全 文 ：文章编号 :100028551 (2004) 062453204
合子期化学诱变在作物育种中的应用
周平兰　梁满中 3 　陈良碧
(湖南师范大学生命科学学院植物学系 ,中国 长沙　410081)
摘 　要 :本文综述了作物在合子期进行化学诱变育种的研究着重介绍诱变处理的时期、处理的
技术方法和应用效果。
关键词 :化学诱变 ;育种 ;合子期
APPLICATION OF CHEMICAL MUTATION ON ZYGOPHASE FOR CROP BREEDING
ZHOU Ping2lan 　LIANG Man2zhong 　CHEN Liang2bi
( Department of Botany , College of Life Sciences , Hunan Normal University , Changsha , Hunan , 　410081)
Abstract :This paper summarized the research status of chemical mutation breeding on zygophase of crop , analyzed
the characters , application and problems of this breeding technique.
Key words :chemical mutation ; breeding ; zygotephase
收稿日期 :2003207228
基金项目 :湖南省两系杂交棉协作组项目
作者简介 :周平兰 (1973～) ,女 ,在读硕士研究生 ,从事植物分子育种方面的研究。3 通讯作者
诱变育种已在改良生育期、抗性 (抗病、耐寒、耐旱等) 、结实性以及植株高度等性状方面均取得了重
大进展[1 ] 。当前在作物育种上应用最多和效果最好的诱变方法主要是电离辐射和化学诱变[2 ,3 ] 。化学
诱变采用一些分子结构不太稳定的化合物通过与核苷酸中的磷酸、嘌呤和嘧啶等分子直接反应来诱发
突变。单一碱基对改变而形成的点突变是化学诱变的主要形式[4 ] 。
化学诱变通常是处理植物的种子[5～8 ] 。但利用种子诱变产生的突变细胞与正常的细胞存在竞争 ,
突变细胞常受到抑制或消失 ;有时易形成嵌合体 ,影响选择效果[9～11 ] 。处于休眠状态的种子 ,对诱变剂
不甚敏感[12 ] ,变异频率较低 ,获得理想变异株的概率更低。合子是雌雄配子融合后形成孢子体的第一
个细胞 ,通常要经过数小时的休眠期才进行分裂 ,此时用化学诱变剂处理 ,可避免产生嵌合体 ,合子细胞
为单细胞 ,细胞壁不完全 ,似原生质体 ,这时化学诱变剂易进入合子细胞 ,同时此期的合子细胞对化学诱
变剂也比较敏感[13 ] ,获得的突变频率较高。因此 ,化学诱变剂诱发合子细胞发生变异 ,已成为化学诱变
育种的一个新的有效途径。本文对合子期化学诱变的处理时期、处理方法、处理效果以及突变体的筛选
进行了综述。
1 　合子期化学诱变育种应用的植物种类
合子期化学诱变在主要农作物和一些被子植物中都有应用。Phan Phai 等[14 ] 用毛茛科植物黑种草
( Nigella damascena L. )作材料 ,利用 X2射线及 4 种化学诱变剂处理个体发育的早期细胞 ,获得了在提高
诱变率上极其成功的结果。随后在水稻、大豆上也获得了相同的结果[15 ] 。日本也有一些科学家开展了
用 N2甲基2N2亚硝基脲 (MNU)处理水稻受精卵细胞诱发性状突变的研究。我国一些育种家也利用合子
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期化学诱变在春小麦、大豆、棉花上进行了研究。如许耀奎等[16 ]以新曙光 1 号、7721017 和鉴 7 遗传性稳
定的原种春小麦为材料 ,周祉祯等[13 ] 以春小麦 Tanori 品种为材料进行了合子期化学诱变效果的研究 ,
孙德全等将平阳霉素 (PYM)导入龙辐麦 3 号的胚囊 ,获得了一些优异突变株[12 ] 。这些突变株在穗长、小
穗数、主穗粒数和主穗粒重方面都有明显提高 ,而且能稳定遗传给下一代。这些研究结果表明无论是单
子叶植物或双子叶植物都可通过合子期化学诱变获得变异的突变株。
2 　合子期化学诱变处理的时期
植物从授粉到第一次合子细胞分裂期间 ,早期受精卵仍处在核融合尚未完成阶段 ,早期处理效果较
