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生物质燃料能源植物的品种改良技术
发布时间: 2018-9-1
  事实上,地球上的植物种质资源非常丰富,但在已知的200多种生物质燃料能源植物中,比较理想、完全符合生物质燃料能源植物条件的物种却很少。有些植物确实有生产某种生物质的能力,但生长缓慢,生物量小,有些则含有某种有害物质,在能源利用过程中可能造成环境问题,这就需要加强生物质燃料能源植物资源调查、筛选和驯化的工作。
  现代科学研究表明,通过控制植物的光合和代谢过程,或利用遗传育种和生物工程技术改变现有生物质燃料能源植物品种的性状及其代谢过程,可以提高生物质燃料能源植物的产量和品质,减少有害成分的生成量。在法律、道德和物种保护条例允许的范围内,通过各种现代植物育种手段改变植物的遗传性状,能改善生物质燃料能源植物的光合作用、呼吸作用、抗逆性及其他生理代谢过程,培育出符合生产要求的生物质燃料能源植物优良品种。现代植物遗传改良技术大致可分为5类,即杂交育种、物理诱变、化学诱变、细胞工程和基因工程。在具体的遗传操作上,这些方法和技术往往都是相互渗透,共同发挥作用的。
  1.杂交育种
  杂交育种是指以基因型不同的植物种或品种进行交配或结合形成杂种,通过培育海择获得新品种的方法。杂交育种是选育新品种的主要途径,是近代育种工作最重要的方法。由于杂交引起基因重组,后代会出现组合双亲控制的优良性状基因型,产生静性效应,并利用某些基因互作形成超亲类型新个体,为培育选择提供了物质基础。杂交种后代群体通过培育、鉴定、选择等步骤,获得优良单系,再经过无性繁殖就形成豢品种。
  杂交育种按性质可分为有性杂交育种和无性杂交育种。在有性杂交育种中,根据亲系的远近,又可分为品种间杂交和远缘杂交。一般杂交育种是指品种间杂交育种。杂交种不同要求可采用简单杂交、回交和复式杂交等方式。
  杂交育种主要考虑亲本应具有重要目标性状的基因,选择育种值大的性状。考虑亲性状基因互补,选生态地理上相距远的、双亲配合力高的作亲本并配制组合等。
  2、物理诱变育种
  典型的物理诱变剂是不同种类的射线,常见的有X射线、丫射线和中子,此外还有紫外射线。X射线和y射线都是能量较高的电磁波,能引起物质的电离。当物体某些敏感的部位受到射线撞击而发生离子化时,可以引起DNA链断裂,当修复不能恢复状时就会出现突变。如果射线击中染色体则可能导致断裂,在修复时可能造成缺点反复、倒位和易位等染色体畸变。中子不带电,但与生物体内的原子核撞击后,使原子核变换产生v射线等出现能量交换,从而改变DNA和染色体。
  X射线是一种波长为10~100nm的电离射线,是最早的诱变射线。
  B射线是电子或正电子射线束,由32P和”S等放射性同位素直接产生。透过植物组织的能力弱,但电离密度大。当同位素溶液进入组织和细胞后,B射线进行内照射而产生诱变作用。
  Y射线是一种波长更短的电离射线,其波长为0.01 t0.1nm,60Co和”7Cs是目前应用最广的v射线源。
  3.离子注入诱变育种
  离子注入是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是:用能量为10~1000keV量级的离子束入射到材料中去,离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用,入射离子逐渐损失能量,最后停留在材料中,并引起材料表面成分、结构和性能发生变化,从而优化材料表面性能,或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点,已经在半导体材料掺杂,金属、陶瓷、高分子聚合物等材料的表面优化上获得了极为广泛的应用,取得了巨大的经济效益和社会效益。
