摘要：
辐射诱变育种是指利用多种射线源（X射线、γ射线、β射线、中子束、离子束、太空环境辐射等）辐照目标作物，创制新种质的一种高科技育种手段。该类育种方法相比于常规育种，能够产生更高概率的可遗传变异，扩大后代优异群体数量，从而更易从表型甚至基因型中筛选出有利变异特征的突变体。目前我国大豆育种技术仍以常规杂交为主，产量水平提升较为缓慢，亟需利用新技术、新方法来提高大豆新品种的产量、品质、抗病性等性状的综合表现，而将辐射诱变应用到大豆育种领域是一种改善品种生产表现的有效手段。从诱变作用机理、诱变源类型、诱变产生的突变体种类等几大方面，梳理了国内外有关大豆的辐射诱变研究成果，以期为今后大豆辐射诱变育种的应用研究提供参考。
关键词：
大豆；辐射诱变；品种选育；突变体
大豆起源于中国，19世纪早期随着航海事业发展，由我国传到美洲大陆，近代在美洲扩展种植，目前已成为世界极为重要的粮食作物之一。大豆在国内用途广泛，作为高营养作物在国内农业生产领域占有举足轻重的地位。由于我国目前仍存在可用耕地面积不足、人口基数大的问题，农作物种植布局策略仍要以保证口粮为先，导致大豆种植面积偏小。2023年数据显示：我国大豆年产量2084万t，进口量却高达9940.2万t，自给率仅有17.3%。国内有限的大豆产能仅能基本满足国内食品加工需求，在饲用、油用等领域需大量进口来弥补产能缺口。同时，国内大豆平均单产水平较低，与世界大豆主产国（美国、巴西、阿根廷）相比，国内大豆平均产量要降低70kg/667m²左右，单产提升速度与世界其他大豆主产国相比存在明显差距。所以挖掘单产潜力，利用有限的耕地面积提升大豆单产水平，并兼顾品质的提升仍是振兴国内大豆产业的首要任务。目前我国在大豆育种研究领域虽然已积攒了大量成果，种植品种经历了多轮的更新换代，品种在多方面均实现了改良提升，但育种方式仍以常规杂交育种为主。单一的育种手段和亲本之间血缘关系存在重叠性等制约因素极大地限制了国内大豆品种在产量、品质、抗病性等方面的提升速度和改良潜力，亟需通过新型育种手段，结合运用现代化科技创造大豆有利性状变异，从种子层面解决目前国内的大豆产业困境。
从20世纪开始，辐射诱变育种已在农业领域得到了较为广泛的应用，且国内外通过辐射诱变已育成了大量植物新品种，提供了可观数量的优异种质资源。对大豆育种来说，辐射诱变也是行之有效的方法，其作为一种人工干预途径，可使植物的突变率提高到3%左右，相比于自然突变率的0.01%要高出100倍甚至1000倍以上。人工诱发的变异范围较为广泛，往往超出一般的变异范围，甚至该变异是自然环境尚未出现或很难出现的新突变体。现有的一系列通过辐射诱变育成的优异品种也证明了此种方式在作物性状改良方面的显著成效，具备性状稳定快、育种年限短的优点。本文梳理了国内现有的有关大豆辐射诱变研究成果，针对诱变作用机理、辐射诱变源、诱变产生的大豆突变体进行分类和概述，以期为今后的大豆辐射诱变育种和相关理论研究提供参考依据。
1 辐射诱变育种作用机理
