激光照射诱变培育粮食作物新品种

随着世界人口的不断增长和耕种面积的不断减少，粮食生产成为世界关注的大课题，利用激光诱变技术可以提高粮食生产量，还能够提高粮食品质。

（一）概况

在一定参数激光的作用下，诱变选育优良的粮食作物品种中，效果比较显著的是小麦、水稻等的育种工作。我国育成的小麦、水稻新品种累计推广种植面积目前已超过8 000万亩，获得了很好的社会效益和经济效益，表4-3列出了我国利用激光诱变技术培育的几种粮食作物新品种。

表4-3　我国利用激光照射诱变培育的几种粮食作物新品种

（续表）

（二）激光照射诱变培育水稻新品种

水稻是世界主要粮食作物之一。稻谷去壳后称大米或米，世界上近一半人口，包括几乎整个东亚和东南亚，都是以大米为主食。我国水稻播种面积占全国粮食作物种植面积的1／4，而产量则占了粮食的一半以上。大米除食用其颖果外，还可制淀粉、酿酒、制醋，稻谷的米糠可制糖、榨油、提取糠醛，供工业生产及制药用；稻秆是良好的饲料、造纸原料以及编织材料；稻谷芽和稻根可供药用。因此，提高水稻的产量和品质意义十分重大。

1．激光照射水稻诱发变异类型

激光诱发水稻发生变异的类型有许多，尤其可以诱发很多有利的变异。激光诱发水稻出现的突变类型主要有生育期突变、株型突变、粒型突变、穗型突变、芒型突变、品质突变、适应生存环境突变等。

1）生育期突变

有早熟性的也有迟熟性突变，旱熟性突变在农业生产上更有实际意义。用IR系中一些品种进行激光诱变后培育出的新品系“激光1号”，比亲本IR24成熟期提早28天，“激光4号”比亲本IR成熟期提早23天，广陆矮4号经激光诱变后培育的“激光2号”、“激光3号”，其成熟期比亲本提早6～7天。

2）株型突变

突变株有比亲本变高的，也有比亲本变矮的。例如，用钕玻璃激光照射广陆矮4号，诱发变异的长粒型突变水稻株，其株高度比亲本提高10．4 cm；用He-Ne激光照射诱变广陆矮4号培育的“激光2号”，其枝高度比亲本矮6～8 cm。其次，突变株的株型有变松散的，也有变紧凑的，当然株型变松散在实际农业生产上利用价值是不大的。

3）粒型和穗型突变

粒型突变的类型比较多，如短粒的变长粒的、小粒的变大粒的、细粒的变团粒的，从而提高了水稻生产的产量。用N2分子激光照射IR24品种，第二代部分株系的谷粒其长、宽、厚和长宽比发生了变化，其变化幅度为：谷粒长度由0．835 cm变长到0．970 cm，谷粒宽度由0．232 cm变宽到0．353 cm，谷粒厚度由0．174 cm变化到0．232 cm，长宽比由2．53变到3．735。远缘杂交水稻品种“3454”经激光诱变后选出的大粒型突变株，其千粒重由原先的24 g提高到44 g；采用CO2激光和He-Ne激光照射诱变迟熟早稻湘矮早9号培育的新水稻品种湘早籼8号，每亩有效穗数普遍达到30万穗以上，每穗实粒数60～65粒，而且谷壳薄、饱满，千粒重为24～25 g。大面积种植一般平均亩产达450 kg左右，高产的亩产在500 kg以上。采用He-Ne激光照射诱变广西壮族自治区当家品种广选3号，培育的新品种“激青”水稻品种，其成穗率、结实率均高于亲本广选3号，千粒重为25～26 g，平均亩产比广选3号增产39．65%。激光诱变后还常常出现穗型变异，对其进行数理统计结果表明，其变异显著。

4）品质突变

经激光照射诱变的当代和突变株的后代，共品质一般都有所提高，其食味好，蛋白质含量提高等。对亲本IR进行激光诱变培育的品种，其蛋白质含量比对照亲本提高29%～41．2%，其第三代的粗蛋白含量仍比对照亲本高28．9%～48．5%；从激光诱变广陆矮4号培育的新品种，其蛋白质含量比亲本提高3%～6．9%。采用He-Ne激光照射诱变广西壮族自治区当家品种广选3号培育的新品种“激青”，改变了原广选3号米质差、出米率低的缺点，米质比广选3号有明显提高，没有或少有腹白，富有光泽；食味好，蛋白质含量比广选3号提高7．5%，精米率比广选3号提高10．6%。

