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摘要 诱发突变技术是创新作物种质、丰富遗传多样性和培育优良作物新品种的一种重要技术手段。综述了近年来利用人工诱变技术进行种质创新和新品种培育方面的研究进展，介绍了不同诱变方法对植物基因组的诱变特征，展望了人工诱变技术在改良我国小麦以保障粮食安全方面的应用前景，以供参考。
关键词 诱变；改良；小麦品种；研究进展
中图分类号 S512.1.33 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）03-0033-02
人工诱变技术是指利用物理辐照和化学处理手段使作物基因组产生变异，从而创制出具体不同表型突变体的一种技术方法，我国作物改良以物理诱变方法为主。自1928年Stadler利用x射线在玉米和大麦中成功诱发突变并获得突变体之后，人工诱变技术作为作物遗传改良的重要技术手段在世界范围内得到广泛应用，辐射育种学在作物育种领域也发挥了越来越重要的作用[1]。截至目前，在联合国粮农组织（FAO）和国际原子能机构（IAEA）联合司的网站上登记的突变品种已经超过了3 200种[2]。以往人工诱变主要利用γ射线进行诱导，随着诱变技术重要性日益显现，诱变技术利用快速普及、新的诱变手段也被不断开发。其中，离子束作为一种新兴辐射源为植物诱变育种提供了新途径，在拓宽作物遗传基础，尤其是新型突变种质创制方面发揮了重要功效[3]。小麦是我国重要的粮食作物，在保障国家粮食安全方面发挥着重要的作用，本文综述人工诱变技术对我国小麦品种改良的进展和成就，探讨未来我国小麦在保障国家粮食安全方面人工诱变技术的应用前景。
1 利用人工诱变技术培育小麦新品种取得丰硕成果
虽然自20世纪60—70年代“绿色革命”以来小麦产量得到了大幅提高，但是随着人口增长与资源、环境之间矛盾的日益突出，以经济、环保的手段继续挖掘其产量潜力变得十分迫切。利用人工诱变技术处理小麦具有突变类型多样、不受自身遗传背景限制等特点，我国进行了大范围的小麦资源改造和新品种培育工作，目前已经取得了丰硕的成果[4]。1966—2004年间，利用诱变技术已经育成了132个优良小麦品种，这些品种的育成和推广为我国小麦生产做出了突出贡献[5]。截至2010年，仅河南省通过诱变技术育成小麦新品种就多达16个，包括豫麦68、新麦3306、富麦2008等，这些品种具有大穗、多粒、灌浆快、抗干热风等特性。同时，利用人工诱变获得的突变体作为育种亲本育成的新品种有17个，包括豫麦30、豫麦32、洛麦21等[6]。
随着离子束生物技术在水稻诱变育种中取得成功，其随即被广泛应用于其他植物的诱变研究，并成为创制新型突变种质的有力手段。基于离子束对作物遗传物质诱变的特异性，创制了具有产量增加、品质改良、抗病性增强、株高变异、分蘖数增加以及可以克服远缘杂交不亲和等特点的小麦新种质，并育成了陇辐2号、皖麦32号、皖麦42号、皖麦43号、皖9926、陇辐2号，鄂麦6号、山农辐63以及扬辐6号等小麦新品种[7]。将小麦杂交F1代种子进行离子束照射处理选育出了高产、稳产、抗病、早熟小麦新品种新麦20号[8]。
利用诱变技术进行小麦新品种培育的成功不仅体现在育成品种数目的众多，更体现在一批具有重大生产影响力的优良品种的育成和推广。诱变育成的鲁滕1号是山东鲁南地区第1个产量突破7 500 kg/hm2大关的小麦品种[9]。富麦2008于2007年通过国家审定后目前仍在黄淮麦区大范围推广种植，该品种抗逆性强、适应性广、外观品质好，深受农民欢迎[10]。利用诱变技术育成的鲁原502产量达到12.3 t/hm2，年推广面积近66.67万hm2，成为2014—2016年农业部推荐的主导品种。
2 利用诱变技术创制特色种质资源进展迅速
在利用人工诱变技术进行小麦新品种培育的同时，获得了大量特色的种质资源，为培育满足特殊需求的新品系和解析小麦重要经济性状形成的遗传规律奠定了坚实的基础。
2.1 矮秆新种质
含有半矮秆基因Rht-1和Rht-2的种质资源是20世纪“绿色革命”中小麦产量大幅提升的遗传基础，但是随着这些种质的大范围应用，矮秆种质资源的遗传基础逐渐狭窄，亟需创制新的矮源以供育种利用。利用混合粒子场处理小麦，向小华等[11]获得了一个农艺性状优良的新型赤霉素敏感型矮秆突变体。豫同194是利用周麦18诱变选育出的矮秆、抗病、高产新品系[12]。
