全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (5): 565–572, www.chinbullbotany.com
doi: 10.11983/CBB14141
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收稿日期: 2014-08-06; 接受日期: 2015-01-05
基金项目: 国家科技支撑计划(No.2012BAC01B05)、中国科学院知识创新工程重要方向项目(No.KSCX2-EW-B-5)、战略生物资源技术支撑
体系专项(No.CZBZX-1)、中国科学院重点部署项目(No.KZCC-EW-103-3)、云南省科技惠民计划(No.2014RA053)、云南省应用基础研究计
划青年项目(No.2014FD066)、国家观赏园艺工程技术研究中心(No.2012FU125X10)和中国科学院创新团队(No.2014CZYY019)
* 通讯作者。E-mail: shilei@ibcas.ac.cn
荚果蕨绿色球状体对60Coγ射线的辐射敏感性
余蓉培1, 2, 李杨1, 李东1, 詹选怀3, 石雷1*
1中国科学院植物研究所北方资源植物重点实验室/北京植物园, 北京 100093
2云南省农业科学院花卉研究所, 国家观赏园艺工程技术研究中心, 昆明 650205; 3中国科学院庐山植物园, 九江 332900
摘要 以荚果蕨(Matteuccia struthiopteris)绿色球状体(GGB)为辐照材料, 使用不同剂量的60Coγ射线进行辐照处理, 采用
辐射诱变和组织培养技术相结合的方式进行荚果蕨GGB的辐射敏感性研究。结果表明, 荚果蕨GGB的存活率与60Coγ射线
辐照剂量之间存在显著的线性关系, 线性回归方程为: y=–0.797x+104.719, 计算得到半致死剂量约为69 Gy。随着辐照剂
量的增加, 荚果蕨GGB的增殖和分化能力下降且分化时间延长。GGB 60Coγ辐射的表型损伤表现为颜色变深、单个绿色颗
粒死亡、增殖及分化受到抑制; 细胞学损伤表现为微核、细胞核解体和胚性细胞减少。
关键词 荚果蕨, GGB, 60Coγ射线, 辐射敏感性
余蓉培, 李杨, 李东, 詹选怀, 石雷 (2015). 荚果蕨绿色球状体对60Coγ射线的辐射敏感性. 植物学报 50, 565–572.
荚果蕨(Matteuccia struthiopteris)隶属球子蕨科
荚果蕨属, 其外形优美且极耐阴, 在园林绿化中广泛应
用; 同时, 荚果蕨还兼具食用功能, 又称黄瓜香(董丽和
苏雪痕, 1993; Thakur et al., 1998)。任爽英(2005)诱导
得到荚果蕨的绿色球状体(green globular body, GGB),
实现了荚果蕨的组培快繁。GGB是指由蕨类植物外植体
诱导得到的绿色颗粒组成的球状体, 其本质是分生组
织集合体, 接种于基本培养基上可分化得到大量的蕨
类植物幼苗, 繁殖系数较高(Higuch et al., 1987)。
辐射诱变作为一种重要的育种手段, 已广泛应用
于观赏植物的育种中(Ahloowalia and Maluszynski,
2001)。辐射诱变与组织培养技术相结合, 可以在有
限的时空内进行大量的筛选, 从而提高辐射诱变育种
的效率(Zhou et al., 2006; Kovalchuk et al., 2007;
Matsumura et al., 2010)。辐射敏感性研究是辐射诱
变育种的前提和基础, 不同植物以及同种植物不同类
型材料的辐射敏感性和突变频率都存在差异(马爽等,
2007)。蕨类植物一般采用孢子作为诱变材料, 但亦
有少数采用配子体和愈伤组织作为辐射材料(Palta
and Mehra, 1973; Sparrow et al., 1975; 李洪艳,
