全 文 ：空间环境对水稻的细胞学效应研究
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)
通过第 17 颗返回式卫星搭载 5 个水稻品种的干种子 ,进行空间诱变处理 ,研究
其细胞学效应。结果表明 ,空间环境对根尖细胞染色体有一定的致畸作用 ,又能促进
根尖细胞的有丝分裂活动 ,经空间飞行的水稻染色体畸变细胞率极显著高于地面对
照组。与γ射线和质子处理相比较 ,空间环境对染色体的致畸效应较低 ,而有丝分裂
指数极显著大于质子和γ射线处理。
关键词 :空间环境 　细胞学效应 　水稻
此文于 1997 年 7 月 21 日收到。
国家科委和农业部资助项目。
前 言
在诱变育种中 ,积极开拓利用高效新型诱变因素 ,以减轻辐射损伤 ,提高诱变效率 ,是诱变
改良作物综合技术的重要环节。近年来 ,随着人类对空间资源的开发 ,利用高空气球和返回式
卫星搭载植物种子 ,进行空间诱变处理 ,发展成一种新的诱变方法。研究表明 ,以高真空、微重
力和强辐射为特征的太空环境 ,能增加染色体畸变频率 ,引起同工酶酶谱变化及农艺性状变
异[1～2 ] 。本研究通过第 17 颗返回式卫星搭载 5 个水稻品种的干种子 ,进行空间诱变处理 ,研
究其细胞学效应 ,并与质子、γ射线和地面对照作比较 ,探讨其细胞学效应差异 ,以期为进一步
开展空间诱变育种提供理论依据。
材 料 与 方 法
供试材料　水稻早籼品种浙 733、中选 5 号、舟 P03、加育 293 和晚粳品种秀水 11 的风干
种子。
诱变处理 　每品种各取 200 粒干种子 ,于 1996 年 10 月 20 日第 17 颗返回式卫星搭载 ,15
天空间运行 ,11 月 4 日返回。另一部分种子分别作地面对照 (CK) 。
γ射线辐照在本所辐照厅进行 ,60Coγ射线的剂量为 150 Gy ,剂量率为 1 Gy/ min。
质子辐照处理在北京大学重离子物理所进行 ,能量为 4MeV ,剂量为 3 ×109 Protons/ cm2 。
细胞学观察　种子于 27 ±1 ℃下浸种催芽 ,取根尖分生组织制片 ,显微观察。各处理观察
6～11 个根尖 ,每个根尖随机观察 600 个左右细胞 ,分类计数出现可见染色体结构变异的细胞
率及有丝分裂指数 (M I) ,并作统计分析。
962　核 农 学 报　1998 ,12 (5) :269～273Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
结 果 与 分 析
(一)对根尖细胞染色体的影响
水稻种子经卫星搭载后 ,在根尖细胞内可诱发各类染色体结构变异 (表 1、表 3) 。由表 1
可见 ,5 个供试品种经空间环境诱发的染色体畸变细胞率均明显高于相应的地面对照。经 t
测验 ,除品种加育 293 外 ,其余 4 个品种的差异均达极显著水平 (表 2) 。与γ射线辐照相比
较 ,从卫星上回收的种子 ,其染色体畸变细胞率均明显低于 150 Gyγ射线辐照的 ,其中舟 903
和加育 293 的差异达极显著水平。
表 1 　空间环境对水稻的细胞学效应
Table 1 　Cytological effects of space environment (SE) to rice
品　种
Varieties
染色体畸变细胞率
Cell rate of chromosomal aberration ( %)
SE CK γ2rays 有丝分裂指数Mitosis index ( %)SE CK γ2rays
浙 733
Zhe733
105 ±0121 0157 ±0108 1111 ±0105 14177 ±1166 13174 ±1134 11190 ±1138
中选 5 号
No. 5 zhongxuan 1126 ±0121 0173 ±0120 1131 ±0121 17161 ±0178 15121 ±1124 13150 ±1165
舟 903
Zhou 903 0185 ±0108 0166 ±0107 1109 ±0112 17114 ±1149 12170 ±1162 11158 ±0193
加育 293
Jiayu 293 0194 ±0114 0183 ±0109 1125 ±0110 16107 ±1134 15184 ±1167 11199 ±1124
秀水 11
Xiushui 11
1118 ±0117 0167 ±0110 1117 ±0114 14178 ±1114 9166 ±0164 7188 ±0198
表 2 　空间环境的细胞学效应与地面对照和γ射线辐照比较的 t 值
Table 2 　t value for comparison of cytological effects between space environment (SE)
and ground control (CK) orγ2irradiation
品　种
Varieties
染色体畸变细胞率的 t 值
t value for cell rate of chromosomal aberration
空间环境与地面对照
SE and CK
空间环境与γ射线
SE andγ2rays 有丝分裂指数的 t 值t value for mitosis index空间环境与地面对照SE and CK 空间环境与γ射线SE andγ2rays
浙 733
Zhe 733 614171 3 3 017273 112894 315884 3 3
