楊占良，褚巧緒，張醫(yī)樂，楊 洲　(.甘肅隴南市武都八一中學(xué)，甘肅隴南7460；.隴南市武都區(qū)濱江學(xué)校，甘肅隴南 746000；.隴南市武都區(qū)第一人民醫(yī)院影像科磁共振室，甘肅隴南 746000)

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誘變與雜交結(jié)合選育超高產(chǎn)小麥品種的效果

楊占良1，褚巧緒2，張醫(yī)樂3，楊 洲1(1.甘肅隴南市武都八一中學(xué)，甘肅隴南746023；2.隴南市武都區(qū)濱江學(xué)校，甘肅隴南 746000；3.隴南市武都區(qū)第一人民醫(yī)院影像科磁共振室，甘肅隴南 746000)

鳴謝該研究得到時任科技副縣長阮嘯石先生、甘肅省科技廳杭紀(jì)新處長、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)王蒂校長及農(nóng)學(xué)院王漢寧和王化俊教授、隴南市政府王禮先生、科技局宋維海副局長以及王獻(xiàn)、高進(jìn)儒、黨海峰3位同事的支持和幫助，在此表示衷心感謝！

小麥作為世界上第二大作物和一半以上人口的主食，其單產(chǎn)水平近十幾年卻一直處在緩慢的爬坡階段。近些年墨西哥國際小麥玉米改良中心提出了打破小麥產(chǎn)量限制、培育超高產(chǎn)小麥的計劃。田紀(jì)春先生在超高產(chǎn)小麥概念的基礎(chǔ)上，提出了超級小麥的概念和育種方法。他闡述：“產(chǎn)量超級”，穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重三要素高度協(xié)調(diào)，子粒產(chǎn)量有“超越性”增加，是超級小麥品種的主要內(nèi)容[1]。 采用轉(zhuǎn)基因手段也許容易攻克難關(guān)，但轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品存在著不可預(yù)知的安全隱患，受到很多人的質(zhì)疑和反對。因此，超高產(chǎn)小麥的研究應(yīng)該排除轉(zhuǎn)基因手段。在非轉(zhuǎn)基因手段中，農(nóng)作物育種家們進(jìn)行了大量卓有成效的工作。階梯式雜交、聚合雜交等育種方法把控制同一性狀的多個微效基因累加于一個雜種個體當(dāng)中，實現(xiàn)超級育種，或者把分別控制成穗率、穗粒數(shù)和千粒重等產(chǎn)量性狀的主效基因聚合于一個雜種個體中，培育超級小麥新品種，這方面成功的例子已經(jīng)很多[1]。輻射誘變是行之有效的育種方法，王彩萍、吳振錄、孫光祖、王琳清等采用此方法創(chuàng)造了許多優(yōu)質(zhì)資源和可以推廣應(yīng)用的成果，也積累了經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)資料[2-5]。然而，要打破產(chǎn)量限制，實現(xiàn)子粒產(chǎn)量“超越性”的增加，還有很多難關(guān)需要攻克。

筆者認(rèn)為特殊結(jié)構(gòu)的輻射場能夠誘發(fā)特殊的基因活動，奇特結(jié)構(gòu)的輻射場中會引起稀有的基因活動，并產(chǎn)生新的基因型，促進(jìn)物種分支和演化[6]。要提高小麥的產(chǎn)量，就先要提高植株的生理代謝強(qiáng)度，這就必須提高雜交組合的遺傳差異，減少分子同源相斥的制種組合[7]。為了提高雜交親本的遺傳差異，筆者設(shè)想對遺傳差異較小的品種在不同結(jié)構(gòu)的輻射場中誘導(dǎo)產(chǎn)生遺傳差異和代謝強(qiáng)度差異，例如在不同波長的單色光中處理進(jìn)入生殖狀態(tài)的小麥花器，經(jīng)過一個或幾個世代后，再做雜交，對遠(yuǎn)緣植物在不同結(jié)構(gòu)輻射場中處理產(chǎn)生誘導(dǎo)親和性再做雜交，但這些設(shè)想由于不易實施，未能驗證。但是，把小麥干種子多次用X射線和核磁共振雙重處理，誘變出突變畸形植株，這些宏觀上表現(xiàn)畸形的植株明確顯示發(fā)生了基因突變，它們與正常植株之間出現(xiàn)了較大的遺傳差異。用這些畸變體與正常植株雜交出現(xiàn)了超大粒材料，為選育超高產(chǎn)小麥取得了突破性的進(jìn)展。

1材料與方法

1.1試驗材料從農(nóng)家小麥大田中選取表現(xiàn)優(yōu)良的植株，包括潘林、蘭-天15、清山101、隴源935、洛夫林等旱地品種和89-107、綿陽35、綿陽36等水田品種。2003年從大田中發(fā)現(xiàn)并采集兩種自然變異植株2003A、2003B (圖 1 )。

