什么是诱变育种？
物理诱变是利用超声波、高温、激光、各种射线等物理因素诱导生物变异的方法，其中辐射育种应用最为广泛。
第一，辐射育种
辐射育种是用辐射照射植物种子、幼苗、花粉或营养体，引起遗传变异，通过人工选择培育新品种的方法。
辐射繁殖射线按性质可分为电磁波辐射和粒子辐射。前者常用x射线、γ射线和射电微波；后者带有α和β射线，不带中子。上述射线中，中子射线的诱变率最高，β射线次之，γ射线和X射线更低。但由于辐射源、设备条件、安全等各种原因，目前最常用的还是γ射线。
辐射之所以会引起变异，是因为生物体内的分子或原子被电离辐射直接或间接电离和激发，生物组织内的化学键会被打破，从而改变分子结构或化学活性。有些射线，如中子，也能与某些元素发生反应，或者由于放射性元素的衰变，在有机体内加入了新元素，改变了原有分子的组成。再者，生物细胞中大量的水，在电离作用下，产生强烈的氧化还原反应，改变新陈代谢，从而产生变异。
(一)药用植物辐射育种的发展
自从1895年伦琴发现X射线，1896年贝克雷尔发现天然放射性物质后，生物学家开始用电离辐射研究微生物、昆虫和药用植物。1921年，Blakesles首次对曼陀罗种子进行辐射，获得了各种形态突变体。20世纪70年代后，Michalski对毛地黄进行了辐照。剂量为20kR，获得了有效成分含量高的菌株。Parimoo处理了萝芙木种子。用X射线检测，突变体生物碱含量特别高。Deril等人辐照了一叶萩的种子。-Arg。用γ射线诱变，筛选出一叶萩的突变株。-arg。产量高。Getsadze利用10—11kR γ射线辐照罗勒种子，获得的突变体不仅精油含量高，而且具有抗尖孢镰刀菌的能力。
我国辐射育种始于1957。目前，我国几乎每个省、市、自治区都安装了60Co-γ射线源，有的还安装了137CS源、中子源和γ苗圃，为辐射育种提供了物质基础，取得了一定成效。例如，以纯化的紫皮阿城蒜为材料，用60Co-γ射线辐照，育成大蒜新品种阿福4号。蒜头平均鲜重是对照品种的2倍以上，不仅抗病耐贮，而且早熟8天。四川省中药研究所用CO2激光辐照薏苡种子，育成四季薏苡新品种78-1，具有植株矮、分蘖多、千粒重大的优点。人参、元胡等其他药用植物的辐射育种已经开始。
(2)辐射的剂量单位和暴露剂量
1.辐射剂量单位
居里温度
表示放射性物质辐射强度的单位，1Ci表示放射性同位素每秒发生3.7×1010次核衰变。
克镭当量
是辐射发出的γ射线强度与一定重量的镭发出的γ射线强度之比得到的辐射强度单位。
伦琴
它是一个仅用于X射线和γ射线的辐照单位，它代表入射辐射的量。在1g空气中，可产生83Gy的辐射能，即1R。
拉德
这是一个适用于任何辐射的单位。它代表被照射物体吸收剂量的单位。任何1g的受照物质吸收100Gy的辐照能量的剂量称为1rad。
整体流动
即每平方厘米的中子数(中子数/cm2)。中子单位通常用it或lats来表示。
2.辐射剂量
半致死剂量
即照射后植物的存活率占照射量的50%。
致命暴露
也就是照射后导致所有植物死亡的辐射量。
临界暴露
即照射后植物的存活率占照射量的40%。一般采用临界辐照剂量作为辐射育种的适宜辐照剂量。然而，使用“半致死暴露”或更高的暴露也是有用的。
辐射剂量率
代表单位时间的辐射剂量。常用的单位有转/小时、转/分钟和转/秒。
辐射育种的适宜辐射剂量和剂量率因植物不同而异。一般来说，十字花科耐辐射性高，豆科耐辐射性低。在同一物种中，多倍体比二倍体更耐辐射，二倍体比单倍体更耐辐射。植物在不同发育阶段对辐射的耐受性不同，分裂旺盛的细胞和组织比衰老的细胞和组织对辐射更敏感。细胞核比细胞质更敏感。