5）适应种植环境突变

激光诱变培育的新品种，其对生长环境适应性更好，抗寒、抗高温性能好，对土壤条件要求放宽，可适应在湖区、山区、丘陵区种植。利用激光诱变培育的水稻新品种“威优激”，在我国北纬22°～34°地区，海拔数十米至1 070 m高度之间都可以种植；其次是耐肥抗倒能力增强，在高肥条件下不疯长，茎秆纤维素发达而不易倒伏；同时有较强抗稻瘟病和纹枯病能力；抗高温性能也很好。

2．照射诱变培育的水稻新品种

利用激光照射诱变已经培育了不少水稻新品种，下面给出几个例子。

1）湘早籼8号

这是先后采用CO2激光和He-Ne激光照射诱变迟熟早稻“湘矮早9号”培育的新水稻品种（见图4-1），其主要特点是：①产量高，增产潜力大。每亩有效穗数目普遍可以达到30万穗以上，每穗实粒数60～65粒，谷壳薄而且饱满，千粒重为24～25 g。大面积种植一般平均亩产在450 kg左右，高产田的亩产在500 kg以上。②株高适当，一般在87 cm左右；茎秆细韧抗倒伏，分蘗力强，后期叶青籽黄。③米质为中上等，食味好。④属典型中熟早稻，平均生育期109．3天，适合与晚稻配套种植。⑤生长环境适应性好，抗寒抗高温性能好，对土壤条件要求不严，可在湖区、山区、丘陵区种植；耐肥抗倒能力强，在高肥下不疯长，茎秆纤维素发达，不易发生倒伏。⑥综合性状较好，抗稻瘟病和纹枯病，后期有抗高温能力（但抗白叶枯病能力弱）。

图4-1　湘早籼8号

2）湘早籼21号（原名湘辐92-1）

这是湖南省原子能农业应用研究所利用射线与He-Ne激光复合诱变水稻湘矮早7号干种子，经多代选育而育成的早熟籼稻新品种，1996年2月通过湖南省农作物品种审定委员会审定，并命名为“湘早籼21号”。

1993年以来，该品种经在省内多点试验、省区试验种植、生产种植及较大面积种植，均表现出如下特点：①性状稳定、产量高。穗长16～20．5 cm，每穗总粒数75粒左右，每穗实粒数65粒左右，结实率86%，千粒重约23 g。1994，1995年进行省区早熟稻组试验，两年平均产量为6 000 kg／km2左右，最高产量达7 200 kg／km2。②米质较好。糙米率80．6%，精米率73．7%，整精米率70．3%直链淀粉含量25．11%，蛋白质含量12．52%，达省标3级或农业部部标2等优质米。③抗性好。苗期耐寒性强，中期抗稻瘟病，在稻瘟病区未发现其患稻瘟病，还有抗白叶枯病、纹枯病。

3）威优激水稻

这是由激光诱变培育的“激光4号”与籼型不育系V20杂交培育的水稻新品种，1982年经陕西省农作物品种审定委员会审定为合格的杂交稻新组合，并于1983年命名为“威优激”，其主要特点是：

（1）早熟。在我国南方它作为早稻种植，全生育期121～127天；在我国双季稻区它作为晚稻种植，全生育期109～115天。

（2）适应种植范围宽广。在我国南方可作杂交早稻种植，包括在江西赣州、湖南郴州、广西桂林以南地区种植；在我国北方可作麦茬杂交稻种植，包括在河南、江苏、安徽、湖北、四川等稻麦两熟地区种植，可以在中稻区包括湖南、湖北、江西、浙江、福建等省的双季稻区作中熟二晚杂交稻种植。合适种植地域范围广，从北纬22°（广东湛江）～34°（陕西户县）地区，以及在海拔数十米至1 070 m高度之间地区，基本上都能适应种植。

（3）产量高。作中稻种植，株高大约100 cm，每穗总粒数为133～151粒，结实率80%～85%，千粒重28～29 g；作二晚稻种植，其株高平均85．8 cm、穗长平均23．3 cm，每穗总粒数平均113粒，穗实粒平均80粒，千粒重29～30 g。其根群发达，吸肥力强，株型紧凑，剑叶直立，分蘗早而集中，抽穗快而整齐，成穗率较高（70%左右），后期落色较好，抗倒伏性能好，属于大粒型品种，只要有效穗数达到18万～20万，一般容易达到亩产千斤，最高亩产达1 600斤（陕西省周至县）。制种产量高，最高亩产达550．2斤。

