全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
此文于 1995 年 12 月 1 日收到。
农业部和省科委资助项目。
离子注入水稻的细胞学效应和诱变效应
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)
用 75、100 和 150keV 的氮离子及 20keV 的氮、氢和氩离子的不同剂量注入水稻
种子 ,以γ射线作对比 ,研究其细胞学效应和诱变效应。结果表明 , N + 、H + 、Ar + 均
能诱发多种类型的染色体畸变 ,其畸变细胞率随离子注入能量和剂量的增加而提高 ,
但染色体畸变效应低于γ辐照。离子注入诱发的叶绿素突变及有益性状突变的频率
高于γ辐照。
关键词 :离子注入 　细胞学效应 　M2 突变 　水稻
前 　　　言
低能离子束诱变是近年来我国植物诱变育种的一项新方法 ,它不仅具有电离辐射的能量
作用过程 ,而且还具有质量沉积效应和电荷交换作用[1 ] 。育种家已逐步将离子束应用于作物
品种改良[2 ] 。我们曾初步研究了氮离子注入水稻种子的诱变效应[3 ] , 为进一步探索离子注入
的诱变效果 ,本文以不同能量、剂量的 N + 、H + 、Ar + 注入水稻种子 ,研究其细胞学效应和诱变
效应 ,为评价离子注入技术的应用价值提供科学依据。
材 料 与 方 法
供试材料　水稻早籼品种三阳矮 1 号、杭 9224、鉴 93019 和粳稻品种 Jp001 的风干种子。
离子注入　用 0、75、100 和 150keV 的 N + 注入三阳矮 1 号种子 ,100keV 注入杭 9224 和
鉴 93019 , 注入方式为间断脉冲 ,剂量分别为 0、1014 、1015和 1016N + / cm2 (北京师范大学低能所
完成) 。以能量为 20keV、剂量为 5 ×1014～1. 5 ×1016ions/ cm2 的 N + 、H + 、Ar + 处理 Jp001 的
种子 (中国科学院等离子体物理所处理) 。
γ射线辐照 　供试品种均用 60 Coγ射线辐照 ,剂量为 0、150、300 和 450 Gy , 剂量率
0. 90 Gy/ min。
细胞学观察　对照和处理的种子于 27 ±1 ℃下浸种催芽 ,根长至 1cm 左右时 ,用卡诺液
固定 , 取根端分生组织 ,按改良石碳酸品红法染色制片。每处理显微观察 10 个左右根尖 ,每
个根尖随机观察 500～600 个细胞 ,计数染色体结构变异及有丝分裂细胞。
M2 突变　M1 成熟时 ,按处理随机混收种子 ,播于苗床 ,15 天苗龄时观察叶绿素突变。每
处理按“一穗少粒法”混种成 M2 , 观察抽穗期和形态变异 ,成熟时测量株高 ,按突变界限法[4 ]
51　核 农 学 报　1997 ,11 (1) :15～20Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
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统计抽穗期和株高突变。
结 果 与 分 析
(一) M1 细胞学效应
11 对根尖细胞染色体的影响 :氮离子注入水稻种子后 ,在根尖细胞内均可观察到染色体
断片、落后染色体、染色体桥和微核等 (图版 Ⅰ) 。所有处理的微核率 (75 和 100keV 的 1014
N + / cm2 除外)和染色体畸变细胞率 (75keV 的 1014N + / cm2 除外) 均显著高于对照 , 且随离子
注入能量或剂量的增加而提高 (表 1) , 其差异均达极显著水平 (能量间的 F 值分别为 7. 58 3 3
和 8. 10 3 3 ;剂量间的 F 值分别为 28. 00 3 3 和 72. 53 3 3 ) 。
图版 1 　离子束处理水稻种子诱
发有丝分裂染色体畸变类型
Plate 1 　The type of mitosis chromosomal
aberration induced by ion beam
treatments on rice seeds
　　11 落后染色体 ; 　21 染色体桥 + 断片 ;