差。而在受精卵接近第一次分裂开始时 ,受精卵尚不具有正常细胞壁 ,化学药剂容易进入受精卵 ,且此
时细胞 DNA 复制处于活跃期 ,对化学药剂敏感 ,这时处理诱发突变效果较为明显。周祉祯等[13 ] 用 EMS
分别在合子期的早期和晚期处理春小麦合子 ,对其 M1 代进行了生育期及形态上的调查 ,发现其突变率
分别达到了 18137 %和 25112 %。
在进行合子期化学诱变时 ,应首先了解该植物受精和合子形成的基本规律 ,选择最佳的处理时期才
会得到高频率的突变体。不同的植物从授粉到第一次合子分裂所需的时间不同 ,掌握好处理的最佳时
期可提高处理效果。如棉花从授粉到受精之间的时间需 12h ,玉米 015h 就已完成。卵细胞受精后一般
进入休眠状态。受精卵休眠时间有仅数小时的 ,如水稻在受精后 4～6h 便进入第一次合子分裂 ,小麦为
16～18h ,也有需 2～3d 的 ,如棉花[17 ] 。因此不同植物诱变处理的时期也不同 ,小麦授粉 15～16h[13 ] 、棉
花在授粉 24h[9 ,10 ] 、大豆在授粉 10～12h[18 ]后、水稻在授粉 1～2h[19 ]后用处理其诱变效果较好。
3 　合子期化学诱变的处理方法
合子期化学诱变的关键是选择适宜的方法把化学药剂导入胚囊 ,因此可根据不同植物花器官的特
点选择不同的方法。棉花是多胚珠大子房植物 ,其花器和柱头较大 ,花柱较长 ,棉花开花授粉后 ,花粉萌
发形成花粉管 ,花粉管通过花柱而达子房 ,经过珠孔或珠被最后总能准确地伸向胚珠和胚囊。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。
沈法富等[9 ]用此方法在棉花合子期进行化学诱变处理 ,选育出了 1 个早熟品系。
小麦、水稻为单胚珠小子房植物 ,采用受粉后切断花柱滴加或涂抹化学药剂的方法。孙德全等[12 ]
以龙辐麦 3 号为材料 ,在小麦开花受粉后剪掉护颖上端 ,采用涂抹法将不同浓度的平阳霉素涂抹或滴入
子房切割处 ,使药物通过花粉管通道进入胚囊 ,而引起后代变异 ,并获得了一些优异突变株。但这样处
理比较费时 ,且效率较低。因此对单胚珠小子房的禾谷类作物采用穗茎节注射法可以提高处理的效率 ,
即在合子期用微量注射器从一侧将化学药剂注入穗颈节下第 1 节间 ,化学药剂随穗茎微管束系统的物
质运输进入各小颖花的子房中 ,诱导合子发生突变。西班牙的 Pena[20 ] 用此法将咖啡因注射到黑麦中 ,
发现孢原细胞表现高度敏感。赵炳然等[19 ]将 01025 %的 EMS 注入水稻明恢 63 胚囊中 ,获得了熟期提早
10～20d ,穗大 ,结实率高且保持了明恢 63 米质好等综合性状的优良变异株。
用化学药剂进行诱变处理时 ,一般要选择生长发育良好而健壮的具有品种典型性的植株 ,为使合子
细胞发育尽可能处于同步状态 ,则还要进行去雄和人工授粉 ,以确保受粉时间达到相对的一致。
4 　合子期化学诱变处理的效果
合子期处理比种子期处理变异频率高。许耀奎等[16 ] 用化学诱变剂 ( EMS) 处理春小麦合子 ,发现合
子总突变率为 7191 % ,比种子处理 (3186 %)高 4105 % ,合子期处理的突变率是种子期处理的 2 倍多。周
祉祯 ,王钦南 ,谷爱秋等在 1980 年[13 ]和 1990 年[21 ]用浸泡法处理春小麦合子 ,发现处理受精卵的突变率
是处理种子的 2125 倍。沈法富[9 ]报道了在棉花自花授粉后 ,利用花粉管通道将 015mmolΠL NaN3 直接导
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入鲁棉 6 号的胚囊中 ,并以浸种作为对照 ,结果表明棉花合子期化学诱变的变异频率是浸种处理的 217
倍。
合子期处理比种子期处理诱发性状变异数量多 ,变异幅度宽。合子期诱变引起的性状变异涉及到
作物各类质量和数量性状 ,表现比较明显的有生育期长短、育性、株型、株高和叶绿素等方面的突变。沈
法富等[10 ]在棉花合子期诱变处理的变异后代中采取系统选择的方法 ,选育出了 1 个早熟品系 ,它的熟
期比鲁棉 6 号提前 25d ,并且性状稳定。魏玉昌等[18 ]用 EMS 处理大豆合子 ,发现对 M1 植株生长发育有
强烈的抑制作用 ,M2 代出现的突变类型较多 ,比较明显的有晚熟、黄化、矮化、缺绿素、半不育等 ,且多数
