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离子注入甜菊的诱变效应研究
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)
陆　挺
(北京师范大学低能核物理研究所　北京　100875)
　
舒世珍
(中国农业科学院作物品种资源研究所　北京　100081)
用 75keV 的氮和碳离子的不同剂量注入甜菊干种子 ,以γ射线作对比 ,研究其
M1 生物学效应和 M2 突变。结果表明 ,离子束能诱发甜菌染色体结构变异 ,染色体
畸变细胞率随离子注入剂量的提高呈增加趋势。离子束对甜菊的 M1 损伤效应低于
γ射线 ,而诱发的 M2 突变高于γ射线。碳离子诱发的染色体畸变细胞率和 M2 有益
性状突变高于氮离子。离子注入杂交一代丰1 ×日原和日原 ×丰2 的诱变效应大于济
宁种和丰2 。
关键词 :氮离子 　碳离子 　M1 生物学效应 　M2 突变 　甜菊
此文于 1997 年 12 月 9 日收到。
前 言
甜菊是高甜度、低热能的有益健康的安全糖源 ,我国自 1977 年从日本引种后 ,在全国广泛
种植 ,已成为世界主要甜菊糖生产国。但由于甜菊是自交不亲和异花授粉作物 ,极易杂交而导
致品质退化 ,因此培育优质新品种极为重要。
甜菊种子十分细小 ,表皮极薄 ,对低能离子的阻挡作用大大降低 ,使低能离子很易直接作
用于种胚 DNA ,因而是研究离子注入诱变的适宜材料。舒世珍等[1 ]曾应用离子注入技术选育
出品质较好的甜菊新品系。慎玫等[2 ]研究了氮离子注入甜菊的细胞学效应 ,但不同离子注入
对甜菊的诱变效应未见报道。本文通过对甜菊 M1 的生物学效应和 M2 突变观察 ,评价氮、碳
离子注入不同基因型甜菊种子的诱变效应 ,为进一步将离子注入技术应用于甜菊品种改良提
供依据。
材 料 与 方 法
供试材料　甜菊栽培品种济宁、无性系丰收 2 号、杂交 1 代丰1 ×日原和日原 ×丰2 的干种
子。
诱变处理 　离子注入能量为 75keV ,剂量设 0、1014 、5 ×1014和 1015ions/ cm2 ,注入离子种
类为氮和碳离子。60Coγ射线辐照剂量为 40、80 和 120 Gy ,剂量率为 0190 Gy/ min。
幼苗性状考查 　甜菊种子播于苗床 (塑料框内) ,随机区组 ,3 次重复 ,在温室内生长 ,40d
743　核 农 学 报　1998 ,12 (6) :347～352Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
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后测量苗高 ,考查单株叶片数和单株节数。
细胞学观察 　甜菊种子于温室内浸种催芽 ,取 015～110cm 根用卡诺液固定 ,改良品红染
色 ,压碎法制片 ,进行显微观察。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异
常的细胞数 ,计算出现变异的细胞频率 ,并进行统计分析。
M2 突变观察 　现蕾时测量株高、观察叶形和叶色突变。
结 果 与 分 析
(一)氮和碳离子束的细胞学效应
11 剂量效应差异 :氮和碳离子均能诱发各类染色体结构变异 ,随着离子注入剂量的提高 ,
染色体畸变细胞率呈增加趋势 (表 1) 。氮和碳离子所有处理的染色体畸变细胞率均极显著高
于对照 ,碳离子诱发的染色体畸变细胞率极显著大于氮离子 ,而且碳离子各处理剂量间的差异
均达极显著水平 ,而氮离子束处理时 ,除 1014与 1015 N + / cm2 之间的差异极显著外 ,其余各处
理间的差异不显著。
表 1 　离子束和γ射线的染色体畸变细胞率
Table 1 　The rate of cells with chromosome aberration induced by ions beam andγ2rays
处　　理
Treatment
剂　　量
Dose ( ×1014 ions/ cm2)
染色体畸变细胞率
The rate of cells with
chromosome aberration ( %)
平均值
Mean values( %)
氮离子束
Nitrogen ion beam
0 0166 ±0108 a A 0166 ±0108 　a
1 1118 ±0124 b B
5 1124 ±0117 bc BC 1125 ±0108 b
10 1133 ±0121 c C
碳离子束
Carbon ion beam
0 0166 ±0108 a A
1 1124 ±0121 b B
5 1139 ±0118 c C
10 1150 ±0128 d D 1138 ±0113c
γ射线
γ2rays 0 0166 ±0108 a A40 Gy 1138 ±0119 b B80 Gy 1166 ±0121 bc BC
