全 文 ：此文于 1997 年 6 月 21 日收到。
国家科委资助项目。
质子对水稻的辐射生物学效应研究
王彩莲　慎　玫　陈秋方
(浙江省农业科学院原子能利用研究所　杭州　310021)
用不同能量、剂量的质子辐照水稻干种子 ,与γ射线辐照作对比 ,研究其生物学
效应。结果表明 ,质子辐照可诱发各种可见染色体结构变异及有丝分裂行为异常。
随着质子能量和剂量的提高 ,染色体畸变细胞率呈增加趋势。质子处理的能量效应
大于剂量效应 ,能量效应主要表现在 8MeV 与 416MeV 的差异。质子对染色体的致
畸效应和对有丝分裂的抑制作用与γ射线相似 ,但质子诱发的微核比例明显高于γ
射线 ,而染色体桥的比例低于γ射线。3 个供试品种的辐射敏感性随诱变源和考察
指标而变化。
关键词 :质子 　γ射线 　细胞学效应 　幼苗生长抑制 　水稻
前 言
人们就电离辐射对植物的生理损伤及遗传性状变异已进行了大量研究[1～3 ] ,但所用的诱
变源多为低 L ET 的γ射线和 X射线 ,使用低 L ET 电离辐射诱发植物突变所需的剂量较高 ,产
生的生理损伤严重 ,且突变频率较低。积极开拓利用高效新型诱变因素 ,以减轻辐射损伤 ,提
高诱变效应 ,是诱变改良作物综合技术的重要环节。
近年来 ,随着加速器技术的发展 ,已能从一些大型加速器获得各种不同 L ET 的高能量的
重离子和质子 ,并用于处理生物样品。Burns 等[4 ] 、Clapp 等[5 ] 、Ashikawa 等[6 ]对不同能量质子
处理大鼠、小鼠诱发肿瘤的 RBE 值进行了研究 ,但有关质子对植物的生物学效应研究未见报
道。为探索质子辐射在作物诱变育种中应用的可能性 ,本文以水稻干种子为材料 ,用不同能量
和剂量的质子及60Coγ射线辐照处理 ,以染色体畸变细胞率和幼苗生长为指标 ,研究其辐射生
物学效应。
材 料 与 方 法
供试材料 　早籼品种浙 733、舟 903 和晚粳品种秀水 11 的风干种子。
诱变处理 　用质子和60Coγ射线分别处理上述水稻风干种子。质子辐照处理在北京大学
重离子物理所进行。质子能量为 4、6 和 8MeV ,剂量为 3 ×109 和 5 ×109protons/ cm2 。60 Coγ
射线辐照在本所辐照厅进行 ,剂量为 0、150、300 和 450 Gy ,剂量率为 1 Gy/ min。
细胞学观察 　水稻种子在 27 ±1 ℃下浸种催芽 ,根长至 1cm 左右时用 Carnoy 氏液固定 ,
改良品红染色 ,压碎法制片。每处理显微观察 8 个左右根尖 ,每个根尖随机观察 600 个左右细
921　核 农 学 报　1998 ,12 (3) :129～134Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
胞 ,计数根尖分生组织内携有可见染色体结构变异及有丝分裂行为异常的细胞数 ,计算染色体
畸变细胞率 ,并作统计分析。
幼苗生长观察 　将各处理组和对照组的种子放入培养盒湿滤纸上 ,采用垂直发芽法 ,于自
然光照和 27 ±1 ℃下生长 ,于苗龄 10d 测量各组幼苗高度和根长 ,并进行方差分析。
结 果 与 分 析
(一)质子对水稻的细胞学效应
质子处理水稻休眠种子胚部 ,在 M1 根尖细胞内可诱发各类染色体结构变异。随着质子
能量和剂量的提高 ,染色体畸变细胞率呈增加趋势 (表 1) 。二因素方差分析表明 ,质子处理水
稻品种舟 903 ,其能量间、剂量间的差异分别达极显著和显著水准 ,能量与剂量间的互作效应
显著。
表 1 　质子辐照的细胞学效应
Table 1 　Cytological effects of protons
能　量 剂　量 染色体畸变细胞率 有丝分裂指数
Energy Dose Cell of chromosomal Mitosis index
(MeV) ( Protons/ cm2) aberration ( %) ( %)
CK 0183 ±0115 a A 9112 ±0183 a A
4
3 ×109 1100 ±0116 b B 8114 ±1175 b AB
5 ×109 1110 ±0113 c BC 7175 ±0198 b B
6
3 ×109 1121 ±0110 d CD 7169 ±0138 b B
5 ×109 1125 ±0104 d CDE 7126 ±0141 b B
8
3 ×109 1130 ±0105 de DE 5137 ±0170 c C
5 ×109 1139 ±0122 e E 6110 ±0183 c C
　　　　　品种为舟 903
The Variety used is Zhou 903
质子在诱发根尖细胞染色体畸变的同时 ,抑制根尖细胞的有丝分裂活动。随着质子能量
和剂量的提高 ,有丝分裂指数显著下降 (表 1) 。二因素方差分析表明 ,能量间差异达极显著水
准 ,而剂量间差异不显著 ,能量与剂量间的互作效应显著。能量效应主要表现在 4 和 6MeV 与
8MeV 的差异。
(二)质子对不同品种的细胞学效应
在 3 ×109protons/ cm2 处理下 ,3 个供试水稻品种对不同能量质子处理的细胞学效应表现
基本一致 (表 2) 。随着质子能量的提高 ,染色体畸变细胞率呈增加趋势 ,有丝分裂指数明显下
降。统计分析结果表明 ,不同品种对质子的反应依考察指标的不同而有所差异。
由表 2 可见 ,舟 903 的自然染色体畸变细胞率明显高于浙 733 和秀水 11。质子辐照后 ,3