生物诱变原理主要通过理化因素诱发变异，早在1920年就有学者通过研究证明可通过X射线对植物诱发变异，并在此后通过辐射诱变方法获得了大麦、烟草、棉花等多种农作物突变体。大豆辐射诱变育种研究最早是由苏联科学家于20世纪30年代开展，该学者利用X射线对大豆子粒和花期植株进行辐照处理，从而获得突变体材料。我国大豆辐射育种研究起步于20世纪50年代，国内学者通过对大豆子粒进行X射线照射，初步探究了适宜辐射剂量和辐射后代群体的相关农艺性状表现。该类育种方法旨在通过人工干预，对育种材料采用电磁、离子等辐射诱变方式，提高基因重组概率，进而诱发植物产生遗传基因突变，创制新的种质资源类型。其作用机理可从细胞水平和分子水平上进行解释，辐射诱变在细胞水平上可导致染色体畸变，畸变特征可在辐射对象细胞的有丝分裂和减数分裂期观察到，高能量的放射源诱发染色体的数量和结构异变，从而导致单倍体的产生，也可导致细胞染色体的断裂。在分子机理层面，辐射诱变产生的效果主要体现为DNA的损伤和修复、碱基缺失等，效果累加导致的基因突变。辐射能激活释放原子的内层电子而使原子离子化，进而可与其他原子和分子结合而引起共价键断裂，导致DNA链断裂，经自我修复仍不能恢复到原状就会产生突变。其基因突变类型可分为碱基突变型和片段删除型，除DNA数量和结构变异外，还存在DNA甲基化变异、转座子和反转录转座子变异。
2 辐射诱变源的选择
目前国内外在大豆诱变育种领域所采用的辐射诱变源主要分为60Co-γ射线、X射线、中子束、离子束和空间诱变等。
2.1 射线诱变
以X射线为代表的射线诱变应用较早，且20世纪早期辐射诱变材料多通过X射线辐照获得。随着钴源辐照设备的成熟，60Co-γ射线逐步取代X射线成为应用最广泛的辐射处理方法，其具有操作简单、成本低等优势，该类射线穿透力强、波长短，放出的带电粒子使物质内部发生电离或激发，从而形成正负离子或激发态原子，该类离子和原子与周围大分子核酸和蛋白质发生反应，易改变物质内部分子结构，使得遗传物质结构产生变异。照射方式可分为内照射和外照射，内照射是指将放射性核素放入生物体内进行射线照射，外照射是指将诱变材料置于辐照外部环境下进行射线照射。也可将射线辐射分为急性照射和慢性照射，急性照射时间较短，通常只有数小时，短则几分钟即可完成，慢性照射通常需要数天、数月甚至更长时间。
2.2 中子诱变
中子属于高传能线密度的电离辐射（LET），相对生物效应（REB）较高，具有电离密度大、能量高的特点，已有研究表明，中子具备的REB是X射线的数十倍，且穿透力强，相比于X射线、60Co-γ射线辐射诱变率更高。中子本身不带电荷，需要与物质进行相互作用产生次级电子，从而使物质电离。目前国内外学者们利用该诱变源已针对豆科、禾本科等多种粮食作物进行了诱变处理工作，获得了数量可观的突变体材料，此外，针对棉花、苜蓿、花卉等经济作物的中子诱变研究也积累了一定的成果。
2.3 离子束诱变
20世纪80年代低能离子注入技术开始在国内植物诱变育种领域得到应用，植株可在较大剂量的离子束辐照环境下保持较高的成活率，从而增加诱发突变体的概率。高能重离子束诱变在穿过生物介质时，能够引起DNA单链或双链断裂，以及碱基的突变、缺失，其辐射变异概率比60Co-γ射线高10倍左右。研究表明，电离辐射（LET）值越高，会诱导出更复杂的DNA双链断裂。离子束诱变育种的对象目前以水稻和小麦居多，关于大豆的应用研究较少，国内学者利用碳离子束和氮离子束辐照大豆，对有关农艺性状的变异进行了初步探究。有研究发现，通过氮离子注入大豆抗疫霉菌，得到的突变菌株对大豆疫病的防治效果显著提升。
2.4 空间诱变