（4）抗性好。在苗期能够抗寒，在生育期能够抗旱，特别是抽穗扬花期有较好的耐高温性能；对穗颈稻瘟和白叶枯病均有中等抗性。对细菌性条斑病也有比较好的抗性。

（三）激光照射诱变培育小麦新品种

小麦是三大谷物之一，其颖果是人类的主食之一。把它磨成面粉后可制作面包、馒头、饼干、面条等食物；发酵后可制成啤酒、酒精、白酒（如伏特加）等。小麦富含淀粉、蛋白质、脂肪、矿物质、钙、铁、硫胺素、核黄素、烟酸、维生素A及维生素C等。

小麦也是我国最重要的口粮之一。我国人口众多，保障国家粮食安全始终是治国理政的头等大事，采用新技术，提高小麦产量和品质是科学家的重要任务之一。与前面介绍的水稻情况一样，利用激光照射能够诱发小麦较多的有利变异，并培育出小麦新品种，已经培育出冬小麦新品种有小偃6号、浙麦3号、浙麦4号、秦麦6号、特大穗1706、鲁麦4号、鲁麦6号、鲁麦20号等，它们的产量和一些品质性能都超越了原品种。(www.zuozong.com)

1．激光照射诱变小麦的生物学效应

激光照射诱发小麦变异，使其生长发育、数量性状、小麦间期细胞中微核、酯酶同工酶等产生变化，诱变效果与小麦品种属性、使用的激光波长和照射剂量等有关系。

1）小麦生长发育变化

经激光照射处理的小麦种子，其发芽率、种植后的分蘖、成熟期等均出现变化。不过，其变化有不同的表现，发芽率有变高的，也有变低的；有促进分蘖情况也有出现抑制分蘖的情况；有成熟期较亲本提早的也有延后的。产生变化的方向与照射的激光剂量有关，以He-Ne激光照射不同品种小麦种子来说，实验结果是这样：激光照射5 min的这组小麦种子中，有4个品种的有效分蘗数均增加；照射10 min这组中有3个品种的有效分蘗数均减少。这个试验结果显示，激光辐射时间长将抑制分蘗，照射时间短则有促进分蘗作用。不同小麦品种对激光照射剂量的反应不同。照射剂量不足，发生变异的效果不明显；照射剂量太高则出现抑制作用；当使用的照射剂量适中时变异效果最好。

2）小麦数量性状变化

激光照射处理过的小麦种子，种植后的株高数值、单株穗数、有效小麦穗数，穗粒数、穗长、千粒重、籽粒饱满度等发生变化，其变化方向和量值与照射激光波长、照射剂量以及小麦品种的种类有关。用CO2分子激光、He-Ne激光、N2分子激光、Ar离子激光等照射处理不同品种小麦种子的结果显示，这4种波长的激光均能提高冀麦18和冀早15的株高，但冀麦7号的株高则发生降低。对于冀麦18和冀早15的种子，采用N2分子激光照射的诱变效果较好，其单株小麦穗数、有效小麦穗数、穗粒数及千粒重等均超过了亲本。对冀麦7号采用N2分子激光照射的诱变效果不理想，而采用He-Ne激光照射诱变效果则是好的，激光照射小麦种子5 min，10 min诱变结果显示，单穗小麦平均重量比对亲本的增加11．9%～38．58%，穗长、籽粒数、千粒重、小穗数、籽粒饱满度等都比亲本高。

3）小麦间期细胞中微核率变化

微核率高低与染色体畸变率呈正相关，它可以准确地反映出外界因素对遗传物质的损伤程度。用15 W的CO2分子激光照射小麦种子1 min，其微核率高达3．99%。

4）酯酶同工酶变化

激光照射小麦种子有提高酯酶活性的作用，在当代生长中酯酶同工酶带比亲本增加20%～46．7%。不同激光波长产生的效果不一，以CO2分子激光照射的酶带增加最多，其次是N2分子激光。

此外，对激光诱变小麦的属间杂交研究结果显示，通过远缘杂交所获得种子的结实率比亲本提高75%～225%，籽粒饱满度超过亲本，并在第一代植株中获得了染色体自然加倍的双二倍体。因此，利用激光诱变，对改进小麦远缘杂交结实率低，饱满度差等问题有很大帮助。

2．照射诱变培育小麦新品种

1）鲁麦4号

这是山东菏泽地区农科所在于1977年对70-4-92-1小麦种子进行激光照射诱变，经多年选育而成的。1983年11月经山东省农作物品种审定委员会审定，定名为鲁麦4号，并在山东省中部、南部和西南部作为晚茬麦推广种植。它既适用于麦棉、麦稻一年两熟种植，也可作为一般麦田种植，其主要特性是：

