全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 012005204
实践八号育种卫星搭载植物种子的空间辐射剂量分析
吕兑财1 　黄增信1 　赵亚丽1 　郭会君2 　王根良1 　贾向红1
李春华3 　张　龙3 　刘录祥2
(11 中国航天员科研训练中心 ,北京　100094 ;21 中国农业科学院作物科学研究所Π国家农作物基因资源与
基因改良重大科学工程 ,北京　100081 ;31 中国空间技术研究院 ,北京　100094)
摘 　要 :为了探明植物种子在空间搭载后发生一系列改变的原因 ,尤其是探寻空间辐射与突变发生的内
在关联 ,设计了“照相定位”实验法 ,采用 CR239 固体核径迹探测器来探测空间重离子 ,并利用空间重离
子径迹与植物种子的相对位置 ,来确定被重离子击中的种子及其击中部位 ;同时用 LiF 热释光片测量种
子所受的较低LET空间辐射的剂量。结果表明 ,“照相定位”法简便易行 ,经济实用 ,并极大地缩短镜下
分析时间 ;最终测得空间重离子注量率为 4144 个Πcm2·d ,种子所受较低 LET 空间辐射的平均剂量为
4179mGy。
关键词 :实践八号卫星 ;空间辐射 ;植物种子 ;CR239 ;核径迹 ;LiF 热释光片
SPACE RADIATION MEASUREMENT OF PLANT SEEDS BOARDING
ON THE SHIJIAN28 SATELLITE
LU¨ Dui2cai1 　HUANG Zeng2xin1 　ZHAO Ya2li1 　GUO Hui2jun2 　WANG Gen2liang1
J IA Xiang2hong1 　LI Chun2hua3 　ZHANGLong3 　LIU Lu2xiang2
(11 China Astronaut Research and Training Center , Beijing 　100094 ;21 Institute of Crop Science , Chinese Academy of Agricultural ScienceΠNational
Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement , Beijing 　100081 ;31 Chinese Academy of Space Technology , Beijing 　100094)
Abstract: In order to identify cause of mutagenesis of plant seeds induced by space flight , especially to ascertain the
interrelation between space radiation and mutagenesis , a“photograph location”experimental setup was designed in this study.
CR239 solid2state nuclear track detectors were used to detect space heavy particles. The plant seeds and their position hit by
space heavy ions were checked based on relative position between track and seeds in the setup . The low LET part of the
spectrum was also measured by thermoluminescence dosemeter (TLD ,LiF) . The results showed that the“photograph location”
experimental method was convenient , practicable and economical . This new method also greatly saved time for microscopical
