全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 032239204
化学诱变及其在农作物育种上应用
安学丽　蔡一林 3 　王久光　王国强　孙海燕
(西南农业大学农学系　四川　重庆　400716)
摘　要 :综述了化学诱变育种的发展历程 ,分析了常用化学诱变剂 EMS、NaN3 和 PYM
的诱变机制、诱变效应及化学诱变育种的特点 ;介绍了 EMS2石蜡油处理玉米成熟花
粉和苯甲酰胺与 EMS、PYM 复合处理 2 种新的诱变技术。
关键词 :化学诱变 ; EMS ;NaN3 ;PYM ;诱变技术
收稿日期 :2001212225
作者简介 :安学丽 (1978～) ,女 ,河南安阳人 ,在读研究生 ,从事玉米化学诱变育种研究。3 通信作者
化学诱变具有成本低、使用方便、诱变作用专一性强等特点 ,是一种迅速发展的育种途径。
农作物化学诱变育种是人工利用化学诱变剂诱发作物发生突变 ,再通过多世代对突变体进行
选择和鉴定 ,直接或间接地培育成生产上能利用的农作物品种[1 ] 。
1 　化学诱变育种的发展历程
化学诱变始于 20 世纪初。1943 年 Ochlkers 用脲脘处理月见草以后 ,化学药剂的诱变作用
得到肯定。1948 年 Gustafsson 等用芥子气处理大麦获得突变体 ,开创了化学诱变在农作物育种
上应用的先河 ,50 年代末得到广泛的研究并逐渐取得成果。1967 年 Nilan 用硫酸二乙酯
(DES) [2 ]处理大麦种子 ,育成了产量高、茎杆矮、抗倒伏的品种 Luther。此后农作物化学诱变育
种在世界各国得以推广 ,到 1990 年为止 ,利用化学诱变育成的新品种 (系) 有 106 个 ,约占诱变
育成品种 (系)的 7 %。以禾谷类居多 ,其中大麦 15 个 ,水稻 12 个 ,小麦 9 个 ,玉米 7 个。
2 　常用化学诱变剂的诱变机制及诱变效应
化学诱变剂种类很多 ,然而在栽培作物中只有少数化学物质具有诱变效果。常用的化学
诱变剂有烷化剂、碱基类似物、抗生素、叠氮化物、亚硝酸、羟胺和吖啶等。按其诱变机制则可
分为 3 类 : (1)碱基类似物诱变剂 ,如 52溴尿嘧啶 (52BU) 、22氨基嘌呤 (AP) ; (2) 直接诱变 DNA
结构的诱变剂 ,如烷化剂、亚硝酸 ; (3)诱发移码突变的诱变剂 ,如吖啶类、抗生素。而在农作物
育种中应用较广泛的是甲基磺酸乙酯 ( EMS) 、叠氮化钠 (NaN3 ) 、平阳霉素 (PYM) 。现将这 3 种
诱变剂的特点介绍如下。
932　核 农 学 报　2003 ,17 (3) :239～242Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
211 　甲基磺酸乙酯( EMS)
EMS属于烷化剂的一种。烷化剂通常带有 1 个或多个活性烷基 ,此基团能够转移到其它
电子密度高的分子上去 ,使碱基许多位置上增加了烷基 ,从而在多方面改变氢键的能力。EMS
是一种良好的化学诱变剂 ,目前已成为在作物诱变育种中应用最广泛、应用效果最好的一种化
学诱变剂[3 - 8 ] 。EMS 的烷化作用主要发生在 DNA 的鸟嘌呤 N27 位置上 ,烷基取代 H 离子后 ,
使之成为一个带正电荷的季铵基团[8 ] ,从而发生两种遗传效应 :一是烷化的鸟嘌呤与胸腺嘧啶
配对 ,代替胞嘧啶 ,发生转换型的突变 ;二是由于鸟嘌呤的 N27 烷基活化 ,糖苷键断裂造成脱嘌
呤 ,脱去鸟嘌呤的 DNA 分子 ,在进一步复制时 ,原来的鸟嘌呤的位置成了一个空位 ,其互补位
