全 文 ：核 农 学 报 2011，25(2):0220 ～ 0225
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2010-07-12 接受日期:2010-10-11
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划(2008BAD97B03)
作者简介:徐小炜(1985 －)，男，河南信阳人，在读博士，研究方向为作物遗传育种。E-mail:xuxiaowei85@ gmail. com
通讯作者:陈绍江(1963 －)，男，河南永城人，教授，研究方向为玉米遗传育种。Tel:010 － 62732333;E-mail:chen368@ 126. com
文章编号:1000-8551(2011)02-0220-06
卫星搭载高油与普通玉米自交系变异性观察
徐小炜 徐 丽 董 昕 金危危 陈绍江
(中国农业大学国家玉米改良中心 /北京作物遗传改良重点实验室，北京 100193)
摘 要:以经卫星搭载的高油玉米自交系 BY815 和常规自交系 1145、F349 为材料，从中筛选突变体并对
其表型，分子生物学和细胞学变异特点进行研究。结果表明:在 SP1 代，BY815 出现表型变异的频率为
21. 61%，而 1145 和 F349 出现表型变异的频率仅为 2. 57%和 3. 13%。在 SP2 代仅发现 6 个表型变异突
变体，其中，BY815 白化苗突变体 HT-3 和 1145 叶色条纹状斑点突变体 HT-5 较有特点。在这 2 个突变
体中，正常植株与突变体植株的比率均表现为 3∶ 1，符合孟德尔单基因遗传规律。对这 6 个突变体材料
进行细胞学观察，未发现染色体的异常行为。利用 130 对 SSR 引物分析表明，只有 1 个来自 1145 的突
变体有 8. 46%的多态性差异位点，而在其余突变体中未发现差异位点。
关键词:玉米;卫星搭载;突变体;SSR
VARIABILITY INDUCED BY SPACEFLIGHT ENVIRONMENT
ON HIGH OIL AND NORMAL MAIZE LINES
XU Xiao-wei XU Li DONG Xin JIN Wei-wei CHEN Shao-jiang
(National Maize Improvement Center of China，Beijing Key Laboratory of Crop Genetic Improvement，China Agriculture University，Beijing 100193)
Abstract:High oil inbred line BY815 and two normal inbred lines 1145 and F349 treated with spaceflight were used for
variability analysis. Results showed that the mutation rate of BY815 was 21. 61% in SP1，while the mutation rates of
1145 and F349 were 2. 57% and 3. 13% respectively. Only six mutants were found from these three materials in SP2，of
which two mutants，HT-3 from BY815 exhibiting albino leaf color and HT-5 from 1145 exhibiting stripe-like spots
leaves，were worthy of further study. Genetic analysis of the two mutants showed that the segregation ratio of normal and
mutant phenotypes was 3 ∶ 1，which was in accordance with Mendel’s single gene inheritance law. Cytological
observation of all the six mutants showed no chromosome abnormalities. By using SSR (simple sequence repeat)
method，130 pairs of primers were employed and only one mutant originated from inbred line 1145 showed polymorphic
and the mutated loci rate of the genome in this mutant was 8. 46% .
