全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 052566203
紫花苜蓿种子卫星搭载后其根尖细胞的生物学效应
任卫波1 　徐　柱1 　陈立波1 　郭慧琴2 　王　蜜2 　赵　亮2
(1. 中国农业科学院草原研究所 ,内蒙古 呼和浩特　010010 ; 2. 内蒙古农业大学生物工程学院 ,内蒙古 呼和浩特　010018)
摘 　要 :为了解卫星搭载苜蓿细胞的生物学效应 ,3 个品系的苜蓿干种子搭载“实践八号”育种卫星。返
地后 ,制作根尖染色体切片 ,进行显微观察。结果表明 ,卫星搭载对细胞的正常有丝分裂表现为促进 (品
系二、四)或抑制 (品系一) 。搭载种子根尖细胞染色体出现了微核、染色体桥、断片、落后等畸变类型 ,畸
变频率因搭载材料的诱变敏感性差异而不同。卫星搭载苜蓿种子对其根尖细胞有显著的诱变效应。
关键词 :卫星搭载 ;紫花苜蓿 ;染色体畸变
CYTOLOGICAL CHANGES OF ROOT TIP CELLS OF ALFALFA SEEDS AFTER SPACE FLIGHT
REN Wei2bo1 　XU Zhu1 　CHEN Li2bo1 　GUO Hui2qin2 　WANG Mi2 　ZHAO Liang2
(1. Grassland Research Institute , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Huhhot , Inner Mongolia 010010 ;
2. Institute of Bioengineer Science , Inner Mongolia Agricultural University , Huhhot , Inner Mongolia 010018)
Abstract :To understand the cytological effects of space flight on alfalfa seeds , dry seeds of three lines (Line 1 , Line 2 and
Line 4) were selected and loaded onto‘Shijian No. 8’satellite for space flight . After returning to the ground , root tips of
alfalfa were clipped and chromosome aberrations were observed by microscope. Data showed that space flight had two types of
effect on cell mitotic : one was positive (Line 2 , Line 4) and the other was negative (Line 1) . Such chromosome aberrations
were observed as micronucleus , chromosome bridge , fragments , lagging and so on. The frequency of aberration varied with the
different materials. Conclusion was that space flight had significant effect on root tip cells ,which mainly showed as the
chromosome aberrations.
Key words :space flight ; alfalfa ; chromosome aberrations
收稿日期 :2008202210 　接受日期 :2008203226
基金项目 :中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 (中国农业科学院草原研究所) 资助项目 ;“十一五”国家科技支撑计划重点项目
(2008BADB3B04)
