离子注入后同源四倍体水稻的筛选及遗传稳定性

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：离子注入后同源四倍体多胚苗突变水稻的筛选及其遗传稳定性代西梅黄群策胡秀明摘要以低能氮离子束为诱变源，对同源四倍体水稻品系“IR36－4X”进行离子注入，在其第2代群体内筛选得到了1株具有多胚苗性状特征的突变株。并对该突变株系的苗位、主要农艺性状和多胚苗遗传稳定性进行了跟踪调查。

离子注入后同源四倍体多胚苗突变水稻的筛选及其遗传稳定性⁽¹⁾

代西梅　黄群策　胡秀明

摘要　以低能氮离子束为诱变源，对同源四倍体水稻品系“IR36－4X”进行离子注入，在其第2代群体内筛选得到了1株具有多胚苗性状特征的突变株(IR36－双)。对该突变株后代的主要农艺性状、多胚苗形态特征和遗传稳定性进行研究表明，突变株系与其原始亲本在主要农艺性状上存在明显差异，前者在株高、穗长、千粒重和结实率等性状上比后者分别下降35.41%、5.08%、15.72%和12.39%。“IR36－双”在双胚苗性状的表现形态上有其特异性，在同一纯合株系的群体内双胚苗的苗位有非完全双苗和完全双苗两种类型。在非完全双苗中又包括单胚轴单胚根双苗和单胚根异胚轴双苗;在完全双苗中可分为正常双苗和异常双苗。在多胚苗材料中，单胚根单胚轴双苗所占的比例相对较大。经过多个世代观察表明，“IR36－双”的多胚苗特性表现出明显的可遗传性。

关键词　离子注入;同源四倍体水稻;多胚苗突变体

目前，我国水稻育种面临着两大难题，即怎样通过有效的方法和途径在现有的水平上更有效地挖掘和固定水稻的杂种优势效应。固定杂种优势的途径可能有多种，其中以培育无融合生殖系最有前途，而通过筛选多胚苗来寻找无融合生殖材料是一种较为有效的途径。20世纪80年代中期发展起来的离子束生物技术具有独特的技术原理和简单的操作程序，在作物育种中的实用性已经被越来越多的研究结果所证实^［2］。离子束作为新的诱变源具有质量、能量、电荷三位一体的功效，在损伤比较轻的诱变状态中，可以获得比较高的诱变率和比较宽的诱变谱^［3］。前人的研究表明，同源四倍体水稻比二倍体水稻对低能氮离子束注入处理更敏感^［4，5］。本文利用低能氮离子束注入同源四倍体水稻，在其M2代植株中发现1株具有多胚苗特性的突变株，其后代采用单株筛选方法对其进行筛选、观察，待株系的主要性状趋于整齐时对其主要农艺性状、多胚苗形态特征和遗传稳定性进行了鉴定和研究。

1　材料与方法

利用种芽诱导法对二倍体水稻品种IR36(即IR36－2X)进行处理，使其染色体组成加倍，获得主要农艺性状稳定的同源四倍体水稻材料IR36－4X。2001年在中国科学院等离子体物理研究所进行离子注入。将去壳的水稻种子胚朝上置于铺有花泥的培养皿中，采用间隔为50 s的脉冲注入，能量25 keV，注入剂量范围2.0×10¹⁶～10.0×10¹⁶ions/cm²，每处理组间隔2.0×10¹⁶ions/cm²。对照组同样放置，但不经离子注入。离子注入和对照的种子及其后代在温箱中催芽后，单株播种于合肥中国科学院等离子体物理研究所水稻实验田内。对试验材料采用单株筛选方法进行多个世代的筛选。待株系内各个单株的主要农艺性状趋于稳定时对其特征特性进行考察鉴定。

2004～2005年将试验材料种植于河南新乡市农业科学研究院水稻研究所实验田内，采用常规田间管理，在成熟期对其株高、穗长、结实率和千粒重等主要农艺性状进行鉴定，采用根尖细胞染色体鉴定方法观察材料的倍性水平。将材料置于铺有湿润滤纸的培养皿内，放在25℃温箱中，待根长到2cm左右时，在上午9: 00切下根尖，用95%乙醇∶浓盐酸(1∶1)酸解5～10min，蒸馏水冲洗后用卡宝品红溶液染色25min左右，压片后镜检。选取分裂相好的切片在激光扫描共聚焦显微镜透射光模式下扫描获得图像，由此确定试验材料的染色体组倍性。