Key words:maize;spaceflight;mutant;SSR
创造变异是实现遗传改良的基础。航天诱变是利
用航天技术，通过返回式卫星或其他可回收型空间飞
行器，将农作物种子带到太空，经过太空特殊的环境
(空间宇宙射线、微重力、高真空、交变磁场等因素)对
种子进行处理，使农作物种子产生变异［1 ～ 3］。研究表
明，航天诱变具有诱发变异频率高、变异幅度大等特
点［4］。
自 1987 年以来，我国已利用返回式卫星、神州飞
船先后进行了多次作物种子等生物材料的空间搭载。
经 20 多年的探索研究，我国作物航天搭载诱变已取得
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2 期 卫星搭载高油与普通玉米自交系变异性观察
显著成绩，育出的品种中已有 50 多个进入区域试
验［5］。航麦 96、宇椒 1 号、宇番 1 号、中棉所 42 等 30
个新品种均通过国家或省级品种审定。这些优良新品
种的育成为提高产量、改善品质、优化农业产业结构做
出了新贡献。
相对于上述作物，有关玉米航天诱变的研究报道
较少。1998 年，Mei 等利用卫星搭载玉米种子，证明航
天搭载能对玉米造成可遗传的变异［6］。2000 年曹墨
菊等利用航天搭载材料分析了航天条件对玉米主要农
艺性状的影响［7］，并对诱变产生的雄性不育材料进行
了系统研究［8］。2005 年李玉玲等以纯合的玉米自交
系郑 58 等作为航天诱变处理的基础材料，研究了空间
条件对玉米自交系主要农艺性状的影响［9］。
本研究以经过航天搭载的高油和普通玉米自交系
为材料，对其遗传变异进行研究，旨在分析突变体的遗
传特点，为航天育种的理论和实践研究提供参考。
1 材料与方法
1. 1 材料
试验采用卫星搭载材料为普通玉米自交系 F349、
1145 以及高油玉米自交系 BY815，均由中国农业大学
国家玉米改良中心提供。将自交系种子各分成 2 份，1
份用于卫星搭载，另 1 份地面留存作为对照。
1. 2 方法
1. 2. 1 卫星搭载 供试的种子于 2006 年 9 月 9 日搭
载我国首颗航天育种卫星实践 8 号，在太空绕行 15d
后，回收，卫星绕行轨道为近地点 187km，远地点 463
km ［10］。
1. 2. 2 田间试验 2008 年 5 月，将搭载的材料全部
种植于北京昌平实验站并设置对照，每个航天搭载材
料种植 300 粒，分 10 行种植，每行 30 粒，单粒播种。
分别在苗期、抽雄期、收获期观察表型。2008 年 11
月，每个材料在 SP1 代选取 50 个果穗，每穗取 50 粒在
海南加代，观察 SP2 代表型，筛选突变体。2009 年 5
月，在北京进一步对突变性状进行遗传分析，调查突变
体植株田间性状，包括株高、穗位高、雄穗分枝数，收获
后对高 BY815 突变体材料，利用核磁共振仪(MQ20
NMR ANALYZER，购于 BRUKER 公司)进行籽粒油份
含量的测定。
1. 2. 3 细胞学观察 取突变体材料种子于恒温箱中
发芽，待根尖 2 ～ 3cm 长时，利用酶解法进行根尖压
片。首先用 8-羟基喹啉在避光条件下处理根尖 3h;之
后用蒸馏水浸洗 3 次，前 2 次每次洗 5min，第 3 次洗
15min;然后将其放入卡诺固定液(无水乙醇 ∶ 冰醋酸
= 3 ∶ 1)中，室温固定 3h 后，－ 20℃ 保存。在酶解之
前，将根尖用蒸馏水处理 3 次，每次 5min;之后用酶解
液(果胶酶 ∶纤维素酶 = 2 ∶ 1)于 37℃水浴锅中解离根
尖细胞 2h，在蒸馏水中放置 10min 后制片，利用
OLYMPUS CX41 相差显微镜观察染色体数目及形态
等;对于好的制片用 DAPI 染色后，利用 OLYMPUS
BX51 荧光显微镜留存图像。
1. 2. 4 SSR 分子标记 将筛选出的突变体材料于
2009 年 5 月在北京上庄试验站种植，于苗期对每个突
变体材料至少选取 2 个单株采集叶片，利用 CTAB 法
提取植物基因组 DNA，加入 TE 溶液 － 20℃保存备用。
SSR 分析所用引物序列来源 于 http:/ /www.