31 染色体桥 ; 　41 微核
1. Laggards ; 　2. Chromosome bridge + fragment ;
3. Chromosome bridge 　4. Micronucleus.
表 1 　离子束对水稻的细胞学效应
Table 1 　Cytological effect of nit rogen ion beam treatment on rice plant
项　目
Item
剂量
Dose
(N + / cm2)
75keV 100keV 150keV
平均
Mean
微核率
Rate of
micronucleus( %)
0
1014
1015
1016
0. 35 ±0. 15 aA
0. 39 ±0. 08 abA
0. 54 ±0. 13 bA
0. 55 ±0. 13 bA
0. 35 ±0. 15 aA
0. 46 ±0. 14 abAB
0. 65 ±0. 13 cBC
0. 71 ±0. 12 cC
0. 35 ±0. 15 aA
0. 67 ±0. 15 bB
0. 70 ±0. 13 bB
0. 74 ±0. 12 bB
0. 35 ±0. 15 aA
0. 51 ±0. 15 bB
0. 63 ±0. 08 cC
0. 67 ±0. 10 cC
染色体畸变细胞率
Rate of cells
with chromosomal
aberration ( %)
0
1014
1015
1016
0. 66 ±0. 13 aA
0. 74 ±0. 12 aAB
0. 92 ±0. 16 bBC
0. 98 ±0. 10 bC
0. 66 ±0. 13 aA
0. 96 ±0. 17 bB
1. 03 ±0. 07 bB
1. 27 ±0. 21 cC
0. 66 ±0. 13 aA
1. 01 ±0. 16 bB
1. 06 ±0. 11 bB
1. 18 ±0. 14 bB
0. 66 ±0. 13 aA
0. 90 ±0. 14 bB
1. 00 ±0. 07 cB
1. 14 ±0. 15 dC
有丝分裂指数
Mitotic index
induced by
ion beam( %)
0
1014
1015
1016
15. 79 ±1. 59 aA
14. 07 ±0. 84 bB
11. 03 ±1. 29 cC
9. 48 ±1. 45 dD
15. 79 ±1. 59 aA
11. 03 ±1. 31 bB
9. 10 ±1. 08 cC
8. 70 ±1. 11 cC
15. 79 ±1. 59 aA
9. 48 ±1. 15 bB
9. 00 ±0. 92 cC
8. 90 ±1. 03 dD
15. 79 ±1. 59 aA
11. 53 ±2. 33 bB
9. 71 ±1. 44 cC
9. 03 ±0. 41 cC
　　　品种为三阳矮 1 号
　Variety used is San Yang Ai No. 1
61 核　农　学　报 11 卷
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方差分析表明 ,100keV 的氮离子注入后 ,鉴 93019 的畸变细胞率 (1131 %) 极显著大于三
阳矮 1 号 (1109 %)和杭 9224 (1107 %) 。γ射线的处理 ,品种间 (微核率和畸变细胞率的 F 值分
别为 10. 97 3 3 和 11. 90 3 3 ) 及剂量间 (微核率和畸变细胞率的 F 值分别为 71. 80 3 3 和
101. 90 3 3 )的差异均达极显著水准。杭 9224 对γ射线最不敏感 ,其畸变细胞率 (1. 01 %) 极显
著低于鉴 93019 (1125 %)和三阳矮 1 号 (1. 28 %) 。
离子束和γ射线诱发的染色体畸变类型也有差异 ,离子束诱发单微核、小断片和单桥为
主 ,而γ射线诱发的双微核、多桥的频率较高 ,在同一细胞内出现两种以上染色体畸变类型的
几率也较高。多极类型仅在γ射线处理中才观察到。
不同能量的离子束处理 ,其染色体畸变的比例随剂量的提高而有所变化 (表 2) 。微核和单
桥均随剂量的增加而提高 ,而多桥的变化则相反。75 和 100keV 处理时 ,断片和落后类型染色
体畸变随剂量的增加而提高 ,150keV 处理时则下降。γ射线的处理 ,其微核、单桥、多桥和断片
的比例均随处理剂量的增加而提高 ,落后类型的比例则下降 (表 2) 。
表 2 　氮离子束和γ射线对 M1 根尖细胞染色体畸变效应
Table 2 　Effect of nit rogen ion beam andγ2rays on chromosomal
aberration of root tip cells
处　理
Treatment
能量
Energy
(keV)
剂量
Dose
(N + / cm2)
观察细
胞数
No. of cells
微核
Micro2
nucleus
单桥
Single
chromoso2