作者简介 :任卫波 (19792) ,男 ,汉 ,山西晋城人 , 博士 ,助理研究员 ,从事牧草种质资源与育种工作。E2mail : rppcaucau @163. com　　植物空间诱变技术是利用空间资源和技术服务人类的重要途径之一。从 1987 年至今 ,我国已利用空间诱变技术先后育成了近 40 个作物新品种 ,并同时获得一批有可能对产量和品质等重要经济性状有突破性影响的罕见突变材料[1 ] 。目前空间诱变的研究主要集中在水稻[2 ] 、小麦[3 ]等作物方面 ,而有关牧草的研究相对较少[4 ] 。紫花苜蓿 ( Medicago sativa L. ) 是重要的多年生豆科牧草 ,因具有产量高、营养丰富、生物固氮等优点 ,被誉为“牧草之王”。研究表明 ,经卫星搭载后 ,苜蓿种子发芽率无显著变化 ,其淀粉酶酶带减少 ,叶片总氨基酸 含量有所增加[5 ] , 张月学等[6 ] 曾通过模拟空间条件下的零磁场诱变 ,成功获得苜蓿新品种“农菁 1 号”。目前苜蓿空间诱变方面的研究主要集中在形态学观察和农艺性状的选择上 ,有关苜蓿空间搭载细胞生物学效应的研究较少。本文研究了卫星搭载后 3 个苜蓿品系种子的细胞有丝分裂指数和染色体畸变 ,衡量卫星搭载对苜蓿细胞正常有丝分裂的影响 ,了解空间诱变引起的染色体畸变类型及其出现频率 ,探讨染色体畸变产生的可能机理 ,并比较了不同品系间卫星搭载细胞生物学效应的差异 ,为选取搭载效率最高的基因型材料进行后续
665　 核 农 学 报　2008 ,22 (5) :566～568Journal of Nuclear Agricultural Sciences
研究提供依据。
1 　材料与方法
111 　试验材料
紫花苜蓿 ( Medicago stavia L. ) 的 3 个品系为品系
一、品系二和品系四 , 是由新疆大叶、公农 1 号、
WL323、Queen 等国内外 4 个品种选配而成 ,其中品系
一是以抗寒、耐盐碱为目标 ,亲本来自公农 1 号和
WL323 ;品系二兼顾抗逆和高产 ,亲本是由新疆大叶、
公农 1 号、WL323 和 Queen 组成 ;品系四是以优质、高
产为目标 ,亲本主要来自 Queen 和新疆大叶。3 个品
系的种子由中国农业科学院草原研究所提供。供试材
料均为四倍体 ,4n = 32。
112 　搭载处理
将精选后的种子分为 2 份 ,1 份作地面对照 (CK) ,
另 1 份用于搭载。将种子封入布袋 ,搭载于我国发射
的“实践八号”育种卫星 (2006. 9. 922006. 9. 24) 进行空
间诱变处理。飞行时间 15d。
113 　根尖染色体制片
将对照和搭载后的种子放入培养皿 ,在 20 ℃培养
箱萌发露白 ,低温 4 ℃处理 24h ,在 20 ℃中继续培养 ,待
根长至 115～210cm 时剪下 ,用卡诺固定液 (无水乙醇∶ 冰醋酸 = 3∶1) 固定 20h ,谢夫试剂染色 ,醋酸洋红复染48h ,进行染色体制片 (每处理 15 张制片) 。114 　镜检每处理观察 10 个根尖 ,每个根尖随机选择约 300个细胞 ,观察倍数 400 倍 ,计数器计数 ,Sony DSC2F828显微照相[7 ] ,分别计算下列指标 :细胞分裂指数 ( %) = (分裂细胞数Π观察细胞总数) ×100 %染色体畸变率 ( %) = (染色体总畸变数Π观察细胞总数) ×100 %核畸变率 ( %) = (核总畸变数Π观察细胞总数) ×100 %2 　结果与分析211 　卫星搭载对苜蓿根尖细胞有丝分裂的影响卫星搭载后 ,各品系的根尖细胞正常的有丝分裂均受到不同程度的影响 ,结果如表 1。从表 1 可知 ,卫星搭载对不同品系的影响不一 ,既表现为促进根尖有丝分裂 ;也可能表现为抑制根尖的有丝分裂。对于品系一 ,处理组的根尖细胞有丝分裂指数比地面对照降低了 1918 % ;对于品系二和品系四 ,处理组的细胞有丝分裂指数分别增加了 3618 %和 3717 %。
表 1 　卫星搭载对苜蓿根尖细胞有丝分裂指数及核畸变的影响
Table 1 　Effect on the mitotic index and nuclear aberrations of root tip cells induced by space flight
品系
line
处理
treatment
观察细胞数
No. of
observed
cells
有丝分裂
细胞数
No. of
mitotic cells
细胞分裂
指数
index of
mitotic ( %)
单微核率
single
micronucleus
( %)
多微核率
multi
micronucleus
( %)
总微核率
total rate
of aberrations
( %)
品系 1 搭载 SP 2892 334 11157 1128 0156 1184
line 1 对照 CK 2943 425 14143 0 0 0
品系 2 搭载 SP 3114 566 18117 0188 0161 1149
line 2 对照 CK 2958 392 13128 0 0 0
品系 4 搭载 SP 3012 499 16158 0175 0134 1109
line 4 对照 CK 2965 356 12104 0 0 0
注 :SP 表示搭载处理 ;CK表示地面对照。下表同。
Note :SP indicates space flight ; CK indicates ground control . The same as the following Tables.