置上的碱基就不受严格的配对限制 ,4 种碱基都有机会进入 ,从而造成置换现象。此外 ,还可
以发生糖2磷酸骨架断裂 ,产生染色体缺失。EMS 的诱变效应可用两高一广来评价 ,即 :效率
高、频率高和范围广[8 ] 。EMS 化学诱变产生点突变的频率较高 ,而染色体畸变相对较少 ,可以
对作物的某一种特殊性状进行改良。与其它诱变剂相比 ,EMS 诱变后产生的突变频率高 ,且多
为显性突变体 ,易于突变体的筛选。如 EMS 处理玉米花粉 ,突变频率可高达 78 %[4 ] 。此外它
可以产生范围较广的突变类型 ,如转换、颠换等。
212 　叠氮化钠( Na N3 )
NaN3 是一种点突变剂 ,它与 DNA 的作用方式是碱基替换 ,因此处理种子最适宜的时间是
在 DNA 合成开始时。NaN3 的等电点是 pH = 418 ,在 pH = 3 时NaN3 溶液中主要产生 HN3 分子 ,
它呈中性 ,易透过膜进入细胞内 ,以碱基替换方式影响 DNA 的正常合成 ,从而导致点突变的产
生。NaN3 只作用于复制中的 DNA ,所以应当把种子预浸到种胚中 ;DNA 第 1 次合成开始时立
即用 NaN3 溶液处理。NaN3 具有高效、无毒、价值便宜及使用安全等优点。在酸性溶液中对大
麦叶绿素缺失和形态突变诱发非常有效。
213 　平阳霉素( PYM)
平阳霉素是一种抗生素。抗生素具有高度选择性 ,能抑制细胞的生长 ,其中的大多数对维
持生命有重要意义的结构的特殊部位起作用。PYM 属于博莱霉素的一类 ,是博莱霉素的 A5
组分。目前主要作为抗肿瘤药应用于临床 ,对多种癌症具有较好的疗效[9 - 11 ] 。PYM 是一种新
的诱变剂 ,在许多实验中均被证明具有安全、高效、诱变频率高、范围大等特点。与 EMS 的诱
变特点相近 ,在某些方面优于 EMS ,很具有开发和应用前景[12215 ] 。
3 　化学诱变育种的特点
与物理诱变相比 ,很多化学诱变剂产生了高比例的点突变、低比例的染色体畸变 ,而物理
诱变如以γ射线和 X射线为代表的电离辐射 ,其穿透力较强 ,易被染色体组吸收 ,对染色体结
构具有很大的破坏性[16 ] 。化学诱变育种具有以下特点[17 ] : (1)诱变突变率较高 ,具有位点特异
性 ; (2)染色体畸变的比例相对较少 ,很少有致死型发生 ,对处理材料损伤轻 ; (3) 有迟效作用 ,
即诱变引起的损伤和染色体断裂 ,有的并不立即断开 ; (4) 存在残留药物的后效作用 ,在 M1 代
引起的生物损伤大 ; (5)引起的突变范围广 ,后代选择需要足够大的群体 ; (6)价格便宜 ,操作简
单 ,不需要特殊设备。
042 核　农　学　报 17 卷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
4 　化学诱变处理技术
不断提高诱变率、获得较多的有益突变是育种工作者努力的方向。有目的改变处理对象
和处理方法是解决化学诱变在农作物育种上效率不高的有效途径。
411 　EMS2石蜡油处理玉米成熟花粉
这项技术的发展历程和应用成果可简单介绍如下 :1966 年 Goe 发现用石蜡油处理成熟玉
米花粉 ,保存几小时而不影响其生命力。Neuffer 将此发现进一步推进 ,以石蜡油作为化学诱变
剂的载体处理玉米花粉而获得成功。后来 Neuffer 利用 EMS2石蜡油处理玉米花粉获得种种突
变。美国 ICI种子公司 Greaves 等采用 01667 ×10 - 3 EMS 浓度的石蜡油处理玉米自交系的成熟
