全 文 ：收稿日期: 2012 － 05 － 27
作者简介:黄洪云( 1979 － ) ，女，河北唐山人; 讲师，主要从事生物物理
研究; E-mail: lzyhhy0922@ 163． com。
单离子微束注入无芒雀麦种胚的实验研究
黄洪云， 杜 宁， 韩 哲
( 唐山学院基础教学部， 河北 唐山 063000)
摘要:介绍了微束装置的主要工作原理，并用 2． 0 MeV、25 μm左右束斑的离子微束，以 6 × 106 ions 的剂量对无芒雀麦种
胚的茎尖部位和根尖部位进行了定点定量注入，详细研究了处理后胚根的生长发育，如主根的伸长、侧根的形成等。结
果表明，根的生长发育过程受到了离子注入的显著影响，由实验结果推测，根尖和茎尖分生组织与主侧根的发育均有关
系，但所起的作用各不相同，此结果为进一步研究相关的发育调控机理和信号转导方式提供了基础。
关键词: 微束装置; 无芒雀麦; 当代生物学效应
中图分类号: S 543 + ． 8 文献标志码: A 文章编号: 1001 － 4705( 2012) 09-0012-05
Biological Effects of Bromus Inermis Induced by Single Ion Microbeam
HUANG Hong-yun，DU Ning，HAN Zhe
( Department of Tangshan College，Tangshan Hebei 063000，China)
Abstract: The article describe operating principle of the single-particle microbeam device，we implanted the
SAM and RAM of embryos with a 2． 0 MeV of energy and 25 μm of diameter proton microbeam at the fluence
of 6 × 106 ions． The embryos’root patterning parameters was observed in detail，such as the development of
primary root and the formation of lateral root． The results indicated that some contributions of vacuum treatment
might be involved in the biological effects，ion-beam bombardment and the interactions might be existed
between each other． The results showed that auxin signal transduction might be relevant．
Key words: microbeam device; bromus inermis; biological effects
地球上的生物时刻受到各种辐射的影响，比如来
自太阳的可见光、紫外光，来自地球和外层空间的高能
射线以及各种 keV 量级的离子等。微束是特指尺寸
在微米量级的束斑，微束有 2 个特点，一是自能定点辐
射，定点到微米量级; 二是能定量辐射，注入的离子个
数为 1 到数百个［1］。作为一种独特的照射方式，它的
使用可追溯到很多年以前。早在 1912 年，Tschachotin
就制作了一个紫外光微束装置，并在随后的几十年内
使用该装置对单个细胞进行辐射效应研究［2］。然而
真正意义上的离子微束的第 1 次尝试是 1953 年和
1959 年美国芝加哥大学的 Zirkle［3］和 Bloom［4］使用
Van de Graaff加速器加速至 2 ～ 3 MeV量级，然后通过
一个 5 μm的窗口发射出来。在窗口上面覆盖一层闪
烁体以定位微束，其装置的剂量控制是通过控制时间
来实现的。1962 年 Morgan 等设计制作了一个更高能
量的离子微束［5］。1963 年 Sasha建议使用四极透镜新
的聚焦系统形成微束［6］，自此微束装置取得迅速发
展。1968 年 John和 Frank 使用 76 mm 孔径的四极透
镜建成了他们的第一台聚焦微束系统［7］。此后，研究
设计了各种小孔径紧凑型的强聚焦四极透镜，结构也
从二组合系统发展到三、四组合甚至五组合，磁铁类型
也从常规磁铁发展到超导磁铁，聚焦微束装置得到迅
速发展。
但此时的微束装置只能提供低能轻离子束流，其
中最广泛的是离子束。20 世纪 70 年代初出现了扫描
离子微束［8］，极大地促进了轻离子微束技术在各个领
域的应用。与轻离子微束相比，第 1 台重离子微束装
置［9］直到 20 世纪 80 年代才由 Bernd Fischer建成。随
着人们对微束实验装置的不断改进和完善，所获得的
束斑也越来越小，这种小截面的离子束有更加广泛的
应用前景。
1 实验装置
微束装置按照射线的种类、离子的能量、微束形成
方式、辐照方式以及辐照环境的不同有不同的分类。
