全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 042389205
氮离子束与γ射线辐照日本晴和
“9311”水稻突变体库的筛选
许　学1 ,2 　刘斌美1 　宋　美1 　吴跃进1
(11 中科院离子束生物工程学重点实验室 ,安徽 合肥　230031 ; 21 安徽农业大学农学院 ,安徽 合肥　230036)
摘 　要 :利用氮离子束和γ射线辐照处理粳稻日本晴和籼稻“9311”,经过 M1 代损伤鉴定、M2 代筛选和
M3 代重复鉴定 ,分别得到了 740 份和 666 份日本晴突变体 , 571 份和 781 份“9311”突变体。获得的突变
体发生了叶片、茎秆、穗部和籽粒、生理等性状的突变。在氮离子束辐照处理中 ,日本晴和“9311”分别在
510 ×1016N + Πcm2 和 215 ×1016 N + Πcm2 剂量辐照时获得高突变率 ,为 6144 %和 6138 % ;γ射线辐照处理
中 ,2 种材料均在 150Gy 剂量辐照时获得高突变率 ,分别为 5168 %和 9144 %。在本试验中 ,各高突变率
群体均为辐照当代损伤最低的群体。新构建的突变体库将为水稻功能基因组学研究提供较好的基础
材料。
关键词 :水稻 ;辐照 ;氮离子束 ;γ射线 ;突变体库
THE SCREENING OF MUTANT LIBRARY FOR RICE VARIATIONS NIPPONBARE
AND“9311”BY NITROGEN ION BEAM ANDγ2RAYS IRRADIATION
XU Xue1 ,2 　LIU Bin2mei1 　SONG Mei1 　WU Yue2jin1
(1. Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering , Chinese Academy of Sciences , Hefei , Anhui 230031 ;
2. Agricultural College , Anhui Agricultural University , Hefei , Anhui 230036)
Abstract :The japonica rice cultivar“Nipponbare”and indica rice cultivar“9311”were treated by nitrogen ion beam
implantation andγ2rays irradiation to induce mutants for genetic and functional genomics researches. The damage effects were
evaluated in M1 generation and M1 plants were harvested by single plant . Screening in M2 generation and identifying in M3
generation , 740 and 666 mutants in Nipponbare and 571 and 781 mutants in“9311”, were induced by nitrogen ion beam and
γ2rays. Morphological variations at vegetative and reproductive stages , including leaf , stalk , panicle , seed and various
physiological characters , were commonly observed in the two mutagenized populations. The mutation frequency of 6144 % for
Nipponbare at the ion beam dose of 510 ×1016 N + Πcm2 and 6138 % for“9311”at 215 ×1016 N + Πcm2 were observed , and for
r2rays irradiation at dosage of 150Gy were 5168 % and 9144 % respectively. In the present study , the damages in M1
generation of each higher mutation population were least . So , this new mutant library , which was obtained by ion beam
implantation andγ2rays irradiation , may be helpful for gene identification and gene functional analysis in future.