花粉 40min ,在 M2 代施以抗除草剂的筛选环境 ,选出了抗 10 倍除草剂的显性基因 ,命名为 IT
( Imazethapyr Tolerant) 。1991 年 ICI公司首次推出含 IT 基因的玉米杂交种 ,因它不属于转基因
玉米 ,不存在转基因产品的安全性问题 ,市场反应良好[7 ] 。
用含有化学药剂的石蜡油直接处理成熟花粉是近年来在发达国家兴起的一项现代诱变新
技术。诱变剂直接作用于配子 ,因此诱变率高 ,诱变范围广 ,产生的突变体多为点突变。其中
以 EMS2石蜡油处理玉米花粉最为成功 ,具体方法为 :将 EMS 与石蜡油混合制备成适宜浓度 ;
上午 9～10 时收集玉米的新鲜花粉 ;将花粉与 EMS 处理液混合 ,不断摇晃 ,处理 20～40min 后 ,
用毛笔把被处理的花粉涂到雌穗花丝上。处理时间和浓度要根据处理材料的遗传特性而掌
握。自交系较杂交种的花粉所能忍受的时间和浓度要低。EMS2石蜡油处理玉米花粉在国外
已成为一项成熟的技术 ,但在国内应用还很少 ,而且起步较晚 ,所以把这项技术应用于育种研
究 ,对推动我国的化学诱变育种及玉米育种均具有深刻的意义。薛守旺等[18 ]于 1996 年进行了
石蜡油2EMS 诱变玉米成熟花粉的研究 ,结果得到中 01 浅黄粒突变体、母株发芽突变体、多黄
22 显性核不育突变体和近等基因系 Sul Sul 型甜玉米。赵永亮等[19 ]采用含有 EMS 的石蜡油处
理玉米自交系黄早 4 和 7822 的花粉 ,对花粉化学诱变快速创造特用玉米这项现代生物学技术
进行研究 ,在 2 个世代就创造了迄今为止所积累的所有特用玉米类型 ,包括白玉米、甜玉米、糯
玉米、超甜玉米和高直链淀粉玉米。
412 　苯甲酰胺与 Na N3 、EMS 的复合处理
国外研究者指出 ,影响多聚 (ADP2核糖) 聚合酶活性的酰胺类物质 (如苯甲酰胺) ,对诱变
所造成的 DNA 损伤的修复有抑制作用 ,从而提高突变频率。林朴夫[20 ] 等以苯甲酰胺与 EMS
对大麦复合处理 ,结果表明与二者单因子处理相比 ,抑制苗高的效应明显。诱发的染色体畸变
率较高 ,对发芽率也有明显的影响 ,并随着苯甲酰胺浓度增加而明显增强。随后 ,林朴夫等又
进行了苯甲酰胺与 NaN3 复合处理对大麦损伤效应的研究[21 ] 。发现二者复合处理对大麦 M1
代发芽率、根尖细胞染色体畸变率及幼苗高度的影响比单独处理更为明显。
5 　化学诱变育种的展望
由于农作物化学诱变育种所特有的优点 ,如突变率相对较高、能诱发出各种有用的突变基
因、能够在原有遗传背景基本不变的情况下在分子水平上使植物出现有用性状的变异等 ,使其
得到了较为迅速的发展。但其也有不足的一面 ,主要为 : (1) 突变频率尚不够高 ; (2) 突变方向
142　3 期 化学诱变及其在农作物育种上应用
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
难以掌握 ,具有很大的随机性 ; (3)后代突变体的鉴定工作量大 ; (4)很多化学诱变剂毒性较大 ,
具有残留效应。
因此应在以后的育种工作中 ,应继续探索新的无毒高效的诱变剂和新的诱变方法 ,从而提
高诱变效率及化学诱变育种的安全性。此外 ,应将生物技术与化学诱变育种结合 ,随着组织培
养技术的成熟完善和分子生物学技术的不断发展 ,在今后的育种工作中 ,可以对花粉、花药或
单细胞进行处理 ,然后再进行组织培养 ;也可直接对 DNA 施加诱变处理 ,利用 DNA 分子标记
对诱变后代进行分析 ,以对突变性状的遗传研究和定位突变更加方便和有效。
参考文献 :