maizegdb. org，从中选取均匀覆盖玉米全基因组的 130
对引物对供试材料进行 PCR 扩增。PCR 反应采用
15μl 体系，其组成为:10 × buffer 1. 5μl，10mm /L dNTP
0. 5μl，100ng /μl Primer F、Primer R 各 0. 75μl，2. 5U /
μl Taq E 0. 3μl，20ng /μl DNA 5. 0μl，ddH2O 6. 2μl。
体系配好后加入 20μl 石蜡油，进行 PCR 反应。其反
应程序为:95℃预变性 5min;95℃变性 35s，58℃退火
35s，72℃延伸 40s，34 个循环;72℃ 10min 充分延伸;
最终以 15℃保存。
扩增反应在 Mycycler PCR 仪(购于 BIO-RAD 公
司)上进行。扩增产物用 6%的聚丙烯酰胺凝胶电泳，
电泳仪为北京君意东方电泳设备有限公司生产的
JY3000 + 型多用途电泳仪，电泳缓冲液为 1 × TBE，
70W 恒功率电泳 1h，之后进行银染、显影，待胶板晾干
后读板。
2 结果与分析
2. 1 SP1 代植株表型观察
卫星搭载后的种子种于北京昌平试验站。于苗期
调查出苗率，结果如表 1;对苗期植株进行表型变异观
察，与对照无显著性差异，仅在 BY815 中发现了 1 株
白化苗，后期死亡。抽雄期，BY815 出现大量的变异个
体与变异类型(表 2)，而 1145 和 F349 出现变异个体
的频率较小。其中 BY815 变异频率为 21. 61%，而
F349 中出现变异体的频率为 3. 13%，1145 的变异频
率为 2. 57%，二者均低于 BY815。BY815 中出现无雌
穗植株 25 株、雌穗畸形植株 21 株、矮化植株 6 株，占
其总变异植株的 88. 13%;F349 中出现无雌雄穗植株
3 株、雄性不育株 2 株、抽雄早的植株 1 株;1145 中出
现的 7 个变异株为 2 株雄性不育，2 株条纹叶，1 株叶
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核 农 学 报 25 卷
片基生，2 株茎叶失绿。这些变异大多影响植物再生
能力，无法得到后代。
表 1 卫星搭载和对照 SP1 代籽粒出苗率比较
Table 1 Comparison of emergence rate between
space flight and control in SP1 (%)
材料 material BY815 F349 1145
卫星搭载 spaceflight 0. 91 0. 64 0. 83
对照 CK 0. 86 0. 70 0. 77
表 2 SP1 代植株变异频率统计
Table 2 The variation rate in SP1 plants
项目 item BY815 F349 1145
总株数 No. of total plant 273 192 272
变异种类 variation type 12 4 4
变异株数 No. of variation plant 59 6 7
变异频率 variation rate(%) 21. 61 3. 13 2. 57
2. 2 SP2 代突变类型及特点
SP2 代是突变体显现的主要世代，一些在隐性条
件下突变的性状在这一世代显现。但经观察发现，在
SP1 代表现为变异的单株，多数在 SP2 代表现正常。
从 SP2 代中共发现了 6 个突变体，其中来源于 BY815
的突变体 4 个，来源于 1145 的突变体 2 个。将来源于
BY815 的突变体材料分别命名为 HT-1，HT-2，HT-3，
HT-4;将来源于 1145 的突变体材料分别命名为 HT-5，
HT-6。其中 HT-1、HT-2 表现出株高变异，HT-3 表现
苗期叶色白化突变，HT-4 表现雄穗花药颜色的变异，
HT-5 表现叶色条纹状斑点突变，HT-6 表现株型变异。
对来源于高油自交系 BY815 的 4 份突变体材料进行
株高、穗位高、雄穗分枝数以及籽粒油份的检测，发现
HT-2 的株高较 BY815 极显著增高，HT-4 的雄穗分枝
数较正常 BY815 极显著增加(表 3)。在这些变异中，
以 HT-3 和 HT-5 表型变异最明显，其均为与植物光合
作用相关的突变体，遗传特点如下。
2. 2. 1 BY815 可转绿白化苗突变体 在 BY815 的
SP2 代发现了 1 个苗期叶色白化的突变体，命名为 HT-
3。将该突变体分别在海南三亚与北京种植，苗期正常
植株与白化植株(图 1 － a)的比率表现为 3 ∶ 1，符合孟
德尔遗传规律。冬季在三亚种植，突变体表现为白化，
仅有部分叶片稍有转绿，最终因不能进行光合作用而
