全 文 ：文章编号 :100028551 (2000) 0420193207
同步辐射 (软 X 射线)对冬小麦的
诱变效应及机理研究
Ⅰ1 同步辐射的辐射生物学效应
曹雪芸1 　施巾帼1 　唐掌雄1 　江泽慧2 　费本华2 　董宝中3
(11 中国农业科学院原子能利用研究所 ,北京　100094 ;21 安徽农业大学 ,安徽 合肥　230036 ;
31 中国科学院高能物理研究所 ,北京　100039)
摘要 :本文利用同步辐射 (软 X 射线) 辐照 3 个冬小麦品种 ,从形态学、细胞学上研究
了 M1 代生物损伤和 M2 代诱变效应。结果表明 :同步辐射抑制了 M1 代幼苗、植株
的生长 ,引起育性、结实率下降 ,M1 代的生理损伤在幼苗生长早期大于γ射线 ,在生
育晚期则小于γ射线。细胞学研究表明 ,同步辐射抑制了细胞有丝分裂 ,明显地降低
了细胞分裂指数 ,引起了细胞染色体的结构损伤 ,染色体畸变类型不同于γ射线 ,造
成的生物损伤大于γ射线。同步辐射诱发了 M2 代较宽的突变谱 ,出现了多种有益
性状变异 ,适宜的诱变剂量范围为 200～250 Gy ,小于γ射线 (250～350 Gy) 。
关键词 :同步辐射 (软 X射线) ;冬小麦 ;生物学效应
收稿日期 :2000202225
基金项目 :国家自然基金项目 (19655001)和国家攻关项目 (962B12202201)
作者简介 :曹雪芸 (1972 —) ,女 ,甘肃泾川人 ,硕士 ,现在北京照泉兴农业发展有限公司工作。
农作物辐射育种主要采用 X射线、60Coγ射线、快中子等辐射源。利用这些诱变源仍存在
诱变效率不高的问题 ,为克服上述缺点 ,人们在开拓新的诱变源上作了很多努力。近年来引入
作物诱变育种并取得一定成效的新诱变因子有激光、电子束、离子束等。1995 年唐掌雄等[9 ]
将同步辐射引入植物诱变育种研究中。同步辐射是一种新的诱变源 ,其主要特点是通量大、准
直性好、能量宽 ,可见光、紫外线和软 X射线等连续可调 ,偏振性好 ,又是脉冲式辐射源[7 ] 。据
报道 ,能量为 2～20keV 的软 X射线对物质中靶元素的相互作用可引起特征 X 射线的发射和
吸收 ,从而产生高的能量传递 ,由此产生高的相对生物学效应[1、2、6、13 ] ,它比硬 X 射线、γ射线、
电子束等高 1～2 倍。已有的实验[8、10、11 ]结果初步证明 ,同步辐射 (软 X 射线) 用于作物遗传
改良的效果良好。本实验在已有研究基础上 ,系统研究同步辐射的 M1 代生物学效应和 M2 代
诱变效果 ,明确适宜诱变剂量 ,并对其应用前景作出评价。
1 　材料与方法
111 　实验材料
391　核 农 学 报　2000 ,14 (4) :193～199Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
3 个冬小麦品种为原冬 6 号、京冬 8 号、北京 411。
112 　辐照处理
11211 　同步辐射 (SR) 　试验在北京 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 ,束流为 20～65mA ,引出的软 X 射线能量为 315～22keV。种子胚部
朝向束流方向 ,且单层排列。采用自制的变色剂量片 ,以爆光时间进行相对吸收剂量的估算。
辐照时间为 110、115、210、215、310、315min ,相当于γ射线照射剂量 200、250、300、350、
400 Gy。
11212　γ射线 　用本所钴源照射 ,辐照剂量为 200、250、300、350、400 Gy ,照射剂量率为
019 Gy/ min。
113 　室内苗期实验
采用垂直发芽架法 ,每处理 30 粒种子 ,在 25～28 ℃的恒温培养室中培养。每天统计发芽
种子数。第 7 天测量苗高、根长。