analysis. On Shijian28 satellite , the average ion flux of space heavy ions was 4144 ionsΠcm2·d and the average dosage of low
LET space radiation to the plant seeds was 4. 79 mGy.
Key words :Shijian28 satellite ; space radiation ; plant seed ; CR39 ; nuclear track ; thermoluminescence dosemeter (TLD)
收稿日期 :2007208207 　接受日期 :2007212207
基金项目 :国家航天育种工程项目 (发改高技[2003 ]138 号) 、国家 863 课题 (2007AA100102)和国际原子能机构合同项目 (RC14195)
作者简介 :吕兑财 (19652) ,男 ,甘肃静宁人 ,副研究员 ,从事空间辐射生物学。
通讯作者 :刘录祥 (19652) ,男 ,陕西凤翔人 ,研究员 ,从事小麦诱发突变与生物技术育种。Tel :010262122719 , E2mail :luxiang @263. net . cn　　随着人类空间探索和空间飞行活动的深度和广度的不断深入 ,空间开发和空间资源利用已逐渐成为航天活动的主要目的。航天育种是近年来日益活跃的空间应用活动之一 ,主要是指利用返回式卫星等所能到 达的空间环境对植物 (种子)的诱变作用产生的有益变异 ,在地面选育植物新种质、新材料 ,培育新品种的高新技术育种途径和方法[1 ] 。研究和实践证明 ,航天育种在有效创造罕见突变基因资源和培育作物新品种方
5　核 农 学 报　2008 ,22 (1) :5～8Journal of Nuclear Agricultural Sciences
面已发挥出越来越重要的作用 ,成为空间生命科学研
究的重要组成部分 ,并凸显良好的产业发展优势[2 ] 。
植物种子或生物细胞经空间搭载后能诱发明显的
变异 ,如有丝分裂指数、细胞生长的改变、微核及染色
体畸变增加等[3 ,4 ] 。虽然空间环境中微重力、磁场、真
空及低温等因素均可能诱发生物效应 ,但目前普遍认
为空间辐射可能是引发变异的主要因素 ,尤其是当辐
射作用于植物种子的种胚时 ,易诱发遗传突变[5 ,6 ] 。另
外 ,国内利用高空科学气球搭载农作物干种子的实验
也获得许多优良种质 ,认为与存在于气球高度的铁等
重核辐射有关[7 ] 。为了证实空间辐射与突变的内在关
联 ,我们设计了“照相定位”实验法 ,对搭载在“实践八
号”卫星上的植物种子受到空间重离子击中的情况进
行甄别 ,同时采用 LiF 热释光片测量种子所受的较低
LET空间辐照剂量 ,为探讨空间重离子诱变植物种子
的机理提供实验依据。
1 　材料与方法
111 　材料
11111 　植物种子 　试验选用 2 个基因型小麦 (代号小
麦 1 和小麦 2) 、2 个基因型水稻 (水稻 1 和水稻 2) 、2
个玉米自交系 (玉米 1 和玉米 2) 和 1 个基因型拟南芥
为材料 ,均由中国农业科学院航天育种研究中心提供。
试验种子均经过严格挑选 ,籽粒饱满 ,大小均匀、形状
一致、表面光滑完整且无霉斑。
11112 　仪器 　固体核径迹探测器采用英国 BELL
FIBRE 公司生产的剂量学 CR239 材料 (BELL FIBRE
PRIDUCTSCORP1FR 21752B)制作 ,其厚度为 500μm。用
于蚀刻 CR239 材料的 NaOH 由北京化学试剂公司生
产 ,纯度 ≥96 %。粘贴植物种子的乳胶是北京风正建
筑装饰材料有限公司生产的阔达牌白乳胶 ,该产品不
含甲醛、对植物种子无毒副作用 ,不腐蚀 CR239 材料 ,
在风干后呈无色透明。喷墨打印机胶片 (CG 3460) 购
自 3M 中国有限公司投影产品部。LiF 热释光片购自
北京防化研究院 ,规格为Φ5mm ×018mm。
112 　方法
11211 　辐射探测装置的组装 　核径迹探测装置由覆
盖层、CR239 片和LiF 片、植物种子及有机玻璃四层叠
放组成。为防止产生裂纹、细小损伤、变形等情况 ,