性状仍在分离。M3 代继续出现新的变异。对有益变异进行定向选择 ,选育出 4 个新品系 ,比对照冀豆 7
号增产 1118 %～2615 %。
5 　合子期化学诱变育种中变异性状的选择
突变体的筛选主要依据植物性状或生理生化特性的改变 ,即突变体与亲本在某一性状上有明显的
差别。在合子期进行化学诱变处理后 ,结成的种子即为 M1 代。种子经收获后 ,全部播种下去 ,对 M1 植
株按常规育种调查记载生育及变异等情况 ,发现在相同诱变剂量下 ,合子期处理的 M1 代出苗率一般低
于种子处理的出苗率。周祉祯[13 ]用 013 %EMS(VΠV)分别处理春小麦合子和种子 ,发现合子处理的出苗
率约为 30 % ,而种子处理的为 50 %。除出苗率低外 ,M1 代少数植株还表现为生育期推迟 ,以及在穗型
方面有些变异。对于某些显性突变的性状 ,M1 代可进行定向选择。
M2 代植株发生了广泛的性状变异。在突变谱的表现上 ,合子期处理比种子处理要广。沈法富[9 ] 在
合子期诱变棉花 ,发现其 M2 代变异性状数目达 21 个 ,性状涉及叶色、叶片形态、茎粗、铃行、株高、生育
期、棉籽形态、纤维品质等 ,而种子处理的变异性状为 14 个。在 M2 代的变异上 ,表现比较明显的有株
高、生育期长短、穗型和叶绿缺失等方面。株高的变异大多数趋向矮化和超矮化 ,极少数为高株突变。
穗型变异分密穗型和稀穗型。M2 代可按育种目标用系谱法或混合法进行选择。
M2 代的不同突变性状在 M3 代多数表现稳定。许耀奎[16 ] 发现由核基因隐性突变引起的春小麦矮
杆突变株系在 M3 代已整齐一致 ,且结实正常 ,其株高不到 30cm。魏玉昌[18 ] 发现大豆的结荚习性、早熟
等性状在 M3 代也趋向稳定 ,这说明大豆在 M2 代产生的早熟突变能遗传 ,所以大豆早熟品系的选择主
要在 M2 代。也有少数性状 ,如穗型突变等在 M3 代仍在分离 ,甚至出现 M2 代未出现的性状 ,魏玉昌[18 ]
在 M3 代中发现大粒型大豆 ,且至 M4 代各大粒型的突变系仍在分离 ,并伴随着成熟期的分离 ,至 M5 代
大粒型突变系才基本稳定。
综上所述 ,在合子期进行化学诱变比在种子期进行化学诱变的突变率和突变谱都要大 ,合子期化学
诱变育种已被育种学家作为一种重要的种质创新手段。虽然以转基因植物研究、开发和应用为标志的
新农业技术革命正轰轰烈烈地在全球展开。但是 ,目前转基因植物研究多针对单基因控制性状 ,而植物
的多数性状 ,尤其是农作物的产量、品质性状 ,受多基因控制。要改良这些数量性状 ,仅靠改变其中的某
个或少数基因是很难奏效的 ,而必须同时对控制性状的多个编码基因 ,甚至调控基因进行遗传转化 ,并
使它们在转基因植株及其后代中稳定地表达和遗传才能达到预期的目的。相对于植物转基因而言 ,合
子期化学诱变操作方便 ,技术简单易行 ,便于推广应用 ,成本消耗低。对于育种学家来说 ,合子期化学诱
变在作物育种中具有广泛的应用价值。但目前大多数育种学家只注重植株后代表现结果 ,对于诱变机
理及基因突变的成因研究较少。尽管采用经典遗传方法对产生的突变体已进行过详尽的分析 ,但由于
形态标记数量的局限 ,难以从整个基因组水平加以分析。近年来 ,随着克隆、RFLP、RAPD、PCR 等生物技
术的发展及一些植物分子图谱的构建和完善 ,使得深层次的突变机理研究成为可能。一些科学家已探
索将经典遗传方法与现代生物技术相结合 ,在分子水平分析突变型与原始亲本的基因组差异 ,为进一步
提高诱变育种的方向性准确性提供资料[22 ,23 ] 。庄杰云等[24 ] 、李平等[25 ] 已先后对水稻由辐射产生的突
变、自发突变以及花培后代产生的突变进行 RFLP 分析 ,发现在整个基因组内发生了广泛的非致死性变
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异 ,变异的种类包括限制性片段长度的变化、DNA 片段扩增、DNA 片段丢失等。突变体分析还是剖析复
杂生物学过程的强有力工具 ,拟南芥和其他一些植物突变体已被广泛用于植物发育和代谢途径的研究 ,
利用突变体也可进行有关基因表达和调控的分子遗传学分析[26～28 ] 。合子期诱变频率高 ,将为植物生长
发育的基因调控研究提供丰富的突变材料。
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