2.2 特色新种质
赵洪兵等[13]利用航天诱变方法获得了小麦叶片条纹白化突变体和白化返绿突变体，为解析小麦叶绿体发育和功能调控机制提供了新材料。利用物理诱变、化学诱变和远缘杂交相结合的手段培育出了黑色、绿色等彩色小麦新品系，这些新品系富含多种人体必需的营养元素，尤其是铁、硒、锌、钙及赖氨酸等，并且蛋白质含量较高[14]。
2.3 赤霉素信号途径突变新种质
赤霉素是调控小麦种子萌发、株高建成、幼穗发育和胁迫响应的重要激素分子，因此赤霉素信号途径相关突变体的鉴定将对小麦重要经济性状形成规律的解析起到重要的推动作用。Chen等[15]用N离子束处理小麦品种小偃81，获得了18个赤霉素信号途径中关键基因TaGA2ox1的缺失突变体。Zhang等[16]利用7Li离子束诱变小麦品种轮选987，获得一个阶段快速发育突变体，赤霉素的动态合成过程调控了该突变体的表型发育过程。
3 人工诱变的基因组变异特征逐渐清晰
由于小麦基因组庞大，高达17 G[17]，目前解析人工诱变小麦基因组的变异特征还有一定难度。但是，基于模式植物拟南芥和水稻的基因组诱变变异特征研究取得了突破性进展。传统观念认为，γ射线和快中子诱变以基因组片段缺失为主要诱变特征，基于基因组重测序技术，来自于不同研究小组的研究发现，γ射线和快中子诱变都能诱发大量的单碱基突变，且这种变异类型比率可高达50%以上[18-19]。 离子束作用于生物介质时能引起高密度的电离反应从而引起DNA损伤显著增加，诱导产生更高的相对生物学效应。因此，离子束诱变可能在损伤较轻的情况下获得较高的突变效率[20]。与x射线和γ射线相比，离子束辐照引起的细胞DNA的断裂方式和修复机制也有很大的不同，N或Ne离子束辐照小麦后引起的染色体畸形比率明显高于x射线辐照，其中50 Gy的Ne离子束辐照引起的染色体断裂频率是x射线辐照效果的8倍[21]。离子束辐照诱发的DNA序列变异特征还处于探索阶段，C离子束辐照拟南芥种子，引起的基因组变异主要是碱基的替代或者小片段的插入或缺失[22]。基于模式植物的基因组诱变特征研究结果将极大地推进小麦诱变技术的利用和相关成果的产出。
4 展望
目前，我国小麦育种在经历了抗病稳产、矮化高产和高产优质3个阶段之后，产量增加和品质改良都达到平台期，育成突破性品种的难度增大[23]。同时，由于近20年来集约化品种的选育与推广，小麦种质资源遗传基础日益狭窄，进一步阻碍了现代小麦遗传改良。人工诱变技术在促进种质资源创新、丰富遗传背景及解析小麦发育规律等方面都取得了巨大进展，为创制或培育具有突破性的小麦新品种提供了良好契机。
随着小麦基因组测序、组装和注释工作的完成，高标准、高通量表型鉴定平台的建立，以及分子育种理论和技术的突破，人工诱变技术将在小麦的育种改良过程中发挥越来越重要的作用。
5 参考文献
[1] SHU QINGYAO，FORSTER B P，NAKAGAWA H.Plant mutation breeding and biotechnology[R].CABI International，2012.
[2] 韩然，张丽玲.河北省优质专用小麦品种研究进展[J].中国种业，2007（11）：11-13.
[3] YU Zeng liang，DENG Jian guo，HE Jian jun，et al.Mutation breeding by ion implantation[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B：Beam Interactions with Materials and Atoms，1991，59：705-708.
[4] 刘录祥，郭会君，赵林姝，等.植物诱发突变技术育种研究现状与展望[J].核农学报，2009，23（6）：1001-1007.
[5] 韩微波，刘录祥，郭会君，等.小麦诱变育种新技术研究进展[J].麦类作物学报，2009，25（6）：125-129.
[6] 范家霖，张建伟，杨保安，等.河南省小麦诱变育种进展与分析[J].麦类作物学报，2013，33（1）：195-199.