Key words :rice ; irradiation ; N + ion beam ;γ2rays ; mutant library
收稿日期 :2007211222 　接受日期 :2008202227
基金项目 :中国科学院方向性创新项目 ( KSCX2SW2324)
作者简介 :许学 (19822) ,男 ,安徽合肥人 ,硕士生 ,主要研究方向为作物遗传育种。E2mail :xrwy @163. com
通讯作者 :吴跃进 (19582) ,研究员 ,博士生导师 ,主要研究方向为离子束生物技术。Tel :055125593172 ; E2mail :yjwu @ipp . ac. cn　　筛选一些与重要农艺性状有关的突变体[1] ,是水稻功能基因组研究的重要基础工作。获得大规模的水稻突变体主要通过 T2DNA[2～4] 和转座子 (如 AcΠDs) 、反转座子 (如 Tos 17)等插入[5～7]突变以及人工诱变。人工诱变包括物理诱变和化学诱变 ,采用理化诱变可以构建理想的水稻突变群体 ,为水稻功能基因组学的研究提供良好的物
983　核 农 学 报　2008 ,22 (4) :389～393Journal of Nuclear Agricultural Sciences
质材料 ,继而可以通过图位克隆等方法分离突变体基因 ,
进一步揭示其基因功能[8～13] 。γ射线辐照操作简单、突变
体容易获得 ,因此一直是人们构建突变体库的主要方法。
20世纪 80 年代我国科学家开创的低能离子注入技
术[14～17] ,在植物突变体创建方面具有损伤轻、存活率高、
突变率高和突变谱广等特点 ,引起了育种学家的关
注[18～21] 。本试验利用氮离子束和γ射线辐照粳稻品种日
本晴和籼稻品种“9311”种子 ,旨在通过辐照诱发新的水稻
突变体 ,发掘新的突变基因 ,丰富突变体库 ,为水稻遗传
育种和水稻功能基因组研究提供基础材料[22] 。
1 　材料与方法
111 　供试材料与辐照处理
水稻品种为已经完成基因组序列测定的粳稻日本
晴和籼稻“9311”,为本所实验室引进保存的材料。
辐照处理于 2005 年进行 ,离子束和γ射线均设 3
种剂量。离子束辐照使用本实验室低能离子束注入
机 ,辐照能量 30keV ,注量分别为 215 ×1016 N + Πcm2 ,
510 ×1016N + Πcm2 和 715 ×1016 N + Πcm2 ;60 Coγ射线辐照
在安徽省农业科学院原子能农业应用研究所所的辐照
中心进行 ,辐照剂量率为 10GyΠmin ,辐照剂量分别为
150、250 和 350Gy。离子束和γ射线每个剂量处理种
子 1000 粒。
112 　发芽试验
以辐照当代的存活率和苗高作为辐照损伤指标 ,
对“9311”和日本晴氮离子束与γ射线不同剂量处理的
材料及其野生型 (对照) 共 14 份进行苗期损伤鉴定。
氮离子束和γ射线辐照的种子 ,每个剂量 100 粒 ,3 次
重复 ,采用垂直发芽法 ,在 26 ℃±1 ℃培养室内生长 ,7
- 14d 调查种子发芽数 ,20d 后统计存活率并测量苗
高。
113 　M1 代种植与收获
2005 年 12 月在海南南繁基地师部农场进行 M1
代种植 ,经浸种、催芽后播种 ,28d 秧龄后单本移栽。
成熟后按氮离子束群体和γ射线群体进行单株收种。
114 　M2 代种植与筛选
2006 年 5 月 11 日在安徽省农业科学院实验田种
植 M2 代。氮离子束和γ射线群体每个处理剂量种植
10 个小区 ,每个家系 500 株 ,2 种处理群体分别移栽种植
15000 株。成活后调查 M2 代群体的株高、生育期、穗长
和其他农艺性状 ,将对照株高、生育期和穗长平均值加 3
倍标准差之外的个体作为突变株 ,统计各处理的高秆、
矮秆 ,长穗、小穗 ,早熟和迟熟突变株数 ;其他农艺性状
(如株型、叶色、籽粒等)变异通过田间观察统计记载 ,计
算突变频率。于 2006 年 9 月 25 日水稻成熟后收获 ,家
系内以单株为单位进行收获 :同一类型的突变体只收 1
个单株 ,不同类型突变体各收 1 个单株。
116 　M3 代种植与收获
2006 年 12 月在海南南繁基地师部农场进行 M3
代种植。每种突变体种植一个家系 ,每家系单本种植
40 株。观察和记载的方式与 M2 代同 ,并用相机记录