在一定的辐照范围内，诱变量随辐照剂量的增加而增加，但损伤效应也随之增加，因此需要选择合适的辐照剂量和剂量率，以达到既有高的诱变率，又有足够的植株可供选择。如中国医学科学院药用植物资源开发研究所(1979-1982)经过多次实验发现，人参的裂籽用60Co-γ射线辐照。在剂量率为50R/min时，照射剂量为1500-2000r。在此剂量下，出苗率分别是对照的83.3%和37.5%，一年生幼苗的叶片几乎都有不同程度的变异。正常情况是三叶。照射后变成一小叶、二小叶、长尾叶或极不规则的三小叶。有些叶子是突出的，有些叶子是有缺口的。变异株占幼苗的79%以上(表8-3)。试验表明，温度高于10000R时不出苗，低于500R时叶片变异率很低。
表8-3 60Co-γ射线辐照人参种子试验
(3)辐射育种的基本方法
1.辐射材料的选择辐射育种是在常规育种基础上发展起来的新技术，所以对材料的要求应该更高。辐射育种最适合改变一两个不健康的状况。只有选择综合性能优良、需要克服的缺点明确的材料，才能达到预期的效果。
2.放射治疗方法
(1)外部照射
植物的种子、花粉、子房和营养器官受到X射线、γ射线和中子的辐射。
(2)内照射
方法有很多。
①将82P、35S等放射性同位素混合成适当比强度的溶液，浸泡种子或营养器官。
(2)将放射性同位素施于土壤，以供植物吸收。
③将放射性同位素溶液注入植物的相关部位。
(4)14C的CO2供应到植物区，14C的同位素被同化到代谢产物中。
⑤将放射性同位素以一定的方式粘在植物的花芽或生长点上，使其萌发。
采用上述方法需要一定的防护设备，防止放射性物质污染。处理过的材料不能食用或喂养。
3.辐射后代育种
辐射育种的选择方法与杂交育种基本相同，但辐射后代的遗传特性与杂交后代不完全相同，因此后代的处理方法也有所不同。
(1)辐射产生的处理
辐射的后代一般用m表示，第一、二、三代辐射分别用M1、M2、M3表示。也可以用射线名称的第一个字母来表示，如X1、γ1、n1分别用来表示X、γ、中子照射的第一代。
由于M1代的性状多为隐性，无法表现，一般不选择。如果人力物力不足，一株可留一粒或几粒种子，但M2世代选择的个体数一般不应少于65，438+0，000株。
(2)选择2)M2一代
M2代是分离最大的一代，大部分可遗传变异出现在M2。因此，M2代应选择大量单株，淘汰不良个体。
(3)M3代的选育
M3一代仍然是分离的，但这种分离很小。因此，M3世代主要选择优良的系统，其中的单株可以继续选择，供下一代继续鉴定和选择。
(4)经过4)M4世代，性状基本稳定，后续育种程序与常规育种相同。
(5)辐射营养器官的培育
无性药用植物的遗传基础多为杂合，只要出现M1代就会表现出辐射变异，所以必须选择M1代，无性繁殖后不会出现分离。但如果无性繁殖的器官发生变异，细胞分裂缓慢，活力较弱，生长发育不如正常细胞。为了给变异细胞的生长发育创造良好的条件，可以采用多次切顶芽和切侧枝的方法，促进变异茎干中侧枝的生长，然后进行扦插或嫁接繁殖，增加选择的机会。
第二，化学诱变育种
(A)发展概况
有些化学物质可以诱发遗传变异，早在1910年就有少数研究。Mcdongl (1911年)、Baur (1916年)、Sacharov (1936年)等人都发现化学物质可以提高动植物的突变率，但在植物中，一般认为化学物质可以诱发突变。
药用植物的化学诱变育种始于20世纪70年代。Kaul等用0.025%和0.05%乙烯亚胺处理颠茄种子，突变株高大分枝，产量显著提高，生物碱含量提高47.3-72.7%。Kohgpatehko用0.05%亚硝基乙基脲(NEU)处理茜草种子，获得一株蒽醌衍生物含量比对照高0.38%的菌株。Arinshtein利用亚硝基甲基脲(NMU)诱导丹参开花早、开花晚、单位叶面积油腺多、抗病性强，并获得了适合机械化收获的重草和高产精油的玫瑰突变体。