在多个世代对多胚苗突变株及其后代的多胚苗频率的变异动态进行了测定。鉴定方法主要通过种子发芽试验完成，即从多胚苗植株上收取的种子中取一定数量，在25℃恒温箱中用清水浸泡1 d后，放入铺有湿润滤纸的培养皿中，10 d后分别测定其双胚苗、三胚苗、四胚苗以及总的多胚苗频率。所采用的统计公式如下:

2　结果与分析

2.1　多胚苗突变株的筛选及其株系的建立

IR36－4X经不同剂量的低能N⁺注入后，成苗率除在剂量为2.0×10¹⁶ions/cm²时稍有增加外，其他剂量的N⁺注入成苗率均比对照有所下降，其中以剂量为10.0×10¹⁶ions/cm²的成苗率最低，仅有20%左右。在当代没有发现明显的变异现象。收取所有的M₁代种子，并于第2年(2002年)种植M₂代。

各剂量处理的M₂代植株中，出现了各种变异现象。在剂量为4.0×10¹⁶ions/cm²的低能N⁺注入处理ⅠR36－4X的M₂代植株中，发现了一株双胚苗突变株(命名为“IR36－双” )，即在一粒水稻种子中萌发出了两棵稻苗。该突变株形成的两棵苗在长势上大小相当，没有强弱之分，为均势双苗。经根尖染色体鉴定，该突变株两个单苗染色体数目均为48条(图1)，比二倍体水稻IR36－2X的染色体数目(图2)增加了1倍。保持了其原始亲本(对照)IR36－4X的染色体数目，应为同源四倍体双胚苗水稻。而在对照IR36－4X中没有发现任何双胚苗或多胚苗植株。说明筛选到的“IR36－双”双胚苗植株是经低能氮离子束处理后的突变植株。

当年成熟后单株收获该双胚苗突变株，共收取576粒种子。于第3年(2003年)种成M₃代株系。并对该突变株系的苗位、主要农艺性状和多胚苗遗传稳定性进行了跟踪调查。

图1　“IR36－双”染色体

图2　“IR36－2X”染色体

2.2　“IR36－双”的双苗苗位

邓鸿德等^［5］根据对多胚水稻胚位与苗位的观察研究，将多胚水稻双苗分为非完全双苗和完全双苗两类。非完全双苗又可进一步分为单胚轴单胚根双苗和单胚根异胚轴双苗;完全双苗又可分为正常双苗和异常双苗(大小苗)。根据我们对“IR36－双”双苗苗位的观察，发现其双苗苗位也有非完全双苗和完全双苗两种情况。非完全双苗中主要有单胚轴单胚根双苗(图3－1)和单胚根异胚轴双苗(图3－2，3，4)两种;完全双苗中有正常双苗(图3－5)和异常双苗(大小苗)(图3－6)。在“IR36－双”双苗中，单胚根单胚轴双苗所占比例相对较大。

图3　“IR36－双”的双苗苗位

1．单胚轴单胚根双苗; 2～4:单胚根异胚轴双苗; 5:正常双苗; 6:异常双苗

“IR36－双”的株高、穗长、千粒重及结实率较对照IR36－4X均有所下降，2004年分别下降了35.27%、4.16%、12.58%和12.54%; 2005年分别下降了35.41%、5.08%、15.72%和12.39%，其中以株高下降最为明显，经t检验其差异达到了极显著水平，结实率和千粒重也达到了显著水平。但根据2004～2005年连续两年的观察，“IR36－双”主要农艺性状表现较为稳定，田间整齐度较一致。

2.3　“IR36－双”的主要农艺性状

对“IR36－双”与对照IR36－4X的主要农艺性状进行了比较鉴定(表1)。结果表明，离子注入后所筛选到的双胚苗水稻品系与其亲本在4个农艺性状上存在明显差异，前者的各性状值均比后者有所降低。(www.chuimin.cn)

表1　2004－2005年“IR36－双”及其对照主要农艺性状

注:^＊＊和*表示t检验0.01和0.05水平差异显著

2.4　“IR36－双”的遗传稳定性

自2002年“IR36－双”突变株被筛选出来后，我们对其多胚苗的遗传特性和遗传稳定性又进行了连续3年的观察鉴定(表2)。发现在其M₃代和M₄代，除双胚苗之外，群体内还出现了一定频率的三胚苗单株和四胚苗单株，其多胚苗频率均超过了12%。然而，在M₅代没有发现三胚苗和四胚苗现象，其多胚苗频率(主要为双胚苗)有所下降，但也达到了9.10%。由此可见，在“IR36－双”的后代群体内，三胚苗性状和四胚苗性状不太稳定，在传代过程中容易丢失，而其双胚苗频率在各个世代的表现却比较稳定，说明其双胚苗的突变性状具有一定的遗传稳定性。

