太空誘變育種的生物學效應(yīng)與研究現(xiàn)狀(2)

1、太空誘變育種的生物學效應(yīng)與研究現(xiàn)狀(2)2.3對生物體細胞學效應(yīng)的影響特殊的太空環(huán)境條件會使生物體細胞出現(xiàn)不適應(yīng)性及內(nèi)部異常變化，從而導致其結(jié)構(gòu)變化，進而造成染色體變異，影響生物體功能。楊芬等19研究發(fā)現(xiàn)空間飛行可誘發(fā)體外培養(yǎng)的心肌細胞發(fā)生功能減退和微管解聚，這對于進一步研究空間心血管功能紊亂的機制提供了細胞學基礎(chǔ)。經(jīng)過神舟四號;攜帶的植物煙草細胞，其空間飛行樣品中雙核細胞的比率和多核細胞比率比地面大大增加，同時細胞活力也比地面對照提高了39.7%,同時微重力環(huán)境中融合細胞的代謝活動也發(fā)生了顯著的改變20.劉敏等21利用神舟三號;飛船搭載的樹莓試管苗發(fā)現(xiàn)其葉片細胞形狀、葉綠體、線粒體等細胞結(jié)構(gòu)

2、變化較大。神舟四號;搭載了月季組培苗22,空間處理的月季組培苗株高、葉片數(shù)及植株鮮重均顯著大于地面對照，和地面對照相比，空間處理的月季組培苗細胞超微結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，部分細胞出現(xiàn)了細胞壁變形，葉綠體增大，線粒體增多等現(xiàn)象。2.4對生物體生理生化的影響太空誘變可誘發(fā)生物體生理生化的變化，對生物體的光合作用、呼吸特性以及酶活性和產(chǎn)酶能力等產(chǎn)生影響。以神舟八號;搭載的苜蓿種子為材料，經(jīng)過篩選獲得高株、多分枝等變異材料，與地面對照相比，空間搭載苜蓿的DNA甲基化水平提高3%8%,且增加水平因變異類型而異23.鄭少清等24利用神舟三號;宇宙飛船搭載的烤煙品種發(fā)現(xiàn)幼苗的葉長、寬，葉綠素含量，單位葉面積和抗

3、壞血酸含量均發(fā)生了不同程度的變異。除此之外，通過神舟八號;搭載的果膠酶菌株，與地面對照相比持續(xù)產(chǎn)霉能力增強，產(chǎn)霉能力最穩(wěn)定25.王俊鋒等26對重組人干擾素菌株進行空間誘變，通過菌株篩選，獲得6株空間誘變后較高表達的重組人干擾素。經(jīng)過神舟七號;搭載，太空環(huán)境對合成的工程菌株有明顯的影響，菌落形態(tài)上為菌落大小發(fā)生明顯變化27.選取維生素C二步發(fā)酵產(chǎn)生菌搭載于神舟七號;飛船進行空間誘變，返回地面后，新菌株搖瓶發(fā)酵轉(zhuǎn)化率提高了5%7%.實現(xiàn)了維生素C菌種的高效篩選，此法可作為今后維生素C發(fā)酵菌種育種的適宜篩選模式28.搭載神舟五號;的茅臺大曲酵母菌，搭載后的菌株在耐有機溶劑、耐酶解、耐酒精、耐熱性方面

4、均高于搭載前菌株。太空搭載使菌株的細胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了變異，菌體的抗逆性增強。同時發(fā)酵性優(yōu)于地面對照組29.王璋等30利用神舟四號;搭載菌株的菌落形態(tài)發(fā)生變異，獲得了一系列產(chǎn)霉能力大幅度提高的優(yōu)良突變菌株，產(chǎn)酶活力提高30%.空間處理后的月季組培苗葉片中超氧化物歧化酶、過 氧 化 物 酶 均 有 增 加，同 時DNA變 異 率 達6.34%22.經(jīng)過神舟四號;宇宙飛船搭載的維生素C生產(chǎn)菌株得到了高效菌株，提高了其發(fā)酵效率，發(fā)酵周期有不同程度的縮短31.不僅如此，搭載神舟三號;宇宙飛船的中藥知母種子，發(fā)現(xiàn)太空知母Zn、Sr元素含量比地面組知母分別提高2.7倍和1.7倍。航天誘變第4代知母中-水草酸鈣晶