突变特征。2007 年 4 月 15 日成熟后收获 ,收获家系以
单株为单位 ,收获方式同 M2 代。
2 　结果与分析
211 　M1 代苗期损伤
从表 1 可以看出 ,氮离子束和γ射线分别辐照水
稻“9311”和日本晴的 M1 代发芽率、存活率与苗高均随
着辐照剂量的增加呈下降趋势 ,即随着辐照剂量增加
发芽率和存活率降低、植株高度下降 ;而氮离子束辐照
日本晴种子的发芽率、存活率和苗高则表现反常 ,由于
离子束处理种子后可能形成“马鞍型”曲线效应 ,因此
发芽率、存活率在中等辐照剂量 (5 ×1016 N + Πcm2 ) 时表
现出最高 ,这和代西梅等利用离子束辐照马齿苋的结
果一致[23 ] 。
表 1 　日本晴和“9311”辐照种子损伤鉴定
Table 1 　Effects of irradiation on damage in seedling stage of rice variety“9311”and Nipponbare
品种 variety 种类 items 对照 CK 离子束 ion beam
( ×1016N + Πcm2) γ射线 r2rays ( Gy)
215 510 715 150 250 350
9311 发芽率 germination percent ( %) 100 ±0100 100 ±0100 100 ±0100 67 ±114133 99 ±0171 100 ±0171 99 ±0171
存活率 survival rate ( %) 98 ±1141 98 ±1141 97 ±1141 57 ±419533 86 ±2112 3 80 ±1141 3 77 ±114133
苗高 seedling height (cm) 1011 ±0199 1011 ±0199 816 ±1156 813 ±1163 810 ±1120 717 ±1106 712 ±0199
日本晴 发芽率 germination percent ( %) 99 ±0171 66 ±315333 99 ±2112 53 ±114133 93 ±0171 3 90 ±5166 88 ±4195
Nipponbare 存活率 survival rate ( %) 99 ±0171 57 ±419533 94 ±1141 40 ±017133 85 ±4195 81 ±4124 3 75 ±211233
苗高 seedling height (cm) 914 ±1141 812 ±0199 814 ±1113 812 ±1016 819 ±1191 719 ±2126 716 ±1148
注 : 3 : P < 0105 33 : P < 0101
093 核　农　学　报 22 卷
212 　M2 代不同突变体的突变率分析
日本晴 M2 代的全生育期中 ,氮离子束辐照处理
群体中共筛选出突变体 740 份 ,由低到高 3 种剂量处
理的突变率分别为 4106 %、6144 %、4130 %。突变群体
中以株高的突变频率最高 ,其次为穗型和分蘖 ,还有如
生育期、不育性、株型、叶型等变异 ,但突变频率较低 ;γ
射线辐照处理群体中 ,共筛选出突变体 666 份 ,由低到
高 3 种剂量处理的突变率分别为 5168 %、4174 %、
2190 %。以株高的突变率最高 ,其中以高秆突变类型
最多 ,其次为穗型和育性突变 ,而其他突变频率则较低
(表 2) 。
“9311”M2 代的全生育期中 ,氮离子束辐照处理群
体中共筛选出突变体 571 份 ,由低到高 3 种剂量处理的
突变率分别为 :6138 %、3162 %、1142 %。以育性突变频
率最高 ,多数为结实率小于 55 %的部分不育单株 (野生
型结实率 7916 %) ,其次为分蘖突变 ,其他如生育期、株
高、穗型、株型、叶型等突变频率很低。在γ射线辐照处
理群体中 ,共筛选出突变体 781 份 ,由低到高的 3 种剂
量处理的突变率分别为 9144 %、4164 %、1154 %。其中同
样以育性突变率最高 ,多数为小于 43 %的部分不育单
株 ,其次为分蘖突变 ,其他如生育期、株高、穗型、株型、
叶型等突变频率很低 (表 2) 。
表 2 　M2 代突变体的性状统计分析