2010)。目前, 国内外尚未见蕨类植物GGB辐射敏感
性研究的相关报道。
本研究以荚果蕨GGB为辐照材料, 以60Coγ射线
为辐射源, 通过结合辐射诱变与组织培养技术, 探究
荚果蕨GGB对60Coγ射线的辐射敏感性, 以期为蕨类
植物GGB的辐射育种研究提供依据和参考。
1 材料与方法
1.1 植物材料
荚果蕨(Matteuccia struthiopteris (L.) Todaro)种植于
中国科学院植物研究所北京植物园, 光照度为2 000
Lx, 温度25°C。
1.2 荚果蕨GGB繁殖途径的建立
参照任爽英(2005)所述方法, 对GGB增殖培养基及
其分化培养基的配方进行改良。GGB增殖培养基为:
1/2MS+0.2 mg·L–1 BA+0.2 mg·L–1 NAA+3%蔗糖
+0.7%琼脂; GGB分化培养基为: 1/2MS+0.1%活性
炭+3%蔗糖+0.7%琼脂。
1.3 荚果蕨GGB辐照处理
把荚果蕨GGB切成2 mm大小的块 , 初始鲜重为
·研究报告·
566 植物学报 50(5) 2015
(15.00±1.64) mg, 接种于装有增殖培养基的培养皿
中, 每个培养皿接种20个, 沿培养皿的中线排列, 用
parafilm进行密封。用北京大学应用化学所60Coγ射线
进行辐照处理, 辐照剂量分别为0、5、10、20、50、
75、100、125和150 Gy, 剂量率均为10 Gy·min–1, 每
个处理设10个重复, 每个重复20个GGB。
1.4 荚果蕨GGB辐照后处理及数据统计
将每个剂量处理后的GGB平均分成2组, 分别接种在
新鲜的增殖培养基和分化培养基上, 每4周更换1次
培养基。8周后, 对接种于增殖培养基上各处理剂量
的GGB进行存活率和鲜重增加量统计, GGB死亡是
以GGB整体变黑且无单个绿色颗粒存活为判定标准;
对接种于分化培养基上的各处理剂量的GGB进行分
化率、单个GGB的分化幼苗数及分化时间统计。使用
软件SPASS 17.0进行最小显著差数(least significant
difference, LSD)和线性回归分析。应用软件Sigma
Plot 12.0绘图。各处理剂量GGB存活率、鲜重增加量
以及分化率的计算公式如下:
GGB存活率=(存活的GGB数量/接种的GGB数
量)×100%
GGB鲜重增加量=GGB的鲜重–接种时GGB的原
始鲜重
GGB分化率=(分化的GGB数量/接种的GGB数
量)×100%
分别选取0、50、100和150 Gy剂量辐照处理
后的荚果蕨GGB接种于分化培养基上 , 使用Nikon
SMZ800体视显微镜于辐射处理后数小时、1周、2周
和3周分别进行辐射损伤观察 , 采用Nikon DXM-
1200F照相, 并用FAA进行固定, 参照王灶安(1992)
所述方法制作石蜡切片, 苏木精染色。用Nikon EC-
LIPSE E600显微镜对石蜡切片进行观察 , 观察G-
GB细胞的损伤情况, 并用Nikon DXM1200F相机拍
照。
2 结果与讨论
2.1 60Coγ射线对荚果蕨GGB存活率的影响
从图1可以看出, 5–20 Gy辐照处理后, 荚果蕨GGB
存活率为100%; 50 Gy时, GGB存活率开始降低, 为
74.2%; 150 Gy时, GGB全部死亡。说明5–20 Gy的射
线辐照对GGB的存活不产生影响, 50–150 Gy剂量
下, GGB的存活率随辐照剂量的增加而显著下降, 全
致死剂量(LD100)介于125–150 Gy之间。对GGB存
活率和辐照剂量进行线性回归分析 , 得到线性方
程 y=–0.797x+104.719, 决 定系 数 R2=0.943, F=
115.726, P=0.000<0.01, 说明荚果蕨GGB存活率与
辐照剂量之间存在极显著的线性回归关系。令y=50,
计算得到荚果蕨GGB的60Coγ射线半致死剂量(LD50)
为69 Gy。