幼苗根尖细胞学观察 :种子在 25 ℃下发芽 ,采用常规压片法。每处理观察 8～10 个根尖 ,
每个根随机观察 600 个左右细胞 ,统计染色体结构变异的细胞数。
114 　M1 和 M2 代田间试验
M1 每处理播种 1 行 ,每行点播 50～80 粒。成熟时按处理混收 ,单株考种。M2 按处理播
种 20～30 行 ,每行 70 粒。生育期间进行性状变异调查 ,收获后按单株考查株高及产量性状。
2 　结果与分析
211 　M1 代辐射生物学损伤
21111 　同步辐射对幼苗各性状的影响 　同步辐射抑制了 M1 代幼苗、植株的生长 ,表现为苗
高降低 ,根长缩短 ,幼苗形态畸形 ;同步辐射引起幼苗第 1 叶片沿中央叶脉出现叶绿素条状缺
失。射线还引起了种子发芽指数和活力指数的下降 ,引起育性、结实率下降。
同步辐射引起的 M1 代生理损伤与γ射线的差异在植株的不同生育时期表现不同 ,在幼
苗生长早期 ,种子活力指数、苗高、根长、田间出苗率、分蘖的生物损伤大于γ射线 ;在生育晚
期 ,有效穗数、穗粒数、成株率、育性生物损伤小于γ射线。同步辐射与γ射线的损伤修复特点
不同 ,同步辐射损伤较大 ,修复时间较晚 ,偏向生育晚期 ,但修复效率较高 ;γ射线损伤较小 ,修
复时间较早 ,偏向生育前期 ,但修复效率较低。
21112 　同步辐射对γ射线的相对生物学效应 ( RBE) 　当根长降低到对照的 50 %时 ,同步辐
射对γ射线的 RBE 值均大于 1 ,表明用同步辐射较小剂量就能达到γ射线较大剂量的生物学
效应。由于不同品种对不同射线辐照反应的敏感程度不同 ,3 个品种的 RBE 值大小相差很
大。较敏感的北京 411 品种高达 21195 ,较迟钝的原冬 6 号品种只有 2104 ,中间型的京冬 8 号
为 10105。
212 　同步辐射细胞学效应
21211 　细胞分裂间期 　冬小麦种子经同步辐射和γ射线照射后 ,根尖细胞在有丝分裂间期出
现了微核、小核、核出芽、核缢裂、双核等细胞畸变类型 (图版 Ⅰ) 。说明两种射线辐射均引起了
细胞核染色体结构的改变。
同步辐射和γ射线与物质相互作用的方式不同 ,引起的根尖细胞染色体畸变效应存在差
491 核　农　学　报 14 卷
异 ,主要表现在各种染色体畸变类型及其所占比例不同。同步辐射出现了双核畸变 ;单微核、
双微核、所占比例均小于γ射线。随着辐照剂量的加大 ,单微核细胞所占比例下降 ,同步辐射
的下降速度大于γ射线 ;双微核和多微核细胞所占比例上升 ,2 种射线上升幅度因品种而异。
但同步辐射诱发的小核、核出芽、核缢裂、双核的比例都大于γ射线。这后 4 种畸变类型是细
胞损伤较严重造成的。这表明同步辐射的损伤大于γ射线。
在本试验剂量范围内 ,同步辐射和γ射线的总染色体畸变和各类型畸变细胞率与辐照剂
量之间存在简单的直线回归关系 ;射线间、品种间只是曲线的斜率大小不同 ;回归系数 F 测验
均达显著水平。2 种射线、3 个品种的所有回归系数均小于 1。
21212 　细胞分裂中、后末期 　细胞分裂中期出现了染色体断片、染色体粘连、双着丝点染色体
和环状染色体等畸变类型 (图版 Ⅱ,表 1) ,其中以染色体断片居多。细胞分裂后末期出现了单
桥、双桥、多桥、落后染色体、游离染色体及微核等类型 (图版 Ⅲ,表 2) ,随着辐照剂量加大 ,一
个细胞中同时出现了多种染色体畸变。
图版 Ⅰ　细胞分裂间期染色体畸变
1 单微核　2 双微核　3 多微核　4 小核　5 核出芽　6 核缢裂
Plate Ⅰ　Chromosome aberration at interphase
1 one micronucleus 　2 two micronucleus 　3 multi2micronucleus 4 little nucleus 5 nucleus budding 6 nucleus constriction.
