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快中子辐射百日草当代的生物学效应



全 文 :·园林花卉·植物 北方园艺2015(12):58~62
第一作者简介:李多芳(1985-),女,博士研究生,现主要从事辐照
植物育种与生物进化等研究工作。E-mail:duofang_6608@163.
com. 
责任作者:展永(1954-),男,教授,现主要从事生物大分子动力学
与离子通道及辐射生物学等研究工作。E-mail:yongz2013@163.
com. 
基金项目:河北省自然科学基金资助项目(C2013202192);航天育
种迁安基地建设资助项目(607023)。
收稿日期:2015-01-28
DOI:10.11937/bfyy.201512017
快中子辐射百日草当代的生物学效应
李 多 芳,董 亚 净,耿 金 鹏,曹 天 光,田 安 然,展   永
(河北工业大学 生物物理研究所,天津300401)
  摘 要:以百日草为试材,采用14MeV的单能快中子辐照百日草干种子,研究了不同剂量快
中子辐射对当代百日草种子的萌发及幼苗的生长状况的影响。结果表明:各辐射剂量处理组的
百日草种子发芽率和幼苗株高与对照相比无显著性变化;在表型性状的观察中,辐射后的百日草
叶片和花部性状均发生较明显变异,其中叶子变异性状在植株生长过程中逐渐恢复,而花型花色
的变异性状基本稳定;百日草病害调查结果显示中子辐射处理后的幼苗感染黑斑病的比率明显
减低。综上所述,中子辐射技术对百日草品种改良是可行的。中子辐照百日草生物性状的研究
为培育优良花卉新品种提供了重要的参考和依据。
关键词:快中子;诱变效应;百日草;变异性状
中图分类号:Q 691 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2015)12-0058-05
  辐射诱变育种是利用电磁波和加速粒子流辐照生
物个体、组织、细胞等,使其产生可遗传的变异,通过对
有益变异筛选培育新的优良动植物新品种的新型育种
技术[1]。辐射诱变育种技术在农作物、蔬菜、花卉等植
    
物育种中已取得一些成果[2-4]。而中子作为诱变源也已
被应用于多种植物的诱变研究中[5-9]。根据能量的不
同,中子可以分为快中子、中能中子和热中子(亦称为慢
中子)。不同能量的中子与生物体的相互作用机制不
同[10]。对于快中子来说,其与组织的相互作用主要是与
组织元素的原子核发生碰撞形成反冲质子,进而引起生
物体DNA断裂、染色体畸变、基因组不稳定和细胞凋亡
等生物效应[11-13]。中子辐射造成的多种生物损伤大多
难以修复,从而使生物体发生多种结构和功能变异,为
动植物育种提供丰富的基础材料。
百日草(Zinnia elegans Jacq.)属菊科百日草属一年
生草本植物,又名百日菊、步步高。因其花色花型纷繁
亮丽,花期较长,被广泛的应用于花坛装点和室内切
  
Abstract:The seeds of five kinds of forage grasses which included Agropyron desertorum,Agropyron mongolicum,A.
gropyon cristatum×A.desertorumcv.Hycrest Mengnong,Psathyrostachys juncea(Fisch.)Nevski and Bromus inermis
Leyss were selected and germinated under diferent drought stress conditions by simulating with diferent concentrations
of PEG-6000(-0.3MPa,-0.6MPa,-0.9MPa,-1.2MPa).The relative germination percentage,relative germination
rate,radicle germ ratio,simplified vigor index and germination index were determined.The results showed that,the low
concentration of PEG(-0.3MPa)significantly promoted seed germination of Agropyron mongolicumand A.gropyon
cristatum×A.desertorumcv.Hycrest Mengnong.According to average values of radicle germ ratio,simplified vigor index
and germination index,-0.6MPa water potential may be the critical value for drought resistance of the forage grasses.
The drought resistances of the five forage grasses were comprehensively evaluated by using membership function.The
evaluation value of the five kinds of forage grasses from high to low were Bromus inermis Leyss,Agropyron
mongolicum,Agropyon cristatum×A.desertorumcv.Hycrest Mengnong,Agropyron desertorumand Psathyrostachys
juncea(Fisch.)Nevski.