(2)药用植物育种中常用的化学诱变剂
近年来，化学诱变剂发展迅速。只要浓度合适，化学物质诱发突变率高。此外，化学品比各种辐射源更容易获得和使用，因此用户更多。
目前，烷化剂主要用于药用植物育种，它们都具有活性烷基。借助磷酸基团和嘌呤基团的烷基化作用，与DNA或RNA相互作用，引起基因突变。例如，硫芥的产物可以在DNA双螺旋的两条链之间形成“交联”，阻止DNA双链的分离，阻碍正常的复制并导致遗传密码的改进。常用的化学诱变剂如下:
1.芥子气的许多化合物，如氮芥和硫芥。
2.乙烯亚胺(EI)和环氧乙烷。
3.烷基磺酸盐和烷基硫酸盐，如乙烷甲磺酸盐(EMS)、乙烷乙基磺酸盐(EES)、硫酸二甲酯(DMS)、硫酸二乙酯(DES)、甲基乙基硫酸盐(MES)等。
4.硝基烷基化合物，如亚硝基甲基脲(NMU)和亚硝基甲基脲(NEU)。
还有类似核酸的碱基化合物，简单的无机化合物，各种麻醉剂，抗生素，一些中草药中的高分子化合物，如长春碱，石蒜碱。
(3)化学诱变的处理方法
植物的所有部分都可以用适当的方法处理，种子处理得最多，其次是营养器官。可以通过将半分裂的茎插入含有诱变溶液的管中以缓慢吸收它，或者用棉球将诱变溶液引入植物，或者将其注射或涂抹在植物器官的内部和外部来处理植物。当归同源四倍体的诱导是通过选择越冬贮藏的中型种子，用刀片将种子顶部中间部分垂直切至顶部生长点3-5 mm，然后在0.01%富民农溶液中浸泡72小时。
种子处理一般采用浸种法。不同的药剂，不同的处理对象，药剂的浓度和浸泡时间都不一样，一般需要通过实验找出最佳的条件。
花粉可以在一个封闭的系统中处理，方法是将花粉铺成一层，然后用诱变剂蒸汽熏蒸。
使用化学诱变剂时必须小心，其中一些是致癌物质。避免皮肤接触或吸入，防止环境污染。
第三，多倍体育种
多倍体育种是一种诱变育种的方法，将细胞的染色体加倍，然后选择培育成为新品种。自1937年有人首次用秋水仙碱处理曼陀罗以来，药用植物多倍体育种蓬勃发展。我国药用植物资源丰富，多倍体育种前景广阔。目前已经获得了牛膝和当归的多倍体。
(一)多倍体的概念
各种生物的染色体数目相对稳定，任何植物的细胞染色体数目都与本物种的染色体碱基(X)呈倍数关系。一般植物体细胞的染色体数目是染色体基数的两倍，称为“二倍体”；染色体数目为基数的3倍或3倍以上，称为“多倍体”。配子细胞的染色体因减数分裂而减半，因此体细胞染色体的数量是配子细胞的两倍。x通常用来表示物种的染色体数目，n表示配子细胞的染色体数目。2n代表体细胞的染色体数目。比如曼陀罗的染色体是n=x=12，2n=2x=24。当归的染色体为n=x=11，2n=2x=22。染色体多倍体在植物界广泛存在，被子植物中一半以上是多倍体。目前种植的经济作物大多是多倍体。药用植物中也有很多多倍体。比如分布在北美的委陵菜在种的形式上就有这种多倍体系列，finifima委陵菜2n = 2x = 14是二倍体。滨州委陵菜是四倍体；二羽委陵菜2n = 8x = 56是八倍体。据观察，我国药用延胡索的染色体也有多倍体系列，其中紫堇属为多倍体。和C.turtschaninovii Bess。都是二倍体，2n = 2x = 16；延胡索和倒卧延胡索。〳)Pers。都是四倍体，2n = 4x = 32圆叶雷米草。是六倍体，2n=6x=48。
在多倍体中，根据基因组的来源和性质，可以分为同源多倍体和异源多倍体两大类。
1.同源多倍体