空间诱变是利用返回式卫星搭载诱变种子或其他材料，利用太空中具备的微重力、缺氧、时变电磁场、真空环境以及高能粒子等物理诱变因素促使供试材料发生变异，进而产生植物突变体的一种方法。我国至今已通过空间诱变途径对70余种植物、500多个品种的种子进行了处理，并育成了一批高产、优质、多抗作物新品种。
3 辐射诱变产生的大豆突变体类型
由于辐射诱变产生的变异具有较大的不确定性，导致其后代材料可产生多种类型的突变体，针对现有的大豆辐射诱变突变体研究成果，可从以下几个方面对大豆突变体的变异特征进行概述。
3.1 表型性状的变异
诱变材料最直观的变异特征往往表现在后代群体的表型性状层面，研究表明，物理诱变可诱发不同大豆品种的多种性状变异，但变异也可能对后代材料产生负向影响，导致其后代不育株数量增多。薛柏等利用60Co-γ射线对大豆分别进行不同剂量辐射后发现，高剂量的辐射对M₁的生长发育和产量有显著抑制作用，M₂幼苗形态也会出现诸如多片真叶、子叶折皱等表型变异。产生该类现象的原因可能是由辐射对种子造成的生理损伤引起的，损伤程度随剂量的升高而增强，且不同品种对辐射剂量的耐受程度也有区别，表现为相同剂量下不同品种的发芽率和成活率存在差异。辐射剂量的差异也会影响大豆突变体的突变程度，大豆在株高、茎粗和百粒重等方面的变异可通过不同剂量段的射线辐照去诱发，该类研究有助于探寻获得后代变异群体的适宜辐射剂量。大豆经射线辐照后，后代材料可表现出明显的熟期差异性，从而可筛选出早熟或晚熟突变体。王雪通过碳离子束诱变方法首次获得了卷叶短叶柄大豆突变体材料，富集分析结果表明，突变体的生长素与碳水化合物的信号传导途径被抑制，通过BSA-Seq分析，选定了几个特定染色体的目标基因区域，并从中筛选出了81个含有突变位点的有效基因。郭建秋等利用航天搭载和离子注入两种辐射诱变方式，对同一品种大豆进行处理，发现两种方法均能产生多小叶、矮秆、圆叶等表型性状突变体，考虑到成本因素，采用碳离子束诱变方式的经济性更好。
3.2 营养品质含量的变异
有关研究发现，辐射诱变诱导大豆品质性状的变异也能够起到显著效果，并已能够应用到品种选育过程中。在现有大豆品质方面的诱变研究中，以60Co-γ射线作为辐射诱变源的居多。对大豆进行适宜剂量的60Co-γ射线辐射，可在提早后代熟期的同时，实现子粒蛋白质含量的提升。辽宁省农业科学院分别利用高蛋白品种和高蛋白品系作为父母本进行有性杂交，对杂交F₂进行60Co-γ射线处理，发现M₁群体中高蛋白低脂肪后代类型所占比例最高，且部分后代材料具有明显的超亲优势，蛋白含量较亲本得到进一步提高。黑龙江省农业科学院佳木斯分院利用美国大豆种质Hobbit与含有Hobbit血缘的自育大豆品种合丰42进行高代回交，对杂交F₂进行辐射诱变处理，成功创制出了高油、高产、抗病大豆新品种合丰57，该研究机构也曾利用辐射诱变技术培育出多个高油大豆品种。吴春雷等选用黑龙江省极早熟大豆品种为供试材料，通过60Co-γ射线处理，在M₃材料中鉴定筛选出蛋白质与油分含量较对照明显偏高的材料15份，同时也获得了一批在农艺性状和育性方面具有明显变异的材料。此外，航天搭载和中子照射也可诱发大豆品质性状的变异。中国农业科学院作物科学研究所选用3个大豆品种，经育种卫星航天搭载，发现太空环境可诱导11S蛋白亚基和Kunitz胰蛋白酶抑制剂（SKTI）基因发生变异，从而改良大豆品质性状。黑龙江省农业科学院大豆研究所通过热中子照射创制出了多个高蛋白大豆突变系材料，其中在M5筛选出的3个突变品系，更是集合了高蛋白、抗病、早熟等多种优点，进一步丰富了北方春大豆种质资源库。