表2　“IR36－双”m₃～M₅代多胚苗频率调查

3　讨论

离子束生物工程是20世纪80年代在我国兴起的，其原理是利用低能离子束注入生物体，质量沉积、能量沉积和电荷交换导致生物材料产生一定的生物学效应。离子束生物技术发展起来后，在农作物育种和遗传改良上得以广泛应用。关于利用低能离子束生物技术对二倍体水稻及四倍体水稻进行遗传改良的研究

已有一些报道^［6～11］。本研究利用低能N⁺对同源四倍体水稻IR36－4X进行注入处理，在其M2代筛选出了1株多胚苗突变株“IR36－双”。通过对“IR36－双”连续几年的调查研究，发现其双胚苗突变具有一定的遗传稳定性，其多胚苗遗传频率约为10%。表明低能离子束诱导的这种变异可能属于DNA或基因水平上的突变。大量研究证明，离子注入生物体可以引起染色体的破坏和基因的突变^{［12－14］}，从而导致一系列遗传变异现象的发生。本研究所筛选出来的双胚苗突变体性状的产生很可能是由离子束注入后所引起的多基因突变的结果。因此，利用低能离子束注入技术对同源四倍体水稻进行遗传改良的效果将为进一步探索和挖掘同源多倍体水稻的潜在利用价值寻找到一个新的突破口，也为在同源四倍体水平利用水稻的杂种优势效应寻找到新的研究方法。

参考文献

［1］袁隆平．杂交水稻的育种战略设想［J］．杂交水稻，1987，1: 1－3．

［2］余增亮．离子束生物技术引论［M］．合肥:安徽科学技术出版社，1998，1－3．

［3］Yu Zengl iang，Yang Jianbo，Wu Yuej in，et al.Transferring GUS gene into intact rice cells by low energy ion beam［J］.Nuclear lnstuments andmethods in Physics Research，1993，B(80～8l):1328－1331．

［4］李玉峰，黄群策．氮离子注入对同源四倍体水稻IR36萌发的影响［J］．核农学报，2006，20(5):403－405．

［5］黄群策，梁秋霞，李玉峰，等．低能氮离子注入同源四倍体水稻的生物学效应［J］．激光生物学报，2003，12(5):355－359．

［6］张怀渝，宋云．低能N⁺离子注入诱导小麦种子高分子量谷蛋白亚基和醇溶蛋白的变异［J］．核农学报，2005，19(4):245－250．

［7］邓鸿德，潭志军，黄逸强．多胚水稻胚位与苗位的观察研究［J］．西北植物学报，1992，12(1):1－8．

［8］王彩莲，慎玫，陈秋方，等．氮离子注入对水稻诱变效应的初步研究［J］．核农学报，1995，9(1):13－19．

［9］王松丽，黄群策，等．低能氮离子束注入水稻的生物学效应研究［J］．核农学报，2006，20(6):454－459．

［10］戚秀芳，赵成章，杨长登．等离子注入对水稻主要农艺性状的影响［J］．安徽农业科学，1993，21(2):102－105．

［11］黄群策，代西梅．低能氮离子束对不同倍性水稻的诱变效应［J］．杂交水稻，

2004，19(3):57－61．

［12］Chen Yu，Jiang Bingyao，Chen Youshan，et al.Formation of plasmid DNA strand breaks induced by low－energy ion beam: Indication of nuclear stopping effects［J］．Radiat Environ Biophys，1998，37: 101－106．

［13］Du Yanhua，Huang Shenghai，Tang Zheng，et al.Determination of DNA Single－strand breaks by low－energyheavy ion and analysis of dose－effect curves［J］．Chin Sci Bull，1999，44(8):711－715．

［14］Yu Zengliang.Ion beam applicat ion in geneticmodification［J］.IEEE Transact ions on Plasma Science，2000，28(1):128－131．

【注释】

(1)该文曾在《核农学报》［2007，21(1):1～4］刊出

离子注入后同源四倍体水稻的筛选及遗传稳定性

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