CR239 材料用激光切割成 5cm ×7cm 大小的长方形片
料。在每片 CR239 的左上角剪出斜三角形定位缺口
(以利于下文所述粘贴了种子的 CR239 片的影象膜与
移去种子后的 CR239 片准确定位) ,并在距上边缘 4～
5mm处钻两个小孔 (用于蚀刻时固定 CR239 片 ,孔距 2
～3cm) ,最后选取 5 片 ,在左上角缺口处分别编号为 1
～5 号 ,然后进行植物种子的粘贴。种子的粘贴成行
排列 ,且与 CR239 片结合牢靠 ,相互排列紧密、不重叠 ,
种子的边缘不超出 CR239 片的边缘 ,这样符合卫星搭
载试验中尽量多带种子而且种子定位清楚的要求。将
粘贴了种子的 CR239 片用数码照相机拍照 ,并将影像
严格按实物大小打印在彩色喷墨打印专用胶片上。
将粘贴了种子的 CR239 片正面朝下放入专门设计
加工的有机玻璃板的凹槽内 (植物种子紧贴玻璃板) ,
在每块 CR239 片的上、下部顶角附近的半圆形凹槽内
放置事先经过退火处理的 LiF 热释光片共 10 片 ,用以
监测相同位置的辐照剂量 ,然后在 CR239 片上方用覆
盖层 (自下而上由柔软有弹性的卫生纸、普通打印纸及
数块塑料板组成) 填平凹槽 ,压紧 ,接着用有机玻璃板
封闭凹槽 ,用螺钉固定。最后用带有捆扎带的布袋 (美
塔丝布料)进行包装 ,以便在卫星舱内安装固定。
11212 　卫星搭载 　辐射探测装置搭载在我国“实践八
号”卫星上。实践八号是我国第一颗专用育种卫星 ,于
2006 年 9 月 9 日 15 时整 ,在酒泉卫星发射中心发射 ,
在轨运行 15d ,于 9 月 24 日 10 时 43 分 ,卫星回收舱降
落在四川省中部地区。卫星运行的近地点高度为
180km ,远地点高度为 469km ,轨道倾角为 63°。卫星运
行期间回收舱内温度在 20172 ℃～7121 ℃之间。
11213 　“照相定位”法 　取 5 片同批次未照射的空白
CR239 ,用 6125molΠL NaOH 溶液 48 ℃条件下蚀刻 24h。
显微镜 (OLYMPUS BX50) 下分别计数 300 个视野 (400
倍放大 ,视野总面积约为 015cm2 ) 的核径迹数 ,取平均
数作为本试验的本底核径迹数。另取 5 片同批次的空
白 CR239 ,分别用钱币形239 Pα源 (30 蜕变数Πmin ,4л,由
北京防化研究院辐照室提供)直接对其进行照射 ,每片
10min。再用 6125molΠL NaOH 溶液 48 ℃条件下蚀刻
24h 后 ,镜下分别观察各片的核径迹总数 ,然后减去本
底核径迹数 ,后者除以 150 (10min 内 2л方向的α粒子
总数)得各片的核径迹探测效率 ( %) ,最后取平均值作
为本试验中核径迹的探测效率 ( %) 。
11214 　植物种子受重离子辐射的作用分析 　航天搭
载产品取回后 ,将植物种子移至同样大小的塑料片上
(注意种子的对应位置及顺序不能改变) 。清除 CR239
片上残留的乳胶 ,采用 6125molΠL NaOH 溶液 48 ℃条件
下蚀刻 24h。然后将 CR239 片与其相对应的彩色影像
胶片仔细对位 (要求左上缺口及四周均准确重合) ,
CR239 片在上、胶片在下固定在载玻片上。镜下观察
核径迹及种子的位置 ,分别计数每个种子部位的核径
6 核　农　学　报 22 卷
迹数 ,并区分径迹是否在种子的种胚部位。每片 CR2
39 在镜下计数 300 个视野的核径迹数 ,减去本底核径
迹数后作为该 CR239 片的核径迹注量。
11215 　植物种子空间辐照剂量的测量 　以不同剂量
的137 Csγ射线 (由北京防化研究院辐照室提供) 照射同
批次空白LiF 热释光片 ,通过其发光度校准 RGD23B 热
释光剂量仪 ,并做出剂量 - 效应曲线。在卫星搭载的
LiF 热释光片取回后读出其发光度 ,根据剂量 - 效应
曲线求出LiF 片所受辐照剂量 ,作为植物种子所在位
置的空间辐照剂量。
2 　结果与讨论
211 　“照相定位”法的建立
5 张未照射的空白 CR239 片经蚀刻后显微镜下观
察 ,其核径迹数分别为 6 个Πcm2 、8 个Πcm2 、8 个Πcm2 、7
