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同步辐射 (软 X、紫外)辐照麦类
作物种子的诱变效应
唐掌雄　施巾帼　胡江朝
(中国农业科学院原子能利用研究所　北京　100094) 　　
董保中　崔明启
(中国科学院高能物理研究所　北京　100039)
同步辐射 (软 X、超软 X 射线) 辐照麦类作物种子的生物学效应显著。M1 代出
现条状叶绿素缺失 ,其出现率高达 40 %～100 % ,其中大麦的缺失有 4 种类型 ,这在γ
辐照中没有出现。M2 代出现了宽的突变谱 ,最高达 9 种类型的突变 ,其最高总突变
率为γ射线的 217 倍 ,有益突变率为γ射线的 517 倍。
关键词 :同步辐射 　软 X射线 　突变 　条状叶绿素缺失
此文于 1997 年 9 月 8 日收到
国家自然科学基金资助项目 ;北京国家同步辐射实验室支持
前 　　言
近几年来 ,高、低能离子束辐射生物效应和育种研究达到了一定的规模 ,发展快。但对真
空紫外和软 X射线 (能量小于 25keV)以及超软 X射线 (能量小于 5keV) 的辐射生物学效应还
了解甚少 ,对农作物的辐射生物学效应研究更少。
Sasaki , T. 等于 1976～1978 年在东京大学的同步辐射装置上用波长 1150～1900 ! 的同步
辐射辐照溶菌酶、核糖核酸酶、转移核糖核酸 ( t RNA) 、噬菌体、病毒孢子、低等真核细胞 (酵
母) 、哺乳动物细胞 (小鼠细胞)和大麦胚芽的致死和突变效应研究[1 ] 。J in , T. 等[2 ]用接近磷和
溴原子的 K层吸收进能量 ( Ek)的单色同步辐射 X射线辐照酵母细胞 ,其辐射损伤的最大吸收
截面出现在磷和溴原子的 K 壳层 ,其共振能量分别为 21153keV 和 13151keV。Koo F. K.
S. [3 ]采用 1411keV 单色 X射线 (稍高于溴原子的 K层共振吸收能量) 辐照浸泡过溴化物的拟
南芥植物种子 ,使其染色体畸变率提高 3 倍。
同步辐射具有频谱宽 (微波到 X 射线) 、连续可调、通量大、亮度高、偏振性好等优点。因
此 ,利用其中的紫外、真空紫外和软 X 射线辐照农作物 ,研究其生物学效应 ,对进一步开展同
步辐射的育种具有理论意义和应用意义。
材 料 和 方 法
试验材料 　选用冬小麦 (8790) 、春小麦 ( Pavon) 和大麦 (早熟 3 号) 3 个品种作试验材料。
用冬小麦的花粉进行同步辐射 (紫外线)辐照 ,然后再进行田间授粉。采用不同能谱区的同步
辐射 (软 X线)进行辐照。在用超软 X射线 (016～3keV) ,辐照时 ,需剥去大麦的稃壳 (因为小
麦的种皮约为 30～60μm[4 ] ;大麦稃壳厚为 60～100μm ,还有种皮 ,厚约 40～60μm) ,以利超软
X射线透入种胚内。
123　核 农 学 报　1998 ,12 (6) :321～326Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
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同步辐射辐照方法 　试验是在北京 BEPC 国家同步辐射实验室进行。同步加速器运行的
电子能量为 118～212 GeV (109eV) ,束流为 40～20mA。紫外线辐照花粉和软 X射线辐照种子
在空气中进行 ;超软 X射线在高真空条件下进行辐照。由于紫外线和软 X 射线穿透力弱 ,在
辐照花粉时 ,要制成薄层样品 ,而在软 X 射线辐照种子时 ,则需将种子胚朝向束流方向 ,且排
列成单层。
同步辐射实验中需考虑的一些问题 ,软 X射线的传能线密度 (L ET)比硬 X射线、γ射线的
L ET 要大 (表 1) ,故其相对生物学效应也高[6 ] 。
表 1 　某些 X射线、γ射线、电子射线的 LET值
Table 1 　The L ET value of some x2rays、γ2rays and electrons
射线能量
Energy
(keV)
L 100
(keV/μm)
注
Note
01277 (C Kα)
01392 (N Kα)
11560 (Al Kα)
3161 ( K Kα) 2010171091446111 (C 　Kα) ⋯⋯等是元素 C ⋯等的 K壳层电子结合能
1250 (60Coγ)
50kVp (X)
200kVp (X)
2000 (e)
3H(β)
01229
613
117
012
417 [ 5 ]
　　某些特征 X射线 (如低能软 X射线)对生物体内的脱氧核糖核酸 (DNA) 中某些重要元素
具有共振吸收效应。如果采用单能软 X 射线辐照 ,结合在样品中导入某一重要元素 ,则可提
高相对生物学效应 ,如[ 2 ]和[ 3 ]所叙述。