表 1 　两种射线引起的幼苗根尖细胞分裂中期染色体畸变细胞率
Tabel 1 　The rate of cells with chromosome aberration at metaphase of seedling RTC( %)
射线种类
type of ray
总畸变
total
aberration
环状染色体
circular
chromosome
细胞率
percent of cells
比例
rate
染色体断片
chromosome
fragment
细胞率
percent of cells
比例
rate
双着丝点染色体
di2centric
chromosome
细胞率
percent of cells
比例
rate
染色体粘连
chromosome
congression
细胞率
percent of cells
比例
rate
同步辐射
SR 8172 1172 19195 5131 60189 1113 12196 0146 5128
γ射线
γ ray 9111 1154 16190 5157 61114 168 18144 0142 4161
591　4 期 同步辐射 (软 X射线)对冬小麦的诱变效应及机理研究　Ⅰ1 同步辐射的辐射生物学效应
表 2 　两种射线引起的幼苗根尖细胞分裂后末期染色体畸变细胞率
Tabel 2 　The rate of cells with chromosome aberration at anaphase of seedling RTC( %)
射线种类
type of ray
总畸变
total
aberration
单桥
one bridge
细胞率
percent
of cells
比例
rate
　
双桥
double bridge
细胞率
percent
of cells
比例
rate
　
多桥
multi2bridge
细胞率
percent
of cells
比例
rate
　
游离染色体
drifting
chromosome
细胞率
percent
of cells
比例
rate
　
落后染色体
lagging
chromosome
细胞率
percent
of cells
比例
rate
　
微核
micronucleus
细胞率
percent
of cells
比例
rate
　
同步辐射
SR 13124 2193 22113 3144 25198 4185 36163 1129 9174 0146 3147 0126 1196
γ射线
γ ray 11194 3103 25136 3112 26111 6108 50188 0148 4102 0171 5194 0124 2101
图版 Ⅱ　细胞分裂中期染色体畸变
1 染色体断片　2 双着丝点染色体
3 环状染色体　4 染色体粘连
Plate Ⅱ　Chromosome aberration at metaphase
1 　chromosome fragment 　2 di2centric chromosome
3 　circular chromosome 　4 chromosome congression
　　在细胞分裂中期 ,同步辐射总染色体
畸变细胞率小于γ射线 ,各畸变类型中 ,出
现了较多的环状染色体和染色体粘连 ,这
两种染色体畸变类型可能是由于一个染色
体或染色单体受辐照断裂两次产生的[15 ] ,
说明同步辐射对染色体的损伤较大。细胞
分裂后末期 ,同步辐射总染色体畸变细胞
率高于γ射线 ,但单桥、多桥及落后染色体
细胞 ,尤其是多桥细胞出现的比例远远小
于γ射线。桥、落后染色体、微核的出现是
中期的双着丝点染色体、断片所形成 ,这就
进一步证明了辐射诱发的染色体畸变不单
单表现为染色体的直接损伤 ,还表现为这
种损伤随后所导致的染色体一系列间接损
伤 ,同步辐射引起的这种间接损伤要小于
γ射线。
213 　M2 代诱变效应
21311 　质量性状变异 　同步辐射诱发了
M2 代较宽的突变谱 ,出现了早熟、矮秆、长
穗、芒性、蜡质突变等多种性状变异 ,不同
品种的不同处理水平间 ,突变类型及突变
频率各不相同 (表 3) 。总的变化趋势是 :
随着辐照处理剂量的加大 ,突变频率增大 ,
到达最高值后 ,再加大处理剂量 ,突变频率
反而下降。
在本试验剂量范围内 ,各性状突变 (除育性外)和总突变均是同步辐射大于γ射线 ,总突变
及各性状突变频率品种间差异显著 (表 3) ,矮秆、高秆、穗型、育性突变及总突变的变化顺序是
原冬 6 > 北京 411 > 京冬 8 号 ;芒性、蜡质突变顺序是原冬 6 号 > 京冬 8 号 > 北京 411。
691 核　农　学　报 14 卷
图版 Ⅲ　细胞分裂后末期染色体畸变
1 染色体桥和游离染色体　2 双着丝点桥　3 落后染色体和游离染色体
Plate Ⅲ　Chromosome aberration at anaphase
1 chromosome bridge and drifting chromosome bridge
2 di2centric chromosome bridge 　3 lagging and drifting chromosome
表 3 　M2 代性状突变频率差异比较
Tabel 3 　The difference comparison of rate of character mutation in M2 generation