图1 60Coγ射线辐照后8周荚果蕨GGB存活率与辐照剂量之间
线性回归分析

Figure 1 Linear regression between survival rate of Mat-
teuccia struthiopteris’s GGB (green globular body) and irra-
diation dose 8 weeks after radiated by 60Coγ rays

2.2 60Coγ射线对荚果蕨GGB增殖和分化的影响
鲜重增加量反映了GGB的增殖能力, 从表1和图2A可
以看出, 除5 Gy外, 其余剂量处理后的荚果蕨GGB
鲜重增加量均明显小于对照, GGB的增殖受到抑制。
10–100 Gy剂量下, GGB鲜重增加量随着辐照剂量的
增加而显著降低。125–150 Gy剂量下, 即接近全致死
剂量(LD100)时, GGB鲜重增加量降至最低, 但125和
150 Gy剂量下GGB鲜重增加量差异不显著。这是由
于125 Gy剂量下仅有极少部分的GGB存活, 且存活
下来的GGB都已受到较严重的辐射损伤, 鲜重增加
量较少; 150 Gy剂量下的GGB全部死亡, 鲜重几乎没
有增加。
余蓉培等: 荚果蕨绿色球状体对 60Coγ射线的辐射敏感性 567
表1 60Coγ射线辐照后8周荚果蕨GGB的增殖和分化情况(平均值±标准误, n=5)
Table 1 Multiplication and differentiation of Matteuccia struthiopteris’s GGB 8 weeks after radiated by 60Coγ rays (means±SE,
n=5)
Radiation dose
(Gy)
Increase of fresh weight
(mg)
Differentiation rate
(%)
Number of differentiated
seedlings from one GGB
Differentiation period
(d)
0 889.94±15.65 a 98.24±0.86 a 123.20±4.08 a 28
5 881.06±11.85 a 70.53±2.68 b 98.40±3.82 b 30
10 812.76±13.61 b 63.59±1.94 b 82.00±2.24 c 38
20 731.46±14.49 c 54.47±2.15 c 67.60±2.38 d 44
50 397.90±13.13 d 25.83±2.20 d 23.00±1.90 e 52
75 107.64±10.12 e 9.17±1.67 e 4.40±1.12 g 58
100 60.36±14.09 f 0.00±0.00 f 0.00±0.00 g –
125 9.82±7.06 g 0.00±0.00 f 0.00±0.00 g –
150 3.88±3.52 g 0.00±0.00 f 0.00±0.00 g –
同一列中标记有相同字母的数据表示在显著水平为0.05的最小显著性差数法(LSD)检测中相互间差异不显著。
In each column followed by the same letter are not significant each other at P<0.05 according to the least significant difference
test.



图2 60Coγ射线辐照后8周荚果蕨GGB的增殖和分化
(A) 增殖; (B) 分化。Bar=1 cm

Figure 2 Multiplication and differentiation of Matteuccia struthiopteris’s GGB 8 weeks after radiated by 60Coγ rays at various
doses
(A) Multiplication; (B) Differentiation. Bar=1 cm


不同剂量下的荚果蕨GGB分化率与对照相比均
具有显著差异(表1), 75 Gy剂量下GGB的分化率降至
(9.17±1.67)%, 100–125 Gy剂量下GGB虽有存活 ,
但在观察期内未出现分化迹象。除5 Gy外, 其余剂量
下GGB的分化时间均随辐照剂量的增加而延长, 75
Gy剂量下GGB的分化时间为58天, 明显长于对照。
此外, 从表1和图2B可以看出, 不同剂量下单个GGB
的分化幼苗数与对照相比均存在显著差异, 5–75 Gy
剂量下, 单个GGB分化出的幼苗数随着辐照剂量的
增加而减少, 75 Gy时, 存活下来的单个GGB只能分
化出极少的幼苗。由此可知, 60Coγ射线辐照对荚果蕨
GGB的分化产生抑制作用, 使其分化率降低、分化时
间延长且分化幼苗数减少。
2.3 荚果蕨GGB60Coγ射线辐射的表型损伤
如图3A–C所示, 对照GGB是由众多单个小球体组成的
鲜绿色的疏松组织, 接种于分化培养基上约3周后, 单
个小球体变成圆锥状(图3D), 出现分化迹象。50–150
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图3 荚果蕨GGB60Coγ射线辐射的表型损伤
(A)–(D) 0 Gy辐照后的GGB形态 ((A) 辐照后数小时; (B) 辐照后1周; (C) 辐照后2周; (D) 辐照后3周); (E)–(H) 50 Gy辐照后的
GGB形态 ((E) 辐照后数小时; (F) 辐照后1周; (G) 辐照后2周; (H) 辐照后3周); (I)–(L) 100 Gy辐照后的GGB形态 ((I) 辐照后数小
时; (J) 辐照后1周; (K) 辐照后2周; (L) 辐照后3周); (M)–(P) 150 Gy辐照后的GGB形态 ((M) 辐照后数小时; (N) 辐照后1周; (O)
辐照后2周; (P) 辐照后3周)。Bar=1 mm