Keywords:PEG;seed germination;drought resistance
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北方园艺2015(12):58~62 植物·园林花卉·
花[14]。目前,国内花卉市场上的百日草栽培品种多以进
口为主,如梦境系列(Dreamland)、丰盛系列(Profusion)、
明星系列(Star)等,自主知识产权的百日草品种较少。
Samaha等[15]研究表明,百日草属自交不亲和植物,百日
草的育种多以不育系和系谱法杂交选育为主[16-19]。但
常规育种中优良的不育系材料较难获得且育种周期长。
诱变育种作为一种有效的育种手段已被应用于多种花卉
品种改良中[20-21],而对百日草诱变效应研究较少。现利用
快中子辐射百日草种子,对其诱变生物效应进行分析,以
期为培育优良花卉新品种提供了重要的参考和依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
辐照材料为性状稳定的百日草(Zinnia elegans
Jacq.)种子。百日草种子分为对照组和处理组,对照种
子20粒,处理组种子共30粒。
1.2 试验方法
1.2.1 中子辐照 采用中国原子能科学研究院600kV
高压倍加器产生的14MeV的单能中子对百日草干种子
进行辐照处理。产生中子的核反应为T(d,n)α,可通过
记录α粒子的方法来检测中子的注量[22]。该试验百日
草的辐射剂量分别为1、3、5、10、15Gy 5个剂量水平,以
同一批次未辐照的种子为对照(CK)。
1.2.2 幼苗培养 将单能快中子辐照处理的百日草种
子30粒和未经处理的同一批次的对照百日草种子20粒
分别播种于穴盆中,再将其置于温室中培育。7d后统
计对照组及各剂量处理组种子的发芽率,25d后统计幼
苗的成活株数。对百日草生长初期的幼苗株高进行观
察记录。在播种27d后对幼苗的株高进行测量和统计。
在生长过程中对中子辐射后的百日草幼苗黑斑病的染
病情况进行了观察记录。待植物开花后记录花型花色
的变异情况。
1.3 数据分析
通过统计描述和方差分析的方法对不同剂量处理
的百日草发芽率、株高、病害情况进行分析。通过观察
辐照后百日草叶片和花部性状的变异情况进行对比
研究。
2 结果与分析
2.1 不同剂量快中子辐射对当代百日草种子活力的
影响
种子发芽率是植物种子活力和幼苗生命力的体现,
同时也是检测辐射诱变生物效应的重要指标。较高的
幼苗发芽率和存活率也是辐射诱变育种有效性的重要
体现。从表1可以看出,对照组(CK)百日草的发芽率为
80%。辐照组中3Gy辐照组的发芽率为100%。其它
剂量处理组均为83%。25d后对照组幼苗成活株数为
19株,辐照组幼苗成活株数共26株。由此可见,在该试
验的剂量范围内快中子辐照对百日草种子的发芽率没
有明显影响。
表1 不同剂量快中子辐射对
百日草幼苗发芽率和成活株数的影响
  Table 1 Efect of irradiated by diferent doses of fast neutrons on
germination rate and survival plant number of Zinnia elegans Jacq.
剂量
Dose
/Gy
播种数
Seed
number
7d发芽数
Number of germination
in 7days
发芽率
Germination
rate/%
成活植株数
Number of survival
plants
0(CK) 20  16  80  19
1  6  5  83  5
3  6  6  100  6
5  6  5  83  5
10  6  5  83  5
15  6  5  83  5
2.2 不同剂量快中子辐射对百日草幼苗株高的影响
由表2可知,对照组的百日草幼苗株高平均值为
10.26cm,各剂量处理组的幼苗株高平均值分别为
12.54、12.57、10.54、9.42、12.20cm。除10Gy辐照组之
外,其它剂量处理百日草的平均株高均有所升高。值得
注意的是10Gy剂量处理组有1株幼苗生长受到明显
抑制,27d的幼苗株高仅为1.8cm。表3方差分析结果
表明,各剂量处理组的幼苗株高与对照相比无显著性差
异。这也表明在该试验辐射条件下快中子对百日草幼
苗的株高无明显影响。
表2 不同剂量快中子辐射对
百日草幼苗株高的影响
  Table 2 Efect of irradiated by diferent doses of
fast neutrons on seedling height of Zinnia elegans Jacq.