[7] 郭向萌，押辉远.离子辐射诱变小麦育种研究进展[J].安徽农业科学，2011，39（11）：6334-6335.
[8] 付亮，李洋，范永胜，等.国审高产小麦品种新麦20号的育种实践[J].中国种业，2011（5）：56-57.
[9] 李新华，邱登林，孙桂芝，等.山东省小麦诱变育种[J].核农学报，2006，20（1）：51-53.
[10] 张建伟，杨保安，范家霖，等.国审富麦2008小麦新品种的选育研究[J].河南科学，2008，26（10）：1219-1222.
[11] 向小华，郭会君，赵林姝，等.小麦矮秆突变体DC20赤霉素合成及信号转导途径关键基因表达分析[J].核农学报，2014（22）：208-216.
[12] 周中普，李中恒.南阳市小麦诱变育种成果[J].核农学通报，1997（18）：164-165.
[13] 赵洪兵，郭会君，赵林姝，等.一个空间诱变的温度敏感型冬小麦叶绿素突变体的初步研究[J].核农学报，2010（6）：1110-1116.
[14] 陈志成.小麦新资源与特色营养食品[J].粮食加工，2008，33（4）：15-17.
[15] CHEN Qiu fang，YA Hui yuan，QIN Guang yong，et al.Study on Scree-ning of TaGA 2 ox 1 Mutants in Wheat by Ion Beam Irradiation[J].Plasma Science and Technology，2010，12：757-760.
[16] ZHANG Ning，XIE Yong dun，GUO Hui jun，et al.Gibberellins regulate the stem elongation rate without affecting the mature plant height of a quick development mutant of winter wheat（Triticum aestivum L.）[J].Plant Physiology and Biochemistry，2016，107：228-236.
[17] PFEIFER MATTHIAS，KUGLER KARL G，SANDVE SIMEN R，et al.Genome interplay in the grain transcriptome of hexaploid bread wheat[J].Science，2014，345：1250091-1-7.
[18] BELFIELD ERIC，GAN XIANGCHAO，MITHANI AZIZ，et al.Genome-wide analysis of mutations in mutant lineages selected following fast-neutron irradiation mutagenesis of Arabidopsis thaliana[J].Genome Research，2012，22：1306-1315.
[19] LI Shan，ZHENG Yun chao，CUI Hai rui，et al.Frequency and type of inheritable mutations induced by gamma rays in rice as revealed by whole genome sequencing[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE B（Biomedicine
关键词 诱变；改良；小麦品种；研究进展
中图分类号 S512.1.33 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）03-0033-02
人工诱变技术是指利用物理辐照和化学处理手段使作物基因组产生变异，从而创制出具体不同表型突变体的一种技术方法，我国作物改良以物理诱变方法为主。自1928年Stadler利用x射线在玉米和大麦中成功诱发突变并获得突变体之后，人工诱变技术作为作物遗传改良的重要技术手段在世界范围内得到广泛应用，辐射育种学在作物育种领域也发挥了越来越重要的作用[1]。截至目前，在联合国粮农组织（FAO）和国际原子能机构（IAEA）联合司的网站上登记的突变品种已经超过了3 200种[2]。以往人工诱变主要利用γ射线进行诱导，随着诱变技术重要性日益显现，诱变技术利用快速普及、新的诱变手段也被不断开发。其中，离子束作为一种新兴辐射源为植物诱变育种提供了新途径，在拓宽作物遗传基础，尤其是新型突变种质创制方面发揮了重要功效[3]。小麦是我国重要的粮食作物，在保障国家粮食安全方面发挥着重要的作用，本文综述人工诱变技术对我国小麦品种改良的进展和成就，探讨未来我国小麦在保障国家粮食安全方面人工诱变技术的应用前景。
1 利用人工诱变技术培育小麦新品种取得丰硕成果
