航天诱变育种技术在作物育种上的应用

常天佑，王翠侠，张建伟，杨保安

（1.河南航宇种业有限公司，河南 宝丰 467400； 2.河南省科学院同位素研究所有限责任公司，河南 郑州 450015）

1 作物航天诱变育种的概念与机理

所谓航天诱变育种，是指利用高空气球、卫星或飞船等返回航天器，将农作物的种子、组织、器官或活体送入太空，在宇宙射线、微重力、近地磁场和高真空等多种空间因素的综合诱变作用下，打破基因连锁，促进优异基因重组，促使基因变异，进而使其性状发生改变，然后再从返回地面的生物体中筛选发生突变的新种质材料，并进一步选育出植物新品种、优异育种材料以及特色基因资源材料的育种方法[1-3]。

在空间环境中，存在宇宙射线、高能粒子辐射、强烈的紫外线照射、微重力、近地磁场和高真空等诸多诱变因素，这些因素会影响作物的生存、生长和发育，甚至导致许多可遗传的变异。一般认为引发变异的主要因素是宇宙辐射和微重力[1，4]。

在太空中，天然辐射比地球强得多，这些射线包括宇宙射线和太阳磁暴产生的各种质子、粒子、电子、低能量离子、高能量离子及强紫外线等，都会对生物发生作用。空间辐射通过对生物体系统代谢途径中的遗传物质损伤和以染色体断裂为主的染色体变异引起植物的变异，如碱基缺失、碱基间氧键的断裂、碱基内单键断裂、双链断裂、染色体螺旋内的交联程度，以及分子和蛋白质的交联，产生细胞失活、发育异常等[1，5]。植物的细胞结构受重力影响。在太空中，重力仅是地球重力的百万分之一至十万分之一。微重力影响植物细胞骨架结构和功能，微重力会导致细胞分裂异常，染色体畸变，核小体数目变化以及一系列变异[6，7]。航天诱变存在的诱变因素较多，除空间福射和微重力外，还包括多种太空环境的复合作用。诸如超真空、磁场变化、飞行中频繁的温湿度交替变化等，这些因素与微重力和宇宙射线共同作用会改变生物体遗传物质的结构并产生变异[8]。

2 作物航天诱变育种的特点

航天诱变具有诱变效率高、有益突变多、造成的生理损伤轻、性状快速稳定、育种周期短等特点。研究表明：航天诱变产生的有益突变达到 2%-3%，比传统的γ射线处理明显提高；航天诱变造成的生理损伤较传统诱变方式轻；航天诱变后代在株高、穗粒重、穗粒重等多个经济性状发生明显变异；航天诱变育种一般在3～4代可稳定，性状稳定快。此外，航天诱变不需要人类建立会污染环境的诱变源，因而对环境没有污染，符合人口、资源和环境的可持续发展[9、10]。

3 航天诱变育种的生物学效应

3.1 航天诱变对农作物农艺性状的影响

大量研究表明，经航天诱变处理后的作物，Sp1代的植株、产量及其它农艺性状与对照之间没有显着差异，而在Sp2和Sp3代与对照差异显著，变异突出。水稻经航天诱变处理后，SP2代的分蘖数、穗长、粒形、千粒重、穗粒数等性状均发生变异[11]。小麦种子经航天诱变后，后代的株高、叶色、穗长、产量、品质等性状变异较突出[12]。

3.2 航天诱变对农作物生育进程的影响

经过专家研究表明，将农作物种子送入太空，利用太空环境诱发种子基因变异，能够改变种子活力，加快种子生根发芽，种子的发芽率和过氧化酶的活性相对于正常种子有明显提高；此外，经过航天诱变后，种子活性氧防御能力也有所提高，促使植物苗期生长更加具有活力[13]。

4 航天诱变育种的发展和应用进展

目前，世界上只有美国、俄罗斯和中国三个国家成功地进行了卫星或航天器的空间诱变育种研究。1987年我国利用返回式卫星首次成功进行农作物种子的太空搭载试验，此后利用返回式卫星和神舟飞船先后开展了20多个航天育种试验，育成并通过审定了小麦，水稻，玉米，花生，棉花，油菜，大豆，芝麻等近百个作物新品种。明显提高了农作物产量，改善作物品质、提高作物抗性，为航天育种产业奠定了基础，为中国农业发展做出了贡献[14]。

4.1 航天诱变育种在粮食作物育种中的应用

早在1987年，我国就利用高空气球成功培育出了“海香”和“中作59”两种粳稻品种。此后，我国浙江省、河南省和山东省农科院所也陆续开始进行航天诱变育种技术的应用，利用高空气球成功实现小麦种子诱变，促进地区小麦增产增收。

4.2 航天诱变育种在蔬菜育种中的应用

航天诱变育种技术不但应用在了粮食作物种子培育中，也应用到了蔬菜作物育种中。从1987年中科院与黑龙江农科院合作进行青椒种子航天诱变之后，我国陆续进行了菜花、番茄、黄瓜等种子的培育，培养出了许多具有抗旱能力、早熟品种的蔬菜。

4.3 航天诱变育种在花卉育种中的应用

1994年我国广西利用航天诱变育种技术培育了白莲种子；同年，黑龙江林业大学也利用航天诱变育种技术培育了百合花种子。利用此技术培育出来的花卉，花期更长，相比其他种子，提前开花，抗病能力更强[15]。

5 问题与展望

利用航天育种，先后选育出小麦、水稻、玉米等多个作物新品种，为我国农业发展做出了巨大的贡献。随着作物基因组研究计划的实施，各作物基因组、转录组和蛋白质组数据库的逐渐完善，利用高通量测序、转录组以及蛋白质组技术对航天诱变获得的变异材料开展系统性研究以阐明航天诱变的遗传和分子机理将成为今后研究的热点。而航天诱变育种可以增大种质资源的变异幅度，加速某些性状的改造，缩短优良品种的选育的过程，获得自然突变和单一理化诱变手段难创制的种质新资源。