个品种的染色体畸变细胞率均较对照极显著增加。舟 903 和秀水 11 的能量效应差异表现极
显著或显著 ,而浙 733 的能量间差异不显著 (表 2) 。3 ×109protons/ cm2 处理时 ,3 个品种对不
同能量质子的反应为浙 733 ≥秀水 11 > 舟 903 ,似乎与品种本身的自然染色体畸变细胞率有
关。
当以有丝分裂指数为考察指标时 ,供试品种对不同能量质子处理的反应依次为浙 733 >
舟 903 > 秀水 11 ,其中舟 903 与秀水 11 无明显差异。
031 核　农　学　报 12 卷
(三)质子和γ射线的细胞学效应比较
有关γ射线对水稻 M1 的细胞学效应我们已进行了多次研究[7 ,8 ] 。本试验中 ,60 Coγ射线
对供试品种亦具有显著的细胞学剂量效应。随着γ射线辐照剂量的增加 ,3 个品种的染色体
表 2 　质子对不同品种水稻的细胞学效应
Table 2 　Cytological effects of protons on rice varieties
品　种
Varieties
能　量
Energy
(MeV)
染色体畸变细胞率
Cell of chromosomal
aberration ( %)
有丝分裂指数
Mitosis index
( %)
浙 733
Zhe733
CK 0157 ±0108 a A 13174 ±1134 a A
4 1114 ±0108 b B 10154 ±1137 b B
6 1120 ±0105 b B 6193 ±0165 c C
8 1121 ±0114 b B 6191 ±1100 c C
舟 903
Zhou 903
CK 0183 ±0115 a A 9112 ±0183 a A
4 1100 ±0116 b B 8114 ±1175 b AB
6 1121 ±0110 c CD 7169 ±0138 b B
8 1130 ±0105 d DE 5137 ±0170 c C
秀水 11
Xiu Shui 11
CK 0167 ±0110 a A 8177 ±1116 a A
4 1112 ±0125 b B 8111 ±1126 ab AB
6 1141 ±0123 c CD 7125 ±1137 b B
8 1159 ±0126 d D 7103 ±1100 b B
畸变细胞率显著提高 ,有丝分裂指数明显下降。品种间比较表明 ,以染色体畸变细胞率为指标
或按有丝分裂指数进行比较 ,3 个品种对γ射线的敏感性均无明显差异 (表 3) 。
表 3 　γ射线对水稻品种的细胞学效应
Table 3 　Effects ofγ2rays on rice varieties
品　种
Varieties
剂　量
Dose
( Gy)
染色体畸变细胞率
Cell of chromosomal
aberration ( %)
有丝分裂指数
Mitosis index
( %)
浙 733
Zhe733
CK 0157 ±0108 a A 13174 ±1134 a A
150 1106 ±0109 b B 11190 ±1138 b B
300 1119 ±0121 c B 9182 ±1154 c C
450 1139 ±0119 d C 8152 ±1123 d C
舟 903
Zhou 903
CK 0183 ±0115 a A 9112 ±0183 a A
150 1109 ±0116 b B 6183 ±0187 b B
300 1119 ±0114 c BC 6179 ±0167 b B
450 1128 ±0107 d C 5186 ±1101 b B
秀水 11
Xiu Shui 11
CK 0167 ±0110 a A 8177 ±1116 a A
150 1101 ±0107 b B 7188 ±0197 ab AB
300 1120 ±0114 c B 7136 ±0192 b BC
450 1139 ±1120 d C 6119 ±0190 c C
质子和γ射线诱发的畸变类型中 ,均以诱发微核为主 (表 4) 。不论是质子辐照或γ射线
处理 ,其微核率和染色体畸变细胞率均呈显著正相关 ( rprotons = 019997 , r r = 019160) 。除 3 ×
109protons/ cm2 处理的落后染色体外 ,其余类型均随质子或γ射线的处理剂量增加而提高 ,而
131　3 期 质子对水稻的辐射生物学效应研究
且各种类型的比例都是微核 > 桥 > 断片 > 落后 > 多极。然而质子诱发的微核率明显高于γ射
线 ,染色体桥的比例则低于γ射线。γ射线诱发的双微核、多桥的频率较高 ,多极类型仅在γ
射线处理中才观察到 ,表明质子处理的损伤低于γ射线。
表 4 　质子和γ射线对 M1 根尖染色体畸变效应
Table 4 　Effect of protons andγ2rays on chromosomal aberration of root tip cells
处　理
Treatment
剂　量
Dose
(protons/ cm2)
观察细胞数
No. of cells
微　核
Micro2
nucleus
单　桥
Single
chromosomal
bridge
多　桥
Multiple
chromosomal
bridge
断 片
Fragments
落后染色体
Laggards
多　极
Multiple pole
质　子
Protons
0 6948 24 (0135) 11 (0116) 1 (0101) 3 (0104) 1 (0101)