Table 2 　Statistical analysis of mutants’trait in M22generation
处理
treat
辐照剂量
irradiation
dose
品种
variety
突变体 Mutants (plant)
高秆
tall
矮秆
dwarf
早熟
earliness
迟熟
late2
maturing
不育
sterility
半不育
semi2
sterility
多蘖
multiple
tillers
单蘖
monoculm
大穗
large
panicle
小穗
small
panicle
其他
others
合计
total
突变
频率
mutation
frequency
离子束 215 日本晴 Nipponbare 87 51 4 8 — 2 12 23 3 3 10 203 4106 %
ion beam 9311 6 11 11 4 61 118 27 75 3 2 1 319 6138 %
( ×1016 510 日本晴 Nipponbare 82 29 5 4 17 15 11 53 85 — 21 322 6144 %
N + Πcm2) 9311 4 3 5 2 20 71 10 65 — 1 — 181 3162 %
715 日本晴 Nipponbare 60 12 2 — — 15 18 30 74 — 4 215 4130 %
9311 5 10 0 0 21 16 4 14 1 — — 71 1142 %
γ射线 150 日本晴 Nipponbare 61 42 11 2 38 41 8 10 21 30 20 284 5168 %
r2ray 9311 35 11 5 5 101 207 21 71 5 2 9 472 9144 %
( Gy) 250 日本晴 Nipponbare 43 63 10 — 21 24 7 2 32 25 10 237 4174 %
9311 11 6 8 — 61 98 18 25 2 1 2 232 4164 %
550 日本晴 Nipponbare 40 33 9 6 12 11 5 — 9 9 11 145 2190 %
9311 4 5 3 — 5 18 7 31 2 1 1 77 1154 %
213 　M3 代的分离与鉴定
21311 　叶片性状的突变 　叶色突变分为白化和黄化
两种 ,“9311”中的叶色突变主要出现在γ射线低剂量
辐照的群体中 ,其大部分由于光合作用的降低而最终
死亡 ,只有部分白化和黄化株在后期能恢复绿色 ;日本
晴仅在离子束中等剂量辐照群体的苗期发现条状白化
突变植株 (图 121) ,其大部分在后期逐渐转绿。
21312 　茎秆性状突变 　日本晴在 2 种辐照处理中均
发现了大量的株高突变植株 ,以离子束的低、中剂量出
现的频率居多。野生型日本晴的株高为 100cm ,高秆
突变体的株高在 120～164cm 之间 ;矮秆突变体株高在
60～80cm 之间 (图 122) 。“9311”的株高突变体大部分
为γ射线低剂量处理产生的。野生型“9311”的株高为
119cm ,高秆突变体的株高在 130～166cm 之间 ;半矮化
突变体的株高在 80～100cm 之间 ,矮化突变体的株高
在 60～75cm 之间 (图 221) 。
除了株高 ,还有株型的变化。株型突变体主要包
括散生、半散生、株型紧凑等。日本晴在离子束处理群
体中出现了散生 (图 123) 和矮秆散生的突变植株。
“9311”在离子束和γ射线的低剂量辐照群中均有高秆
紧凑型、矮秆散生型的突变植株出现。
21313 　穗部和籽粒性状的突变 　穗形突变主要包括
大穗、小穗、直穗、密穗等 (图 124) 。日本晴中大穗突变
体大部分为离子束中剂量辐照产生 ,最大的穗长为
27147cm ,而野生型的为 21163cm 左右 ,突变体增长了
26199 % ;小穗突变体则大部分为γ射线低剂量辐照产
生 ,其最小穗长为 17133cm ,比对照减少了 19188 %。
“9311”的穗形突变体主要以小穗为主 ,不同剂量的辐
照群体中均有出现。其小穗突变体的穗长为 1613cm ,
比野生型的 2418cm 减少了 34127 %(图 222) 。
籽粒的变异主要有种子颜色 (图 125) 、有无芒 (图
126 ,图 223) 、粒型大小等。日本晴在氮离子束高剂量