mal bridge
多桥
Multiple
chromoso2
mal bridge
断片
Fragments
落后染
色体
Laggards
多极
Multiple
pole
氮离子束 0 7606 27 (0. 35) 12 (0. 16) 1 (0. 01) 6 (0. 08) 4 (0. 05)
Nitrogon 75 1014 7039 28 (0. 40) 11 (0. 16) 5 (0. 07) 3 (0. 04)
ion beam 1015 7596 41 (0. 54) 17 (0. 22) 4 (0. 05) 4 (0. 05) 4 (0. 05)
1016 7827 43 (0. 55) 18 (0. 23) 2 (0. 03) 9 (0. 110 5 (0. 06)
1014 6950 32 (0. 46) 12 (017) 9 (0. 13) 10 (0. 14) 4 (0. 06)
100 1015 7553 49 (0. 65) 12 (0. 16) 4 (0. 05) 10 (0. 13) 3 (0. 04)
1016 6478 46 (0. 71) 12 (0. 19) 4 (0. 06) 15 (0. 23) 5 (0. 08)
1014 7213 48 (0. 67) 8 (0. 11) 3 (0. 04) 8 (0. 11) 6 (0. 08)
150 1015 7388 52 (0. 70) 16 (0. 22) 1 (0. 01) 5 (0. 07) 4 (0. 05)
1016 6600 49 (0. 74) 20 (0. 30) 2 (0. 03) 5 (0. 08) 2 (0. 03)
γ射线 0 7606 27 (0. 35) 12 (0. 16) 1 (0. 01) 6 (0. 08) 4 (0. 05)
γ2rays 150 Gy 7243 35 (0. 48) 21 (0. 29) 8 (0. 11) 9 (0. 12) 6 (0. 08) 1 (0. 01)
300 Gy 7659 47 (0. 61) 32 (0. 42) 6 (0. 08) 10 (0. 13) 4 (0. 05) 1 (0. 01)
450 Gy 7733 86 (1. 11) 55 (0. 71) 16 (0. 21) 12 (0. 16) 2 (0. 03)
　　　品种为三阳矮 1 号 ;括号内数据为百分数
　Variety used is San Yang Ai No. 1 ;
　Figures in brackets are percentages
不论是离子束处理还是γ射线处理 ,其微核率和染色体畸变细胞率均呈显著正相关 ( rⅠ
= 0. 9443 ,rr = 0. 9919) 。
21 对根尖细胞有丝分裂指数 (M I)的影响 :从表 1 可看出 , 离子注入明显抑制根尖细胞的
71　1 期 离子注入水稻的细胞学效应和诱变效应
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有丝分裂 , 能量间、剂量间及其互作的 F 值 (分别为 39. 36 3 3 、149. 00 3 3 和 6. 39 3 3 )均达极显
著差异。抑制作用且随能量或剂量的增加而加强 , 除 100keV 的 1015 N + / cm 和 1016 N + / cm2
处理间的差异不显著外 ,其余均达极显著水准。杭 9224 的有丝分裂指数 (10134 %) 极显著高
于鉴 93019 (10110 %)和三阳矮 1 号 (10109 %) ,这与染色体畸变的反应基本一致。
γ射线的处理 ,供试品种的有丝分裂指数均随处理剂量的提高而下降 ,品种间的差异达极
显著水准 ,依次为三阳矮 1 号 > 杭 9224 > 鉴 93019。
(二) M2 突变
11 幼苗叶绿素缺失突变 :从表 3 可见 , 未经处理的叶绿素突变频率为 0 ,各处理的则随处
理剂量的增加而提高 ,氮离子诱发的突变频率最高 ,氢离子最低。离子束又普遍高于γ射线的
处理 (前者平均为 0. 966 % ,后者为 01673 %) 。
表 3 　氮、氢、氩离子注入的 M2 突变频率
Table 3 　M2 mutation frequency induced with N + , H + , Ar + implantation ( %)
项　目
Item
离子种类
Ions
剂量 Dose ( ×1014ion/ cm2)
0 5 10 50 100 150
叶绿素突变 N + 0 0. 700 0. 940 1. 080 1. 300 1. 560
Chlorophyll H + 0 0. 560 0. 640 0. 960 1. 100 1. 220
mutation Ar + 0 0. 620 0. 800 1. 020 1. 140 1. 340
抽穗期突变 早 early N + 0 0. 600 0. 800 0. 800 1. 000 1. 000
