植物空间诱变育种
太空育种介绍
第4部分
太空育种的应用前景
太空育种的应用前景
01
02
03
随着航天科技的发展和人类 对植物育种需求的增加，太 空育种的应用前景十分广阔
未来，我们可以利用太空育 种技术培育出具有高产量、 优良品质、抗逆性强、适应 性强等优良性状的新品种， 为解决粮食安全、生态环境 保护等全球性问题提供新的
解决方案
同时，太空育种技术的发展 也将推动相关领域的技术进
出更好的性状
通过在太空中的诱变处理，我 们可以获得具有优良性状的突 变体，进而培育出新的植物品
种
第2部分
太空育种的过程
太空育种的过程
选择健康的、具有较高变异潜力的 植物种子进行太空诱变处理
将选定的种子搭载在航天器中发射 升空，进入太空环境
在太空中的特殊环境下，种子受到 高能离子辐射和微重力等作用，发
02.
自20世纪60年代以来，随着航天科技的发展，太空育种技术逐渐成为一种全 新的育种手段，为人类提供了一种高效、快速的植物新品种培育方法
第1部分
太空育种的原理
太空育种的原理
太空中的高能离子辐射和微重 力等特殊条件可以引起植物种 子的基因变异，使种子内部的
遗传物质发生突变
这些突变可能会使植物在生长、 发育、产量、品质等方面表现
快速性：相较于传统的育种方法，太空 育种周期短，可以快速培育出新的植物 品种
突破性：太空育种有助于打破物种之间 的生殖隔离，培育出具有突破性的新品 种
环保性：太空育种是一种非转基因的育 种方式，对环境无害
太空育种的优点和局限性
局限性
技术难度：太空育种技术难度较高，需要具备专业 的航天技术和植物育种知识 成本高昂：太空育种需要耗费大量的资金和资源， 包括航天器的发射、种子的搭载等 变异不确定性：虽然太空育种能够产生大量的基因 变异，但变异的方向和程度具有一定的不确定性， 需要进一步筛选和研究 安全性问题：虽然太空育种是一种非转基因的育种 方式，但基因变异可能会产生新的有害性状，需要 进行安全性评估
园林植物育种学-第九章诱变育种
• 前处理：用清水浸泡植物种子，提高膜透 性。
• 处理方法：浸种法、涂抹法、注入法、熏 蒸法、施入法等。
• 后处理：终止诱变剂发挥作用的措施(流水 清洗，或选用一些化学清除剂）。
理化诱变的特异性及复合处理
辐射诱变
化学诱变
不 穿透力强 同 染色体结构变异 点
香 石 竹
杜 鹃
仙 客 来
唐 菖 蒲
月 季
荷 花
叶 子 花
美 人 蕉
9.2.1 辐射的种类与性质
• X射线：辐射源是X光机。 • γ射线：辐射源是60钴和137铯及反应
堆
• β射线：辐射源为放射性同位素32磷和 35硫
• 中子：辐射源为核反应堆、加速器或 中子发生器。
• 激光：由激光器产生的光。
9.5.1 有性繁殖植物：（一）种子 • M1代：有生理损伤，表现出一些形态和
生理上的畸变，不宜选择。 • M2代植株出现分离，是选择的重点。 • M3基本稳定，可鉴定后大量繁殖，并进
行品种比较试验，生长试验、多点试 验及区域试验等。
（二） 花粉：花粉经诱变处理后，一是 可结合单倍体育种，培养选育出变异 的单倍体植株，二是用来授粉而获得 变异植株。
变范围
• 需要两代的培育、选择，才能获得性 状稳定的新品种
• 诱变后代的稳定过程较短，可缩短育 种年限
9.3.3 化学诱变剂的种类
• 类别：烷化剂类、核酸碱基类似物、 无机类、简单有机类化合物 （H2O2,LiCl,亚硝酸，MnCl2,CuCl2)等。
• 常用诱变剂性质
9.3.4 化学诱变剂处理的步骤与方法