3 ×109 5854 41 (0170) 13 (0122) 4 (0107) 7 (0112) 4 (0107)
5 ×109 8231 63 (0177) 18 (0122) 8 (0110) 12 (0115) 3 (0104)
γ射线
γ2rays 0 6948 24 (0135) 11 (0116) 1 (0101) 3 (0104) 1 (0101)150 Gy 6888 39 (0156) 18 (0126) 4 (0106) 10 (0114) 3 (0104)300 Gy 6011 30 (0150) 19 (0132) 9 (0115) 9 (0115) 3 (0105) 1 (0102)
450 Gy 7707 45 (0158) 25 (0132) 17 (0122) 14 (0118) 6 (0108) 1 (0101)
　　　　品种为浙 733 ;括号内数据为百分数
Variety used is Zhe 733 ; Figures in brackets are percentages.
表 5 　质子对不同品种水稻幼苗生长的影响
Table 5 　Effect of protons on seedling growth in rice varieties
品　种
Varieties
能　量
Energy
(MeV)
剂　量
Dose
( Protons/ cm2)
根　长
Root length
(cm)
苗　高
Seedling height
(cm)
浙 733
Zhe 733
CK 4116 ±1121 a A 10196 ±1123 a A
4 3 ×10
9
5 ×109
3166 ±1101
3118 ±1133 a Ab AB 9164 ±11989103 ±1128 b ABb B
6 3 ×10
9
5 ×109
3122 ±1112
3113 ±1121 b ABb AB 6142 ±01695185 ±1176 c Cc C
8 3 ×10
9
5 ×109
2110 ±0147
1150 ±0189 c BCc C 2183 ±01821193 ±0146 d Dd D
舟 903
Zhou 903
CK 4158 ±0185 a A 10133 ±1121 a A
4 3 ×10
9
5 ×109
4146 ±1171
3176 ±1149 a Aab AB 9182 ±21789136 ±1183 a Aa A
6 3 ×10
9
5 ×109
3127 ±1164
3115 ±0194 b ABb BC 4173 ±01854126 ±0176 b Bb B
8 3 ×10
9
5 ×109
1194 ±0162
1108 ±0160 c Cc C 2107 ±01451138 ±0195 c Cc C
秀水 11
Xiu Shui 11
CK 4177 ±1119 a A 9125 ±1105 a A
4 3 ×10
9
5 ×109
3167 ±1110
3129 ±1121 b ABb B 6171 ±11036127 ±1199 b Bbc BC
6 3 ×10
9
5 ×109
3105 ±0196
2191 ±0197 b Bcb B 5148 ±01934150 ±0163 c CDd D
8 3 ×10
9
5 ×109
1169 ±0170
1118 ±0141 c Cc C 2106 ±01681126 ±0181 e Ee E
231 核　农　学　报 12 卷
(四)对水稻幼苗生长的影响
水稻种子经质子处理 ,其发芽率均略有降低 (为对照的 80 %～90 %) ,且能量和剂量间无
明显差异。
表 5 显示 ,除 4Mev 的 2 个剂量处理外 ,其余各处理的根长均较对照显著或极显著下降。
二因素方差分析表明 ,能量间、剂量间的差异均达极显著水准 ,主要表现在处理剂量与对
照的差异及能量间的差异 ,表明能量的差异大于剂量。3 个品种对质子的反应基本相似。
γ射线处理 ,3 个品种的根长和苗高均随剂量增加而下降。二因素方差分析表明 ,以根长
为指标 ,剂量间 ( F = 3318965)和品种间 ( F = 416634) 的差异分别达极显著和显著水平。以苗
高为指标 ,剂量间 ( F = 6915399)和品种间 ( F = 2019614) 的差异均达极显著水平。无论是根长
还是苗高。其剂量间的差异均达显著或极显著差异 ,秀水 11 根长和苗高的降低极显著大于浙
733 和舟 903。
讨 论
细胞内染色体畸变一直被认为是对辐射损伤最敏感的生物学指标。本研究结果表明 ,质
子辐照水稻休眠种子的胚部 ,对其 M1 的细胞学效应与γ射线基本相似 ,即对根尖细胞染色体
具一定的致畸效应 ,同时较强烈地抑制根尖细胞的有丝分裂活动。但由于γ射线与质子的
L ET 不同 ,其诱导不同类型的染色体畸变能力有所不同 ,60 Coγ射线的 L ET 为 0127kev/μm ,
4MeV、6MeV 和 8MeV 的L ET 分别为 9154keV/μm、6193keV/μm 和 5150keV/μm[9 ] 。本试验
结果表明 ,虽然质子和γ射线均以诱发微核和桥为主 ,但质子处理产生的微核比例明显高于γ
射线 ,而染色体桥发生的比例则是γ射线高于质子 (表 4) 。表明质子辐照对染色体结构的损
伤作用小于γ辐照 ,有可能较多地诱发微突变和点突变。Nagasawa 等[9 ]的试验结果显示 ,高、
低 L ET 辐射诱导不同类型的染色体畸变能力有所不同 ,他们比较了 317MeV 的α粒子与γ射