120 Gy 1180 ±0104 c C 1161 ±0121
　　γ射线对甜菊根尖细胞染色体有较大的致畸、致异作用 ,染色体畸变细胞率随剂量的提高
而增加 ,呈显著直线相关 (γ= 019410 3 ) ,40 与 120 Gy 处理间的差异极显著 (表 1) 。从本试验
结果看 ,γ射线诱发的染色体畸变细胞率极显著大于氮和碳离子处理 ,氮和碳离子束诱发的最
高染色体畸变细胞率的处理剂量为 1015ions/ cm2 ,分别与γ射线 55 和 73 Gy 相当。
21 不同基因型差异 :由 1 图可见 ,所有基因型的碳离子诱发的染色体畸变细胞率均高于
氮离子 ,除济宁品种外 ,其余 3 个品种的差异均达极显著水平。从 4 个基因型的平均值看 ,碳
离子诱发的染色体畸变细胞率 (1142 %)显著大于氮离子 (1130 %) 。二因素方差分析显示 ,氮
和碳离子诱发丰1 ×日原和日原 ×丰2 的染色体畸变细胞率极显著高于济宁和丰2 ,表明离子注
入杂种诱发的染色体畸变细胞率较高。
843 核　农　学　报 12 卷
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(二)氮和碳离子对幼苗生长的影响
氮和碳离子注入甜菊种子对幼苗生长有一定的影响 ,主要表现在幼苗高度下降 ,其损伤程
度随离子注入剂量的增加而加剧 ,无论是氮离子或碳离子处理 ,其剂量间的差异均达极显著水
平 (表 2) ,碳离子的平均苗高 (9108cm)极显著低于氮离子 (10127) 。单株叶片数和单株节数虽
表现一定程度的损伤 ,但处理间的差异不显著。γ射线对甜菊幼苗生长有较大的损伤作用 ,各
表 2 　离子束和γ射线对幼苗生长的影响
Table 2 　Effects of ions beam andγ2rays on the seedling growth
处　理
Treatment
剂　量
Dose ( ×1014ions/ cm2)
苗　高
Seedling height (cm)
叶　数
No. of leaves
节　数
No. of node
氮离子束
Nitrogen
ion beam
0 12173 ±0116 a A 13187 ±0130 a A 4177 ±0130 a A
1 11107 ±0119 b B 13159 ±0129 ab AB 4142 ±0130 a A
5 10122 ±0110 c C 13125 ±0122 b AB 4141 ±0140 a A
10 9141 ±0118 d D 13110 ±0123 b B 4118 ±0122 a A
碳离子束
Carbon
ion beam
0 12173 ±0116 a A 13187 ±0130 a A 4177 ±0130 a A
1 9187 ±0119 b B 12167 ±0130 b B 4122 ±0129 b B
5 9112 ±0118 c C 12104 ±0125 b B 4111 ±0131 b A
10 8121 ±0116 d D 11187 ±0124 b B 3190 ±0123 b B
γ射线
γ2rays 0 12173 ±0116 a A 13187 ±0130 a A 4177 ±0130 a A40 Gy 11131 ±0110 b B 13157 ±0128 a A 3173 ±0131 a A80 Gy 9159 ±0117 c C 12147 ±0129 b B 3136 ±0119 a A
120 Gy 7185 ±0118 d D 7160 ±0135 c C 3110 ±0120 a A
图 1 　离子注入不同基因型甜菊的染色体
畸变细胞率比较
Fig. 1 　The rate of cell with chromosome
aberration of S tevia genotypes
induced by ion implantation
11 济宁　21 日原　31 丰1 ×日原　41 日原×丰2
11Jining 　21Riyuan 　31Feng1 ×Riyuan 　41Riyuan ×Feng2 图 2 　离子注入不同基因型甜菊的幼苗高度比较　Fig. 2 　The seedling height of S tevia geno2types induced by ion implatation11 济宁　21 日原　31 丰1 ×日原　41 日原×丰211Jining 　21Riyuan 　31Feng1 ×Riyuan41Riyuan ×Feng2
943　6 期 离子注入甜菊的诱变效应研究
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　　处理苗高的差异均达极显著水平 ,120 Gyγ射线处理的幼苗高度降至对照的一半。比较