• 致死剂量：使被照射材料全部丧失活 力的最低辐射剂量。
太空育种
太空育种的其他优势：
第一，太空育种基因变异频率高。对于农作物育种来说，只有发生基因变异才能为科研人员提 供新的选择机会，才能培育出新的农作物品种。基因变异频率越高，培育出新品种的概率就越 大。 第二，太空育种基因变异周期短。基因变异的周期越短，在一定时间内可能产生新的基因形的 数量就越多，从而培育新品种的数目就越多，而农作物育种的时间就会越短。对中国农业而言， 正常农业育种一般需要8年时间，而太空育种可以缩短一半时间。
太空育种辣椒王
经历过太空遨游的农作物种子，返回地面种植后，不仅植株明显增高增粗，果型增大，产量比 原来普遍增长而且品质也大为提高。到目前为止太空育种取得了不错的成效，但仍无法控制种 子的变异方向，只能是任其发展，这是当今世界的科学空白区 ，等待着科学家们去做进一步 的探索。 太空环境对植物基因产生影响已经得到各国科学家的证实，但是对太空育种原理的解释仍在 争论之中。
太空育种的安全性
太空食品和普通食品没有什么区别，是很安全的食品。关于太空食品安全性的问题，专家普遍 认为，太空育种并没有将外源基因导入作物中使之产生变异。作为诱变育种技术，太空育种可 使作物本身的染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变。这种变异和自然界植物的自然 变异一样，只是时间和频率有所改变。太空育种本质上只是加速了生物界需要几百年甚至上千 年才能产生的自然变异。太空中宇宙射线的辐射较强，这是植物发生基因变异的重要条件。人 工辐射育种中的辐射剂量只是国际食品安全辐射量的几十分之一，而太空中的辐射剂量还不到 辐射育种辐射剂量的百分之一。宇宙射线引起的基因变异经常会让人想到转基因食品。转基因 作物是将外源基因导入植物体内而培育出的新品种，如转基因大豆是将非大豆植物甚至动物、 微生物的基因导入而产生的变异。而太空育种则是让作物的种子自身发生变异，没有外源基因 的导入。我国颁布的有关转基因安全管理规定中特别排除了对自身通过突变产生的新物种的管 理，这也说明太空育种是非常安全的，不用担心其产品的安全性。太空食品是按照人类需要选 择出来的，不是转基因食品。至于污染，则是栽培方法和使用农药、化肥的问题。
第16章 诱变育种
二、诱发育种的类别
1. 物理诱发：主要指利用辐射射线诱収基因突发和 染色体发异。 • 按射线性质可分为：电磁辐射和粒子辐射。 • 射线作用方式分成：电离辐射和非电离辐射。 2. 化学诱发 是应用有关化学物质诱収基因和染色体发异。
第二节 辐射诱发育种
一、射线的种类及其特性 1. γ射线 2. X射线 3. β射线 4. α射线 5. 丨子 6. 激光 7. 紫外线
三、空间诱发的原理
1. 空间辐射 2. 微重力
四、空间诱发育种方法
1. 材料的选择 2. 材料的预处理 3. 空间搭载 4. 材料返回后的处理 5. 空间诱发后代的选育
第五节 诱发后代的选育
一、处理材料的选择 1. 根据育种目标选用具有丌同特点的材料 2. 诱发选用的材料应避免单一化 3. 处理的亲本材料综合性状应优良，而只具有一两 丧需要改进的缺点 4. 适当选用单倍体、原生质体等作诱发材料，収生 突发后易于识别和选择。
二、化学诱发剂的种类及其作用机理
1. 烷化剂 • 借助于磷酸基、嘌呤、嘧啶基的烷化而不DNA或 RNA起作用，进而导致遗传密码的改发。 （1）烷基磺酸盐和烷基硫酸盐类 （2）亚硝基烷基化合物 （3）次乙亚胺和环氧乙烷类 （4）芥子气类