  离子注入诱变育种就是利用离子注入进行生物诱变育种的一种新的育种技术。离子束与生物的相互作用不仅有物理的和化学的,而且会引起强烈的生物效应,从而促使生物产生各种变异(其中有许多是自然条件下极为罕见或难以产生的),可以从中选出所期望的优良变异,经过培育而成为一种新品种。自20世纪90年代以来,我国科技工作者把离子注入应用到生物诱变育种中去,取得了一系列引人注目的科技成果。近两年来,我国在花卉离子注入诱变育种研究与开发方面也取得了重要的进展。
  在离子注入诱变育种过程中,不仅离子束的能量对生物体有重要的作用,而且离子本身最终停留在生物体内,对生物体的变异有重要的影响,这是它与一般用Y射线等进行的辐射育种和利用太空中强烈的宇宙射线进行的太空育种的主要区别与突出优点。离子注入诱变育种的主要优点概括起来有以下几点:①变异率高,一般要比自然变异率高1000倍以上;②变异谱宽,即变异的类型多,能够产生自然界里从未见过的新类型;③变异稳定快,可以大大缩短育种周期;④离子注入诱变育种技术稳定可靠,简便易行。
  4.太空育种
  太空育种是将农作物种子搭载于返回式地面卫星或飞船,借助太空超真空、微重力及宇宙射线等地面不可模拟的环境变化使种子发生变异,经过地面几代选育获得稳定的遗传性状,从而培育出新的农业品种来。
  我国自1987年以来先后利用返回式卫星、神舟号飞船搭载了70多种植物种子,主要涉及粮棉油及蔬菜、瓜果等作物。我国已经把太空育种列为国家863计划项目,将我国航矢高科技与农业遗传育种技术相结合,综合了宇航、遗传、辐射、育种等学科知识的高新技术。目前,世界上只有美国、俄罗斯和中国成功地进行了卫星或宇宙飞船搭载的“航天育种”研究。我国的“航天育种”研究已经居世界先进水平。据介绍,自1986年以来,我国23个省市的70多家科研单位参加了多学科研究,先后搭载了水稻、小麦、茄子、谷子、甘草、百合、青椒、花生等多种植物进行航天试验,还曾搭载过多种微生物、家蚕等品种。已经过卫星搭载的试管苗有兰花、欧洲树莓、美国加州无核提子和美国红栌。
  搭载的种子经过多年地面选育,已培育出水稻、小麦、青椒、番茄、莲子的新品种,有的产品已初具产业化规模,取得了良好经济社会效益。例如,经航天诱变育种培育出的‘航育1号’水稻新品种株高降低14cm,生长期缩短13天,增产5%~10%,累计已推广30万亩。‘华航1号’水稻新品种穗大、粒多、结实率高,可增产10%,亩产达500kg以上,已推广100万亩以上。江西广昌利用航天育种培植出特大粒白莲种‘卫星3号’,每粒莲子2.49以上,比常规品种可增产60%,目前成了江西广昌的品牌和脱贫致富的产业。
  “神舟3号”搭载的水稻种子返地种植后产生的突变株,生物量增加约30%,穗数增加37%。
  5.物理高压育种
  近年来,中国科学院地球化学研究所利用750atm(1atm=101.325kPa)净水高压处理已萌动种子方法来对一些植物进行品种改良,取得了初步的结果,并培育了几个优质的品种。
  6.化学诱变育种
  化学诱变育种是目前公认的最有效和应用较多的是烷化剂和叠氮化物两类。烷化剂中仍以EMS(甲基磺酸乙酯)诱变效果较好,硫酸二乙酯和乙烯亚胺等类型的化合物应用较多,叠氮化合物则以叠氮化钠的研究和应用较多。
  烷化剂是指具有烷化功能的化合物,带有一个或多个活性烷基,该烷基转移到一个电子密度较高的分子上,可置换碱基中的氧原子,碱基被烷化后,DNA在复制时会发生配对错误,产生突变。叠氮化钠是动植物的呼吸抑制剂,可使复制中DNA的碱基发生替换,从而导致突变体的产生,是目前诱变率高且安全的一种诱变剂。
  与物理诱变剂相比较,化学诱变剂的特点有:诱发突变率较高,而染色体畸变较少,并且诱变范围广,对处理材料损伤轻,有的化学诱变剂只在DNA的某些特定部位发生变异。大部分有效的化学诱变剂较物理诱变剂的生物损伤大,容易引起生活力和可育性下降。
  自20世纪30年代人们发现用秋水仙碱诱导多倍体的方法以来,专家在植物倍性育种方面进行了较多的探索,形成了一些人工多倍体商业品种。