具有相同基因组来源和两个以上基因组的多倍体称为同源多倍体。正常的二倍体细胞在染色体加倍后成为同源四倍体。同源四倍体和正常二倍体都能产生同源三倍体。三倍体植株高度不育，因为减数分裂时染色体混乱，不能配对。
2.异源多倍体
具有不同基因组来源和两个以上基因组的多倍体称为异源多倍体。异源多倍体一般是不同种属间杂交，然后染色体加倍形成的。
与二倍体植物相比，多倍体植物在形态和生理上具有许多优势。一般具有较大的细胞和营养器官，较强的抗病性和较高的生物合成能力，因此有效成分含量较高。但并不是染色体增加倍数越高越好，而是有一定的限度。一般认为三倍体和四倍体优势最大。
(2)多倍体育种的应用模式
在人们掌握了多倍体形成规律并控制其发生后，多倍体育种成为培育良种的重要手段。目前主要有以下几种应用。
(1)通过远缘杂交，不育杂种的染色体加倍，克服了远缘杂种的不育性。一个典型的例子是中国的小麦和黑麦杂交培育出世界闻名的抗逆性强、产量高、蛋白质含量高的小黑麦新品种。人工异源多倍体也是通过两个药用植物品种的杂交获得的。合欢花xs。aviculare变种布里斯班NSE。
(2)将二倍体药用植物诱导成同源多倍体加以利用。如用秋水仙碱处理曼陀罗腋芽，产生四倍体植株(2n=4x=48)，生药叶重约为二倍体的1.7倍。Mitsuhiko Hiroshi从母菊(2n = 18)中培育的含有抗炎成分的四倍体(2n=36)花在大小和有效成分含量上均优于二倍体花。薄荷诱导的多倍体(2n=144)品系不仅精油含量高，而且耐旱、耐寒、抗病。
秋水仙素诱导的我国牛膝多倍体与二倍体相比，具有根膨大、木质化轻、产量高的优点。
(3)利用三倍体的杂种优势和不育性，三倍体植株杂种优势明显，因不育性而无籽。经济作物甜菜和无籽西瓜是三倍体应用的典型例子。在药用植物中，Trease等人认为在罂粟的倍性水平中，三倍体含有最高量的吗啡。Jankulov报道曼陀罗三倍体杂种的平均生物碱产量是二倍体杂种的4倍以上，四倍体杂种的3倍以上。
(3)人工诱导多倍体的方法和原理
1.常用药物和使用方法
目前最常用的效果较好的多倍体诱变剂是0.05-0.2%秋水仙碱水溶液，其次是0.01-0.03%富民龙水溶液。秋水仙碱易溶于水，毒性很大。少量的药水进入眼睛会导致失明，所以你要特别小心。秋水仙碱突变的作用是阻止细胞分裂中期纺锤体丝的形成，染色体不能分配到两个细胞中形成多倍体。富民龙效果好，价格低，易于推广，但不溶于水。使用时，可称取1g纯药粉，倒入25ml丙酮中，在80℃水浴中加热，摇动容器促进溶解，趁热将溶解的药液倒入1000ml蒸馏水中，不断搅拌，得到0.1%富民龙原液，再稀释至所需水平。
治疗方法一般为浸泡法，也可采用滴、注、抹、喷等方法。
2.多倍体人工诱变的原理
(1)突变材料
在同一种植物中，染色体较少的物种更容易产生多倍体，产生的多倍体容易在形态和生理上表现出优势。已经是多倍体了，再多倍体化可能会导致表现不佳。因此，选择染色体较少的物种作为诱变材料是可取的。
(2)处理时间
治疗时间取决于不同种类的药用植物及其状态。休眠种子或播种的处理时间要长，发芽种子或长出幼苗的时间要适当缩短。由于植物的嫩芽或幼根对毒性和缺氧的耐受力较弱，可在药液中浸泡一段时间(如12小时)，在空气中保持湿润一段时间(如12小时)，这样3-4天效果较好。
(3)处理温度
植物细胞分裂的最佳温度为人参种子65438±00℃左右，黄芪和枸杞为20℃左右。低温高湿适合治疗后的恢复期。
(4)多倍体的鉴定
多倍体的特点是植株、叶片、花器官和花粉粒大，叶片厚，表皮细胞单位面积的气孔和叶绿体数量与二倍体不同。这些特征可以作为鉴别多倍体的依据，但最可靠的方法是观察细胞的染色体数目。