2. 核酸碱基类似物 ①在丌妨碍DNA复制的情冴下，作为组成DNA的成 分而掺入DNA丨，由于其不正常碱基丌同，造成 碱基错配，而引起突发。 ②常用的有5-溴尿嘧啶（BU）、5-溴去氧尿核苷（ BudR），它们是胸腺嘧啶（T）的类似物，化学 结构式不胸腺嘧啶极为近似。由于这丧特点，5BU便能够替代胸腺嘧啶掺入DNA链。2-氨基嘌呤 （AP），是腺嘌呤（A）的类似物；马来酰肼（ MH），是尿嘧啶（U）的异构体。
三、辐射诱发的作用机理
太空育种
航天育种摘要：航天育种是集航天技术、生物技术和农业育种技术于一体的育种新途径。
大量的试验证明, 航天育种已培育出许多高产、优质、抗逆性强的优良品种, 是一个前景很好的新的育种方法。
关键词：航天育种一、什么是航天育种航天育种也称空间诱变育种或航天育种, 是指将植物种子、试管种苗或其他生物种苗放在航天器上, 送到太空, 利用太空特殊的、地面很难模拟的环境, 即微重力、高真空、强宇宙高能粒子射线辐射、宇宙交变磁场、高洁净及大温差等方面的诱变作用, 使种子基因产生遗传变异, 再返回地面选育, 培育新品种的育种新技术[ 1]。
二、航天育种机理及诱变的生物学效应空间环境与地球环境之间差异巨大, 太空的特殊条件对进入空间的生物材料具有明显诱变作用。
空间诱变中高能重粒子(H ZE )能更有效地导致细胞内遗传物质DNA 分子的双链断裂, 而且其中非重接性断裂所占的比例较高, 从而有更强的诱发突变能力。
另外,微重力条件可以抑制复机制, 即微重力与辐射可以产生协同作用, 增加变异率。
太空诱变导致的死亡率较低, 这样, 发的各种突变都可能表现出来, 从而培育出新品种。
三、航天育种的生物种类1、植物种类截止目前, 曾经幸运进入太空的生物以植物占大多数, 其中粮食作物有麦、大麦、谷子、水稻、甘薯、玉米、高粱、绿豆、红小豆等; 蔬菜有萝卜、青椒、茄子、番茄、绿菜花、大蒜、黄瓜、丝瓜、辣椒、香菜、韭菜、青菜、瓠子、芥苜蓿等; 经济作物有棉花、烟草、西瓜等; 裸子植物有白皮杉、油衫、石刁柏等; 油料作物有大豆、油菜、蓖麻、芝麻、竺麻、向日葵等; 药用植物有西洋参、枸杞、甘草等; 花卉有仙人掌、鸡冠花、菊花、百合等。
. 1. 1 航天育种的粮食作物航天一号0小麦是1998年山东省农科院原子能所利用一般小麦和美国黑小麦经过杂交形成的新品系, 然后通过返回式卫星携带进入太空诱变, 再经连续7代定性试种培育而成的。
/航天一号0小麦良种于2003年试种12. 5公顷获得成功。
农作物空间诱变育种规范
农作物空间诱变育种规范(空间科学及应用专家组，1998年2月，广州)863计划航天领域自1987年以来多次组织卫星、高空气球搭载植物种子。
据不完全统计，至1996年年底，参与搭载的种子包括粮食作物、油料作物、蔬菜、水果、花卉等共约50种植物，参与单位近60个，分布于全国22个省(市)、自治区。
不少单位在回收种子后，经田间种植、观察、选择，发现了新的变异类型，选育出一批性状优良、有应用潜力的新品种(系)，对农业生产的发展发挥了作用，引起了国内外的瞩目。
然而，由于本研究涉及众多的人员、单位，早期试验中还未能明确提出规范化的要求，研究中也出现了部分单位的试验结果不明或准确性较低等问题。
为使我国农作物空间诱变育种能更健康发展，特制定此规范。
对此类研究从搭载材料的选用至回收后的观察、选择、记录均提出一些具体的要求，请各项目承担单位参照执行。
一、对搭载材料的要求1，根据育种目标，选用综合性状优良，但1～2个性状有明显缺陷的地方主栽品种、新推广品种、准备推出的优良品系、杂交组合亲本或低世代杂种(F1)作为搭载材料。
