一、輻照育種簡介
輻照育種是誘變育種的一種方法，最近50年才興起。利用電離輻射處理生物，以誘發突變，從中選出優良變異個體，通過一系列育種程序，培育出新品種，是核技術在農業方面的一個重要應用。輻射育種可以打破原有基因鏈，克服遠緣雜交不親和性,有利于基因重組，變異頻率提高，變異范圍擴大，變異穩定，育種年限短。下圖是普通橘子輻照育種的無籽橘。
輻照育種的基本步驟是：選擇誘變親本、確定照射劑量、種植與選擇種子植物誘變材料、鑒定種子繁殖植物優良突變體。可利用的電離輻射有X射線、γ射線、β射線、紫外線、中子、質子以及重離子等。1934 年印度尼西亞的 Tollenear M. D. 用X射線處理育成了煙草優良新品種, 這是世界上第一個用輻射誘變育成的植物新品種[1]。到 20 世紀 50 年代以后 ,輻射誘變育種研究在美、蘇、日和西歐一些國家較多地開展起來。50 年代后期，中國農科院、浙江大學等國內單位也開始進行這方面的研究工作[2]。到2020 年5月，IAEA登記在冊的全世界利用輻射育種技術育成作物品種已達3332個，其中中國大陸育成的品種有828個，占了四分之一[3]。育種的植物種類分布如下：
二、輻照射線選擇
傳統輻射育種主要選擇γ射線，這是因為產生γ射線的鈷源可以在反應堆中大量生產成本低，易于獲取，同時還便攜移動，便于種子輻照和整個生長期株苗輻照。隨著我國加速器和核科學的發展，一些單位逐漸開展中子、質子以及重離子的輻照育種研究。
中子不與原子的電子相互作用，而是使原子核激發后放出β、γ射線，它們的次級的輻射作用產生生物學效應。中子特別是快中子的相對生物學效應比γ射線的相對生物學效應高，因此中子引起的生物體變異頻率就有可能比γ射線引起的高，可能會出現更多有利于育種的突變[4,5]。質子和重離子屬于高傳能線密度(1inearenergy transfer，LET)輻射，比低LET輻射的γ和電子束流等射線能誘導更多的染色體畸變和非重接性DNA雙鏈斷裂，誘變效率要高10倍[5,6]。因此相比γ和電子束等射線，中子、質子/重離子等射線的輻照育種研究成為有條件的單位的優先選擇。
輻照育種的射線劑量要足夠的高，保證足夠的突變率，但是不能太高導致大部分被輻照樣本死亡，也就是射線劑量要保證M1代足夠成活率和M2代較高的突變率和較多有益優良突變。通常采用LD50原則，也就是M1代植株死亡50%對應的劑量。不同植物不同生長期對輻射敏感性不同，不同射線和能量的LD50對應的劑量不一樣。鈷源輻照水稻的LD50一般為幾萬倫琴，鈷源輻照大豆LD50在0.8～1.2萬倫琴;熱中子輻照大豆引變通量密度在5×1011/cm2～1012/cm2較為合適。
三、 輻照育種方法
植物組織或種子經過輻照后需要通過雜交方法進行育種。雜交育種前提是知道植物的倍性，因此在輻照前需要對該植物進行進行倍性檢測。比如豆科植物有18%是多倍體，也就是說，大部分是單倍體，可用間接法和直接法進行研究。間接法包括形態學觀察，細胞學觀察;直接法是對染色體直接進行觀察。流式細胞檢測也是一種較為常用的檢測染色體工具，主要由四部分組成：流動室和液流系統;激光源和光學系統;光電管和檢測系統;計算機和分析系統，可以快速測量、存貯、顯示懸浮在液體中的分散細胞的一系列重要的生物物理、生物化學方面的特征參量。
雜交育種一般進行3代。首先是輻照后開始M1代培育，M1代突變有利基因自交培育M2代，M2代選擇優系雜交培育M3代。下圖是輻照誘變后雜交育種流程圖。
在育種過程中，需要調節開花期，控制授粉，并進行授粉后管理。雜交有單交和復交，其中單交有正交和反交，復交則涉及三個或三個以上親本，需要進行兩次以上雜交。雜交后代需要通過譜系法來選擇，M1選擇優良單株，M2選擇優良系統;M3促進系統穩定。
四、 快中子輻照育種
中子不帶電，與帶電粒子相比它可以更加深入物質內部，中子在細胞內有兩種反應：一種是直接與氫核碰撞，另一種是與其它更重的核反應。中子與氫核反應主要是慢化和轟擊產生自由基，與重核反應會產生伽馬射線和帶電粒子，進而在細胞內對細胞核DNA進行轟擊。中子誘變會引起遺傳變異、基因缺失和易位。快中子誘變已經成功用在了在大豆、大米、苜蓿、花生、百脈根等植物的育種。它在所有輻照育種中最為獨特，通常產生幾個到數百萬個不可修復的堿基缺失。能夠高效的產生新的基因庫，因此快中子輻照育種也用在基于突變映射的下一代基因測序中。Belfield等人發現快中子誘變在嘧啶二核苷酸位置有更高的轉換速率，意味著在殘留的毗鄰嘧啶建立共價鍵。早期中子誘變主要是正向遺傳學研究，現在也用于反向遺傳學，快中子隨機刪除的基因庫可以提供不可替代的反向遺傳學基因組資源。
不同作物的LD50對應中子輻照劑量不同，目前大多數作物的LD50劑量都在幾個Gy~100Gy范圍。比如鼠耳芥是60Gy，大豆是4~32Gy，大米20Gy，苜蓿30~40Gy。下表是快中子輻照大豆選種不同子代的變異比例[7]。
參考文獻
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