个Πcm2 、10 个Πcm2 ,由此获得 CR239 片的平均本底核径
迹数为 718 个Πcm2 。这与本实验室以前使用的日本产
CR239 片本底核径迹数 (平均本底核径迹数为 517 个Π
cm
2 )相比 ,本次试验使用的 CR239 片本底核径迹数较
高。本试验中 5 张 CR239 片的核径迹探测效率分别为
52 %、50 %、57 %、49 %及 54 % ,平均为 5214 %。
在确定了重离子的径迹后 ,径迹与植物种子之间
的准确定位是试验的另一关键。本试验中采用了“照
相定位”法 ,即将 CR239 片与其相对应的彩色影像胶片
对位观察来实现径迹与植物种子之间的定位。该方法
保证了 CR239 片在搭载返回后与植物种子分离 ,因而
CR239 片的蚀刻仍然在正反两面同时进行 ,既方便了
CR239 的化学处理 ,又保持了 CR239 片与植物种子在
飞行中的相对位置关系。“照相定位”法的便利尤其体
现在显微镜观察时 ,只要将焦距调在 CR239 片平面 ,在
观察径迹的同时 ,从较模糊的彩色影像胶片背景上就
可确定当前径迹是否在植物种子部位 ,并可进一步确
定是种子的营养部位或是种胚部位。因此 ,“照相定
位”法能保证准确判断空间粒子的穿行径迹及其与植
物种子的位置关系 ,与上世纪常用的“溴化银底片法”
以及“三明治”式实验法相比[7 ] ,该方法所需设备简单 ,
操作过程简便易行 ;由于减少了 CR239 的用量 ,故实验
系统经济实用 ;同时由于使用彩色影像背景 ,极大地缩
短了显微镜下观察分析的时间。
虽然 CR239 具有只对重离子灵敏、对高能量沉积
不易饱和及低本底等优点 ,特别适合用于空间重离子
辐射的监测[8 ] ,但回收后的 CR239 片需经化学处理 ,才
能得到结果 ,即化学蚀刻后在电离粒子通过的上下表
面形成径迹蚀刻斑 ,后者的几何尺寸和形状除了与粒
子在 CR239 中的受限能损 ( REL) 有对应关系外 ,还与
CR239 的生产厂家、生产批次及蚀刻条件密切相关。
在空间重离子的测量中 ,提高径迹蚀刻斑的灵敏
度 ,同时降低假阳性率是试验的关键 ,本试验中主要采
取三种方法达到这一目的。第一 ,在本底核径迹计数
测量时 ,利用神舟 3 号和神舟 4 号返回舱的 CR239 蚀
刻片 ,仔细研究对比地面径迹蚀刻斑与空间蚀刻斑的
区别 ,以便将本底核径迹计数降至最低。第二 ,利用已
知蜕变率的239 Pα源照射 CR239 片 ,在测量核径迹探测
效率的同时进一步鉴定地面径迹蚀刻斑。第三 ,分别
建立蚀刻 - 温度及蚀刻 - 时间曲线 ,探索蚀刻的最佳
温度和时间。本次试验的 CR239 片本底核径迹数偏高
的原因 ,除材料本身因素外 ,可能与蚀刻温度偏高有
关。
212 　“照相定位”法确定植物种子被空间重离子的击
中情况
通过显微镜观察 ,搭载后 CR239 片的核径迹注量 ,
1～5 号分别为 72 个Πcm2 、50 个Πcm2 、75 个Πcm2 、65 个Π
cm
2 、70 个Πcm2 ,平均核径迹注量为 6614 个Πcm2 ,飞行
15d 的平均核径迹注量率约为 4144 个Πcm2·d。与美国
阿波罗航天飞机及我国神舟 3 号和神舟 4 号飞船的数
据相比[9 ] ,“实践八号”卫星舱内重离子注量较高 ,可能
因为飞行器的轨道倾角和轨道高度不同 ,另外 ,也与卫
星与宇宙飞船或航天飞机在舱壁等结构上的区别有
关。
在分析整片 CR239 核径迹注量的基础上 ,逐个观
察每粒种子是否被重离子击中及击中次数、击中的部
位 (是否在种胚附近) 。结果见表 1。
由于拟南芥种子籽粒过小 ,以及水稻种子带壳的
影响 ,本试验中并未对这部分种子的种胚击中情况做
进一步观察。拟南芥和水稻作为模式植物其基因组测
序均已完成 ,通过比较空间离子击中种子、未击中种子
与地面对照种子的基因组序列的差异 ,将有助于揭示
空间环境辐射以及微重力等不同因素诱变植物遗传变
异的分子机理。
另外 ,根据文献[10 ] ,核径迹直径随着离子LET的
增大而增大 ,由于空间重离子的 LET 较高 ,我们在确
定种子的击中时 ,尽量剔出直径较小的径迹 ,从而有效
降低假阳性率。
空间重离子属于高 LET辐射 ,它的相对生物效应