中选 5 号
No. 5 zhongxuan 417237 3 3 014125 319126 3 3 515541 3 3
舟 903
Zhou 903 416117 3 3 317925 3 3 418340 3 3 717980 3 3
加育 293
Jiayu 293 115257 317850 3 3 013388 418886 3 3
秀水 11
Xiushui 11 716923 3 3 011241 912269 3 3 1116811 3 3
　　空间诱变处理诱发的染色体畸变细胞率略低于 4MeV 3 ×109protons/ cm2 的质子处理 (图
1) ,经 t 测验 ,3 个品种的差异均未达显著水平 ,表明两者的染色体畸变效应相似。
072 核　农　学　报 12 卷
空间环境、质子和γ射线诱发的染色体畸变类型均以微核为主 ,但质子和空间环境诱发的
微核率明显高于γ射线的处理 ,而染色体桥的比例则低于γ射线的处理。γ射线和质子处理
诱发的断片比例高于落后染色体 ,而空间环境诱发的落后染色体比例则高于断片。5 个品种
表现基本一致。此外 ,γ射线诱发多桥、多微核的频率较高 ,多极类型仅在γ射线处理中才能
观察到 (表 3) 。
图 1 　空间环境与质子的细胞学效应比较
Fig. 1 　Comparison of cytological effects between SE and protons
表 3 　空间环境、质子和γ射线对根尖细胞染色体畸变效应
Table 3 　Effect of space environment ,protons andγ2rays on chromosomal
aberration of root tip cell
品　种
Varieties
诱变因素
Mutagen
观察细
胞数
No. of cell
微　核
Micronucleus
单桥
Single
chromosomal
bridge
多桥
Multiple
chromosomal
bridge
断　片
Fragments
落后染色体
Laggards
多　极
Multiple
pole
浙 733 CK 6948 24 (0135) 11 (0116) 1 (0101) 3 (0104) 1 (0101)
Zhe 733 150 Gyγ2rays 6888 40 (0158) 19 (0127) 4 (0106) 11 (0116) 3 (0104)
4MeV protons 5854 40 (0168) 13 (0122) 3 (0105) 7 (0112) 4 (0107)
SE 3965 25 (0163) 5 (0112) 0 (0100) 5 (0112) 7 (0118)
中选 5 号 CK 3935 16 (0141) 5 (0113) 0 (0100) 2 (0105) 5 (0113)
No. 5 zhong2 150 Gyγ2rays 4370 36 (0182) 11 (0125) 0 (0100) 6 (0114) 4 (0109) 1 (0102)
xuan SE 4874 39 (0180) 4 (0108) 0 (0100) 4 (0108) 15 (0131)
舟 903 CK 4534 37 (0137) 3 (0107) 0 (0100) 5 (0111) 5 (0111)
Zhou 903 150 Gyγ2rays 7285 42 (0158) 14 (0119) 6 (0108) 12 (0117) 5 (0107)
4MeV protons 5810 36 (0162) 9 (0116) 2 (0103) 10 (0117) 7 (0112)
SE 4796 24 (0150) 5 (0110) 0 (0100) 5 (0110) 6 (0113)
加育 293 CK 4758 26 (0154) 4 (0108) 0 (0100) 6 (0113) 4 (0108)
Jiayu 150 Gyγ2rays 5282 35 (0166) 16 (0130) 2 (0104) 7 (0113) 7 (0113)
293 SE 4719 23 (0149) 2 (0104) 0 (0100) 6 (0113) 13 (0118)
秀　水 11 CK 7207 26 (0136) 8 (0111) 1 (0101) 8 (0111) 6 (0108)
Xiushui 11 150 Gyγ2rays 6569 33 (0150) 14 (0121) 11 (0117) 13 (0120) 6 (0109)
4MeV protons 5071 35 (0169) 11 (0122) 3 (0106) 7 (0114) 6 (0112)
SE 4428 30 (0168) 4 (0109) 0 (0100) 4 (0109) 14 (0132)
172　5 期 空间环境对水稻的细胞学效应研究
(二)对根尖细胞有丝分裂的效应
值得注意的是 ,经卫星搭载的 5 个水稻品种的种子 ,其根尖细胞有丝分裂指数 (M I) 均高
于地面对照组 (表 1) ,其中秀水 11、舟 903 和中选 5 号的差异达极显著水平 (表 2) 。5 个品种
的有丝分裂指数均极显著高于 150 Gyγ射线的处理。与 4MeV 的质子处理相比 ,经空间诱变
处理的浙 733、舟 903 和秀水 11 的根尖细胞有丝分裂指数均高于质子处理 ,经 t 测验表明 ,3