在采用紫外线和超软 X射线辐照时 ,由于这些射线在物质中穿透本领弱 ,必须考虑其射
程问题。当 X射线强度减弱到原来的 2 - 10倍时 ,在介质中的平均射程 (透射深度) Dj 可由下式
来表示[7 ] :
Dj = 10 (d1/ 2) j = 6193/μj (1)
式中μj 是物质对 X射线的线性衰减系数。在描述射线与生物体的相互作用时 ,经常用射线与
水的相互作用来模拟。根据公式 (1)计算了几种低能 X射线在水中的平均射程 ,列表 2。
表 2 　X射线在水中的平均射程
Table 2 　The average emission range of X2rays in water
能量
Energy
(keV)
质量吸收系数
Coefficient of mass
absorption
μj/ρ(cm2/ g) ×103
平均射程
Average emission range
Dj (μm)
110 41091 1619
115 11390 4918
210 01618 11210
310 01191 36210
410 01082 84810
结 果 和 分 析
(一)同步辐射剂量的相对测量
采用自制的辐射变色薄膜剂量片和辐射变色有机玻璃剂量片分别对辐射场中的紫外线和
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软 X射线进行相对吸收剂量测定。这 2 种剂量片都在60 Coγ辐射场中用电离型照射量计和硫
酸亚铁剂量计进行了校正。结果表明 ,用辐射变色剂量计作相对测定与相对生物学效应之间
达到近似地符合。
(二)当代 (M1)生物学效应
11 冬小麦 (8790)花粉在同步辐射的紫外线站进行辐照 :紫外线通量约为 1010～11 Phs/ s ,将
薄层花粉放在距出射窗口 015m 处 ,光斑为 10 ×5mm2 ,辐照时间为 8min。辐照后的花粉在田
间进行授粉。实验结果表明 ,当代结实率为对照的 5314 % ,种子发芽率为 100 % ,相对出苗率
为 10216 % ,苗高与对照无明显变化。
21 同步辐射 (315～22keV 软 X)辐照干种子 :能量为 315～22keV 的连续谱的软 X 射线 ,
通量约为 1013 Phs/ s ,光斑为 27 ×5mm2 ,辐照时间为 1～5s。同时在60Co 辐射场中以剂量率为
513 Gy/ min、总剂量为 100～500 Gy 进行辐照。将辐照后的种子进行发芽试验 ,观察其苗高的
变化。采用 GD50 (使苗高降低 50 %的剂量)作辐射敏感性的差别指标 ,结果如表 3。辐照后的
苗高随剂量增加而降低 ;对软 X和γ射线的辐射敏感性均为 :春麦 > 冬麦 > 大麦。经处理的 3
种麦苗 ,第 1 片幼叶出现不同几率的条状叶绿素缺失 ,其缺失率为 5 %～40 %。其中大麦的叶
绿素缺失具有 4 种类型 : (1)中央叶脉呈条状缺失 ; (2)沿叶片边缘呈条状缺失 ; (3)中央叶脉与
叶边缘之间有条状缺失 ; (4)叶片呈浅色细小黄绿斑点。但是用γ射线辐照这 3 种麦子均无出
现条状叶绿素缺失 (图版 Ⅰ) 。
表 3 　315～22ke V同步辐射、γ射线辐照麦类作物的苗期观察
Table 3 　Observation on the seedlings f rom seeds treated with
315～22keV synchronous irradiation andγ2rays
处理
Treatment
春小麦　Spring wheatŠX
(cm) %
GD50
缺失率
Def
( %)
冬小麦　Winter wheatŠX
(cm) %
GD50
缺失率
Def
( %)
大麦　BarlyŠX
(cm) %
GD50
缺失率
Def
( %)
软 X 0 1815 100 0 1517 100 0 1910 100 0
射线 1 515 2918 0 812 5213 10 1519 8410 0
Soft 2 116 817 5 612 3915 0 1211 6317 0
X2 3 115 810 < 1s 10 317 2317 ～1s 0 1316 7210 > 5s 0
rays 4 116 816 0 211 1316 5 1313 6419 5
(S) 5 116 814 0 617 4215 5 1118 6213 10
1 + 0108A1 214 1311 5 614 4016 10 1413 7510 14
γ
射线
γ2rays
( Gy)
0 2014 100 1519 100 1819 100
100 1416 7116 1510 9415 1912 10117
200 812 4010 ～150 Gy 1416 9212 ～350 Gy 1713 9114～500 Gy