远高于低LET的 x、γ、e 等辐射类型 ,能产生较大的突
变频率和较宽的变异谱 ,有利于选育植物新品种。本
试验中 ,除了拟南芥种子外 ,我们区分了重离子击中种
7　1 期 实践八号育种卫星搭载植物种子的空间辐射剂量分析
　　　　 表 1 　不同植物种子被空间重离子击中的情况
Table 1 　Number and position of different plant seeds hit by space heavy ions
CR239 片编号
CR239 code number 植物种子名称crop seed name 径迹注量track flux(ionsΠcm2) 粘贴种子总数total seeds pasted 击中总数total hit seeds 一次击中 3one2hit seeds 3 两次以上击中 3two or more hit seeds 3 击中种胚数embryo2hit seeds
1 玉米 1 号 corn 1 72 17 17 0 17 14
玉米 2 号 corn 2 72 19 19 0 19 16
2 拟南芥 Aradidopsis 50 215 31 - - -
水稻 1 号 rice 1 50 72 20 12 8 -
小麦 1 号 wheat 1 50 78 34 17 17 10
3 水稻 2 号 rice 2 75 67 24 12 12 -
小麦 2 号 wheat 2 75 60 22 9 13 8
4 水稻 1 号 rice 1 65 40 31 18 13 -
小麦 2 号 wheat 2 65 99 43 27 15 16
5 水稻 2 号 rice 2 60 66 29 17 12 -
小麦 2 号 wheat 2 60 77 33 14 19 163 注 :含种胚被击中的种子数。3 Note : including embryo2hit seeds.
子的种胚及非种胚部位的情况 ,有利于研究植物性状
与重离子击中种子部位之间的相关性。在今后的研究
中 ,还需要对重离子击中种子的部位进行更精确的定
位 ,例如击中部位距离种胚的远近、击中部位距离种子
表层的远近、击中部位在种胚中的大概方位等 ,从而进
一步深入探索定位诱变效应。
213 　种子的辐照剂量
用热释光法分别测量出每片 CR239 所对应的 10
片LiF 所接受的辐照剂量 ,取平均值作为该 CR239 片
上种子所受的辐照剂量。结果表明 ,1～5 号 CR239 片
的辐照剂量分别为 4191mGy、4140mGy、5105mGy、
4180mGy 及 4177m Gy ,平均 4179mGy。
热释光剂量片 LiF 由于重量轻、不需要外加电源、
组织等效性好等特性 ,被广泛应用于空间辐射的监
测[8 ] 。但必须提出的是 ,本试验在辐射探测装置中使用
LiF 热释光剂量片测得的辐照剂量 (即植物种子所受的
辐照剂量) ,主要是卫星舱内低LET(小于 10 KeVΠμm)辐
照成分贡献的剂量 ,而核径迹法主要测量卫星舱内高
LET辐照即重离子的注量[11] 。但比较各 CR239 片重离
子注量及各 CR239 片位置的低LET辐照剂量值 ,可以发
现二者有一致性、能互相印证 ,即重离子注量较高的
CR239 片其所受低LET辐照剂量值也有偏高的趋势。
3 　结论
种子空间飞行环境剂量监测的“照相定位”方法 ,
既方便于 CR239 的化学处理 ,又能保持 CR239 片与植
物种子在空间飞行期间的相对位置 ,操作简便 ,缩短了
显微镜下分析的时间 ,能很好的再现空间粒子的穿行
径迹与植物种子的位置关系 ,准确判断出植物种子是
否被粒子击中或击中的部位。
试验所用 CR239 的本底核径迹数 (517 个Πcm2 ) 和
核径迹探测效率 (5214 %) 基本符合要求 ,适用于固体
核径迹探测器。试验测得的“实践八号”育种卫星舱内
(植物种子所在部位) 重离子注量率约为 4144 个Π
cm
2·d。经LiF 热释光剂量片测估 ,“实践八号”育种卫
星飞行中粘贴于 CR239 片上的植物种子所受低LET空
间辐射的剂量平均为 4179mGy。
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