5、體的含量明顯減少，微量元素指標明顯優(yōu)化32.除此之外，太空特殊環(huán)境對蛋白質(zhì)的表達和代謝會產(chǎn)生很大的影響。常德等33利用太空環(huán)境改變了屎腸球菌的生物學特性、并影響大量蛋白質(zhì)的表達。王雅娟等34的研究也表明空間環(huán)境可影響褪色沙雷菌大量蛋白質(zhì)的表達。在神舟八號;空間蛋白質(zhì)結(jié)晶試驗中35,14種蛋白質(zhì)樣品的出晶率達到85%,優(yōu)于地面的78%,也超過神舟三號;的75%.2.5對生物體分子生物學的影響隨著對太空誘變研究的深入，太空誘變分子生物學機理研究逐步開展起來。研究表明空間搭載植物種子確實可導致當代植株基因組發(fā)生變異，部分多態(tài)性可遺傳至后代7,36.李華盛等37利用神舟八號;飛船，搭載擬南芥幼苗，篩選

6、出了在空間飛行中仍然能夠穩(wěn)定表達的基因。薛淮等22利用神舟四號;搭載的月季組培苗為材料，用40個隨機引物對空間處理和地面對照葉片DNA進行RAPD檢測，共擴增出148條帶，其中5個引物表現(xiàn)出多態(tài)性，變異程度達6.34%.蒲志剛等14利用AFLP分子標記的方法，對航天誘變的水稻突變體進行基因組對比分析，通過聚丙烯酰胺電泳尋找突變體多態(tài)性DNA片段，找到了5條多態(tài)性DNA條帶，對開展突變體基因功能研究有十分重要的意義。對經(jīng)過神舟八號;飛船搭載的仙客來突變株進行的RAPD（random am-plified polymorphic DNA）試驗分析中，28條隨機引物中有27條引物擴增出現(xiàn)多態(tài)性，總共

7、擴增出156條條帶，其中91條呈現(xiàn)出多態(tài)性，多態(tài)性比率達到58.33%18.綜合分析顯示，太空環(huán)境對當代植株造成了顯著的誘變效應(yīng)，經(jīng)誘變后的植株在分子水平上均發(fā)生了明顯的變異，而基因組的改變進一步導致了植株表觀性狀的變異。3太空誘變的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1太空誘變育種的國外研究現(xiàn)狀自20世紀60年代初，前蘇聯(lián)科學家便開始對擬南芥進行了從種子到種子的全過程太空試驗搭載試驗38,從此揭開了太空育種的序幕。之后美國、德國等也陸續(xù)開展了太空搭載植物的試驗，探索太空環(huán)境對植物的生長規(guī)律和生育衰老過程等39,以此達到改善人類生存空間，解決航天員生存安全以及食品供給為目的。到了20世紀80年代，美國將番茄種子

8、送上太空達6年之久，并在地面試驗后獲得了番茄變異品種，可以食用并且無毒害40.1994年俄羅斯開始與美國宇航局合作，在和平號;空間站先后進行了多次小麥全生長周期的太空試驗，取得了舉世矚目的進展。1995年，美國航宇局在北卡羅來納州立大學建立了引力生物學中心，重點研究植物對引力的感受和反應(yīng)41.1996年，美國的布魯斯·巴格比研究出太空矮稈小麥，小麥株高40cm,生育期也只有60d,這種小麥產(chǎn)量高出普通小麥的3倍，很有可能適合太空生長42.除此之外，俄羅斯和美國成功的在和平號;空間站成功種植出小麥、白菜以及油菜等植物品種。1999年，俄羅斯的太空小麥也終獲成功。進入21世紀，美、日