2，搭载用种子必须有足够的纯度，无其他品种混杂，为此要求经1～2代套袋自交提纯，取经此法繁殖的种子供搭载及地面对照用。
3，为保证足够的突变体供选择，对某一品种搭载用种子应有足够的数量(一股应为100O 粒以上，个别种大的作物种子量可减至300～500粒)，并用等量的同一纯度种子作地面对照。
所用种子应为新鲜、健康、发芽率高的干种子。
4 为保证运输、搭载过程中种子不会被混杂或受潮，建议用内层布袋、外层塑料袋包装，袋内最好包装少量吸水硅胶等对种子无害的干燥剂。
内外、层袋及外袋应附有标明种子的种名、送搭单位的标签。
5，为完善搭载诱变试验的管理，要求各电位送交种子往专家组办公室搭载时，填写种子搭载申请表(见表I)内容包：种名、品种名、来源(自育、在用栽培种、引种等，并简介育成年份，亲本等培育的遗传背景)、主要种性(株高、生育期、抗病性、抗虫性、品质特点、产量组成因素，如粒重、荚重、果重、有效穗数、结实率等)、及形态特征、预期主要选育目标(待改良的性状)并附上1～2张代表其种子、果实、种植期，成熟期特性的彩色照片。
农业育种的空间诱变技术分析
农业育种的空间诱变技术分析摘要：农业育种技术的发展是我国农业可持续发展的重要基础条件，空间诱变育种方式是使用宇宙环境中的高能粒子、辐射、微重力或者弱地磁场等要素使得作物种子中的染色体产生缺失、重复、易位等基因突变现象，并在回到地球环境之后，通过多代的筛选、培育形成的全新品种的培育技术。
与传统的农业育种技术相比，经过太空环境处理之后的种子基因变异十分明显，在抗病虫害、早熟、高产等方面的优势十分明显。
本文基于农业育种的空间诱变技术概念分析，在简单探讨空间诱变技术基本特征的前提下，分别从农业品种的直接和间接效益，相关理论对后续领域研究的影响以及生态效益等多个方面分析了农业育种空间诱变技术的具体效益，以便为今后农业育种空间诱变技术的推广、应用提供参考。
关键词：农业育种；空间诱变；基本特征；效益1、农业空间诱变育种概述农业空间诱变育种方式也被人们称为太空育种，是指将植物或者农作物种子使用返回式卫星、航天飞机等工具带入太空环境中，使用特殊的环境因素诱导农作物种子产生基因层面的变异，随后返回地面进行新种子材料、品种培育的一种现代化农业育种技术[1]。
以目前空间诱变育种技术的发展看来，常用的途径分为卫星空间搭载、高空气球搭载以及地面空间因素模拟诱变三种方式。
结合目前农业领域的相关研究成果看来，相较于地面环境，太空环境在真空、微重力、高能粒子辐射等方面有着明显的优势，能够对农作物及其种子的生长、生存、发育产生明显影响，最终引发植物细胞内部染色体的畸变。
在太空环境的微重力条件长时间影响下，辐射的诱因作用将会进一步增强。
在当下人类对于转基因食品安全性存在疑问的大前提下，太空育种技术的应用能够解决人们关心食品的安全性问题。
与常规的地面育种技术相比，太空育种方式能够利用宇宙空间中射线、微重力、重离子、交变磁场等各种因素，促使农作物和种子在太空环境下的遗传性产生明显的诱变，最终得到地面环境中无法获取的新型农作物种子以及材料。
空间诱变育种的名词解释
空间诱变育种的名词解释在植物育种领域，空间诱变育种是一种通过暴露植物种子或幼苗到特定的辐射环境中，利用诱变作用产生新的遗传变异，从而选育出具有新型性状的植株的技术。
这种育种方法广泛应用于农作物改良、园艺植物的培育以及实验室的遗传学研究中。
1. 背景介绍在传统育种方法中，通过选择和交配来改变植物的遗传特征，但这种方法有其局限性。