1.2試驗方法

1.2.1物理因子處理。2003年開始將所收集的材料分成兩組，一組請醫(yī)院放射科用透視拍片X射線照射，并記錄參數(shù)，另一組作為對照。處理材料在花盆和試驗田中播種，對照組只播種于試驗田。對發(fā)生變異的植株和長勢特殊植株選擇收獲保存，秋季再次處理并播種。2005～2007年對前面得到的處理材料，用高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，2008年對這些處理材料進(jìn)行播種觀察。2009年選擇4個樣品再次做高能X射線“放療 ”和核磁共振雙重處理。處理過程見表1。

表1　小麥材料用物理處理因子處理過程

1.2.2選擇親本進(jìn)行雜交。 從2007年處理樣品中開始出現(xiàn)多種類型的小麥植株宏觀表現(xiàn)上的畸形突變，到2009年出現(xiàn)很多植株宏觀上的畸形突變。選擇一些典型的畸形突變植株作為親本，采用農(nóng)民大田種植的小麥優(yōu)良植株，以及試驗田中的特殊植株配成組合進(jìn)行雜交，觀察畸形突變植株與正常植株雜交的效果。

1.2.3一系法雜交。對長勢特別好的雜交組合采取“一系法”處理[1]，觀察固定雜交優(yōu)勢的效果。

1.2.4檢測方法。 對獲得的小麥大子粒，先用普通天平稱量，然后在精密電子秤上稱量單粒和多粒重量；用游標(biāo)卡尺測量子粒的長度和寬度。

2結(jié)果與分析

2.1物理因子誘變效果2003年X射線處理中，僅2003B中出現(xiàn)了低稈植株，其余無明顯的宏觀性狀變異(表1)。經(jīng)2003、2004年兩年X射線處理，2005年X射線和核磁共振雙重處理，2006和2007年高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，到2007年觀察到較多宏觀性狀上發(fā)生的畸形突變植株。2008年播種觀察，2009年再次高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，終于獲得很多各種類型的畸形突變植株(表2)。

表2　物理因子誘發(fā)的小麥畸形突變類型

獲得的畸形突變植株按器官位置可以分為葉片、莖稈、麥穗、花和子粒幾個類型。到2008年觀察到物理因子誘導(dǎo)出現(xiàn)大粒性狀的植株，2009年標(biāo)記為09-3號，大粒性狀遺傳性較為穩(wěn)定。09-3號材料在2009年又出現(xiàn)1株麥穗扭轉(zhuǎn)90°的畸變植株(圖4) ，繼續(xù)種植后演變?yōu)?010-11號，表現(xiàn)大穗大粒性狀，株高80～100 cm。2010-11號下一代分化為3個類型。2009年再次高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理后也出現(xiàn)了一些畸變植株。試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，輻射誘變材料在海拔較低、水肥條件好的川壩地出現(xiàn)畸變率高，而在高山旱地出現(xiàn)極少。

2.2誘變材料與正常親本雜交的效果2003B經(jīng)2003～2007年5次處理后，到2008年出現(xiàn)大粒性狀，2009年大粒性狀已較為顯著，即09-3號。09-3×洛夫林，F(xiàn)1表現(xiàn)出超強(qiáng)優(yōu)勢，粒長達(dá)8 mm，千粒重80 g(圖5)。

F2以后各代出現(xiàn)性狀分離。09-3中出現(xiàn)麥穗平扭轉(zhuǎn)90°的畸變植株，用這個畸變株的后代作母本，與大田中的矮稈白穗無芒品種作父本進(jìn)行雜交，F(xiàn)1表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢，記為2010-4號。對2010-4號做一系法[1]處理，F(xiàn)1長勢好，F(xiàn)2代效果不理想，植株高低不齊，麥穗較小，沒有畸變植株出現(xiàn)。

正常種植的2010-4號F2分離出4種性狀，即高稈有芒型、高稈大穗大粒無芒型、矮稈無芒型、矮稈綠長穗短芒型(晚熟)。2010-4號和2010-11號自交系以及與其他親本雜交的后代中陸續(xù)出現(xiàn)了麥穗螺旋盤曲的植株(圖2 )以及其他畸變株型(圖3)。

麥穗螺旋盤曲畸變的后代中又一定會出現(xiàn)多種畸變，這些畸變植株和與之雜交的組合就像打開了基因突變的“萬花筒”一樣。在這些畸變植株中出現(xiàn)了一些大粒品系，在2014年就獲得千粒重最大值分別為73.0、77.0、80.0和84.8 g的大粒材料。千粒重為84.8 g的材料是2010-4號F4代矮稈無芒品系中得到的，其最大粒長8.7 mm，粒寬4.0～4.5 mm。