离子注入不同基因型的幼苗高度 (图 2) ,碳离子对幼苗的损伤作用大于氮离子 ,4 个基因型的
差异不明显。
(三) M2 突变
离子束和γ射线诱发的 M2 株高、叶形和叶色突变频率随处理剂量的增加而提高 ,离子束
表 3 　离子束和γ射线诱发的 M2 突变频率
Table 3 　M2 mutation frequency induced with ions implantation andγ2rays( %)
处　理
Treatment
剂　量
Dose
( ×1014ions/ cm2)
株高突变
Mutation in
plant height
矮秆
Dwarf
高秆
Tall
叶形突变
Mutation in
leaves form
大
Larger
小
Smaller
叶色突变
Mutation in
leaves colour
浅
Light
深
Dark
合　计
Total
氮离子束
Nitrogen
ion beam
0 0 0 0 0 0 0 0
1 1167 0183 3133 1167 1167 0183 10100
5 1167 0183 5100 1167 1167 0183 11167
10 2150 0183 5100 2150 1167 0183 13133
碳离子束
Carbon
ion beam
0 0 0 0 0 0 0 0
1 2150 0183 5183 1167 1167 0183 13133
5 3133 0183 5183 1167 2150 0183 14199
10 3133 1167 6167 1167 2150 0183 16167
γ射线
γ2rays 0 0 0 0 0 0 0 040 Gy 1167 0183 1167 1167 0183 0183 715080 Gy 1167 0183 2150 2150 1167 0183 10100
120 Gy 1167 1167 3133 2150 0183 1167 11167
表 4 　离子注入不同基因型的 M2 突变频率
Table 4 　M2 mutation frequency of various genotypes by ions implantation ( %)
基因型
Genotype
离子种类
Ions
株高突变
Mutation in
plant height
矮秆
Dwarf
高秆
Tall
叶形突变
Mutation in
leaves form
大
Large
小
Small
叶色突变
Mutation in
leaves colour
浅
Light
深
Dark
合　计
Total
济宁
Jining
CK 0 0 0 0 0 0 0
N + 1167 0183 3133 1167 1167 0183 10100
C + 2150 0183 5183 1167 1167 0183 13133
丰2
Feng2
CK 0 0 0 0 0 0 0
N + 1167 0183 5100 1167 1167 0183 11167
C + 2150 1167 5183 1167 1167 0183 14117
丰1 ×日原
Feng1 ×Riyuan
CK 0 0 0 0 0 0 0
N + 2150 1167 5183 1167 1167 1167 15101
C + 2150 1167 6167 2150 1167 1167 16168
日原×丰2
Riyuan ×Feng2
CK 0 0 0 0 0 0 0
N + 2150 1167 5183 1167 2150 1167 15184
C + 2150 1167 6167 2150 2150 1167 1715
053 核　农　学　报 12 卷
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处理高于γ射线 ,碳离子诱发的突变频率高于氮离子 (表 3) 。氮和碳离子诱发 M2 的突变频率
是矮秆突变大于高秆突变 ,叶变大的突变大于叶变小的突变 ,叶色变浅的突变大于叶色变深的
突变。一般来说 ,叶色浅的品质较好。上述结果表明 ,离子束诱发矮秆、叶形和叶色等有益农
艺性状的突变几率大于γ射线处理。
离子注入不同基因型的 M2 株高、叶形和叶色突变亦有差异 ,离子注入杂种 1 代丰1 ×日
原和日原 ×丰2 的突变频率高于济宁和丰2 (表 4) 。表明离子注入杂种的突变频率高。碳离子
诱发的总突变频率高于氮离子 ,就诱发各种性状而言 ,碳离子诱发的突变频率大于或等于氮离
子。
讨 论
离子注入甜菊后 ,由于能量、质量和电荷共同作用于甜菊种子 ,使其产生变异。程备久
等[3 ]根据氮离子注入棉籽的 M1 细胞学效应研究结果表明 ,氮离子注入能有效影响胚芽细胞
遗传物质 ,引起染色体不同程度的损伤。陆挺等[4 ,5 ]报道 ,低能离子在植物种子中的射程虽然
小于 1μm ,但离子注入对植物种子结构的影响深度可达 200μm ,而且在植物种子的生物结构