线辐照处理中国仓鼠细胞产生的染色体畸变 ,发现γ射线能较有效地诱发产生双着丝点染色
体及染色体环 ,而α粒子诱导染色体断裂的能力较强。
质子辐射能诱发较高频率的染色体畸变和抑制有丝分裂活动 ,说明质子对生物体细胞具
有较大的影响。质子作为一种新的诱变源 ,其作用机制有待进一步探讨。有关质子辐射的诱
变效应将另作报道。
致谢 :质子处理得到中国农业科学院原子能利用研究所唐掌雄研究员支持 ,特此致谢。
参 考 文 献
1 　王琳清. 辐射诱变改良作物综合技术与应用. 科技导报 ,1992 , (11) :24～26 ,12
2 　赵孔南 ,陈秋方 ,王彩莲等编著. 植物辐射遗传育种研究进展. 北京 :原子能出版社 ,1990 ,1～27
3 　Maluszynski M. et al. Application of in vivo and in vitro mutation techniques for crop improvement . Euphytica 1995 ,85 :303～
315
4 　Burns F J . et al. The dose response curve for tumor induction with single and splite dose of 10 MeV protons. Radiation Research.
1975 ,62 :598
331　3 期 质子对水稻的辐射生物学效应研究
5 　Clapp N K et al. Relative effects of wholebody sublethal doses of 60 MeV protons and 300 kVp X rays on disease incidences in
RF mice. Rediation Research ,1974 ,57 :158
6 　Ashikawa J K. et al. Difference in injury mode ,dose2rate dependence and RBE of 730 MeV protons ,100 kVp X rays ,and 200
kVp X rays. In : International Atomic Energy Agency :Biological effects of Nentron and Proton Irradiations 1961 ,1 :249～260
7 　慎　玫等.γ射线对不同类型栽培稻的辐射细胞学效应. 浙江农业学报 ,1992 , (4) ,增刊 :25～29
8 　王彩莲等. 137Csγ射线与叠氮化钠复合处理水稻的诱变效应. 核农学报 ,1993 ,7 (1) :21～28
9 　杨垂绪 ,梅曼彤编著. 太空放射生物学. 广州 :中山大学出版社 ,1995 ,65～66 ,206
BIOLOGICAL EFFECTS OF PROTONS IRRADIATION ON RICE
Wang Cailian 　　Shen Mei 　　Chen Qiufang
( Instit ute f or A pplication of A tomic Energy , Zhejiang Academy of A gricult ural Sciences , Hangz hou 　310021)
ABSTRACT
Dry seeds of rice were irradiated by 4～8 MeV protons with various doses. The biological
effect in M1 was studied. The results show that protons were able to induce variation on chromo2
some structure in root tip cells. The rate of cells with chromosome aberration was increased with
protons energy and dose added. The energy effects of protons were higher than dose effect ; ener2
gy effects were showed bet ween 8 MeV and 4 , 6 MeV. As compared withγ2rays , the effects of
protons were the same on chromosomal aberration and mitotic inhibition but higher on rate of
cell with micronucleus and lower on rate of chromosomal bridge. The radiosensitivities of three
rice varieties were various with different radio2soures and references.
Key words :Protons , 　γ2ray , 　cytological effect , 　seedling growth , 　inhibition , 　 rice
431 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
　　　　　1998 ,12 (3) :129～134