（1）长势良好。幼苗生长势强，植株整齐健壮，分蘖属于中上，株高适中，成熟早，一般10月中、下旬播种，来年5月底成熟，全生育期220天左右。

（2）抗性好。茎秆有弹性，抗倒伏能力较强，耐旱，抗干热风；抗条锈和秆锈病、轻感叶锈病和白粉病。

（3）产量高。成穗率高，穗大整齐，千粒重42 g左右，平均亩产710斤。

2）秦麦6号

这是陕西省农科院粮食作物研究所1977年秋用氦-氖激光照射76（36）Fl（郑引1号X山前麦第一代）风干种子，经4年选育而成的新品种，1985年经陕西省农作物品种审定委员会审定正式通过，并定名为“秦麦6号”（原代号77L，5，见图4-2），其主要特点是：

图4-2　秦麦6号

（1）综合抗病性好。经陕西省植保所多年抗病性鉴定，对赤霉病、叶枯病也表现高抗性，在1985年关中地区锈病中度流行、赤霉病严重的情况下，这里大面积种植的小亿6号、阿勃及正在示范试验的新小麦品系，不同程度感染锈病，赤霉病病穗率达50%，而秦麦6号没有感染锈病，叶子穗部干净利落，落黄好。其次是植株生长整齐，抗倒伏性能好，抗青干、耐干热风。

（2）品质好。经陕西省产品监检所分析测定，其蛋白质含量16．04%，赖氨酸含量0．35%，脂肪含量2．01%，面筋率32．70%，而其亲本小亿6号的蛋白质、赖氨酸、脂肪、面筋率分别为14．38%，0．42%，1．50%和2．96%。

（3）产量高。穗长9 cm左右，穗粒数一般40～50粒，千粒重45 g左右，一般亩产600～900斤，平均亩产量703．8斤，比亲本小亿仑号或阿勃增产10%～30%。

（4）种植适应性强。可在旱坡、山丘陵区种植，并且也能获得增产，平均亩产592．2斤，一般产量500～800斤，比对照品种绵阳11号或阿勃增产19．9%。

3）浙麦3号

这是浙江省农科院原子能研究所在1977年用CO2激光照射E70种子经5代选育而成的，它保持了亲本的早熟特点，并克服了亲本的早衰严重、籽粒不饱满、产量不高的弊病，变成具有早熟、丰产和抗病性好的新型小麦品种，其主要特点是：

（1）早熟高产。浙麦3号全生育期180天，成穗率高，穗大粒多，一般每穗实粒数为35粒以上，千粒重40 g左右，平均亩产250～300 kg，高的达400 kg以上。1984—1985年浙江省26个区试验种植点的结果显示，除3个试验种植点减产外，其余23个试验种植点都有不同程度的增产，增产幅度为0．53%～34．7%，平均增产15．23%。

（2）种植适应范围较广。可在高产平原区种植也可在棉麻区以及黄土丘陵等地区种植，并能够获得高产。

（3）品质、食味较好，适合食品加工需要。该品种麦粉粗蛋白含量为13．76%，面筋延伸力23%，弹性强，面筋率24．2%。

4）鲁麦6号

这是山东德州地区农科所于1977年采用CO2激光、以70-4-92-1为亲本作激光诱变，经多年选育而成，在1984年10月经山东省农作物品种审定委员会审定，定名为鲁麦6号，并作为鲁北、鲁西北、鲁中的晚播早熟小麦品种。一般在10月中、下旬播种，来年5月底成熟；10月上旬播种，来年6月26日左右成熟；11月l日播种，来年6月8～9日成熟。全生育期220天左右。

试验、示范种植结果显示，鲁麦6号是一个晚播早熟，耐轻度盐碱，抗倒伏，落黄好，对秆锈病免疫，抗条锈、轻感叶锈和白粉病品种。它既适于麦棉间、套，又适于麦粮（稻）、麦油、麦菜一年两熟种植。

在产量上它属于高产量品种，1983年山东省晚播早熟品种联合区域试验中，9处试点平均亩产607．4斤，1983—1984年山东省晚播早熟品种联合区域试验中，10处试点平均亩产618．3斤；1982—1983年在轻盐碱地上进行品种试验，亩产分别为553斤和611斤。

有关部门对其品质的检测结果显示，蛋白质含量为13．33%～14．75%，最高16．19%，籽粒中的赖氨酸含量为0．34%～0．4%。