剂量
Dose
/Gy
样本数
Number of
samples
株高平均值
Average of seedling
height/cm
标准差
Standard
deviation/cm
最小值
Minimum
/cm
最大值
Maximum
/cm
0(CK) 10  10.26  2.38  7.1  13.7
1  5  12.54  2.59  9.8  16.6
3  6  12.57  1.67  9.8  14.6
5  5  10.54  2.67  8.2  13.5
10  5  9.42  4.37  1.8  12.2
15  5  12.20  2.10  10.1  15.4
  表3 不同剂量辐射后百日草幼苗株高的方差分析
  Table 3 The variance analysis of seedling height of
Zinnia elegans Jacq.radiated by diferent doses of fast neutrons
对照组
The control group
(I)
剂量处理组
The radiated groups
(J)/Gy
均值差
Mean diference
(I-J)
标准误
Standard
error
显著性
Signification
1 -2.28444  1.49726  0.138
3 -2.31111  1.41478  0.113
CK  5 -0.28444  1.49726  0.851
10  0.83556  1.49726  0.581
15 -1.94444  1.49726  0.204
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·园林花卉·植物 北方园艺2015(12):58~62
2.3 不同剂量快中子辐射对百日草叶片和花部性状变
异的影响
通过对百日草表型性状的观察发现中子辐射能够
引起M1代植株叶片和花发生丰富的变异。快中子辐射
的百日草叶片表现出局部小面积损伤,如叶绿素缺失,
叶型不规则,叶片部分萎缩,叶序变化等。从图1可以
看出,处理植株N1-1叶基部位出现残缺,叶形不规则。
N3-1变异株叶片边缘表现出对称的叶绿素缺失,叶片颜
色变黄。快中子辐射百日草M1代植株中发现2个叶序
变异植株,分别为N5-2和N15-1。野生型的百日草为垂
图1 快中子辐射百日草M1代幼苗叶子的变异情况
Fig.1 The variations on leafs of Zinnia elegans Jacq.irradiated by fast neutron in M1generation
图2 快中子辐射百日草M1代花部的变异情况
Fig.2 The variations on flowers of Zinnia elegans Jacq.irradiated by fast neutron in M1generation
06
北方园艺2015(12):58~62 植物·园林花卉·
直对生叶序,而突变株N5-2在第2、3对叶片着生处出现
3叶共生叶序。突变株N15-1从第3对叶片处出现叶序
紊乱,叶序呈现不规则变化。随着植株的生长,绝大多
数百日草叶子的变异逐渐被修复而恢复正常。因此,中
子的辐射效应对植物营养器官的生理代谢过程有明显
的影响,且这种影响是不稳定的。
百日草的花部性状也受到中子辐射的显著影响。
该试验中野生型的百日草为粉白色单层花序,花瓣为平
展舌状。中子辐照处理组的花朵在花型花色上均发生
较大变异。从图2可以看出,花色变异最为明显,有渐
变色、浅紫色、浅绿色、乳白色等。花瓣变异主要是由平
展型变为褶皱型、边缘锯齿型和管型。此外,花瓣的数
量和花朵中小花的数量也有一定的变异。对同一株植
物来说,不同分支上花部性状基本一致。由此可见,中
子辐射对百日草花部性状的影响是稳定的。
2.4 不同剂量快中子辐射对百日草黑斑病感染抗性的
影响
黑斑病又称褐斑病,初期表现为叶片尖端出现黑褐
色斑状枯萎,是百日草培育过程中重要病害之一[23]。从
图3可以看出,对照组的19株植株中有5株染病,中子
辐照组26株植物中4株染病。对照组与中子辐照组的
染病率分别为26.30%和15.40%。表明中子辐照对百
日草植株当代黑斑病的感染情况有一定的影响。由此
可见,中子辐射在一定程度上能够提高植株的成活率和
观赏性。
图3 快中子辐射对百日草黑斑病染病率的影响
Fig.3 The efect of fast neutron radiation on the infection
rate of black spot disease in Zinnia elegans Jacq.