Mutation in 迟 late 0 0 0 0 0. 200 0. 400
heading date 早 early H + 0 0. 400 0. 600 0. 600 0. 800 1. 000
迟 late 0 0 0 0 0. 400 0. 200
早 early Ar + 0 0. 400 0. 400 0. 600 0. 800 0. 800
迟 late 0 0 0 0 0. 200 0. 200
株高突变 高 high N + 0 0 0 0 0. 200 0. 200
Mutation in 矮 short 0 0. 400 0. 400 0. 600 1. 000 1. 200
plant height 高 high H + 0 0 0 0 0. 200 0. 200
矮 short 0 0. 200 0. 400 0. 600 0. 800 1. 000
高 high Ar + 0 0 0 0 0. 200 0. 400
矮 short 0 0. 200 0. 200 0. 400 0. 400 0. 600
离子束诱发的叶绿素突变几乎全部是白化类型突变 ,而γ射线的处理 ,白化类型突变虽占
比例最大 ,但黄化和其他类型的比例分别占 10 %和 5 %。
21M2 农艺性状突变 :由表 3 和表 4 可见 ,氮、氢、氩离子诱发 M2 抽穗期的突变频率是早
抽穗高于迟抽穗 ,矮秆突变大于高秆突变 ,随着剂量的增加 ,突变频率有提高的趋势。
不同能量、剂量氮离子处理的早抽穗平均突变频率 (1108 %) 比γ射线 (0. 45 %) 高 1 倍以
上 ,迟抽穗平均突变频率 (0. 08 %)大大低于γ射线的处理 (0. 52 %) ,两者诱发的高秆突变频率
相似 ,但离子束诱发的平均矮秆突变频率 (0. 587 %)高于γ射线的处理 (0. 31 %) 。
供试品种的 M2 突变亦存在差异。M2 幼苗的叶绿素、抽穗期和株高突变均是三阳矮 1 号
> 鉴 93019 > 杭 9224。
81 核　农　学　报 11 卷
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表 4 　氮离子注入和γ射线处理的 M2 突变频率
Table 4 　M2 mutatioin f reuency induced with N + implantation andγ2rays ( %)
项　目
Item
品　种
Varieties
氮离子束
Nitrogen ion beam (N + / cm2)
γ射线
γ2rays( Gy)
0 1014 1015 1016 0 150 300 450
三阳矮 1 号 0 0. 60 1. 02 1. 34 0 0. 48 0. 96 0. 80
叶绿素突变 San Yang Ai No. 1
Chlorophyll 杭 9224 0 0. 42 0. 76 0. 98 0 0. 38 0. 82 0. 66
Mutation Hang 9224
鉴 93019 0 0. 50 0. 98 1. l10 0 0. 44 0. 90 0. 62
Jian 93019
抽穗期 早 early 三阳矮 1 号 0 1. 00 1. 40 1. 60 0 0. 40 0. 80 0. 60
突变 迟 late San Yang Ai No. 1 0 0 0 0. 20 0 0. 20 0. 40 0. 80
Mutation 早 early 杭 9224 0 0. 60 0. 80 1. 00 0 0. 20 0. 40 0. 20
in 迟 late Hang 9224 0 0 0 0. 20 0 0. 40 0. 40 0. 60
heading
早 early 鉴 93019 0 0. 80 1. 00 1. 20 0 0. 40 0. 40 0. 20
period
迟 late Jian 93019 0 0 0 0. 20 0 0. 40 0. 60 0. 80
株高突变 高 high 三阳矮 1 号 0 0 0120 0. 40 0 0 0. 40 0. 20
Mutation 矮 short San Yang Ai No. 1 0 0 0120 1. 40 0 0. 20 0. 40 0. 60
in 高 high 杭 9224 0 0 0. 20 0. 40 0 0 0. 20 0. 40
plant
矮 short Hang 9224 0 0 0. 40 1. 00 0 0 0. 20 0. 20
height
高 high 鉴 93019 0 0 0. 20 0. 40 0 0 0. 20 0. 20
矮 short Jian 93019 0 0. 20 0. 60 1. 20 0 0. 20 0. 40 0. 40
上述结果表明 , 离子束诱发早抽穗、矮秆等有益农艺性状的突变几率大于γ射线的处理。
讨 　　　论
从前人的试验和本研究结果看 , 离子束作为一种新技术应用于生物品种改良是有效的。