3討論

該試驗用物理因子誘導(dǎo)小麥親本發(fā)生基因突變，使雜交親本之間產(chǎn)生較大的遺傳差異，然后將誘導(dǎo)突變的材料與正常有優(yōu)勢的親本進(jìn)行雜交，以獲得有強(qiáng)雜交優(yōu)勢的后代。目前小麥雜交優(yōu)勢的利用多限于品種間雜交，而小麥的各種優(yōu)良基因都已集中于各個品種中，得到充分表現(xiàn)。不同品種之間遺傳差異較小[8],不是兩類極端類型。常規(guī)育種已使大多數(shù)高產(chǎn)基因集中于高產(chǎn)親本中，從而為雜種優(yōu)勢利用帶來了困難。雜種優(yōu)勢形成的根本原因在于雙親的遺傳差異[9]，因此品種間雜交獲得的雜交優(yōu)勢是有限的，依靠常規(guī)的品種間雜交獲得雜交優(yōu)勢來提高產(chǎn)量，提高幅度有限，難以獲得像雜交水稻那樣大的增產(chǎn)幅度，這可能是近年來超高產(chǎn)小麥研究進(jìn)展緩慢的原因之一。

要獲得較強(qiáng)的雜交優(yōu)勢，就要人工創(chuàng)造親本間大的遺傳差異，接近極端類型，比較可行的方法有兩種。一種是遠(yuǎn)緣雜交，這要克服雜交不親和性、遺傳背景不相容等多道難關(guān)，有一定的難度。另一種是用物理的或化學(xué)的方法誘導(dǎo)親本之一，或者用不同的誘導(dǎo)因子誘導(dǎo)2個親本，使其發(fā)生突變，產(chǎn)生大的遺傳差異，然后與正常親本雜交，或者用2個不同的誘變親本雜交，從而產(chǎn)生雜交優(yōu)勢。從理論推測和該試驗的研究實踐來看，第2種方法是一條可行的途徑。韓微波等認(rèn)為誘變育種技術(shù)在農(nóng)作物品種改良上具有獨特的作用，它可以誘發(fā)基因突變，產(chǎn)生自然界原來沒有的或一般常規(guī)方法難以獲得的新類型、新性狀、新基因，能夠打破基因連鎖，提高重組率[10]。為了檢測輻射誘變的效果，前人用出苗率、存活率、結(jié)實率[4]、分子探針等定量的方法進(jìn)行較精準(zhǔn)的檢驗。但該試驗所采用的處理手段較為粗略，在做輻射處理小麥種子時，雖然做了X射線或“放療”單因子處理，X射線或“放療”加核磁共振雙因子處理，核磁共振單因子處理3組處理，但未能對這3組處理做出嚴(yán)格的對比分析，未檢測3種不同處理各自的不同效應(yīng)，而是對處理材料連年反復(fù)處理，直到出現(xiàn)肉眼能夠觀察到的植株宏觀上的畸形突變。其實，在利用射線輻照植物時，只要有適宜的劑量就能誘發(fā)基因突變。有時突變在分子水平已經(jīng)發(fā)生，只是在宏觀上未能表現(xiàn)出來。在產(chǎn)生輻射效應(yīng)的生物學(xué)階段，時間可在幾秒鐘至若干年，在分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的基礎(chǔ)上，細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)過程發(fā)生改變，從而導(dǎo)致各種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)及其組分發(fā)生深刻的變化，包括染色體畸變和基因突變[11]。有些突變在處理當(dāng)代就可能出現(xiàn)植株性狀上的宏觀畸變，有些突變可能在以后各代出現(xiàn)宏觀上的畸變。能夠在宏觀上表現(xiàn)出的植株畸變，就一定能夠確定該植株從分子、細(xì)胞各個層次都已經(jīng)發(fā)生了突變，即原有小麥品種的基因發(fā)生了較大改變，部分基因、部分性狀已經(jīng)不同于原品種，通過人工改造實現(xiàn)了“極端類型”，但遺傳背景又與原品種相同或相近，有著很好的遺傳背景相容性和雜交親和性，與正常品種的雜交完全親和，與其雜交的親本就可以選擇所需要的目標(biāo)性狀，如大粒、抗病、矮稈、早熟等。

該試驗利用輻射誘導(dǎo)出現(xiàn)的當(dāng)代畸形植株或畸變植株的下一代作親本，與具有矮稈抗病的大田親本進(jìn)行雜交，發(fā)現(xiàn)這樣的雜交后代(F1以及F2)比輻射誘導(dǎo)的畸變植株(M1、M2)出現(xiàn)了更多、更豐富的畸變類型，如麥穗螺旋畸變植株就是誘導(dǎo)畸變植株與正常植株雜交后代中出現(xiàn)的，這是一個值得注意的新現(xiàn)象。