Figure 3 Morphology damage of Matteuccia struthiopteris’s GGB after radiated by 60Coγ rays
(A)–(D) Morphology of GGB irradiated at the dose of 0 Gy ((A) Several hours after irradiated; (B) 1 week after irradiated; (C) 2
weeks after irradiated; (D) 3 weeks after irradiated); (E)–(H) Morphology of GGB irradiated at the dose of 50 Gy ((E) Several
hours after irradiated; (F) 1 week after irradiated; (G) 2 weeks after irradiated; (H) 3 weeks after irradiated); (I)–(L) Morphology of
GGB irradiated at the dose of 100 Gy ((I) Several hours after irradiated; (J) 1 week after irradiated; (K) 2 weeks after irradiated;
(L) 3 weeks after irradiated); (M)–(P) Morphology of GGB irradiated at the dose of 150 Gy ((M) Several hours after irradiated; (N)
1 week after irradiated; (O) 2 weeks after irradiated; (P) 3 weeks after irradiated). Bar=1 mm


Gy剂量下, GGB辐射处理后数小时(图3E, I, M), 未
观察到辐射损伤; 辐射后1周(图3F, J, N), 可以观察
到辐射损伤, GGB颜色变深, 局部出现单个小球体死
亡现象, 且100 (图3J)和150 Gy (图3M)剂量下的损
伤程度较50 Gy (图3F)剂量下的严重; 辐照后2周(图
3G, K, O), GGB颜色加深, 坏死区域扩大, 其中100
(图3K)和150 Gy (图3O)剂量下的GGB坏死面积较
大, 仅有少量的单个球状小体存活; 辐照后3周, 对
照GGB (图3D)已有分化迹象, 50 Gy (图3H)剂量下的
GGB坏死面积基本稳定, 存活的单个球状小体颜色
转为深绿色, 但无分化迹象, 100 (图3L)和150 Gy (图
3P)剂量下的GGB已全部坏死, 无分化迹象。
观察初期, 不同剂量辐照后GGB损伤程度的差
异不明显。随着观察的深入, GGB损伤程度的差异逐
步显现, GGB辐射损伤程度随辐照剂量的增加而加
重。不同辐照剂量下荚果蕨GGB辐射损伤程度的差异
余蓉培等: 荚果蕨绿色球状体对 60Coγ射线的辐射敏感性 569
最终表现为GGB存活率、鲜重增加量及分化率的差
异。
2.4 荚果蕨GGB60Coγ射线辐射的细胞损伤
荚果蕨GGB由绿色颗粒组成(图4A), 未经辐照处理
的绿色颗粒顶端为分生组织区域, 聚集了大量排列紧
密的细胞, 该区域的细胞体积较小、细胞核巨大、细
胞质较少、核质比高、分裂旺盛且排列紧密(图4B), 具
有胚性细胞的特点。
微核是判断辐射后细胞损伤的一个重要标志, 由
脱离细胞核的染色体片段或整条染色体形成。50–
150 Gy剂量下, 在荚果蕨GGB细胞内均发现微核存
在, 但主要集中于50–100 Gy剂量下, 多表现为单微
核(图4C)和多微核(图4F)。150 Gy剂量下, 可观察到
GGB细胞核的解体(图4E)。辐照后3周, 100 Gy剂量
下的荚果蕨GGB的胚性细胞显著减少(图4D)。这说明
高剂量辐照会对GGB胚性细胞的形成和发生产生抑
制作用, 从而影响GGB的增殖和分化。
2.5 讨论
2.5.1 60Coγ射线对荚果蕨GGB存活率的影响
荚果蕨GGB的存活率随60Coγ射线辐照剂量的增加而
下降, 并呈线性关系, 这与香蕉属(Musa)、冬凤兰
(Cymbidium dayanum)、碧玉兰(C. lowianum)、西藏
虎头兰(C. tracyanum)和竹叶兰(Arundina gaminifo-
lia)等植物材料经60Coγ射线辐照处理后的情况一致
(Kulkarni et al., 2007; 彭绿春等, 2007)。通过线性回
归分析得到荚果蕨GGB的6 0Coγ射线半致死剂量
(LD50)为69 Gy, 这与其它植物材料的60Coγ射线半致
死剂量存在差异, 蕨(Pteridium aquilinum)的干燥孢
子、浸泡1小时的孢子及浸泡24小时的孢子的LD50分
别为80、40和30 Gy (Howland and Boyd, 1974);




