化合物的信號(hào)傳導(dǎo)途徑被抑制，通過(guò)BSA-Seq分析，選定了幾個(gè)特定染色體的目標(biāo)基因區(qū)域，并從中篩選出了81個(gè)含有突變位點(diǎn)的有效基因。郭建秋等利用航天搭載和離子注入兩種輻射誘變方式，對(duì)同一品種大豆進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)兩種方法均能產(chǎn)生多小葉、矮稈、圓葉等表型性狀突變體，考慮到成本因素，采用碳離子束誘變方式的經(jīng)濟(jì)性更好。

      3.2 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)含量的變異

      有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，輻射誘變誘導(dǎo)大豆品質(zhì)性狀的變異也能夠起到顯著效果，并已能夠應(yīng)用到品種選育過(guò)程中。在現(xiàn)有大豆品質(zhì)方面的誘變研究中，以60Co-γ射線作為輻射誘變?cè)吹木佣?。?duì)大豆進(jìn)行適宜劑量的60Co-γ射線輻射，可在提早后代熟期的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)子粒蛋白質(zhì)含量的提升。遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院分別利用高蛋白品種和高蛋白品系作為父母本進(jìn)行有性雜交，對(duì)雜交F?進(jìn)行60Co-γ射線處理，發(fā)現(xiàn)M?群體中高蛋白低脂肪后代類型所占比例最高，且部分后代材料具有明顯的超親優(yōu)勢(shì)，蛋白含量較親本得到進(jìn)一步提高。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院利用美國(guó)大豆種質(zhì)Hobbit與含有Hobbit血緣的自育大豆品種合豐42進(jìn)行高代回交，對(duì)雜交F?進(jìn)行輻射誘變處理，成功創(chuàng)制出了高油、高產(chǎn)、抗病大豆新品種合豐57，該研究機(jī)構(gòu)也曾利用輻射誘變技術(shù)培育出多個(gè)高油大豆品種。吳春雷等選用黑龍江省極早熟大豆品種為供試材料，通過(guò)60Co-γ射線處理，在M?材料中鑒定篩選出蛋白質(zhì)與油分含量較對(duì)照明顯偏高的材料15份，同時(shí)也獲得了一批在農(nóng)藝性狀和育性方面具有明顯變異的材料。此外，航天搭載和中子照射也可誘發(fā)大豆品質(zhì)性狀的變異。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所選用3個(gè)大豆品種，經(jīng)育種衛(wèi)星航天搭載，發(fā)現(xiàn)太空環(huán)境可誘導(dǎo)11S蛋白亞基和Kunitz胰蛋白酶抑制劑（SKTI）基因發(fā)生變異，從而改良大豆品質(zhì)性狀。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所通過(guò)熱中子照射創(chuàng)制出了多個(gè)高蛋白大豆突變系材料，其中在M5篩選出的3個(gè)突變品系，更是集合了高蛋白、抗病、早熟等多種優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步豐富了北方春大豆種質(zhì)資源庫(kù)。

      3.3 分子水平的變異

      輻射處理后的植物若后代出現(xiàn)變異特征，則與其DNA的變異存在直接關(guān)聯(lián)。輻射引起的DNA變化是多方面的，例如堿基與核糖的變化、DNA鏈的斷裂等。還可導(dǎo)致植物細(xì)胞出現(xiàn)染色體橋、微核、易位等染色體失常，進(jìn)而產(chǎn)生分子水平上的變異。研究發(fā)現(xiàn)，γ射線輻照可成為大豆生育期性狀變異的誘發(fā)因素，該輻射源可導(dǎo)致大豆生育期相關(guān)基因的非功能性片段發(fā)生缺失突變。此外，太空環(huán)境中存在的高能粒子也可使大豆的DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變異，從而誘發(fā)染色體的變化。由于太空環(huán)境的復(fù)雜性，多種因素累加更易誘發(fā)大豆體內(nèi)同工酶結(jié)構(gòu)發(fā)生誘導(dǎo)變異和基因突變。余麗霞等利用碳離子束輻照大豆種子獲得了褐皮大豆突變體，并且在M?實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定遺傳，經(jīng)隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性技術(shù)（RAPD）分析得出，該突變體的相關(guān)引物條帶數(shù)量出現(xiàn)了擴(kuò)增和減少，說(shuō)明經(jīng)離子束輻照后在DNA水平上發(fā)生了顯著變異。王亞琪等運(yùn)用60Co-γ射線輻照處理大豆，在M?發(fā)現(xiàn)了種皮不完整突變體，經(jīng)遺傳分析測(cè)定得出，該性狀由單隱性基因控制。馮卓通過(guò)比較碳離子束和γ射線對(duì)大豆的誘變效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)碳離子束誘變方式可導(dǎo)致輻射后代產(chǎn)生更豐富的遺傳變異。通過(guò)全基因組重測(cè)序分析，碳離子束誘發(fā)了更高比例的DNA序列結(jié)構(gòu)變異，且能夠在有限的染色體局部區(qū)域中產(chǎn)生更高的遺傳多樣性，群體分化性也更強(qiáng)。

      4 討論

      輻射誘變育種作為大豆新品種選育的一種科技手段，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用后最終目的仍要落實(shí)到提升大豆品種的適應(yīng)性、抗病性、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、最終產(chǎn)量等關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)上。東北地區(qū)是我國(guó)大豆主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域的品種選育單位進(jìn)行輻射誘變育種的起步時(shí)間相對(duì)較早。例如鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所于1974年通過(guò)60Co-γ射線輻射育成的鐵豐18號(hào)；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所通過(guò)X射線照射農(nóng)家品種滿倉(cāng)金、從輻射后代選育出的新品種黑農(nóng)6號(hào)等。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院自1961年開(kāi)展輻射育種研究以來(lái)，已育成大豆新品種和品系10個(gè)以上，相關(guān)品種采用的輻射誘變方法包括中子束照射、60Co-γ射線照射和航天搭載。除上述單位外，其他育種和科研單位也積累了一定的研究成果，并育成了一批優(yōu)質(zhì)大豆新品種，但在大豆輻射育種領(lǐng)域，育種家和育種機(jī)構(gòu)仍將其作為一種輔助的育種手段，仍存在相關(guān)育種單位數(shù)量少、缺乏領(lǐng)域?qū)I(yè)人才等問(wèn)題，且輻射育種需要借助專業(yè)大型儀器設(shè)備，空間搭載需要返回式衛(wèi)星，育種成本明顯增加。目前針對(duì)植物的輻射誘變機(jī)理的有關(guān)研究仍存在較多空白，未來(lái)要進(jìn)一步摸清不同輻射源對(duì)大豆的誘變機(jī)理，探索并完善輻射誘變?cè)磳?duì)大豆表型性狀、生理水平和分子水平方面的誘變機(jī)制，增加人工干預(yù)的指向性，從而讓大豆輻射育種成為一種定向育種方法，能夠根據(jù)育種目標(biāo)，精準(zhǔn)控制后代材料的有關(guān)數(shù)量性狀表現(xiàn)，最終落實(shí)到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中去。（參考文獻(xiàn)略）

      ?本文來(lái)自《大豆輻射誘變育種相關(guān)研究進(jìn)展》

      ?作者：趙星棋,岳明昊,王志新,鄭偉,李燦東,張振宇,徐杰飛,王象然,郭美玲

      ?單位：黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院/三江平原主要作物育種栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系佳木斯綜合試驗(yàn)站；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院

      ?刊于《中國(guó)種業(yè)》2025年第2期13-17,22頁(yè) 轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明