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物理、化学诱变的方法及其机理如下述。
物理诱变
应用较多的是辐射诱变,即用α射线、β射线、γ射线、Χ射线、中子和其他粒子、紫外辐射以及微波辐射等物理因素诱发变异。当通过辐射将能量传递到生物体内时,生物体内各种分子便产生电离和激发,接着产生许多化学性质十分活跃的自由原子或自由基团。它们继续相互反应,并与其周围物质特别是大分子核酸和蛋白质反应,引起分子结构的改变。由此又影响到细胞内的一些生化过程,如DNA合成的中止、各种酶活性的改变等,使各部分结构进一步深刻变化,其中尤其重要的是染色体损伤。由于染色体断裂和重接而产生的染色体结构和数目的变异即染色体突变,而DNA分子结构中碱基的变化则造成基因突变。那些带有染色体突变或基因突变的细胞,经过细胞世代将变异了的遗传物质传至性细胞或无性繁殖器官,即可产生生物体的遗传变异。
诱变处理的材料宜选用综合性状优良而只有个别缺点的品种、品系或杂种。由于材料的遗传背景和对诱变因素的反应不同,出现有益突变的难易各异,因此进行诱变处理的材料要适当多样化。由于不同科、属、种及不同品种植物的辐射敏感性不同,其对诱变因素反应的强弱和快慢也各异。如十字花科白菜的敏感性小于禾本科的水稻、大麦,而水稻、大麦的敏感性又小于豆科的大豆。另外,辐射敏感性的大小还同植物的倍数性、发育阶段、生理状态和不同的器官组织等有关。如二倍体植物大于多倍体植物,大粒种子大于小粒种子,幼龄植株大于老龄植株,萌动种子大于休眠种子,性细胞大于体细胞等。根据诱变因素的特点和作物对诱变因素敏感性的大小,在正确选用处理材料的基础上,选择适宜的诱变剂量是诱变育种取得成效的关键。适宜诱变剂量是指能够最有效地诱发作物产生有益突变的剂量,一般用半致死剂量(LD50)表示。不同诱变因素采用不同的剂量单位。Χ、γ射线线吸收剂量以拉德(rad)或戈瑞(GY)为单位,照射剂量以伦琴(R)为单位,中子用注量表示。同时要注意单位时间的照射剂量(剂量率、注量率)以及处理的时间和条件。
辐照方法分外照射和内照射两种,前者指被照射的植物接受来自外部的γ射线源、Χ射线源或中子源等辐射源辐照,这种方法简便安全,可进行大量处理。后者指将放射性物质(如32P、35S等)引入植物体内进行辐照,此法容易造成污染,需要防护条件,而且被吸收的剂量也难以精确测定。干种子因便于大量处理和便于运输、贮藏,用于辐照最为简便。
化学诱变
化学诱变除能引起基因突变外,还具有和辐射相类似的生物学效应,如引起染色体断裂等,常用于处理迟发突变,并对某特定的基因或核酸有选择性作用。化学诱变剂主要有:
①烷化剂。这类物质含有1个或多个活跃的烷基,能转移到电子密度较高的分子中去,置换其他分子中的氢原子而使碱基改变。常用的有***磺酸乙酯(EMS)、乙烯亚***(EI)、亚硝基乙基脲烷(NEU)、亚硝基***脲烷(NMU)、硫酸二乙酯(DES)等。
②核酸碱基类似物。为一类与DNA碱基相类似的化合物。渗入DNA后,可使DNA复制发生配对上的错误。常用的有5-溴尿嘧啶(BU)、5-溴去氧尿核苷(BudR)等。
③抗生素。如重氮丝氨酸、丝裂***C等,具有破坏DNA和核酸的能力,从而可造成染色体断裂。
化学诱变主要用于处理种子,其次为处理植株。种子处理时,先在水中浸泡一定时间,或以干种子直接浸在一定浓度的诱变剂溶液中处理一定时间,水洗后立即播种,或先将种子干燥、贮藏,以后播种。植株处理时,简单的方法是在茎秆上切一浅口,用脱脂棉把诱变剂溶液引入植物体,也可对需要处理的器官进行注射或涂抹。应用的化学诱变剂浓度要适当。处理时间以使受处理的器官、组织完成水合作用和能被诱变剂所浸透为度。化学诱变剂大都是潜在的致癌物质,使用时必须谨慎。