图4 荚果蕨GGB60Coγ射线辐射的细胞损伤
(A) 组成GGB的绿色颗粒(0 Gy); (B) GGB的胚性细胞(0 Gy); (C) 50 Gy辐照后2周的荚果蕨GGB (箭头示GGB细胞的微核); (D)
GGB胚性细胞数量减少(100 Gy辐照后3周); (E) 150 Gy辐照后3周的荚果蕨GGB (箭头示GGB的细胞核解体); (F) 100 Gy辐照后2周
的荚果蕨GGB (箭头示GGB的多微核)

Figure 4 Cellular damage of Matteuccia struthiopteris’s GGB after radiated by 60Coγ rays
(A) Green bodies of GGB (0 Gy); (B) Embryogenetic cells of GGB (0 Gy); (C) Matteuccia struthiopteris’s GGB of 2 weeks after
irradiated at dose of 50 Gy (arrow shows cellular micronucleus in the GGB); (D) Reduction of embryogenetic cells in the GGB (3
weeks after irradiated at dose of 100 Gy); (E) Matteuccia struthiopteris’s GGB of 3 weeks after irradiated at dose of 150 Gy (ar-
row shows broken nucleus in the GGB); (F) Matteuccia struthiopteris’s GGB of 2 weeks after irradiated at dose of 100 Gy (arrows
show cellular multi-micronucleus in the GGB)

570 植物学报 50(5) 2015
蕨愈伤组织的LD50约为5.16×10–1 C·kg–1 (李洪艳等,
2010)。其它植物材料如中国水仙(Narcissus tazetta
var. chinensis)鳞茎外植体的LD50为18 Gy (Lu et al.,
2007); 安祖红(Anthurium andreanum)愈伤组织的
LD50约为10 Gy (Puchooa et al., 2005)。不同植物材
料60Coγ射线半致死剂量(LD50)存在差异的原因在于
物种、基因组大小、年龄、材料性质和生理特征等多
方面的差异(Holst and Nagel, 1997)。但是, 蝴蝶兰
类原球茎(protocorm-like body, PLB)的γ射线半致死
剂量(LD50)为50–68 Gy, 与荚果蕨GGB的半致死剂
量较为接近, 这可能与GGB和PLB具相似性有关(张
相锋等, 2009)。

2.5.2 60Coγ射线对荚果蕨GGB增殖和分化能力的
影响
荚果蕨GGB的鲜重增加量和分化率随60Coγ射线辐照
剂量的增加而下降, 分化时间随辐照剂量的增加而延
长, 说明荚果蕨GGB的增殖和分化能力受到抑制。但
通常认为射线对植物组织生长发育的影响表现为低
剂量促进而高剂量抑制(Kovalchuk et al., 2007)。先
前的研究表明, 低剂量的60Coγ射线对Hebe ochra-
cea、木薯(Manihot esculenta)及刺山柑子(Capparis
spinosa)外植体的鲜重增加和体外不定芽的形成均起
促进作用(Owoseni et al., 2006; Al-Safadi and Elias,
2011; Gallone et al., 2012)。目前尚不清楚荚果蕨
GGB为何在低剂量辐照后未出现增殖和分化能力的
增强 , 但类似的情况也曾出现在以菊花 (Chrysan-
themum morifolium)和香石竹(Dianthus caryophyl-
lus)叶片外植体为辐照材料的60Coγ射线辐射研究中,
即这两种叶片外植体在低剂量时也表现出鲜重增加
和分化率下降(Okamura et al., 2003; Yamaguchi et
al., 2008)。