虽然自20世纪60—70年代“绿色革命”以来小麦产量得到了大幅提高，但是随着人口增长与资源、环境之间矛盾的日益突出，以经济、环保的手段继续挖掘其产量潜力变得十分迫切。利用人工诱变技术处理小麦具有突变类型多样、不受自身遗传背景限制等特点，我国进行了大范围的小麦资源改造和新品种培育工作，目前已经取得了丰硕的成果[4]。1966—2004年间，利用诱变技术已经育成了132个优良小麦品种，这些品种的育成和推广为我国小麦生产做出了突出贡献[5]。截至2010年，仅河南省通过诱变技术育成小麦新品种就多达16个，包括豫麦68、新麦3306、富麦2008等，这些品种具有大穗、多粒、灌浆快、抗干热风等特性。同时，利用人工诱变获得的突变体作为育种亲本育成的新品种有17个，包括豫麦30、豫麦32、洛麦21等[6]。
随着离子束生物技术在水稻诱变育种中取得成功，其随即被广泛应用于其他植物的诱变研究，并成为创制新型突变种质的有力手段。基于离子束对作物遗传物质诱变的特异性，创制了具有产量增加、品质改良、抗病性增强、株高变异、分蘖数增加以及可以克服远缘杂交不亲和等特点的小麦新种质，并育成了陇辐2号、皖麦32号、皖麦42号、皖麦43号、皖9926、陇辐2号，鄂麦6号、山农辐63以及扬辐6号等小麦新品种[7]。将小麦杂交F1代种子进行离子束照射处理选育出了高产、稳产、抗病、早熟小麦新品种新麦20号[8]。
利用诱变技术进行小麦新品种培育的成功不仅体现在育成品种数目的众多，更体现在一批具有重大生产影响力的优良品种的育成和推广。诱变育成的鲁滕1号是山东鲁南地区第1个产量突破7 500 kg/hm2大关的小麦品种[9]。富麦2008于2007年通过国家审定后目前仍在黄淮麦区大范围推广种植，该品种抗逆性强、适应性广、外观品质好，深受农民欢迎[10]。利用诱变技术育成的鲁原502产量达到12.3 t/hm2，年推广面积近66.67万hm2，成为2014—2016年农业部推荐的主导品种。
2 利用诱变技术创制特色种质资源进展迅速
在利用人工诱变技术进行小麦新品种培育的同时，获得了大量特色的种质资源，为培育满足特殊需求的新品系和解析小麦重要经济性状形成的遗传规律奠定了坚实的基础。
2.1 矮秆新种质
含有半矮秆基因Rht-1和Rht-2的种质资源是20世纪“绿色革命”中小麦产量大幅提升的遗传基础，但是随着这些种质的大范围应用，矮秆种质资源的遗传基础逐渐狭窄，亟需创制新的矮源以供育种利用。利用混合粒子场处理小麦，向小华等[11]获得了一个农艺性状优良的新型赤霉素敏感型矮秆突变体。豫同194是利用周麦18诱变选育出的矮秆、抗病、高产新品系[12]。
2.2 特色新种质
赵洪兵等[13]利用航天诱变方法获得了小麦叶片条纹白化突变体和白化返绿突变体，为解析小麦叶绿体发育和功能调控机制提供了新材料。利用物理诱变、化学诱变和远缘杂交相结合的手段培育出了黑色、绿色等彩色小麦新品系，这些新品系富含多种人体必需的营养元素，尤其是铁、硒、锌、钙及赖氨酸等，并且蛋白质含量较高[14]。
2.3 赤霉素信号途径突变新种质
赤霉素是调控小麦种子萌发、株高建成、幼穗发育和胁迫响应的重要激素分子，因此赤霉素信号途径相关突变体的鉴定将对小麦重要经济性状形成规律的解析起到重要的推动作用。Chen等[15]用N离子束处理小麦品种小偃81，获得了18个赤霉素信号途径中关键基因TaGA2ox1的缺失突变体。Zhang等[16]利用7Li离子束诱变小麦品种轮选987，获得一个阶段快速发育突变体，赤霉素的动态合成过程调控了该突变体的表型发育过程。
3 人工诱变的基因组变异特征逐渐清晰
由于小麦基因组庞大，高达17 G[17]，目前解析人工诱变小麦基因组的变异特征还有一定难度。但是，基于模式植物拟南芥和水稻的基因组诱变变异特征研究取得了突破性进展。传统观念认为，γ射线和快中子诱变以基因组片段缺失为主要诱变特征，基于基因组重测序技术，来自于不同研究小组的研究发现，γ射线和快中子诱变都能诱发大量的单碱基突变，且这种变异类型比率可高达50%以上[18-19]。 离子束作用于生物介质时能引起高密度的电离反应从而引起DNA损伤显著增加，诱导产生更高的相对生物学效应。因此，离子束诱变可能在损伤较轻的情况下获得较高的突变效率[20]。与x射线和γ射线相比，离子束辐照引起的细胞DNA的断裂方式和修复机制也有很大的不同，N或Ne离子束辐照小麦后引起的染色体畸形比率明显高于x射线辐照，其中50 Gy的Ne离子束辐照引起的染色体断裂频率是x射线辐照效果的8倍[21]。离子束辐照诱发的DNA序列变异特征还处于探索阶段，C离子束辐照拟南芥种子，引起的基因组变异主要是碱基的替代或者小片段的插入或缺失[22]。基于模式植物的基因组诱变特征研究结果将极大地推进小麦诱变技术的利用和相关成果的产出。
4 展望
目前，我国小麦育种在经历了抗病稳产、矮化高产和高产优质3个阶段之后，产量增加和品质改良都达到平台期，育成突破性品种的难度增大[23]。同时，由于近20年来集约化品种的选育与推广，小麦种质资源遗传基础日益狭窄，进一步阻碍了现代小麦遗传改良。人工诱变技术在促进种质资源创新、丰富遗传背景及解析小麦发育规律等方面都取得了巨大进展，为创制或培育具有突破性的小麦新品种提供了良好契机。
随着小麦基因组测序、组装和注释工作的完成，高标准、高通量表型鉴定平台的建立，以及分子育种理论和技术的突破，人工诱变技术将在小麦的育种改良过程中发挥越来越重要的作用。
5 参考文献
[1] SHU QINGYAO，FORSTER B P，NAKAGAWA H.Plant mutation breeding and biotechnology[R].CABI International，2012.