300 710 3414 1119 7511 1211 6413
400 216 1218 616 4113 1214 6519
500 119 911 319 2416 914 4918
　　注 :…x :平均苗高 ; % :相对苗高 ; :叶绿素缺失率。
Note :…x :Average seedling height ; % :Relative seedling height ;Def :Chlorophyll defect rate
31 016～3keV (超软 X射线)同步辐射辐照麦类作物 :能量为 016～3keV 的超软 X射线同
步辐照 ,其光子通量约为 1011 Phs/ s ,光斑为 35 ×35mm2 (光斑扫描) ,采用 5min、10min 2 个辐
照时间。实验结果列于表 4。
从表 4 看出 : (1)辐照后的苗高随剂量增加而降低 ,且畸形苗增加 ; (2) 3 种麦子经辐照后 ,
其幼苗的第 1 片叶沿中央叶脉均出现 40 %～100 %的条状叶绿素缺失损伤 ;而γ辐照则无此
现象 ; (3)带稃壳的大麦经超软 X射线辐照后 ,其苗高高于对照 ,有生长刺激效应 ;而剥除稃壳
323　6 期 同步辐射 (软 X、紫外)辐照麦类作物种子的诱变效应
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表 4 　016～3ke V同步辐射辐照麦类作物的苗期观察
Table 4 　Observation on seedings of 016～3keV synchronous irradiated seeds( %)
处理时间
或剂量
Treaments
春小麦 Spring wheat
相对苗高
Relative plant
height
叶绿素
缺失率
Chlorophyll
defect
rate
冬小麦 Winter wheat
相对苗高
Relative plant
height
叶绿素
缺失率
Chlorophyll
defect
rate
大麦 Barly
相对苗高
Relative plant
height
叶绿素
缺失率
Chlorophyll
defect
rate
超软 X射线
Super soft
X2rays
(min)
0 100 0 100 0 100 0
5 7917 4414 8316 100 147 0
5 (去稃) 8117 100
Glume removed
10 5813 8414 8113 100 124 0
10 (去稃) 7716 100
Glume removed
γ射线
γ2rays
( Gy)
100 10318 0
200 8415 0 9216 0
300 4110 0 5919 0 100 0
500 4311 0
图版 Ⅰ　同步辐射 (超软 X射线)辐照大麦
M1 叶绿素缺失
Plate Ⅰ　Chlorophyll defect of barly treated by
synchronous irradiation(super soft X2rays)
的大麦 ,经相同剂量辐照后 ,则苗高降低 ,且伴有 100 %的条状叶绿素缺失。此外 ,经超软 X 射
线辐照后的冬小麦种子在大田播种 ,收获时观察到不育率随剂量增高而增加 ,且分蘖穗的不育
率高于主穗。
(三) M2 突变效应
冬小麦 (8790)花粉经同步辐射 (紫外)辐照后授粉而获得的 M2 植株和用同步辐射 (软 X、
超软 X射线)和60Coγ射线辐照冬小麦干种子的 M2 植株的田间变异情况调查结果列于表 5。
从表 5 可看出 :11 同步辐射 (X射线) 总突变率。其中软 X 射线 4s 处理最高 ,为 1211 % ,超软
X射线 (6min 为最大)为 1111 % ,它们分别比γ辐照总突变率最高的 411 % (300 Gy) 高 310 和
217 倍 ;21 同步辐射 (X射线)有益突变率。其中软 X
射线 1s 处理的最高 ,为 810 % ,超软 X 射线 (6min 处
理的最大)为 810 % ,它们均为γ辐照有益突变率的
114 %的 517 倍 ;31 同步辐射 (软 X) 出现的突变谱为
5～9 种类型 ,其中 4s 处理的突变谱最宽 ,有 9 种突
变类型 ;而超软 X 射线只出现 3～5 种突变的类型 ;
但两者的最高有益突变率则同为 810 % ; 41 从同步
辐射的不同能量引起的突变效应看 ,软 X 射线在单
株上可同时出现较多的多个性状的突变 ,而超软 X
射线引起的突变则以单性状变异为主 ;51 同步辐射
(紫外线)辐照花粉引起的突变率较低 ,小于 1 %。
讨 　论
11 同步辐射 (软 X)辐照 3 种麦子 ,其 M1 幼苗
第 1 片叶上出现条状叶绿素缺失损失 ,其缺失率高