前人應(yīng)用輻射與雜交相結(jié)合的方法選育春小麥新品種[4]，是對雜交當(dāng)代(F0)、F1、F3進(jìn)行輻照誘變；雜交與誘變相結(jié)合提高春小麥育種效果的研究是對雜交種子進(jìn)行輻照，以提高誘變效果[3]；也有將輻射誘變的有利用價值的突變應(yīng)用到雜交育種中去的[5],但未見詳細(xì)報道和論述?？梢?，該試驗所采用的方法與前人的方法有所不同。

該試驗培育出的小麥超大粒材料千粒重最大值為84.8 g，粒長8.7 mm(株高80～100 cm)，與目前國內(nèi)可以查到的小麥千粒重最大值77.3 g，粒長8.3 mm[12]相對比，已經(jīng)有所超越(2014年申報“扛旗”世界紀(jì)錄通過了初審)，但是否可能突破了大粒性狀與高稈性狀的基因連鎖關(guān)系及超大粒材料的遺傳穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步的觀察研究。筆者推測，超大粒性狀小麥材料的出現(xiàn)，可能是輻射誘變與基因重組的共同結(jié)果。子粒大小是產(chǎn)量構(gòu)成的三大因素之一，因此大粒和超大粒材料的培育為超高產(chǎn)小麥的培育創(chuàng)造了一定的基礎(chǔ)條件。然而，要做到粒重、穗粒數(shù)和每畝成穗數(shù)產(chǎn)量三因素的高度協(xié)調(diào)，具有抗性，以及品質(zhì)優(yōu)良等性狀的集中，還有很多的難關(guān)需要攻克。

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摘要為了培育超高產(chǎn)小麥優(yōu)良品種，提出了用輻射誘變親本，提高小麥親本之間的遺傳差異，從而增強(qiáng)雜交優(yōu)勢的理論。2003～2004年用X射線連續(xù)2年照射處理上一年處理播種出的小麥干種子。2005～2007年用高能X射線“放療”和核磁共振雙重處理，連續(xù)重復(fù)處理3年，在2007年獲得大量多種類型的畸形突變植株。利用這些突變材料作為親本，與大田中表現(xiàn)好的正常植株進(jìn)行雜交。在雜交后代中又出現(xiàn)了大量的畸形突變植株，從中選出了大粒和超大粒小麥材料。這可能是突破了大粒性狀和高稈性狀的基因連鎖關(guān)系，出現(xiàn)了大粒中稈和大粒低稈材料。這一理論的技術(shù)實踐和材料的獲得，為小麥雜種優(yōu)勢的誘發(fā)利用開辟了新的思路和方法，也為選育超級小麥品種創(chuàng)造了豐富的選種和育種材料。

關(guān)鍵詞輻射誘變；畸形突變；遺傳差異；雜交；超大粒

The Effects of Breeding Super High Yield Wheat Varieties by Mutation and Hybridization

YANG Zhan-liang1, CHU Qiao-xu2, ZHANG Yi-le3et al(1. Bayi Middle School Wudu District, Longnan, Gansu 746023; 2. Binjiang Middle School, Longna,Gansu 746000; 3. The Nuclear Magnetic Resonance Office of the First People’s, Longnan, Gansu 746000)

AbstractIn order to develop the high quality varieties of super-high-yield wheat, a theory which by radiation aberration between parents, improving the genetic difference of them and creasing hybridization heterrosis was proposed. The dry seeds which were treated and planted last year were radiated frequently by x-ray from 2003 to 2004. Then the dry seeds were radiated by high energy x-ray and combined the nuclear magnetic resonance again from 2005 to 2007. We have treated the dry seeds repeatedly for 3 years and gained a plenty of varieties of mutation aberration wheat plants. These mutation materials were used as parents that were hybrided with best plants in the fields. It showed that a lot of mutation aberration plants appeared in hybridization generations. After that, we selected big grains and super-big-grain plants among them. The result showed that, middle plants with big grains and the short plants with big grains come out. This phenomenon may breakthrough the linkage relationship of the high plants with big seeds. Getting the technique practice and materials opened the new thoughts and methods for using radiation and hybridization heterrosis of wheat, which created a varieties of selecting seeds and breeding materials of selecting super wheat varieties, too.

Key wordsRadiation aberration; Mutation aberration; Genetic difference; Hybridization; Super grains

收稿日期2015-04-28

作者簡介楊占良(1961-)，男，甘肅隴南人，中學(xué)高級教師，從事農(nóng)作物超級良種培育及新方法的研究。

中圖分類號S 512.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)18-037-04