3 讨论与结论
在该试验中,快中子辐照对百日草种子发芽率和幼
苗株高无明显影响。韩微波等[24]研究表明快中子辐照紫
花苜蓿后其发芽率和发芽势明显高于对照。张银洁等[25]
在中子辐射蝴蝶兰球茎的研究中得出低注量的快中子
辐射对原球茎存活率影响不显著;高注量的快中子辐射
后原球茎的存活率显著降低。潘多峰等[7]研究快中子
辐照3种禾草种子后的发芽率发现一定的剂量范围内
不同的品种发芽率随剂量变化不尽相同。李梦等[26]对
大豆的诱变效应研究表明随剂量的增加发芽率呈下降趋
势。因此,中子辐射对不同品种发芽率的影响有所不同。
在中子辐射当代的诱变效应中,叶子和花的变异较
大。其中叶序、不规则叶形的变异在植物的生长过程中
阶段性出现,变异性状不稳定。花部性状的变异类型多
样,且同一株的变异性状基本稳定。Venkatachalam
等[27]报道了不同剂量的γ射线辐射百日草种子得到多
种花色变异的突变株。叶子和花的多样性是观赏性花
卉的2个重要的性状,尤其是花部性状,其观赏价值在
于以“新、奇、特”为代表的变异性状[28-29]。该试验快中子
辐射百日草花型花色的稳定变异为中子辐射植物诱变
效应的研究提供了有益的参考。除观赏性状的变异之
外,改良花卉品种的抗性也是花卉育种的主要目标之
一。百日草褐斑病一直是影响百日草植株的成活率和
观赏性的主要病害之一。提高植物本身的抗病性对于
百日草新品种的培育来说至关重要。该试验百日草褐
斑病感染的研究结果表明,快中子辐射能够提高百日草
植株对褐斑病的抗性。段雪梅[30]研究发现中子辐射能
够增强红三叶对白粉病的抗性,与该研究结果相似。由
此可见,中子辐射诱变对改良植物抗性有一定的影响。
综上所述,快中子辐射对百日草当代的生物性状有
一定的影响。中子辐射作为一种有效的诱变手段,在花
卉新品种的培育中应用前景十分广阔。
(致谢:感谢中国原子能科学研究院核物理研究所
王潇研究员、隋丽副研究员、孔福全副研究员在辐照试
验上提供的帮助。)
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Mutagenic Effect of Zinnia elegans Jacq.Induced by Fast Neutron
LI Duo-fang,DONG Ya-jing,GENG Jin-peng,CAO Tian-guang,TIAN An-ran,ZHAN Yong
(Institution of Biophysics,Hebei University of Technology,Tianjin 300401)
Abstract:Taking dry seeds of Zinnia elegans Jacq.as test material,they were irradiated by fast neutron with energy 14
MeV,the efect of diferent doses of fast neutrons radiation on seed germination and seedling growth of Zinnia elegans
Jacq.were investigated.The results showed that compared with the control plants,Zinnia elegans Jacq.plants radiated by
fast neutron had no significant diferences on germination rate and seedling height.In the observation about plant traits,
leafs and flowers of irradiated ZinniaelegansJacq.plants occurred obvious variations,of which the variations on leafs
could be repaired gradualy in plant growth process,while that on flowers were basicaly stable.The disease survey
results suggested that the infection rate of black spot disease of ZinniaelegansJacq.plants radiated by fast neutron was
obviously lower than control plants.In conclusion,neutron radiation technology was feasible for improvement of Zinnia
elegans Jacq.varieties.The studies on the mutagenic efect of neutron radiation on biological traits of Zinnia elegans Jacq.
provided an important reference and basis for flower breeding.
Keywords:fast neutron;mutagenic efect;Zinnia elegans Jacq.;variation traits
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