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。目前我國大豆育種技術仍以常規(guī)雜交為主，產(chǎn)量水平提升較為緩慢，亟需利用新技術、新方法來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)，而將輻射誘變應用到大豆育種領域是一種改善品種生產(chǎn)表現(xiàn)的有效手段。從誘變作用機理、誘變源類型、誘變產(chǎn)生的突變體種類等幾大方面，梳理了國內(nèi)外有關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用研究提供參考。

      關鍵詞：

      大豆；輻射誘變；品種選育；突變體

      大豆起源于中國，19世紀早期隨著航海事業(yè)發(fā)展，由我國傳到美洲大陸，近代在美洲擴展種植，目前已成為世界極為重要的糧食作物之一。大豆在國內(nèi)用途廣泛，作為高營養(yǎng)作物在國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域占有舉足輕重的地位。由于我國目前仍存在可用耕地面積不足、人口基數(shù)大的問題，農(nóng)作物種植布局策略仍要以保證口糧為先，導致大豆種植面積偏小。2023年數(shù)據(jù)顯示：我國大豆年產(chǎn)量2084萬t，進口量卻高達9940.2萬t，自給率僅有17.3%。國內(nèi)有限的大豆產(chǎn)能僅能基本滿足國內(nèi)食品加工需求，在飼用、油用等領域需大量進口來彌補產(chǎn)能缺口。同時，國內(nèi)大豆平均單產(chǎn)水平較低，與世界大豆主產(chǎn)國（美國、巴西、阿根廷）相比，國內(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)的提升仍是振興國內(nèi)大豆產(chǎn)業(yè)的首要任務。目前我國在大豆育種研究領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系存在重疊性等制約因素極大地限制了國內(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，亟需通過新型育種手段，結(jié)合運用現(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內(nèi)的大豆產(chǎn)業(yè)困境。

      從20世紀開始，輻射誘變育種已在農(nóng)業(yè)領域得到了較為廣泛的應用，且國內(nèi)外通過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。對大豆育種來說，輻射誘變也是行之有效的方法，其作為一種人工干預途徑，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。本文梳理了國內(nèi)現(xiàn)有的有關大豆輻射誘變研究成果，針對誘變作用機理、輻射誘變源、誘變產(chǎn)生的大豆突變體進行分類和概述，以期為今后的大豆輻射誘變育種和相關理論研究提供參考依據(jù)。

      1 輻射誘變育種作用機理

      生物誘變原理主要通過理化因素誘發(fā)變異，早在1920年就有學者通過研究證明可通過X射線對植物誘發(fā)變異，并在此后通過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)科學家于20世紀30年代開展，該學者利用X射線對大豆子粒和花期植株進行輻照處理，從而獲得突變體材料。我國大豆輻射育種研究起步于20世紀50年代，國內(nèi)學者通過對大豆子粒進行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農(nóng)藝性狀表現(xiàn)。該類育種方法旨在通過人工干預，對育種材料采用電磁、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。其作用機理可從細胞水平和分子水平上進行解釋，輻射誘變在細胞水平上可導致染色體畸變，畸變特征可在輻射對象細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)構異變，從而導致單倍體的產(chǎn)生，也可導致細胞染色體的斷裂。在分子機理層面，輻射誘變產(chǎn)生的效果主要體現(xiàn)為DNA的損傷和修復、堿基缺失等，效果累加導致的基因突變。輻射能激活釋放原子的內(nèi)層電子而使原子離子化，進而可與其他原子和分子結(jié)合而引起共價鍵斷裂，導致DNA鏈斷裂，經(jīng)自我修復仍不能恢復到原狀就會產(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 輻射誘變源的選擇

      目前國內(nèi)外在大豆誘變育種領域所采用的輻射誘變源主要分為60Co-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用較早，且20世紀早期輻射誘變材料多通過X射線輻照獲得。隨著鈷源輻照設備的成熟，60Co-γ射線逐步取代X射線成為應用最廣泛的輻射處理方法，其具有操作簡單、成本低等優(yōu)勢，該類射線穿透力強、波長短，放出的帶電粒子使物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生電離或激發(fā)，從而形成正負離子或激發(fā)態(tài)原子，該類離子和原子與周圍大分子核酸和蛋白質(zhì)發(fā)生反應，易改變物質(zhì)內(nèi)部分子結(jié)構，使得遺傳物質(zhì)結(jié)構產(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，急性照射時間較短，通常只有數(shù)小時，短則幾分鐘即可完成，慢性照射通常需要數(shù)天、數(shù)月甚至更長時間。

      2.2 中子誘變

      中子屬于高傳能線密度的電離輻射（LET），相對生物效應（REB）較高，具有電離密度大、能量高的特點，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，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)進行相互作用產(chǎn)生次級電子，從而使物質(zhì)電離。目前國內(nèi)外學者們利用該誘變源已針對豆科、禾本科等多種糧食作物進行了誘變處理工作，獲得了數(shù)量可觀的突變體材料，此外，針對棉花、苜蓿、花卉等經(jīng)濟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80年代低能離子注入技術開始在國內(nèi)植物誘變育種領域得到應用，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。高能重離子束誘變在穿過生物介質(zhì)時，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，會誘導出更復雜的DNA雙鏈斷裂。離子束誘變育種的對象目前以水稻和小麥居多，關于大豆的應用研究較少，國內(nèi)學者利用碳離子束和氮離子束輻照大豆，對有關農(nóng)藝性狀的變異進行了初步探究。有研究發(fā)現(xiàn)，通過氮離子注入大豆抗疫霉菌，得到的突變菌株對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、時變電磁場、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，進而產(chǎn)生植物突變體的一種方法。我國至今已通過空間誘變途徑對70余種植物、500多個品種的種子進行了處理，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，導致其后代材料可產(chǎn)生多種類型的突變體，針對現(xiàn)有的大豆輻射誘變突變體研究成果，可從以下幾個方面對大豆突變體的變異特征進行概述。