[ 1 ] 　柳学余编著. 农作物诱变育种. 南京 :东南大学出版社 ,1～7
[ 2 ] 　许耀奎 ,等. 作物诱变育种. 上海 :上海科学技术出版社 ,219～222
[ 3 ] 　朱保葛 ,等. 烷化剂 EMS诱发花生性状变异的效果及高产突变系的选育. 中国农业科学 ,1997 ,30 (6) :87～89
[ 4 ] 　史桂荣. 化学诱变剂在玉米育种上的应用. 黑龙江农业科学 ,1994 , (6) :44～46
[ 5 ] 　马惠平等. 诱变技术在农作物育种中的应用. 遗传 ,1998 ,20 (6) :41～43
[ 6 ] 　张铭堂 ,诱变. 科学农业 ,1996 ,44 (1 ,2) :37～52
[ 7 ] 　刘治先. 玉米育种技术. 玉米科学 ,1995 ,3 (4) :12～15
[ 8 ] 　祝丽英 ,等. 甲基磺酸乙酯 ( EMS)在创造玉米新种质中的应用. 玉米科学 ,2000 ,8 (1) :19～20
[ 9 ] 　林赴田 ,等. 平阳霉素的抗肿瘤作用与临床前药理研究. 中华肿瘤杂志 ,1979 ,1 (3) :161～166
[10 ] 　许鸿章 ,等. 平阳霉素的分离和鉴别. 药学学报 ,1980 ,15 (10) :609
[11 ] 　王钦南 ,等. 平阳霉素诱发中国地鼠细胞株染色体畸变和姊妹染色单体交换. 环境科学学报 ,1983 ,3 (1) :78～84
[12 ] 　赵丽梅 ,等. 平阳霉素对大麦的诱变效应. 核农学报 ,1990 ,4 (4) :199～205
[13 ] 　夏英武 ,等. 平阳霉素对水稻诱变效应的研究. 核农学报 ,1997 ,11 (1) :26～30
[14 ] 　许耀奎 ,等. 平阳霉素对几种作物诱变效应的研究. 吉林农业大学学报 ,1994 ,16 (4) :1～6
[15 ] 　林朴夫 ,等. PYM对小麦诱变效应的研究. 核农学报 ,1998 ,12 (3) :139～145
[16 ] 　赵永亮 ,等. 玉米化学诱变研究进展华北农学报 ,1996 ,11 (4) :24～28
[17 ] 　王元东 ,等. 诱变育种在创造玉米新种质中的应用. 北京农业科学 ,1999 ,17 (2) :12～16
[18 ] 　薛守旺 ,等. 利用花粉化学诱变创造玉米自交系的研究. 作物杂志 ,1998 , (6) :6～8
[19 ] 　赵永亮 ,等. 利用花粉化学诱变快速创造特用玉米新种质. 作物学报 ,1999 ,25 (2) :157～160
[20 ] 　林朴夫 ,等. 苯甲酰胺也 EMS复合处理对大麦损伤效应的研究. 核农学通报 ,1994 ,15 (1) :25～28
[21 ] 　林朴夫 ,等. 叠氮化钠与苯甲酰胺复合处理对大麦损伤效应的研究. 核农学通报 ,1995 ,16 (1) :13～15
CHEMICAL MUTAGEN AND ITS APPLICATION IN PLANT BREEDING
AN Xue2li 　CAI Yi2lin 　WANGJiu2guang 　WANG Guo2qiang 　SUN Hai2yan
( Agronomy Department , Southwest Agricultural University , Chongqing 　400716)
242 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2003 ,17 (3) :239～242
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net