水稻染色体组多倍化技术提升了同源四倍体水稻的性状

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：其一，氮离子注入后在同源四倍体水稻的后代群体内可以筛选到具有不同特征特性的突变单株，利用离子束生物技术对同源四倍体水稻进行遗传改良的技术路线值得肯定，其实用性已经为同源四倍体水稻新种质的选育找到了新的突破口。

第四篇　关于离子束生物技术与同源四倍体水稻的性状改良

在20世纪80年代初，随着低能加速器配件技术的改进和离子注入技术的革新，在国际上兴起了借助于低能离子束注入技术对物质材料的表面进行改性和重塑的研究热潮。基于这种特异性学科大环境的影响，中国科学院等离子体物理研究所的余增亮先生首先产生了新的设想，即“借助于离子注入技术使生物体的特征特性发生本质变化，进而对其进行有效的遗传改良”。随后，经过20多年的研究和探索，离子束生物工程作为一门新兴的交叉学科已经显现出其应有的技术特色，其技术的实用性和对生物体遗传改良效果的普遍性已经被大量的试验结果所证实。在利用离子束注入技术对生物体进行遗传改良的实际应用中涉及两个方面的研究主题，即对特定基因型的诱变效应和促进异源遗传物质转移的介导作用。

从生物体遗传改良的发展进程来看，研究方法的创新主要围绕着两个方面展开研究，即如何更有效地在生物体群体内创造出丰富多彩的遗传性变异个体和怎样更准确地筛选出具有实用价值的优良基因型。在创造遗传性变异群体的过程中，无论是物理学方法还是化学方法，都会涉及多种多样的诱变源或诱变剂。低能重离子是指能量在100 keV～10meV之间而其原子序数大于氦原子序数的剥离原子核。已经证实，重离子具有一定的静止质量，经过加速后将其注入生物体后可以引起能量沉积、质量沉积、动量传递和电荷交换。离子束生物技术是低能重离子生物学的一个重要组成部分，是利用离子的极化和离子群的团化产生生物学效应的高新技术。目前，低能离子束生物技术的研究范围涉及6个主要方面，即离子注入生物学效应的定量研究、注入离子与生物体相互作用的研究、离子注入后细胞生物学效应的研究、离子注入后在分子生物学水平上的效应研究、离子束介导外源遗传物质转移的研究和创造生物体新种质的实用技术研究。(www.chuimin.cn)

从建立离子束介导技术体系的发展历程来看，研究者主要围绕着3个研究主题展开技术探索，即离子束介导外源遗传物质的技术研究、离子束介导特异性目的基因的遗传转化研究和离子束介导总DNA导入受体的遗传转化研究。关于离子束介导外源遗传物质的技术研究，研究者主要研究了通过离子注入后在受体组织内形成离子通道的可能性、不同注入离子的特殊效果和离子注入中所涉及的物理学技术参数这3个方面的问题。关于离子束介导特异性目的基因的遗传转化研究，前人分别以多种作物为受体从其介导试验中获得了一些有意义的试验结果。关于离子束介导总DNA导入受体的遗传转化研究，涉及的作物主要是水稻、小麦、棉花和西瓜，外源遗传物质的供体种类比较多，研究结果的实际影响比较大。通过这3个方面的探索和研究，离子束介导技术的实用性得到了充分的肯定。然而，从目前的研究现状来看，离子束介导技术在实际应用中仍然存在着一些问题值得注意，迫切需要提出相应的研究对策和新的技术思路，以便促进其在生物体遗传改良中得到更好的应用。

我国从事低能离子束生物技术工作的研究者当前特别需要考虑的问题是，在对生物体进行遗传改良的过程中，在确保生物体具有优质特性和绿色特性(抗逆性强和无污染)的前提下，采取何种有效措施和技术路线来确保新的生物品种具有更大的产量潜力。离子束生物工程近期的发展目标就是进一步完善学科的理论框架，形成一个更加完整的研究体系，借助于其他学科的研究成果和发展思路形成一个相互补充的技术集成体系，不断拓宽离子束生物技术的实用性范围。根据这一发展目标，作者明确提出了低能离子束生物工程的技术思路，即立足于低能离子束这一物理学技术平台(即新的诱变源这一物理学技术平台)，瞄准2个发展方向(即低能离子束对生物体的诱变作用和异源遗传物质的介导作用)，促进3个有效转变(即从对生物体的形态学研究转变为在注重形态学效应的同时探索性状表现的遗传学规律和遗传机制、从对当代效应的研究为主转变为在注重当代效应的基础上进一步研究突变性状的后效性、从对单一效应的研究为主转变为在研究单一效应的同时进一步研究突变性状的综合效应)，分清4个研究层次(即在群体水平的研究、个体水平的研究、在细胞或亚细胞水平的研究和在分子水平的研究)，注重五大生物学特性(即经过低能离子注入或介导之后对后代的生殖特性、发育特性、光合特性、抗逆特性和品质特性的研究)。

在本篇主题中选用了12篇论文，从离子束生物工程的发展动态、离子注入对同源四倍体水稻的诱变效应和离子注入对同源四倍体水稻所导致的细胞学效应等方面阐明了作者的4个学术观点。其一，氮离子注入后在同源四倍体水稻的后代群体内可以筛选到具有不同特征特性的突变单株，利用离子束生物技术对同源四倍体水稻进行遗传改良的技术路线值得肯定，其实用性已经为同源四倍体水稻新种质的选育找到了新的突破口。其二，经过氮离子束注入处理后，在同源四倍体核不育水稻群体内所产生的变异效应也比较明显，在其群体内所出现的不同的突变单株，经过低温处理之后其雄性不育特性的表现因材料而异，即某些突变体会伴随着发生形态学变异的同时也会发生相应的育性变异，而另一些突变体在发生形态学变异或生殖发育特性变异的情况下仍然保持着其亲本的雄性不育特性。其三，低能氮离子束注入处理后对同源四倍体水稻产生的生物学效应比对二倍体水稻的生物学效应更明显，前者比后者对低能氮离子束注入更敏感，即在同源四倍体群体中所出现的变异单株明显地多于在二倍体群体中所出现的变异单株;在经过低能氮离子束注入处理的同源四倍体后代群体中已经分别筛选到结实率高达90.16%的单株和具有双胚苗性状的单株，同源四倍体水稻的高结实率特性和双胚苗特性表现出一定的可遗传性。其四，离子注入后所导致的细胞学效应相当明显。N⁺注入能明显改善愈伤组织的发育状态，抑制其褐化衰老的进程，提高愈伤组织的绿苗分化率。

水稻染色体组多倍化技术提升了同源四倍体水稻的性状

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