辐照群体中出现籽粒大小、颜色的变异。从“9311”氮
离子束低、中剂量辐照群体中筛选出短芒和无芒的
193　4 期 氮离子束与γ射线辐照日本晴和“9311”水稻突变体库的筛选
　　　
图 1 　日本晴突变体
Fig. 1 　Mutants of Nipponbare
121 :白化株 ;122 :株高突变体和对照 ;123 :散生和对照 ;124 :穗部突变和对照 ;125 :子粒突变体和对照 ;
126 :有芒和对照 ;127 高穗节突变体和对照 ;128 :不育穗 ;129 :稻曲病 ;1210 :扇面株型和对照 ;1211 :平展叶植株和对照
121 :Albinism strain ;122 : Plant height mutants and CK;123 :Dispersed and CK;124 :Panicle mutants and CK;125 :grain shape and CK;126 :Awn and CK;
127 : Elongated uppermost internode mutant and CK;128 :Sterility ;129 :Rice green smut ;1210 :Sector of mutant and CK;1211 :Drooping leaf and CK。
籽粒变异。
日本晴离子束低剂量辐照群体中还发现高穗节的
突变株 (图 127) ,其穗颈节伸长和杨仁崔等报道的 eui
基因表型相似[24 ] ,其性状的遗传和 eui 基因的等位性
需要进一步研究。
21314 　生理性状的突变 　生理性状的突变包括育性
和生育期的的变异。育性的变异主要分为完全不育和
部分可育两种类型。日本晴中主要为完全不育突变株
(图 128) ,大部分出现在γ射线的低、中剂量辐照群体
中。“9311”辐照群体中出现了完全不育和部分可育突
变体 ,其中大部分属于部分可育突变体 ,主要出现在γ
射线的低、中剂量辐照群体中。
辐照日本晴和“9311”突变群体中出现的早穗突变
或晚穗突变只是拉长了生育期 ,其他性状未发生明显
变异。
21315 　其他突变 　日本晴在氮离子束低剂量辐照群体
中出现了易感染稻曲病的植株 (图 129) ,在高剂量辐照群
体中出现呈扇形分蘖的突变植株 (图 1210)和 90 ℃剑叶角
的突变植株(图 1211) 。“9311”在氮离子束低剂量辐照的
突变群体中出现了类病斑的突变植株(图 224) 。
图 2 　“9311”突变体
Fig. 2 　Mutants of“9311”
221 :株高突变体和对照 ;222 :穗部突变体和对照 ;223 :无芒和对照 ;224 :对照和类病斑突变体
221 : Plant height mutants and CK;222 : Panicle mutants and CK;223 :No awn mutant and CK;224 :CK and kind of sickness spot。
293 核　农　学　报 22 卷
3 　讨论
本试验利用氮离子束和γ射线为辐射源处理粳稻
日本晴和籼稻“9311”种子 ,结果表明 2 种辐照处理对
不同品种种子的损伤存在一定差异。在氮离子束高剂
量辐照处理下 ,“9311”的发芽率和存活率在 P < 0101
水平下均差异极显著 ,说明该剂量下的氮离子束辐照
对“9311”的损伤最大 ;日本晴的发芽率和存活率在低
剂量和高剂量的处理下差异极显著 ,但在中剂量处理
下种子的活力则未受到较大损伤 ;3 种剂量辐照对日
本晴和“9311”的苗高则均无显著的影响。γ射线辐照
处理对“9311”存活率的影响有着显著差异 ,其中 350Gy
的剂量在 P < 0101 下差异极显著 ,日本晴的存活率在
250Gy 和 350Gy 下均差异显著。上述结果表明氮离子
束和γ射线辐照对日本晴的损伤程度均大于“9311”。
M2 代突变体统计结果表明 ,2 种辐照处理及其不
同剂量对日本晴和“9311”的辐照效果有一定的差异 :
(1)氮离子束辐照处理的日本晴出现了 740 份变异株 ,
由低到高 3 种剂量的突变率分别为 4106 %、6144 %和
4130 % ;“9311”有 571 份突变株 ,由低到高 3 种剂量的
突变率分别为 6138 %、3162 %和 1142 %。结果表明 ,随