空间诱变育种则提供了一种替代的手段，通过利用辐射诱变技术，引发植物的基因突变，从而产生更多的变异库。
2. 辐射诱变机制辐射诱变是空间诱变育种的核心工具。
不同类型的辐射，如X射线、γ射线、重离子束、中子束等，能够导致植物细胞的DNA损伤和突变。
这些突变可能发生在基因的编码区域，也可能发生在非编码区域。
此外，诱变还可能导致染色体结构的变化或产生新的染色体组合，进而改变物种的性状。
3. 诱变剂的应用为了增加辐射诱变的效果，常常会与诱变剂结合使用。
常见的诱变剂包括化学诱变剂、物理诱变剂和生物诱变剂。
例如，化学诱变剂乙烯甲磺酸可以增加辐射对植物DNA的损伤程度，促进突变的发生。
4. 诱变效果评估通过辐射诱变后，需要对诱发的突变进行评估筛选。
通常利用大量的突变体库进行繁殖与分析，以筛选出对目标性状具有显著改变的植株。
选择性状进行抗性、产量、品质等的评估，挑选出对目标性状改变最显著的植株作为后续育种的父本。
5. 应用和发展空间诱变育种已经在世界范围内得到广泛应用，诸如稻谷、小麦、玉米、蔬菜、花卉等农作物和园艺植物的品种改良中。
通过辐射诱变育种，培育出了许多具有抗病、抗虫特性和高产量的品种，以及更具观赏价值的园艺植物。
随着基因编辑技术的发展，空间诱变育种也与基因编辑相结合，为育种工作提供了更多的选择。
6. 优势和挑战相比传统育种方法，空间诱变育种具有如下优势：首先，空间诱变育种能够产生更多的遗传变异，扩大育种的选择空间；其次，诱变作用普遍存在于种子和幼苗等发育早期，使得诱变更容易影响幼苗的整个生长过程；最后，空间诱变育种通过诱变产生的新基因变异，能够创造与已存在基因组中不同的基因组组合，增加了品种创新的可能性。
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水稻
◆1987 年广西农业大学与中国科
学院合作培育已测配出杂交优 势强、结实率在80%以上。 ◆1988 年江西省宜丰县农科所 与中国科学院遗传所合作, 用 卫星处理“农垦58”, 于1993 年获得2 个丰产品系, 产量在每 公顷9 000 kg 以上, 稳定在7 500 kg 左右。
◆浙江省农业科学院作物所利用高空气球搭载迟熟水
安全性
◆在美国冈ASA供中学生种植的空间处理番茄种子后代中做过毒
性试验证明是无毒的。
◆广西农业大学曾对空间处理的水稻变异后代作了大量的营养
分析，没有发现有毒物质。到2002年，空间诱变育种的农作 物已经在生产上应用10多年了，至今没有一人因食用此类食 品而产生不良反应的。
未来发展
◆ 加强空间诱变机理的研究； ◆ 加强地面模拟实验； ◆ 空间育种与其它育种方法相结合，应用于更多领域； ◆ 加快我国航天技术发展的步伐； ◆ 加强空间诱变育种的管理工作，争取更多的资金。
1987 年卫星搭载处理的甜椒种 子, 经种植选育, 其中卫星87-2 青椒是果实特大、品质优良、 高产、抗病的甜椒新品种, 门椒 及二荚椒平均单果重250~400 g, 最大单果重达750 g,产量比 原品种增产20%~ 25% , 果实 中维生素C 及可溶性固形物含 量分别比对照提高20% ~ 25%。
空间育种在农作物上的改变及主要影响
讲解人：
植物在宇宙空间中常会受到高真空、微重力、强射线、高 能粒子辐射和交变磁场等的影响，引起植物染色体的畸变进 而导致性状的变异，能直接影响该植物的生存、生长、发育、 衰老等。
一、发展历史 二、诱变搭载方式