个品种的差异均达极显著水准 (t浙733 = 414302 3 3 ,t903 = 811811 3 3 ,t秀水11 = 915944 3 3 ) 。
讨 论
太空放射生物学的研究表明 ,植物种子太空处理后所产生的诱变作用 ,是空间环境中许多
因素综合作用的结果。空间环境的特点是高真空、微重力和强辐射。空间物理环境是长期微
重力状态 ,没有昼夜节律变化 ,含有宇宙辐射 ,特别是地球上难以获得的高能重粒子辐射 ,超真
空和超洁净。许多研究表明 ,植物种子进入空间飞行后会发生遗传性损伤 ,顾瑞琦等[1 ]报道 ,
空间飞行后 ,小麦种子的萌发率与地面对照无明显差异 ,但根尖细胞染色体畸变率高于地面对
照组。本研究用 5 个水稻品种的种子作试材 ,得到相似的结果。
从本研究结果看 ,太空环境对水稻休眠种子的细胞学效应与γ射线、质子有相同之处 ,即
太空环境、质子和γ射线均能诱发根尖细胞染色体变异 ,且太空诱发的染色体畸变细胞率与质
子相似。但太空辐射细胞学效应又有它自身的特点 ,质子和γ射线处理均较强烈地抑制根尖
细胞的有丝分裂活动 ,而空间环境即对水稻根尖细胞染色体具一定的致畸作用 ,同时又较明显
地促进根尖细胞的有丝分裂活动 ,这是其它理化因素诱变所未曾观察到的现象 ,但是否是空间
诱变的普遍现象 ,尚待进一步研究。
空间环境引起染色体畸变 ,进而导致生物体突变的原因 ,目前尚未完全搞清楚 ,一般认为 ,
宇宙辐射是原因之一。但科学家们也注意到 ,许多实验结果仅用辐射效应还无法解释。普遍
认为 ,微重力等其它空间条件也在生物效应中起作用。
太空中的电离辐射包括了多种高能带电粒子 ,如电子、质子、氦核及更重的离子等 ,其中质
子占的比例最大[8 ] 。从本试验的结果看 ,空间环境和质子诱发的染色体畸变细胞率和染色体
畸变类型均相似 ,但是两者的有丝分裂指数差异显著 ,表明两者在诱发染色体畸变上相似 ,而
空间环境的生理损伤小于质子处理。
空间诱变的影响因素多 ,而且每次空间试验的条件都不尽相同。鉴于这种特殊性 ,有必要
进一步研究空间环境对植物的细胞学效应 ,探明其规律 ,为空间诱变育种提供理论依据。
参 考 文 献
1 　顾瑞琦等. 空间飞行对小麦种子的生长和细胞学特性的影响. 植物生理学报 ,1989 ,15 (4) :403～407
2 　王彩莲. 植物空间诱变效应的研究及其应用探讨. 中国农学通报 ,1996 ,12 (5) :24～25 ,27
3 　蒋兴　等.“8885”返地卫星搭载对水稻种子遗传性的影响. 科学通报 ,1991 ,36 (23) :1820～1824
4 　陈芳远等. 高空环境对水稻遗传性的影响. 中国水稻科学 ,1994 ,8 (1) :1～8
5 　陈芳远. 利用卫星搭载进行高空诱变育种. 广西农业大学学报 ,1992 , (增刊) :94～97
6 　Kostion et al. Experiments with developing plants aboard Salyμt25 , Salyut26 and Salyat27 orbital stations. Space Biol Aerosp
Med. 1986 ,20 :73～78
272 核　农　学　报 12 卷
7 　Halstead TW ,Dntcher FR. Plants in Space Ann Rev Plant Physiol. 1987 ,38 :317～345
8 　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 ,1～81
CYTOLOGICAL EFFECTS OF SPACE ENVIRONMENT 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
Air2dried seed of 5 rice varieties were carried by recoverable satell ite( RS) for space muta2
tion. The cytological effects in M1 was studied. The results showed that the space environment
could cause chromosomal structure aberration ,and had a stimulating mitosis effect on root tip
cells. The cell rate of chromosomal aberration of space2flown rice was greater than that of
ground controls. As compared withγ2rays and protons , the effects of space environment were
weaker on chromosomal aberration ,but were signif icantly strongher on mitosis index.
Key words :Space environment ,cytological effects ,rice
372Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1998 ,12 (5) :269～273