性状
character
原冬 6
Yuandong 6
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
京冬 8
Jingdong 8
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
北京 411
Beijing 411
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
矮丛
short and thick plant 0119 0119
育性
sterility 1184 1149 0139 0154 0152 1104 0192 1103
穗型
shape of ear 1162 1135 1152 0174 1107 1100 1140 1103
芒性
awn
0178 0128 0126 0131 0124 0110 0143 0124
穗长
length of ear 0125 0107 0194 0103 0124 0110 0145 0107
高秆
high2straw 1130 0162 0112 0140 0141 0142 0161 0148
矮秆
short2straw 0138 0121 0110 0117 0117 0114 0122 0117
蜡质 浅 shallow 0198 0121 1101 0117 0117 0152 0172 0130
Wax 深 deep 0100 0128 0110 0106 0110 0100 0107 0111
熟性 早 early 0160 0131 0117 0123 3121 1190 1199 0181
maturity 晚 late 0103 0128 0123 0128 0145 0135 0124 0130
总突变
total mutation 7181 5108 7103 2193 6160 5168 7121 4156
有益突变
useful mutation 2119 0179 4122 0165 3180 2167 3140 1137
有益性状突变频率的剂量效应结果表明 ,随着辐照剂量增大 ,有益性状突变频率上升 ,达
791　4 期 同步辐射 (软 X射线)对冬小麦的诱变效应及机理研究　Ⅰ1 同步辐射的辐射生物学效应
最高值后则开始下降 (除北京 411 与γ射线的组合外) 。有益突变频率最高值出现的辐照剂
量 ,同步辐射为 250 Gy ,γ射线为 300～350 Gy。表明利用同步辐射的较低剂量便可诱发较高
频率的有益性状突变。同步辐射诱发的有益性状突变频率为 314 % ,是γ射线 (1137 %) 的
246 % ,3 个品种有益性状突变频率最高的是北京 411 ,最低的是原冬 6 号。
21312 　数量性状变异 　同步辐射 M2 代数量性状变异范围广 ,有效穗、穗粒数、小花数、抽穗
期的变异系数显著大于γ射线 ,诱变潜力大。株高、穗长的变异系数与γ射线接近 ,品种间各
性状变异程度存在差异 (表 4) 。结果表明 ,M2 代数量性状的变异系数与同步辐射、γ射线处理
剂量间不呈简单的直线相关 ,表现为曲线相关 ,呈抛物线关系。
综合 M1 代辐射损伤和 M2 代的诱变效果分析 ,初步确定同步辐射的适宜诱变剂量范围为
200～250 Gy ,γ射线为 250～350 Gy。
表 4 　M2 代数量性状变异系数差异比较
Tabel 4 　The difference comparison of coefficient of quantity character variation
in M2 generation
性状
character
原冬 6
Yuandong 6
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
京冬 8
Jingdong 8
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
北京 411
Beijing 411
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
同步辐射
SR
γ射线
γ ray
株高
height of plant 4185 6100 5115 5149 5137 6118 5112 5189
穗长
length of ear 11116 11139 10162 10100 11158 12155 11112 11131
有效穗型
useful ear 53121 49181 30146 26158 51117 38151 44195 38130
穗粒数
grain number of ear 15164 12133 13171 13150 11152 11184 13162 12156
小花数
number of flos cules 11180 11136 12134 10154 11162 9128 11192 10139
抽穗期
earing stage 38190 30140 34147 46169 52176 44179 42104 40163
3 　讨 　论
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[7 ] 。
