輻照可用于生產(chǎn)具有更高品質(zhì)的植物品種，例如更高的產(chǎn)量、更短的栽培時間或?qū)夂蜃兓⒓膊??和其他壓力源的抵抗力(信息圖：Adriana Vargas/IAEA)

植物突變育種，又稱變異育種，是利用物理輻射或化學(xué)手段，誘導(dǎo)植物自發(fā)遺傳變異，開發(fā)出新的農(nóng)作物品種的方法。“突變”是大多數(shù)遺傳變異的來源和進化的動力。這是一個自然過程，在人、植物、動物和所有生物中自發(fā)而緩慢地發(fā)生——經(jīng)過幾代人。它涉及改變它們的DNA，導(dǎo)致生物體內(nèi)發(fā)生變化。可以通過化學(xué)或物理方法(例如使用輻射(或“輻照”))加速突變，以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)等有用的特性。

輻照可用于生產(chǎn)具有更高品質(zhì)的植物品種，例如更高的產(chǎn)量、更短的栽培時間、對疾病、害蟲和氣候變化影響(如極端天氣事件)的抵抗力。這些植物品種的種植和推廣有助于使全球糧食生產(chǎn)更加穩(wěn)定，并滿足農(nóng)民的需求，特別是在最易受氣候變化影響的發(fā)展中國家和地區(qū)。

使用輻射培育的植物品種與通過常規(guī)或標(biāo)記輔助育種開發(fā)的品種同樣安全，因為輻射不會傳遞給培育品種的后代。因此，植物可以繁殖多代以達到最佳效果，而不會受到損害或產(chǎn)生放射性。在過去的 100 年里，世界各地種植了許多通過突變育種開發(fā)的作物品種。看看保加利亞、中國、古巴、烏干達和其他國家的一些例子。

如何利用輻射使植物進化得更快?

突變育種使用在植物育種過程開始時誘導(dǎo)的遺傳變異來快速培育大量改良作物，這些作物可以進一步培育，直到達到預(yù)期的結(jié)果。這賦予了突變育種方法許多比較優(yōu)勢：它具有成本效益、快速、經(jīng)過驗證和穩(wěn)健，以及可轉(zhuǎn)移、普遍適用、無害和環(huán)保。此外，它經(jīng)受住了時間的考驗——幾十年來，這種自發(fā)的遺傳變異已經(jīng)在實驗室中通過輻射誘導(dǎo)出來。

暴露于輻射會導(dǎo)致 DNA 發(fā)生變化，將突變率提高 1000 到 100 萬倍，從而能夠更有效地培育植物并在更短的時間內(nèi)產(chǎn)生更多的作物變異。例如，2021 年，孟加拉僅用了 5 年就開發(fā)出一種農(nóng)藝性能和纖維質(zhì)量都得到改善的棉花新品種。

突變育種科學(xué)有兩個維度：突變誘導(dǎo) 和突變選擇。

突變誘導(dǎo)

馬來西亞的伽馬溫室，繼續(xù)用于植物輻照(照片：美國駐維也納國際組織代表團)

突變誘導(dǎo)是通過生物、化學(xué)或物理因素加速自然自發(fā)突變以改善植物所需或目標(biāo)特性的過程。這些包括但不限于病毒和細菌(生物)、抗生素和烷化劑(化學(xué))或暴露于電離輻射(物理)。植物種子最常被輻照以誘導(dǎo)突變。然而，對于某些實驗，整株植物、幼苗或僅植物的一部分——花粉、孢子或植物的莖——都受到輻照。如果產(chǎn)生的突變沒有被細胞自身的修復(fù)機制消除，就會產(chǎn)生可遺傳的突變。具有最有希望的突變的植物會被進一步培育，直到研究人員得到一個可以滿足農(nóng)民需求的顯著改進的變種。

通常，科學(xué)家使用鈷 60 放射源或 X 射線機等特定技術(shù)進行植物輻照，因為伽馬射線在過去幾十年中一直是最常用的誘變劑。其他類型的輻射，如α 和 β 粒子、快中子或紫外線也可用于植物突變誘導(dǎo)。離子束輻射和宇宙輻射也越來越多地用于此目的，以探索這些方法與其他類型輻射相比的優(yōu)勢。

突變選擇

印度尼西亞國家核能機構(gòu) (BATAN) 的研究人員使用輻照來誘導(dǎo)作物的基因改變，然后選擇具有新的有用性狀的植物(照片：Yustantiana / BATAN)

突變體選擇是識別通過輻照誘導(dǎo)突變得到改良的植物的過程。突變發(fā)生的頻率如此之低，以至于必須對大量種子進行輻照、生長和培育，直至產(chǎn)生理想的性狀。這個過程所花費的時間各不相同，因為突變種群的開發(fā)和分析通常具有數(shù)千個個體植物，是一項艱巨的任務(wù)并且取決于作物。

識別和選擇具有改良性狀的植物新品種的過程包括兩個主要步驟：篩選和驗證。篩選和驗證新作物品種的可見和易于評分的特征，例如早花或矮身高，是簡單的。其他不易識別的特征需要開發(fā)和應(yīng)用專門針對目標(biāo)特征的篩查程序，例如水培或疾病篩查中的耐鹽性。

在空間中誘導(dǎo)突變：空間如何影響植物生物學(xué)?

原子能機構(gòu)和糧農(nóng)組織利用輻射誘發(fā)的遺傳多樣性探索氣候變化下作物改良的前端技術(shù)，包括空間誘變(信息圖：Adriana Vargas/IAEA)

太空可以被認為是最惡劣的生長環(huán)境，因為太空中的種子、植物和植物材料會受到宇宙輻射和微重力的影響。另一方面，宇宙射線可以幫助產(chǎn)生突變，使植物品種更能適應(yīng)地球上的條件，由于氣候變化和其他壓力因素，地球上的條件正在惡化。

空間誘變，是一種利用宇宙射線在外太空誘導(dǎo)自發(fā)突變的方法。科學(xué)家們通常將植物種子送入太空，然后在它們返回地球后進行生長、篩選和培育。與傳統(tǒng)的突變育種一樣，科學(xué)家們試圖找出具有最有用性狀的植物，以及那些可能比更傳統(tǒng)的作物品種更具優(yōu)勢的植物。小麥、大米和棉花已經(jīng)進入太空。

此外，宇宙射線和微重力影響植物生物學(xué)本身。天體植物學(xué)研究出于不同的目的正在探索這一點——以確定在太空中種植植物的最佳方式。

國際原子能機構(gòu)的作用是什么?

國際原子能機構(gòu)與糧農(nóng)組織合作，協(xié)助各國開發(fā)和應(yīng)用突變育種技術(shù)，以加快其品種開發(fā)的育種進程。

位于奧地利塞伯斯多夫的原子能機構(gòu)植物育種實驗室是全球核誘變中心，各國可以將其種子、植物插條或幼苗送到實驗室接受輻照和專家指導(dǎo)，以改進作物育種方法。

原子能機構(gòu)的突變品種數(shù)據(jù)庫記錄了各國自愿提供的新品種。目前，它涵蓋了來自 70 個國家的約 3400 個品種，涵蓋了 200 多種不同類型的農(nóng)作物。

糧農(nóng)組織/國際原子能機構(gòu)糧食和農(nóng)業(yè)核技術(shù)聯(lián)合中心利用輻射誘發(fā)的遺傳多樣性(包括空間誘變)探索氣候變化下作物改良的前端技術(shù)。