重離子束是一種新型育種誘變劑，相比于其他誘變源，重離子具有較高的傳能線密度(Linear Energy Transfer，簡稱LET)和生物學(xué)效應(yīng)(Relative Biological Effectiveness，簡稱RBE)，可以在較高的存活率下獲得相對(duì)較高的突變率和較寬的突變譜，由此創(chuàng)造優(yōu)異的突變體。碳離子束作為重離子束中的一種，在中草藥、高粱、小麥和花卉等作物育種中應(yīng)用較多，并且產(chǎn)生了較好的誘變效果，但在大豆上應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道較少。

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員張秋英團(tuán)隊(duì)與中科院近代物理研究所合作，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS計(jì)劃)和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助下，以不同劑量碳離子束輻照大豆種子構(gòu)建了篩選群體，在表型水平和生理水平探討了碳離子束輻照大豆的誘變效應(yīng)，并以Seq-BSA混池測序結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序的方法進(jìn)一步對(duì)篩選獲得的特異性大豆卷葉短葉柄突變體(rlsp1)進(jìn)行了分子機(jī)制研究。該研究發(fā)現(xiàn)，碳離子束輻照誘變大豆可以誘發(fā)類型豐富的變異，包括株高、生育期、品質(zhì)性狀籽粒大小、抗倒伏以及產(chǎn)量等變異，同時(shí)結(jié)合表型變異、生理指標(biāo)、出苗率和成活率等，提出120Gy(80Mev/u)是碳離子束輻照誘變大豆中比較合適的輻照劑量。對(duì)突變體rlsp1的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，葉柄韌皮部結(jié)構(gòu)的異常發(fā)育、生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的抑制、微管和碳水化合物代謝的相關(guān)途徑與rlsp1的形成密切相關(guān)，并且在3、6、8、13和17號(hào)染色體上定位了10個(gè)候選區(qū)域，總共6.47Mb，包含790個(gè)基因，研究認(rèn)為，Glyma.03G128600作為擬南芥BOP(BLADE ON PETIOLES)基因的直系同源基因，可能是引起rlsp1變異的關(guān)鍵候選基因。該研究對(duì)促進(jìn)碳離子束輻照誘變在大豆育種中的應(yīng)用以及大豆短葉柄和卷葉性狀的基因定位研究具有重要意義。

在碳離子束輻照誘變大豆機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用碳離子束輻照誘變育種和雜交育種結(jié)合的方法，選育了中科毛豆3號(hào)和中科毛豆4號(hào)兩個(gè)品種，并全部轉(zhuǎn)讓給企業(yè)銷售，在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用推廣，明顯提高了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，對(duì)農(nóng)民的脫貧致富及大豆產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

該研究結(jié)果發(fā)表在Agriculture和Journal of Plant Biology上。

論文鏈接：1、2

 

圖1 碳離子束輻照誘變大豆獲得的典型突變體

 圖2 大豆卷葉和短葉柄的形成的生理和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型