同步辐射 (软 X射线)的传能线密度 (L ET)比硬 X射线、γ射线的 (L ET)大。研究结果表明 ,同
步辐射对γ射线的相对生物学效应 (RBE)大于 1 ,较敏感的北京 411 品种高达 21。M2 代突变
频率高、变异谱宽 ,总突变频率和有益突变频率较γ射线 (4156 %、1137 %) 分别增加 58 %与
148 % ,且数量性状遗传变异范围广 ,诱变频率潜力大 ,与唐掌雄[9 ]的试验结果一致。由此可
见 ,同步辐射应用于作物改良有极大的发展潜力和前景。
目前 ,国内所用电子对撞机或同步辐射发生器的实验站都没有专门用于作物育种的 ,应用
时因光斑小 ,处理种子量少 ,辐照剂量不均匀 ,影响重演性。经改进辐照方法 (将种子摆放在有
效半径 30mm 的旋转装置上) ,上述问题有所克服 ,但仍不能小批量处理种子。随着同步辐射
应用技术的发展 ,这些问题会逐步得到解决 ,使同步辐射成为诱变育种的新技术。
891 核　农　学　报 14 卷
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STUDIES ON MUTAGENIC EFFECTS OF SYNCHROTRONOUS RADIATION( SOFT X2RAY)
ON WINTER WHEAT　Ⅰ1RADIATION BIOLOGICAL EFFECTS
CAO Xue2yun1 　SHI Jin2guo1 　TAN G Zhang2xiong1
J IAN G Ze2hui2 　FEI Ben2hua2 　DON G Bao2zhong3
(11 Instit ute of A tomic Energy A pplication , Chinese Academy of A gricult ural Sciences , Beiji ng 　100094 ;
21 A nhui A gricult ural U niversity , Hef ei , A nhui prov . 　230036 ;
31 Instit ute of High Energy Physics , Chinese Academy of Sciences , Beiji ng 　100039)
ABSTRACT :The mutagenic effectics of synchronous radiation ( SR, soft x2ray) on biology of
three winter wheat varieties were studied. The results were as follows. The physiological damage
of M1 generation by SR was different from that byγray. The SR’s damage degree was greater
thanγray’s in the early period of seedl ing growth but smaller in the late period. SR damaged
the structure of the chromosome of the cells , the type and rate of cells with chromosome aberra2
tion of seedl ings root tip cells by SR were not as the same as that byγray. The differences of to2
tal rate of aberration cells bet ween t wo rays were not obvious , but the rate of aberration cells by
SR was lower at metaphase and higher at nanphase than those of γ ray. Higher mutation fre2
quencies and wider mutational spectrum were observed in M2 generation by SR than byγ ray.
The mutation frequency of qual itative and benef icial character and variation coeff icient of quan2
titative character induced by SR were greater than those ofγray. The range of appropriate doses
with SR was 200～250 Gy , smaller than that ofγray ( 250～350) in the experiment.
Key words :synchronous radiation (soft X ray) , winter wheat , biological effects
991Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
2000 ,14 (4) :193～199