死亡。室内(18℃)条件下，突变材料同样不易转绿
(图 1 － c)。而在北京春播，叶片可以转绿(图 1 － b)，
但叶色较正常植株明显偏黄，成熟期时，突变体叶片偏
窄，茎杆细弱，生育期延迟(图 1 － d)，且花粉活力较
差，不易得到纯合个体，能够以杂合形式保存该材料。
2. 2. 2 1145 叶片条纹状斑点突变体 在 1145 材料
的 SP2 中发现了 1 个叶色条纹状斑点突变体，命名为
HT-5，该突变体苗期表现正常，但于拔节期左右会出
现叶色条纹状斑点的现象，经后期观察，该突变现象并
没有直接影响其生长状态，生育期与正常植株一致
(图 2)。后代验证表明，该突变体分离群体中，正常植
株与叶色突变植株的比率表现为 3 ∶ 1，符合孟德尔分
离规律，为单基因隐性遗传性状。突变单株能够自交
得到纯合个体。
表 3 BY815 突变体与对照表型性状对比
Table 3 Comparison of phenotypic characters
between BY815 mutants and control
项目
item
材料
material
HT-1 HT-2 HT-3 HT-4 CK
株高
plant height
(cm)
穗位高
ear height
(cm)
雄穗分支数
tassel
branch
number
籽粒油份
kernel oil
content
(%)
mean 217. 42 229. 23 186. 81 193. 95 205. 38
SD 19. 00 13. 42 28. 27 22. 13 15. 15
t-test 0. 1672 0. 0041 0. 1306 0. 2135
mean 99. 80 96. 28 90. 43 88. 75 94. 00
SD 8. 20 9. 93 8. 71 9. 84 6. 65
t-test 0. 2232 0. 5835 0. 3959 0. 1779
mean 10. 40 8. 67 9. 88 13. 50 8. 75
SD 3. 60 2. 50 3. 31 2. 32 2. 12
t-test 0. 2447 0. 9417 0. 4345 0. 0004
mean 11. 72 11. 69 12. 31 11. 94 11. 97
SD 0. 91 0. 53 0. 54 0. 90 0. 71
t-test 0. 3745 0. 1662 0. 0674 * 0. 9176
注:* 与分别表示与对照相比在 0. 05 和 0. 01 水平上差异显著。
Note:* and means difference significant at 0. 05 and 0. 01 level
copared with control，respectively.
2. 3 突变体根尖染色体观察
对突变体材料进行细胞学分析，在 SP2 代发现的
6 个突变体材料均显示正常的 20 条染色体，未显示出
异常情况，表明染色体水平上突变体材料没有发生染
色体数目变异及大片段的缺失等现象(图 3)。
2. 4 突变体材料的 SSR 分析
在使用的 130 对 SSR 引物中，仅在来源于 1145 的
HT-6 中发现了多态性差异位点，并且在标记 bnlg1429
上，所检测的 2 个单株中具有分离(图 4)。与对照相
比，在 HT-6 中发现了 11 个多态性差异位点，差异位点
出现的频率为 8. 46%，且这些差异位点在染色体中的
分布较均匀，未发现热点区域。
3 讨论
在本试验中，SP1 代仅有 BY815 出现大量的变异
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2 期 卫星搭载高油与普通玉米自交系变异性观察
图 1 BY815 苗期叶色转绿突变体 HT-3
Fig. 1 The phenotypes of the albino leaf color mutant(HT-3)in BY815
a:苗期，突变体在海南三亚不易转绿;b:苗期，突变体在北京较易转绿;
c:室内培养(18℃)，突变体材料不易转绿;d:成熟期，突变体与正常植株，箭头所指为突变体
a:Mutant was not easy to turn green in Sanya;b:Mutant was easy to turn green in Beijing;
c:Under room culture(18℃)the mutant was not easy to turn green;
d:Mutant and normal plant at mature stage，arrow directed was mutant plant.