  一般而言,用秋水仙碱诱导成的多倍体植株往往是同源四倍体,如果将其与二倍体对照杂交,便可获得三倍体植株,如人工获得的三倍体西瓜、香蕉等,无籽或少籽是它们的显著特征。
  7.细胞工程育种
  (1)植物原生质体培养
  采用纤维素酶和果胶酶混合液,在较高渗透压的条件下处理根尖、叶片组织、培养的愈伤组织或悬浮培养细胞,使细胞壁被酶所消化,从而可获得大量的无壁球形原生质体,并可通过原生质体培养再生新的植株。在原生质体培养的基础上,可以进行原生质体融合的体细胞杂交及基因工程研究。通过特定的载体,如质粒、病毒、噬菌体或脂质体等,将外源遗传物质(DNA)引入受体——原生质体中,再通过原生质体和细胞的培养获得转基因植株。
  (2)花药(花粉).培养和单倍体育种
  我国在烟草、小麦、水稻、‘小黑麦、玉米、辣椒、茄子等十几种农作物或重要经济作物的花药培养中获得了大量的单倍体植株,分别培育出烟草及水稻新品种。
  (3)体细胞的无性系变异及筛选
  从培养的植物细胞再生出来的新植株表现出高度的遗传变异,可以从这些变异系中选择具有益农艺性状的作物新类型。借助植物的细胞工程技术,该技术可以从多途径上用于植物的改良研究。
  8.基因工程育种
  应用体外的DNA来改变生物的遗传性状。
  (1)优质丰产及综合性状改良育种
  基因工程育种的主要目标就是优质丰产,其20世纪90年代前在农作物上的广泛应用主要是提高农作物产量,近期则侧重于提高品质,如美国科学家据此提高马铃薯淀粉含量达20%~40%,最高达40%~60%。目前改良作物产品质量的基因主要有:控制果实成熟的基因;谷物种子储藏蛋白基因;控制脂肪合成基因;提高作物产量基因等。世界上有43种农作物品种得到改良,如水稻、番茄、马铃薯、瓜类、烟草等。
  在解决目前能源危机的过程中,转基因技术将扮演重要角色,因为转基因农作物是提取乙醇等替代燃料的重要原料。
  由于石油价格居高不下,美国等国家对乙醇的需求量激增,这就要求农作物产量以前所未有的速度增长。41年来,北美的农作物产量已经翻了一番,但人们不会再有那么多时间实现下一个翻番。要实现增产目标,除了扩大种植面积以外,转基因技术将成为唯一的选择。
  据报道,为了提高转基因技术水平,杜邦公司的种子部门已经把9%~11%的收益用子妍发新产品,这个部门聘用的科学家数量将增加25%。科学家希望通过提高农作物抵御病虫害和抗杂草的能力来提高产量,并希望转基因技术能够使农作物更适于提炼乙醇。
  转基因种子的研发时间目前已经比以往缩短了一半。目前市场上销售的转基因种中有87%是近4年才培育出来的,而未来转基因种子的研发时间还将进一步缩短。
  转基因农作物的市场影响力正在不断增加。仅以玉米为例,据美国农业部统计,美国2006年种植的玉米中有61%是转基因玉米,而2005年这一数字仅为52%。据涅波尔估计,随着市场对转基因玉米的需求不断增长,这一比例最终将增至95%左右。
  (2)抗性基因工程育种
  基因工程的发展为培育抗病虫的作物提供了新的手段,从而开辟了植物抗病虫育种的新时代。
  转基因作物能减少杀虫剂和农药的用量,降低杀虫剂和农药及其残留物对食物链、水体造成的污染,从而有利于保护生态环境。
  (3)抗逆基因育种
  随着生物技术的发展,现在已经有能力通过遗传工程方法来培育耐除草剂的作物品种。基因工程在抗旱育种上的应用为克服干旱提供了新思路。美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物,育成抗旱、抗瘠的新品种(雪莲的抗寒基因)。我国在抗逆基因分离、克隆和转化等方面的研究有新进展,已克隆了耐盐碱相关基因,通过遗传转化已获得了耐2%NaCl的烟草,耐I%NaCl的苜蓿和耐0.8%NaCI的草莓。
  人工选育生物质燃料能源植物的基本条件是:种子资源丰富、生物质产量稳定、繁殖育种容易、光合效率高、生长周期短、大田管理粗放、抗逆性强等。
 
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