212 　卫星搭载对苜蓿根尖细胞核畸变的影响
经卫星搭载后 ,各品系根尖细胞在有丝分裂间期
均出现了微核、核出芽等多种类型核畸变 (表 1) ,其中
以单微核为主要的变异类型。不同品系之间单微核
率、多微核率及总微核率均存在明显差异。品系一的
单微核畸变率最高 , 为 1128 % , 比最低的品系四
(0175 %) 高出 7016 % ; 多微核率以品系二最高 , 为
0161 % ,比最低的品系四 (0134 %) 高出 7914 % ;总微核 畸变率以品系一最高 ,为 1184 % ,比最低的品系四(1109 %)高出 6818 %。213 　卫星搭载对苜蓿根尖染色体畸变的影响经卫星搭载后 ,各品系苜蓿根尖染色体在分裂中期出现染色体断片、染色体粘连等畸变类型 ;在分裂末期出现染色体单桥、双桥和多桥、落后染色体、游离染色体等畸变类型。其中部分细胞内同时存在多种染色体畸变。不同品系之间染色体畸变率均存在明显差
765　5 期 紫花苜蓿种子卫星搭载后其根尖细胞的生物学效应
　　　 表 2 　卫星搭载诱发苜蓿种子根尖细胞染色体畸变
Table 2 　Chromosome aberrations of root tip cells in alfalfa after loaded in space flight ( %)
品系
line
处理
treatment
单桥
single bridge
多桥
multi bridge
断片
fragment
落后
lagging bridge
粘连
conglutination
游离
dissociative
总畸变率
total rate of aberration
品系 1 搭载 SP 0138 0123 0156 0134 0135 0128 2114
line 1 对照 CK 0 0 0 0 0 0 0
品系 2 搭载 SP 0129 0143 0132 0126 0112 0123 1165
line 2 对照 CK 0 0 0 0 0 0 0
品系 4 搭载 SP 0124 0118 0128 0128 0125 0134 1157
line 4 对照 CK 0 0 0 0 0 0 0
Note : SP in treatment colunm means“space flight”.
异。其中品系一的染色体总畸变率最高 ,为 2114 % ,
比最低的品系四 (1157 %)高出 3613 %(见表 2) 。
3 　讨论与结论
311 　卫星搭载对苜蓿细胞有丝分裂的影响
已有的研究表明 ,无论是混合粒子场还是单一γ射
线诱变 ,当代种子根尖细胞有丝分裂均呈下降趋势[7 ,8 ] 。
本试验发现卫星搭载对苜蓿根尖细胞有丝分裂有两种
影响 :一是促进细胞有丝分裂 ,表现为分裂指数的增加 ;
二是抑制有丝分裂 ,表现为分裂指数的减少 ,具体因品
系而异。这与已有的研究并不完全一致。其可能原因
有 : (1) 空间诱变的特殊性。空间诱变是包括重粒子辐
射、微重力等多种飞行因子作用的结果。相对于传统的
地面诱变 ,它具有生理损伤轻、性状变异范围大等特点 ,
因此对于空间诱变 ,同时出现抑制和促进有丝分裂也是
可能的。(2) 由搭载材料诱变敏感度差异造成。不同
材料携带不同的基因背景 ,因此对同一诱变条件具有不
同的诱变敏感度。品系一的有丝分裂受到抑制 ,可能说
明品系一的诱变敏感度高于其他 2 个品系。
312 　卫星搭载对苜蓿细胞核及染色体畸变的影响
经搭载后 ,苜蓿根尖细胞出现了微核、双核、多核、
核出芽等核畸变类型 ,说明卫星搭载对苜蓿根尖细胞核
有显著的诱变效应。这与已有的研究结果一致。Gao
等[9 ]研究发现 ,相比对照 ,飞行组桔梗花梗细胞的细胞
核形状多变 ,线粒体数目显著增加。在诸多核变异类型
中 ,细胞微核一般是由染色体受损后形成的断片 ,或纺
锤体受损丢失的整条染色体形成的 ,具有可遗传性[10] ,
而且微核率与诱变剂量和诱变敏感性呈正相关 ,因此被
认为是衡量染色体诱变损伤的可靠指标。本研究发现
不同品系间搭载后微核率有明显差异 ,3 个品系的空间
诱变敏感性为品系一 >品系二 >品系四。
紫花苜蓿种子经过 15d 的卫星搭载后 ,其根尖细胞
均出现了诸如染色体连桥、断片、微核、落后、粘连等畸变
类型 ,这些畸变类型与常规的60 Coγ射线诱变基本一致[7] 。