      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，但變異也可能對后代材料產(chǎn)生負向影響，導致其后代不育株數(shù)量增多。薛柏等利用60Co-γ射線對大豆分別進行不同劑量輻射后發(fā)現(xiàn)，高劑量的輻射對M?的生長發(fā)育和產(chǎn)量有顯著抑制作用，M?幼苗形態(tài)也會出現(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種子造成的生理損傷引起的，損傷程度隨劑量的升高而增強，且不同品種對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，突變體的生長素與碳水化合物的信號傳導途徑被抑制，通過BSA-Seq分析，選定了幾個特定染色體的目標基因區(qū)域，并從中篩選出了81個含有突變位點的有效基因。郭建秋等利用航天搭載和離子注入兩種輻射誘變方式，對同一品種大豆進行處理，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)濟性更好。

      3.2 營養(yǎng)品質(zhì)含量的變異

      有關研究發(fā)現(xiàn)，輻射誘變誘導大豆品質(zhì)性狀的變異也能夠起到顯著效果，并已能夠應用到品種選育過程中。在現(xiàn)有大豆品質(zhì)方面的誘變研究中，以60Co-γ射線作為輻射誘變源的居多。對大豆進行適宜劑量的60Co-γ射線輻射，可在提早后代熟期的同時，實現(xiàn)子粒蛋白質(zhì)含量的提升。遼寧省農(nóng)業(yè)科學院分別利用高蛋白品種和高蛋白品系作為父母本進行有性雜交，對雜交F?進行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，蛋白含量較親本得到進一步提高。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院利用美國大豆種質(zhì)Hobbit與含有Hobbit血緣的自育大豆品種合豐42進行高代回交，對雜交F?進行輻射誘變處理，成功創(chuàng)制出了高油、高產(chǎn)、抗病大豆新品種合豐57，該研究機構也曾利用輻射誘變技術培育出多個高油大豆品種。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)與油分含量較對照明顯偏高的材料15份，同時也獲得了一批在農(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。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所選用3個大豆品種，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)科學院大豆研究所通過熱中子照射創(chuàng)制出了多個高蛋白大豆突變系材料，其中在M5篩選出的3個突變品系，更是集合了高蛋白、抗病、早熟等多種優(yōu)點，進一步豐富了北方春大豆種質(zhì)資源庫。

      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。還可導致植物細胞出現(xiàn)染色體橋、微核、易位等染色體失常，進而產(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，該輻射源可導致大豆生育期相關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)境的復雜性，多種因素累加更易誘發(fā)大豆體內(nèi)同工酶結(jié)構發(fā)生誘導變異和基因突變。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?實現(xiàn)了穩(wěn)定遺傳，經(jīng)隨機擴增多態(tài)性技術（RAPD）分析得出，該突變體的相關引物條帶數(shù)量出現(xiàn)了擴增和減少，說明經(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)遺傳分析測定得出，該性狀由單隱性基因控制。馮卓通過比較碳離子束和γ射線對大豆的誘變效應，發(fā)現(xiàn)碳離子束誘變方式可導致輻射后代產(chǎn)生更豐富的遺傳變異。通過全基因組重測序分析，碳離子束誘發(fā)了更高比例的DNA序列結(jié)構變異，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。

      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)實際應用后最終目的仍要落實到提升大豆品種的適應性、抗病性、營養(yǎng)品質(zhì)、最終產(chǎn)量等關鍵生產(chǎn)指標上。東北地區(qū)是我國大豆主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域的品種選育單位進行輻射誘變育種的起步時間相對較早。例如鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學研究所于1974年通過60Co-γ射線輻射育成的鐵豐18號；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院大豆研究所通過X射線照射農(nóng)家品種滿倉金、從輻射后代選育出的新品種黑農(nóng)6號等。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院自1961年開展輻射育種研究以來，已育成大豆新品種和品系10個以上，相關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域，育種家和育種機構仍將其作為一種輔助的育種手段，仍存在相關育種單位數(shù)量少、缺乏領域?qū)I(yè)人才等問題，且輻射育種需要借助專業(yè)大型儀器設備，空間搭載需要返回式衛(wèi)星，育種成本明顯增加。目前針對植物的輻射誘變機理的有關研究仍存在較多空白，未來要進一步摸清不同輻射源對大豆的誘變機理，探索并完善輻射誘變源對大豆表型性狀、生理水平和分子水平方面的誘變機制，增加人工干預的指向性，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，精準控制后代材料的有關數(shù)量性狀表現(xiàn)，最終落實到實際生產(chǎn)應用當中去。（參考文獻略）

      ?本文來自《大豆輻射誘變育種相關研究進展》

      ?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)科學院佳木斯分院/三江平原主要作物育種栽培重點實驗室/國家大豆產(chǎn)業(yè)技術體系佳木斯綜合試驗站；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院

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