[2] 韩然，张丽玲.河北省优质专用小麦品种研究进展[J].中国种业，2007（11）：11-13.
[3] YU Zeng liang，DENG Jian guo，HE Jian jun，et al.Mutation breeding by ion implantation[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B：Beam Interactions with Materials and Atoms，1991，59：705-708.
[4] 刘录祥，郭会君，赵林姝，等.植物诱发突变技术育种研究现状与展望[J].核农学报，2009，23（6）：1001-1007.
[5] 韩微波，刘录祥，郭会君，等.小麦诱变育种新技术研究进展[J].麦类作物学报，2009，25（6）：125-129.
[6] 范家霖，张建伟，杨保安，等.河南省小麦诱变育种进展与分析[J].麦类作物学报，2013，33（1）：195-199.
[7] 郭向萌，押辉远.离子辐射诱变小麦育种研究进展[J].安徽农业科学，2011，39（11）：6334-6335.
[8] 付亮，李洋，范永胜，等.国审高产小麦品种新麦20号的育种实践[J].中国种业，2011（5）：56-57.
[9] 李新华，邱登林，孙桂芝，等.山东省小麦诱变育种[J].核农学报，2006，20（1）：51-53.
[10] 张建伟，杨保安，范家霖，等.国审富麦2008小麦新品种的选育研究[J].河南科学，2008，26（10）：1219-1222.
[11] 向小华，郭会君，赵林姝，等.小麦矮秆突变体DC20赤霉素合成及信号转导途径关键基因表达分析[J].核农学报，2014（22）：208-216.
[12] 周中普，李中恒.南阳市小麦诱变育种成果[J].核农学通报，1997（18）：164-165.
[13] 赵洪兵，郭会君，赵林姝，等.一个空间诱变的温度敏感型冬小麦叶绿素突变体的初步研究[J].核农学报，2010（6）：1110-1116.
[14] 陈志成.小麦新资源与特色营养食品[J].粮食加工，2008，33（4）：15-17.
[15] CHEN Qiu fang，YA Hui yuan，QIN Guang yong，et al.Study on Scree-ning of TaGA 2 ox 1 Mutants in Wheat by Ion Beam Irradiation[J].Plasma Science and Technology，2010，12：757-760.
[16] ZHANG Ning，XIE Yong dun，GUO Hui jun，et al.Gibberellins regulate the stem elongation rate without affecting the mature plant height of a quick development mutant of winter wheat（Triticum aestivum L.）[J].Plant Physiology and Biochemistry，2016，107：228-236.
[17] PFEIFER MATTHIAS，KUGLER KARL G，SANDVE SIMEN R，et al.Genome interplay in the grain transcriptome of hexaploid bread wheat[J].Science，2014，345：1250091-1-7.
[18] BELFIELD ERIC，GAN XIANGCHAO，MITHANI AZIZ，et al.Genome-wide analysis of mutations in mutant lineages selected following fast-neutron irradiation mutagenesis of Arabidopsis thaliana[J].Genome Research，2012，22：1306-1315.
[19] LI Shan，ZHENG Yun chao，CUI Hai rui，et al.Frequency and type of inheritable mutations induced by gamma rays in rice as revealed by whole genome sequencing[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE B（Biomedicine