313 　不同品系苜蓿间搭载细胞学效应的差异
搭载的 3 份材料间有丝分裂指数、微核率、染色体
畸变率均存在明显差异。其中品系一经搭载后 ,细胞
有丝分裂指数降低 ,微核率、染色体畸变率均高于另 2
个搭载品系。结果表明 ,卫星搭载对品系一不仅抑制
细胞正常有丝分裂 ,还产生了较高频率的染色体畸变 ;
对品系二和品系四 ,则促进了细胞有丝分裂 ,同时染色
体畸变率相对降低 ,这与笔者的发芽试验结果基本一
致 ,即品系一主要表现为芽长、根长和苗重的显著降
低 ;品系二、四主要表现为芽长和苗重的显著增加[11 ] 。
参考文献 :
[ 1 ] 　刘录祥 , 郭会君 ,赵林姝. 我国作物航天育种 20 年的基本成就
与展望. 核农学报 ,2007 , 21 (6) : 589～592
[ 2 ] 　蒲志刚 , 张志勇 ,郑家奎 ,向跃武 ,张志雄 ,蔡平钟 ,文春描. 水稻
空间诱变的遗传变异及突变体的 AFLP 分子标记. 核农学报 ,
2006 , 20 (6) : 486～489
[ 3 ] 　王广金 ,闫文艺 ,孙　岩 ,黄景华 ,刁艳玲 , 邓双丽 , 孙光祖. 春小
麦航天育种效果的研究. 核农学报 ,2004 ,18 (4) : 257～260
[ 4 ] 　任卫波 ,韩建国 ,张蕴薇 ,郭慧琴 ,王致平. 航天育种研究进展及
其在草上的应用. 中国草地学报 ,2006 , 28 (5) : 91～97
[ 5 ] 　Xu Y Y, Jia J F , Wang J B , Niu B T. Changes in isoenzymes and
amino acids in forage and germination of the first post2flight generation of
seeds of three legume species after space flight . Grass and Forage
Science , 1999 , 54 :371～375
[ 6 ] 　张月学 , 唐凤兰 , 张弘强 , 韩微波 , 李道明 , 刘杰淋 , 蒿若超 ,
申忠宝 , 刘录祥. 零磁空间处理选育紫花苜蓿品种农菁 1 号. 核
农学报 , 2006 , 21 (1) :34～37
[ 7 ] 　杨茹冰 ,张月学 ,徐香玲 ,李集临 , 张弘强 , 王继华 , 韩微波 , 唐
凤兰 , 刘杰淋 , 李道明 , 蒿若超 ,申忠宝. 60Coγ射线辐照紫花苜
蓿种子的细胞生物学效应. 核农学报 , 2007 , 21 (2) : 136～140
[ 8 ] 　刘录祥 ,韩微波 ,郭会君 ,赵林姝 , 赵世荣 , 李家才 , 王 　晶 , 郑
企成. 高能混合粒子场诱变小麦的细胞学效应研究. 核农学报 ,
2005 , 19 (5) :327～331
[ 9 ] 　Gao W Y, Fan L , Paek K Y, Zhao S P. Spaceflight of platycodon
grandiflorum seeds changes ultrastructure of pedicel and style cells.
Journal of the Korean Society for Hortiultural Science , 2001 , 41 (6) :
545～549
[10 ] 　Maki P J , Hauashi M , Suzukit , et al . Analysis by fluorescence in situ
hybridization with a mouse gamma satellite DNA probe of isolated
micronuclei induced in mice by two clastogens and two spindle poinson.
Mutagenesis , 1995 , 10 (6) :513
[11 ] 　任卫波 ,王　蜜 ,陈立波 ,赵 　亮 ,郭慧琴. 卫星搭载对苜蓿种子
PEG胁迫萌发及生长的影响. 草地学报 , 2008 , 16 (4) : 393～395
865 Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2008 ,22 (5) :566～568