中充满了孔径为 418A°,这些孔洞的体积之和占生物体总体积的 15 % ,为低能离子注入生物效
应提供依据。本试验结果表明 ,N +和 C + 注入甜菊种子能诱发 M1 根尖细胞染色体结构变异 ,
对幼苗生长有一定的损伤作用 ,而且能诱发较高的 M2 有益突变频率 ,证实了离子注入用于植
物诱变有可能在损伤轻的情况下获得较高的突变频率。试验还发现 ,碳离子诱发的染色体畸
变细胞率和 M2 突变频率均高于氮离子 ,离子注入杂种的诱变效应大于一般品种 ,因此选择适
宜的离子种类和合适的基因型对于提高诱变率至关重要。
舒世珍等[1 ]报道 ,低能离子注入能使决定甜味的优质糖甙含量提高。我们已开展这方面
的研究 ,为将离子注入用于甜菊品质改良作进一步探讨。
参 考 文 献
1 　舒世珍 ,等. 离子注入甜菊种子效应初报. 安徽农业大学学报 ,1994 ,21 (3) :299～302
2 　慎　玫 ,等. 氮离子注入甜菊的细胞学效应. 核农学报 ,1997 ,11 (1) :15～20
3 　程备久 ,等. 离子注入棉花种子 M1 代细胞学效应研究初报. 安徽农学院学院 ,1991 ,18 (4) :329～331
4 　陆　挺 ,等. 低能离子在生物样品中的射程及生物效应机理的研究. 北京师范大学学报 (自然科学版) ,1993 ,29 (2) :204～
206
5 　Ting Lu , et al. Observing the effect of nitrogen ion implantation in seeds of lima bean on positron annihilation. Materials Science
Forum ,1995 , 175～178 :447～448
153　6 期 离子注入甜菊的诱变效应研究
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MUTAGENIC EFFECTS OF ION IMPLANTATION ON S TEVIA
Wang Cailian 　Shen Mei 　Chen Qiufang
( Zhejiang Academy of A gricult ural Sciences , Hangz hou 　310021)
Lu Ting
( Beiji ng Normal U niversity , Beiji ng 　100875)
Shu Shizhen
( Chinese Academy of A gricult ural Sciences , Beiji ng 　100081)
ABSTRACT
Dry seeds of Stevia were implanted by 75 keV nitrogen and carbon ions with various doses.
The biological effects in M1 and mutation in M2 were studied. The results showed that ion beam
was able to induce variation on chromosome structure in root tip cells. The rate of cells with
chromosome aberration was increased with ion beam dose. The rate of cells with chromosomal
aberration was lower than that induced withγ2rays. Frequency of the mutation induced by im2
platation of N+ and C+ ions were higher than those induced byγ2rays. The rate of cell with
chromosome aberration and in M2 usef ul mutation induced by implantation of C+ ion was higher
than those induced by implantation of N+ ion. Mutagenic effects Feng1 ×Riyuan and Riyuan ×
Feng2 by implantation of N+ and C+ were higher than that of Jining and Feng2 .
Key words :Nitrogen ion , carbon ion , M1 biological effects , M2 mutation S tevia
253 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1998 ,12 (6) :347～352