根据射线种类的不同，微束可分为射线微束、轻离子微
束和重离子微束;按照离子能量范围的不同，又可分为
低能微束、中能微束和高能微束;按照微束形成方式的
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第 31 卷 第 9 期 2012 年 9 月 种 子 ( Seed) Vol． 31 No． 9 Sep． 2012
DOI:10.16590/j.cnki.1001-4705.2012.09.045
图 1 单离子微束装置束线传输示意图
不同，微束又可分为准直束和聚焦束。准直束主要采
用准直器( 如毛细管) 形成微米束斑，聚焦束则主要采
用电磁透镜聚焦形成;按照样品辐照方式的不同，微束
又可分为水平辐照和垂直辐照 2 种;此外，按辐照环境
的不同，微束又分真空中辐照和大气中辐照 2 种，材料
辐照一般在真空靶室中进行，而生物活细胞辐照则需
要在大气环境中进行。
单离子束装置［10］主要由静电加速器、偏转磁铁、
束稳定器、磁四极透镜、束线电子开关、光阑和微束瞄
准器系统等构成。射频离子源产生的离子由 Van de
Graff加速器加速至 2 ～ 3 MeV 量级，经过束流导向器
和狭缝到达第一级偏转磁铁。经过一级磁偏转选择的
单能离子水平输运，依次穿过束稳定器、磁四极透镜、
束线电子开关到达第二级偏转磁铁。
二级磁偏转后出射的离子束再经过一对狭缝，垂
直向上进入微束室中。图 1 即为单离子束装置的束线
布局示意图。
真正意义上的单离子束照射要求将预定个数的荷
电离子准确地辐射到直径为几个微米或更小范围的靶
中。然而，即使束流光学参数已经优化，进入微束室的
最终束径也很难约束在毫米量级以下或更小范围。欲
使束径进一步减小到微米量级，一般可以采用两种方
式:一种是瞄准器截取离子束方式;另一种是聚焦束方
式。单离子束装置目前采用瞄准器方式获取微束［60］。
瞄准器为内径 1 μm，外径 210 μm，长 900 ～ 980 μm 的
厚壁石英毛细玻璃管。毛细管安装在垂直度可调节的
固定器( holder) 中心，出口用 3． 5 μm Mylar 膜隔离真
空。Mylar膜后依次安装用于离子探测的 7 μm反光铝
箔和 18 μm薄膜闪烁体，最后以 3． 5 μm Mylar膜封装，
如图 2 所示。
图 2 瞄准器结构
定量辐射的精确度和定位辐射的准确性是单离子
束装置的两个核心技术指标。对整个单离子束系统的
关键部件实现计算机控制是实现“定点辐射”和“定量
辐射”的前提。另一方面，在实验过程中对关键部件
的工作状态进行判断并及时提供反馈是实验顺利进行
的保障。
单离子束装置计算机控制系统逻辑上可分为三大
功能模块:细胞数据采集和图像处理、样本架控制、离
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研究报告 黄洪云 等:单离子微束注入无芒雀麦种胚的实验研究
图 3 单离子注入及控制系统示意图
子计数和束线开关控制如图 3。入射细胞的离子个数
由离子探测计数与束线电子开关相结合的方式来控
制。单离子束的入射点可由瞄准器出口的微束离子入
射闪烁体激发光点直接确定。在细胞识别和辐射过程
中，样品的移动采用具有扫描功能的样本架来完成。
细胞图像的成像和细胞核的识别是由显微镜、图像增
强器、CCD和图像处理卡共同完成。
2 测量方法
将取出的无损种胚按一定的顺序放在 Mylar 膜中
间，放在单离子微束装置上进行离子定点注入。测试
束流强度:打开电子开关，通过与计算机连接的探头检
测束流的强度和稳定程度。定位原点: 打开准直器上
的显微镜，置于 40 ×工作模式下。打开控制软件，随
后打开电子开关，用记号笔在监视器上将闪动的原点
准确标记出来，标记后关掉电子开关。记录种胚相对
位置:在 40 ×的显微镜下将整盘的无芒雀麦种胚的相
对位置在白纸上记录下来。定点:将显微镜调到100 ×
工作模式，用移动控制手柄把种胚要注入的位点中心
慢慢移动到与原点重合。注入时间的控制: 根据测得
的束流强度和需要注入的剂量计算出注入时间，输入
计算机控制软件。注入:打开电子开关，进行离子微束
注入。
3 微束定点注入无芒雀麦种胚根尖和茎尖分
生组织的生物学研究
早期微束的研究主要集中在了解一些显微镜下可
见的变化以及辐射敏感性等问题。归纳其范围，主要
可分为四个领域［11］:一是调查细胞核受照射时的染色
体变化，二是研究核照射后的有丝分裂延迟，三是研究
细胞质受照射时的核效应，四是直接地比较细胞核与
细胞质的辐射敏感性。这些研究对当时了解特别位点
的照射效应起到了很大的帮助作用。它们指出细胞核
是细胞中辐射最敏感的区域，在导致细胞受辐射死亡
方面可能有着不同的机理，并且发现细胞间不同部分
的信号传导在某些情况下会被诱导出来。目前微束运
用于生物学研究主要集中在细胞水平上，内容涉及近
旁效应、基因组不稳定性和损伤信号转导等领域。但
运用于植物组织或器官的研究则鲜有报道。2002 年
日本科学家 Atsushi Tanaka 首次将重离子微束运用于
植物学方面的研究，证实根尖细胞和柱细胞是根感受
重力最敏感的部位［12］。本实验以植物雀麦种子胚胎