3.3 分子水平的变异
辐射处理后的植物若后代出现变异特征，则与其DNA的变异存在直接关联。辐射引起的DNA变化是多方面的，例如碱基与核糖的变化、DNA链的断裂等。还可导致植物细胞出现染色体桥、微核、易位等染色体失常，进而产生分子水平上的变异。研究发现，γ射线辐照可成为大豆生育期性状变异的诱发因素，该辐射源可导致大豆生育期相关基因的非功能性片段发生缺失突变。此外，太空环境中存在的高能粒子也可使大豆的DNA结构产生变异，从而诱发染色体的变化。由于太空环境的复杂性，多种因素累加更易诱发大豆体内同工酶结构发生诱导变异和基因突变。余丽霞等利用碳离子束辐照大豆种子获得了褐皮大豆突变体，并且在M₂实现了稳定遗传，经随机扩增多态性技术（RAPD）分析得出，该突变体的相关引物条带数量出现了扩增和减少，说明经离子束辐照后在DNA水平上发生了显著变异。王亚琪等运用60Co-γ射线辐照处理大豆，在M₃发现了种皮不完整突变体，经遗传分析测定得出，该性状由单隐性基因控制。冯卓通过比较碳离子束和γ射线对大豆的诱变效应，发现碳离子束诱变方式可导致辐射后代产生更丰富的遗传变异。通过全基因组重测序分析，碳离子束诱发了更高比例的DNA序列结构变异，且能够在有限的染色体局部区域中产生更高的遗传多样性，群体分化性也更强。
4 讨论
辐射诱变育种作为大豆新品种选育的一种科技手段，经实际应用后最终目的仍要落实到提升大豆品种的适应性、抗病性、营养品质、最终产量等关键生产指标上。东北地区是我国大豆主产区，该区域的品种选育单位进行辐射诱变育种的起步时间相对较早。例如铁岭市农业科学研究所于1974年通过60Co-γ射线辐射育成的铁丰18号；黑龙江省农业科学院大豆研究所通过X射线照射农家品种满仓金、从辐射后代选育出的新品种黑农6号等。黑龙江省农业科学院佳木斯分院自1961年开展辐射育种研究以来，已育成大豆新品种和品系10个以上，相关品种采用的辐射诱变方法包括中子束照射、60Co-γ射线照射和航天搭载。除上述单位外，其他育种和科研单位也积累了一定的研究成果，并育成了一批优质大豆新品种，但在大豆辐射育种领域，育种家和育种机构仍将其作为一种辅助的育种手段，仍存在相关育种单位数量少、缺乏领域专业人才等问题，且辐射育种需要借助专业大型仪器设备，空间搭载需要返回式卫星，育种成本明显增加。目前针对植物的辐射诱变机理的有关研究仍存在较多空白，未来要进一步摸清不同辐射源对大豆的诱变机理，探索并完善辐射诱变源对大豆表型性状、生理水平和分子水平方面的诱变机制，增加人工干预的指向性，从而让大豆辐射育种成为一种定向育种方法，能够根据育种目标，精准控制后代材料的有关数量性状表现，最终落实到实际生产应用当中去。（参考文献略）
☞本文来自《大豆辐射诱变育种相关研究进展》
☞作者：赵星棋,岳明昊,王志新,郑伟,李灿东,张振宇,徐杰飞,王象然,郭美玲
☞单位：黑龙江省农业科学院佳木斯分院/三江平原主要作物育种栽培重点实验室/国家大豆产业技术体系佳木斯综合试验站；黑龙江省农业科学院
☞刊于《中国种业》2025年第2期13-17,22页 转载请注明