9、、西歐已將太空植物的培育做為重點發(fā)展項目。美、俄2國已先后培育出百余種太空植物，其中包括蘿卜（Raphanus sativus L.）、甘藍（Brassicaolera-cea var.capitata L.）、番 茄 （Lycopersicon esculentumMill.）、萵苣、黃瓜（Cucumis sativus L.）、甜菜（Beta vul-garis L.）、馬鈴薯43、洋蔥等蔬菜。3.2太空誘變育種的國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國空間生命科學試驗始于20世紀60年代，從1964年到1966年，我國先后發(fā)射了5枚生物探測火箭，通過對小白鼠、狗以及其它生物樣品的試驗，為我國空間生物科學研究邁出

10、了具有歷史意義的第一步。到了1987年，我國首次利用高空氣球搭載了甜椒品種的龍椒2號;,得到了單果重250g以上同時增產(chǎn)120%的新品種，開啟了太空誘變育種的序幕。與此同時首次利用FSW-O返回式衛(wèi)星搭載植物種子、低等植物藻類、昆蟲卵和微生物菌種。從搭載的供試材料中獲得了大量的變異體，隨即引起科學界的廣泛興趣和關(guān)注。我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，也為太空誘變育種的深入研究創(chuàng)造了有利條件。20余年來我國多次利用高空氣球、返回式衛(wèi)星以及神舟飛船等搭載的方式完成了300多項空間搭載試驗44,獲得了大量有益變異體。先后搭載過水稻1、小麥、谷子、大豆、玉米48-49、高粱50、馬鈴薯51等糧食農(nóng)作物；青椒52

11、-53、番茄53-55、綠菜花56、石刁柏、黃瓜、茄子、豇豆、樹莓等蔬菜水果作物；油菜57、大豆58、綠豆59、芝麻60、核桃等油料作物；大棗、桂花、棉花、紅麻、孜然、牧草61、甜菜等其他農(nóng)作物；香菇62、藻類63-64等真菌及微生物；蘭花、油松、三色繭、菊花、矮牽牛、雞冠花、一串紅、白蓮、石刁柏65、龍葵、甘藍、靈芝66等觀賞植物與藥用植物共6 000多份種質(zhì)材料，1 122個作物品種送上太空。選育出了一大批綜合性狀良好同時具有市場競爭力的農(nóng)作物新品種。太空誘變育種可以充分利用太空的獨特環(huán)境條件，創(chuàng)造出地面難以模擬的條件，進而使誘變材料產(chǎn)生罕見的變異，創(chuàng)造出新的種質(zhì)資源。4展望多年以來，我國

12、常規(guī)育種處于艱難的爬坡局面，其重要原因是核心種質(zhì)資源過于單一、優(yōu)質(zhì)種源匱乏，進而影響了我國育種的進展。實踐證明，太空誘變既能顯著改善農(nóng)作物、植物等的某些性狀，可獲得地面育種以及地面常規(guī)誘變育種難以得到且具有重要經(jīng)濟性狀的罕見突變。通過對這些變異材料的利用，能使我國的育種水平發(fā)生突破性的進展，從而育出具有目標性狀的植物新品種，對我國農(nóng)作物進行種質(zhì)資源的改造具有重大的意義，提高我國在國際市場的競爭力。先進的太空航天技術(shù)為快速培育優(yōu)良品種及特異種質(zhì)資源開辟了一條新途徑，為人類進入太空農(nóng)業(yè)時代展示了美好前景。因此，太空誘變育種的研究不但在育種上和應(yīng)用上具有重要的意義，而且在探索空間條件對生物體影響機理等方面也具有重要的理論意義，同時為人類開拓空間資源創(chuàng)造了條件，具有十分廣闊的發(fā)展前景。參考文獻1WANG Y,LI L B,HAN L.Space mutation technique and its applica-tion in China s ornamental plant breedingJ.Forest Res,2002,15（2:229-234.2 謝克強，楊良波，張香蓮，等。白蓮二次航天搭載的選育研究J