图 2 1145 叶片条纹状斑点突变体(HT-5)与正常植株比较
Fig. 2 Comparison of stripe-like spots leaves mutant (HT-5)and normal 1145 plants
a:1145 叶色条纹状斑点突变体;b:正常 1145 植株(CK)
a:Mutant HT-5 with stripe-like spots leaves;b:Normal 1145 plants
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图 3 1145 叶色条纹状斑点突变体根尖染色体制片
(显示 20 条正常的玉米染色体)
Fig. 3 Cytology of root tips of the stripe-like spots leaves
mutant from 1145 (show 20 normal chromosomes)
图 4 引物 bnlg1429，umc1012，umc1075 在 1145 突变体上的检测结果
Fig. 4 Representative SSR profiles generated from markers (bnlg1429，
umc1012 and umc1075)in the mutant from 1145 mutants
箭头表示 HT-6 在 bnlg1429 位点上存在多态性差异
The arrow shows that HT-6 has polymorphic on the marker bnlg1429
个体与突变类型，且多数为有害变异，不能稳定遗传，
这可能是由于空间环境条件下的微重力，或受到各种
粒子的辐射而产生的细胞生理损伤所致。在此世代
中，BY815 出现表型变异的频率明显高于普通玉米自
交系 F349 和 1145，变异的种类也较多。这可能是因
为 BY815 为高油玉米，具有较大的胚，而 1145 与 F349
为普通类型，与 BY815 相比，胚较小。胚是植物再生
的关键，胚越大，受到高能粒子轰击的可能性越大，也
越容易产生变异。因此，玉米胚的大小与空间环境下
遗传变异之间的关系是值得进一步探讨的问题。
通过对本次搭载获得的 HT-3 与 HT-5 突变体进
行遗传学分析，发现这 2 个突变体性状均符合孟德尔
分离比率，为单基因控制的性状。可能是由于太空环
境的微重力以及辐射作用［11］造成了碱基的缺失、重复
或是点突变。也可能是太空环境下，植物体内的转座
子被激活，活化的转座子通过移位、插入和丢失，导致
基因变异和遗传的不稳定［12］。并且玉米本身是一个
研究转座子的模式植物，在其基因组中存在大量的重
复序列。对这 2 个突变体的深入研究有助于进一步揭
示航天诱变的机理。
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另外，来自 BY815 的 HT-3 突变体在三亚与北京
苗期转绿能力的差异，可能是由于这 2 个地点的温度
与光照强度不同所致。12 月下旬三亚温度稍低且光
照较弱，而 5 月下旬北京气温较高并且光照强。而低
温低光照条件可能抑制了植物体内控制叶绿素合成的
基因，使其不能进行正常的光和作用。曾有研究报道，
玉米中位于 9 号染色体上的 v1 基因发生不稳定突变
而导致植株发生表型变异，该突变在低温下也表现为
白化，而在较高温度时能够转绿。其变异类型与该白
化苗相似，苗期叶色白化而后期可以转绿［13，14］。另有
学者研究了水稻中 v1 基因的特点及功能，在叶片生长
发育早期，该基因可以响应温度的变化通过产生信号
物质来调控叶片胞质中质体向叶绿体的转化［15］。因
此，本研究所发现的 HT-3 突变体是否是因为 v1 基因
突变所致尚需证实。
自交系 1145 中出现的叶片条纹状斑点突变体幼
苗期表现较为正常，之后逐步表现变异性状，也是较为
特殊的变异类型，可以作为遗传研究的基础材料。
尽管卫星搭载处理产生了一些诱变，但 SSR 检测
仅在 1 个突变体(HT-6)上发现了多态性差异位点，说
明利用此类标记来检测突变位点有一定的局限性，需
要在未来的研究中使用更加精细的标记或进行测序分
析等，以清楚了解玉米空间环境诱变的生物学与遗传
学机制。
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(责任编辑 王媛媛)
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