三、主要成绩 四、安空间育种是诱变育种中的一 个重要分支。从1987年至今，空间育种在微生物、动物、植物等 各个方面都发挥着重要的作用。在农作物上的诱变培育的研究相 对较多。农作物的诱变及其培育主要集中在人类食用的农作物上， 以期筛选出优质、高产、多抗、早熟的新优良品种。新优良性状 的产生，使经济效益和社会劳动力的模式都有所改变。
我国于1987年中期开始航天诱变育种工作，到2005年10月底已进 行19次空间种子诱变试验并取得成功，获得了玉米、小麦、棉花 等农田作物和青椒、番茄、莴苣等蔬菜和花卉作物共50多个类型 的将近400个新优良品种，培育了一批具有高产、抗病、抗虫害等 优良性状的新种质资源，开辟了植物优良品种选育的新途径目前 已在国内形成快速发展的趋势。
稻( 皖糯IR9) 干种子, 经3年选育,获得了早熟、高产 新品系航育1号, 增产效果显著。
◆福建省农业科学院选育的超级杂交稻恢复系“航1 号”，以及用其配制的超级杂交稻新组合“特优航1 号”和（Ⅱ航1 号），稻米品质显著改善，蛋白质含 量提高约2个百分点。
◆湖南省原子能农业应用研究所利用航天诱变与辐 射诱变，显著地提高了突变频率和突变类型，选育 出两系杂交水稻新组合“培两优721”，不仅产量较 高，而且米质也好 。
空间辐射——空间辐射是植物空间诱变育种的
主要诱变因素, 宇宙空间存在着比地球上强得多的天然射线, 这些射线包括高能重离子射线、宇宙射线、紫外线等, 它们 对生物发生很强的作用。 空间辐射能非常有效地引起细胞 内遗传物质DNA 分子的双链断裂和细胞膜结构改变, 其中非 重接性断裂的比例较高。
主要成绩
空间微重力——环境明显不同于地球表面, 它
不到地球重力十分之一, 这是影响空间搭载植物生长发育和 产生遗传变异的重要因素。植物种子经空间飞行器处理后 被宇宙射线离子击中, 种子的细胞内部就会发生变化, 发芽 后染色体发生畸变, 且在空间飞行的时间越长畸变率越高。 因此空间环境对它的影响也就会增加, 导致它最终变异。
番茄
1987、1994、1996 年卫星分别 搭载处理的番茄种子,经多年选育已 获得增产20%以上、病毒病发病率 降低0. 2% -20. 8% 的抗病新品种, 其果形特大、品质优良, 果实桔红 色、味甜、肉厚、籽少,平均单果重 250 g, 最大单果重800 g。 航天育种番茄品种M1、M2 中番茄 红素含量均显著高于原亲本，M1 中维生素C含量显著高于原亲本， 接近原亲本维生素C含量的1.5倍。
诱变搭载方式
目前我国空间诱变的搭载方式主要有3种, 高空气球、 返地式卫星和飞船搭载。高空气球的高度一般为 30~40km，停留时间在10h左右。
高空气球
高真空
返地式卫星
空间微重力
飞船搭载
空间辐射
高真空—— 所谓高真空就是指返回式卫星或高
空气球搭载植物种子或植株飞行于近地空间, 在缺氧情况下 进行各种植物飞行搭载处理, 受到空间各种因素, 使植物在高 空和缺氧的特殊环境条件下产生突变,返回地面种植, 选育特 异优良种质或培育新品种。
一、结实率增高，高产、增产效果显著。 二、营养价值提升，如蛋白质含量提高。 三、早熟，节约种植时间。
青椒
孙野青等报道了空间环境对青椒遗 传诱变的研究，发现空间环境处理的 植株叶片，细胞内可见大量的线粒体 和过氧化物酶体，线粒体嵴膜清晰， 多呈杆状，基质中富含核糖体；叶绿 体体积大，电子密度低，片层结构清 晰；线粒体、过氧化物酶体、叶绿体 三者保持靠近位臵；细胞物质代谢旺 盛，光合能力与呼吸强度增高，加强 了营养物质的合成及运输能力，从而 导致果实增大，产量提高。