离子注入水稻种子对染色体具有一定的致畸作用 , 染色体畸变细胞率低于γ辐照。程备久
等[5 ]对氮离子注入棉籽 M1 细胞学效应研究结果表明 ,氮离子注入能有效地影响胚芽细胞的
遗传物质 ,引起染色体不同程度的损伤。本试验结果进一步证明 ,离子注入与γ射线辐照 ,不
仅在诱发染色体畸变频率上存在差异 , 而且染色体畸变类型也有所不同。离子注入诱发的染
色体畸变类型以单微核、小断片为主。表明离子注入对染色体结构的损伤作用小于γ辐照 ,有
可能较多地诱发微突变或点突变。
余增亮等曾报道[6 ] , 氮离子注入水稻种子 ,其 M1 生理损伤轻 ,M2 突变频率高 ,突变频谱
广。本研究结果表明 ,氮、氢和氩离子注入水稻均能诱发幼苗叶绿素突变 ,其突变频率高于γ
辐照。在诱发抽穗期和株高等农艺性状突变方面 ,虽然与γ辐照差异不明显 , 但其有益性状
突变频率大于γ辐照。夏英武等报道[7 ] , 氮离子诱发水稻的叶绿素突变频率低于γ射线 ,而
抽穗期突变频率比γ射线高 ,株高突变频率比γ射线低 ,这可能是处理条件及供试材料的基因
型差异所致。
91　1 期 离子注入水稻的细胞学效应和诱变效应
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
离子束作为一种新技术 , 应用于作物品种改良是有效的 ,但作为一门新的交叉学科 ,许多
新的课题有待进一步研究。
参 　考 　文 　献
1 　余增亮 ,霍裕平 1 离子注入生物学研究述评 1 安徽农业大学学报 ,1994 ,21 (3) :221～225
2 　吴跃进等 1 离子束诱变在水稻广亲和系改良中的应用研究 1 核农学通报 ,1990 ,11 (4) :154
3 　王彩莲等 1 氮离子注入对水稻诱变效应的初步研究 1 核农学报 ,1995 ,9 (1) :13～19
4 　高泰保 ,山县弘忠 ,赤藤克已 1 人为突然变异の利用に关する育种学的研究　Ⅳ处理次代の变异限界处个体出现率 にす
る突变变异诱起效果の评价 1 育种学杂志 ,1969 ,19 (1) :89～93
5 　程备久等 1 离子注入棉花种子 M1 代细胞学效应研究初报 1 安徽农学院学报 ,1991 ,18 (4) :329～331
6 　余增亮等 1 离子束注入水稻诱变效应的研究 1 安徽农业科学 ,1989 ,2 :10～13
7 　夏英武等 1 氮离子注入水稻机理与效应研究 1 安徽农业大学学报 ,1994 ,21 (3) :214～245
CYTOLOGICAL AND MUTAGENIC EFFECTS OF IONS
IMPLANTATION ON RICE PLANTS
Wang Cailian 　Shen Mei 　Chen Qiufang
( Instit ute f or A pplication of A tomic Energy , Zhejiang Academy of A gricult ural Sciences , Hangz hou 310021)
ABSTRACT
After implanting 75 ,100 and 150 keV of N+ ion and 20 keV of N+ , H+ and Ar + ions of
various doses to rice seeds , the cytological ( in M1) and mutagenic ( in M2) effects were studied.
The results indicated that all the methods could induce the variation of the chromosome structure
in rice plant. The rate of cells with chromosomal aberration tended to increase with the ion im2
planting energy and dose. However , the rate of cells with chromosomal aberration was lower
than that induced with 60Coγ2rays. Frequency of the chlorophyll mutation and usef ul mutation
induced by implantation of N+ , H+ and Ar + ions were higher than those induced byγ2rays.
Key words : Ion implantation. cytological effect in M1 , mutation in M2 , rice plant
02 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1997 ,11 (1) :15～20