着剂量的增加日本晴比“9311”对氮离子束辐照更敏
感。日本晴最高突变频率 6144 %出现在中剂量的处
理群体中 ,“9311”最高突变率 6138 %则出现在低剂量
的处理群体中。(2)γ射线辐照处理中 ,日本晴出现
666 份变异株 ,由低到高 3 种剂量的突变率分别为
5168 %、4174 %、2190 % ;“9311”出现 781 份变异株 ,由
低到高 3 种剂量的突变率分别为 9144 %、4164 %、
1154 %。说明在低剂量处理下“9311”对γ射线辐照比
日本晴敏感。与国际水稻研究所对水稻品种 IR64 进
行γ射线辐照等处理突变频率为 6 %[25 ] ,朱旭东等[26 ]
利用γ射线处理水稻品种中花 11 诱导产生突变体的
频率为 511 %的结果相比 ,本试验结果比较符合日本
晴和“9311”对γ射线的敏感性情况。此外γ射线辐照
“9311”产生的突变体大部分为育性、分蘖 2 种 ,这 2 种
突变类型的突变频率分别为 3127 %和 1115 %。由此
可见 ,γ射线对“9311”的育性和分蘖等农艺性状的效
果是十分明显的。
从损伤和突变频率的分析可以看出 ,离子束辐照
处理中 ,日本晴在中剂量处理下有着损伤低、突变频率
高、突变谱广的特点 ,说明该剂量 (510 ×10N+ Πcm2 ) 为
离子束辐照日本晴的适宜剂量 ;“9311”的适宜处理剂
量则为低剂量 (215 ×10N+ Πcm2 ) 。在γ射线辐照处理
中 ,日本晴和“9311”的损伤低、突变频率高的特点均出
现在低剂量处理中 ,说明低剂量 (150Gy)的γ射线比较
适宜处理日本晴和“9311”。
作为新的物理辐照处理技术 ,离子束辐照具有其
自身的特点。研究结果显示 ,氮离子束辐照处理的突
变群体中不仅有着与γ射线突变群体中相同的突变
体 ,同时还发现了γ射线中未存在的一些新的突变体 ,
例如“9311”中发现 1 株类病斑的突变植株 ,日本晴中
发现 90 ℃剑叶角的突变植株。说明氮离子束辐照作
为突变体筛选的一种手段具有可行性 ,并相对γ射线
具有更广的突变谱。通过日本晴和“9311”对氮离子束
和γ射线敏感性的分析 ,说明粳稻对氮离子束的敏感
性比籼稻强 ,而籼稻对γ射线的敏感性则强于粳稻。
由此可见 ,离子束辐照技术对于水稻突变体库的建立
具有一定的积极作用 ,能够提供新的突变体。
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天育种技术而开发的一种新的诱变方式。CR 包含多
种高能粒子 ,与传统的γ射线相比有其自身的特殊性。
本研究发现 ,CR 和γ射线诱发的具有相同表型的突变
体的 SSR 多态性在位点分布、类型和频率等方面均有
明显差异 ,CR 处理的 SSR 位点的平均变异频率远大于
γ射线 ,说明在导致具有相同表型的突变类型时 ,尽管
不同小麦品种 ZY9 和 ZH7 对 CR 和γ射线处理的敏感
性有一定的差异 ,但 CR 诱变效应明显高于γ射线 ,这
与前期的生物学效应研究结果一致[4～6 ] 。
通过对 CR 和γ射线处理 ZH7 获得的矮杆突变体
M3 代 SSR 差异片段的序列测定表明 ,经 CR 和γ射线
处理后 SSR 上下游引物之间既有碱基的插入或缺失 ,
也有单个碱基的置换 ,且 CR 处理碱基的平均突变频
率高于γ射线 ,进一步在 DNA 序列水平上证明了 CR
处理表现出不同于γ射线的诱变效应 ,这可能是由于
CR中多种高能粒子协同作用的原因。同时还发现 ,
CR 处理产生 T碱基的突变频率最高 ,这是否说明碱基
T对 CR 处理较为敏感尚需进一步研究。
研究表明[10 ,11 ] ,SSR 引物 Xgwm410 是与矮杆基因
相连锁的特异性标记。本研究中 ,在 ZY9 矮杆突变体
M3 株系 GM62171 和 ZH7 矮杆突变体 M3 株系 CR61980
中均找到了标记 Xgwm410 ,进一步证实了前人的研究
结论。本研究找到的 Xgwm312 、Xgwm210 和 Xgwm47
等另外一些标记 ,是否为某些矮杆基因的特异性标记
位点 ,与矮杆基因相连锁 ,还需进一步研究确认。
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