2.5.3 荚果蕨GGB的60Coγ射线辐射损伤
荚果蕨GGB 60Coγ射线辐射的表型损伤表现为颜色
变深、单个绿色颗粒死亡、增殖及分化受到抑制; 细
胞辐射损伤主要表现为微核、细胞核解体及胚性细胞
减少。而在已有的蕨类植物辐射损伤研究中, 发现经
射线处理的蕨类植物孢子萌发形成的配子体会出现
白化或部分白化、叶绿体畸形、细胞分裂受抑制、形
成深绿色的瘤状物, 配子体培养数月后仍不能形成孢
子体, 配子体最终死亡, 辐射损伤的表现形式与荚果
蕨GGB的60Coγ射线辐射损伤存在差异(Palta and
Mehra, 1973; Haigh and Howard, 1973)。微核是判
断细胞辐射损伤的一个重要标志, 不仅存在于60Coγ
射线辐照后的GGB细胞中, 而且在辐照处理后的豌
豆(Pisum sativum)和红三叶(Trifolium pratense cv.
‘Minshan’)等植物细胞中也曾发现(Vasilenko and Si-
dorenko, 1995; 段雪梅, 2009)。但在60Coγ射线辐照
后的核桃(Juglans regia)细胞中除有微核外还发现了
胚性细胞的细胞形态改变、细胞壁受损及细胞核核仁
破损等(马艳萍等, 2010)。
荚果蕨GGB的60Coγ射线辐射损伤随剂量的增加
而加重。紫外辐射诱导后, 九里香叶片中的DNA辐射
损伤也存在类似的情况(王静等, 2007)。此外, 荚果蕨
GGB的辐射损伤随时间的延长而加重, 这与辐射损
伤的机制有关, 辐射引起损伤的过程包括物理学、生
物化学和生物学3个阶段, 其中物理学和生物化学阶
段会在10–18–103 秒内完成, 而生物学阶段要在较长
的时间内才能完成, 辐照后数小时会引起细胞分裂受
阻, 数天至1个月后会造成DNA损伤和基因组不稳定,
最终导致细胞损伤、变异或死亡(Limoli et al., 2000;
Nishiguchi et al., 2012)。
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572 植物学报 50(5) 2015
Radiosensitivity of Green Globular Bodies of Matteuccia
struthiopteris Exposed to 60Coγ Radiation
Rongpei Yu1, 2, Yang Li1, Dong Li1, Xuanhuai Zhan3, Lei Shi1*
1The Key Laboratory of Northern Plant Resources/Beijing Botanical Garden, Institute of Botany, Chinese Academy of Sci-
ences, Beijing 100093, China; 2National Engineering Research Center for Ornamental Horticulture, Flower Research Insti-
tute, Yunnan Academy of Agricultural Science, Kunming 650205, China; 3Lushan Botanical Garden, Chinese
Academy of Sciences, Jiujiang 332900, China
Abstract Combining tissue culture with radiation mutation techniques, we investigated the radiosensitivity of green
globular bodies (GGB) of Matteuccia struthiopteris by exposing it to various doses of 60Coγ radiation. The significant
linearity between GGB survival and doses of 60Coγ could be expressed as y=–0.797x+104.719, LD50=69 Gy. The multi-
plication and differentiation of GGB was decreased and the differentiation period was prolonged with increasing radiation
doses. Phenotypic damage such as dark color, death of single green bodies, and cellular damage such as micronuclei,
broken nuclei and decrease of embryonic cell after irradiation.
Key words Matteuccia struthiopteris, green globular bodies, 60Coγ radiation, radiosensitivity
Yu RP, Li Y, Li D, Zhan XH, Shi L (2015). Radiosensitivity of green globular bodies of Matteuccia struthiopteris exposed
to 60Coγ radiation. Chin Bull Bot 50, 565–572.
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* Author for correspondence. E-mail: shilei@ibcas.ac.cn
(责任编辑: 孙冬花)