为研究材料，利用单离子微束装置对雀麦种胚的茎尖
分生组织和根尖分生组织进行精确定点注入，研究单
离子微束定点注入种胚不同部位对种胚早期发育根形
态建成的生物学效应，探讨种胚不同部位对于离子注
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入的敏感性，并根据这些现象进一步研究了可能参与
的信号传导途径，为下一步深入研究相关的发育调控
机理和信号转导途径提供基础。
3． 1 离子微束定点注入种胚根尖和茎尖分生组织对
主根发育的影响
从图 4 可以看出，离子微束注入种胚根尖分生组
织( RAM) 和茎尖分生组织( SAM) 后，与对照( WT) 相
比，微束的注入使种胚萌发后主根的生长变慢。其中，
注入种胚茎尖分生组织后抑制主根发育的现象更加显
著，说明在无芒雀麦种胚的萌发过程中，主根的发育可
能与种胚根尖分生组织更为相关。
图 4 离子微束注入种胚根尖和茎尖分生组织
对主根发育的影响
3． 2 离子微束定点注入种胚根尖和茎尖分生组织后
对侧根发育的影响
离子微束注入种胚茎尖分生组织后，与对照相比，
刺激了种胚萌发后侧根的发育，表现在侧根数目明显
增加，侧根变长;而微束注入种胚根尖分生组织后，与
对照相比，抑制了种胚萌发后侧根的发育，表现在侧根
数目明显减少，侧根变短。综合以上实验结果可以发
现，微束注入种胚根尖和茎尖分生组织均会影响侧根
的发育，但注入茎尖分生组织对侧根数目起刺激作用，
而注入根尖分生组织则侧根数目起抑制作用。如图 5
所示，根尖和茎尖分生组织在侧根的发育中均起作用
且作用各自不同。
图 5 离子微束注入种胚根尖和茎尖分生组织
对侧根发育的影响
3． 3 离子微束定点注入种胚根尖和茎尖分生组织对
根毛发育的影响
离子微束注入种胚根尖分生组织后，与对照相比，
种胚萌发后根毛的发育先被显著抑制随后被显著刺
激，表现在根毛数目先显著少于对照，随后显著多于对
照，如图 6 所示;离子微束注入种胚茎尖分生组织后，
种胚萌发后根毛的发育与对照相比没有显著差异。
图 6 离子微束定点注入种胚根尖分生组织
对根毛发育的影响
4 结 论
本实验发现，微束定点注入无芒雀麦种胚根尖分
生组织和茎尖分生组织对种胚早期根形态建成的影响
主要表现在对种胚萌发中主根、侧根和根毛发育方面。
定点注入种胚茎尖分生组织和根尖分生组织的早期生
物学效应存在差异。比如分别对种胚茎尖分生组织和
根尖分生组织定点注入，茎尖分生组织受到注入促进
了种胚萌发发育过程中侧根的形成，而对根尖分生组
织注入相同剂量的结果却是抑制了侧根的形成。这表
明在种胚早期的萌发发育中，茎尖分生组织受到损伤
可能对整个种胚的发育影响更大，暗示初期种胚的萌
发发育与种胚的茎尖分生组织更为相关。同时我们经
过实验还发现，微束注入种胚茎尖分生组织对种胚萌
发和发育过程中远程的主根和侧根的发育有显著影
响，暗示种胚在萌发过程中可能存在协调和远程调控
性，这可能是由于相关的损伤信号传导途径介导的产
生。探讨种胚不同部位对于离子注入的敏感性; 并根
据这些现象进一步研究参与的损伤信号类型及其传导
途径，为进一步研究相关的发育调控机理和信号转导
方式提供了基础。
参考文献:
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研究报告 黄洪云 等:单离子微束注入无芒雀麦种胚的实验研究
似性系数最高。3#渣场平台、2#渣场平台都处于以洞
挖为主的弃渣边坡下方，3#渣场平台与周边森林距离、
高差居中，2#渣场平台距离周边森林最远且高差最大，
距离加大将导致两地植物种类有较大差异，而高差加
大又影响着植物种子的传播，因此相似性系数随着距
离及高差加大呈下降的趋势。从 3#渣场、2#渣场看，平
台与相应周边森林群落土壤种子库相似性系数都比边
坡与周边森林的来得大，这可能是由于在渣场边坡的
种子可能通过径流在平台上富集，使平台的种子种类
较多，与周边森林群落土壤种子库相似性增大所致。
各渣场周边森林群落种子库以菊科、莎草科、十字
花科为优势科，各类型渣场种子库中以十字花科、菊科
为优势科。渣场中 20 个种有 17 种与其周边森林群落
相同，土壤种子库相似性系数为 0． 49。渣场与其周边
森林群落土壤种子库均以草本为优势生活型，渣场周
边森林群落储量和比例都比渣场的来得高，而渣场灌
木储量和比例都比周边森林群落的大，渣场周边森林
群落乔木储量和比例却比渣场的大。金沙江金安桥水
电站地处干热河谷区，而该区域中植物以草本植物为
主［13］，且草本植物往往产生大量的易于传播的种子，
故渣场及周边森林中土壤种子库中草本占绝对优势。
这与罗辉、王克勤［14，15］金沙江干热河谷元谋山地植被
恢复区土壤种子库中草本植物占很大比例这一结论相
吻合。渣场周边森林群落乔木树种较多，且样地外乔
木树种种子也可通过各种途径传播到取样地当中，故
所占比例较高;而渣场中仅在 3#渣场调查到山黄麻残
留个体，取样时也只取到这一种乔木树种的种子，故所
占比例较低。
参考文献:
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