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达 40 %～100 % ,而大麦有 4 种叶绿素缺失类型。在60Coγ射线辐照中未见报道。另外从大麦
的辐照可看出 ,不同能量辐照处理 ,其幼苗出现叶绿素缺失类型不同 ,此现象还需作进一步深
入研究。
21同步辐射 (软 X、超软 X 射线) 辐照冬小麦 (8790) ,其 M2 的最高总突变频率分别达
1211 %和 1111 % ,为60Coγ射线的 310 和 217 倍 ;而有益突变率均为γ射线的 517 倍 ,且突变
谱较宽。
31 如果进一步采用单能软 X射线 ,特别是与 DNA 中含有重要微量元素与之相应的特征
X射线 (它可产生共振吸收 ,则 L ET 更高)能量来辐照 ,可能会出现更有意义的变异效果。
参 考 文 献
1 　Sasaki , T. et al. Synchrotron radiation as a light source for radiation research. Radiat . Res. ,1979 ,90 :999～1003
2 　Jin , T. et al ,Damage induced by monochromatic synchnotron X2rays at the resonance absorption energy of intracellular Phos2
phorous in yeast cells ,Appt . Radiat . Isot . 1994 ,45 (7) :767～772
3 　Koo F. K. S. , Induced mutations in plante. Vienna : IAEA/ FAO :1969 ,305～312
4 　李扬汉. 禾本科作物的形态与解剖. 上海 :上海科学技术出版社 ,1979
5 　朱壬葆等. 辐射生物学. 北京 :科学出版社 ,1987 :45
6 　松尾孝岭. 放射线农业生物学. 东京 :养贤堂发行 :1964 :26～27
7 　卫增泉等. 低能重离子注入麦胚引起深层细胞损伤的一种物理机制. 安徽农业大学学报 ,1994 ,21 (3) :246～249
BIOLOGICAL EFFECTS OF SYNCHRONOUS IRRADIATION ( SOFT X2RAYS
AND ULTRA2VIOL ET RAYS) ON WHEAT
Tang Zhangxiong 　Shi Jinguo 　Hu Jiangchao
( Instit ute of A tomic Enegy A pplication , Chinese Academy of A gricult ural Sciences , Beiji ng 　100094)
Dong Baozhong 　Cui Mingqi
( Instit ute of High Energy Physics , Chinese Academy of Sciences , Beiji ng 　100039)
ABSTRACT
The synchronous irradiation ( soft X2rays , super soft X2rays) had a signif icant biological ef2
fect on wheat and barly when applied to seeds. Stripe chlorophyll defect was observed in M1
plants from the treated seeds with variation rate of 40 %～100 %. The chlorophyll defect in bar2
ley could be classif ied into 4 types that were not observed in those treated withγ2rays irradiation
and have not been reported. A wider spectrum of mutation with the highest of 9 types was found
in M2 plants. The highest total mutation was 217～3 times and benef icial mutation rate was 517
times of that withγ2rays treatments.
Key words :Synchronous irradiation ,soft X2rays ,mutation ,st ripe chlorophyll defet
623 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1998 ,12 (6) :321～326