全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
文章编号 :100028551 (2002) 0220065205
质子对小麦的诱变效应及作用机理研究
Ⅰ1 质子对小麦的诱变效应
施巾帼1 　孙国庆1 　李桂英1 　胡　萍1 　唐掌雄1 　巩令华2 　王建勇2
(11 中国农业科学院原子能利用研究所 ,北京　100094 ; 21 北京大学重离子物理研究所 ,北京　100087)
摘要 :用 2MeV～9MeV 7 个能量 ,5C～160C 12 个剂量的质子处理 5 个品种 ,研究质子
对小麦的诱变效应。结果表明 ,M1 代的生物损伤随剂量的提高而加重 ,在一定能量
范围内 (6MeV 以下) ,随能量的增加而加大 ,超过一定能量 ,生物损伤有所减轻 ;M1 代
较易出现γ辐照中少见的叶绿素条状缺失损伤。M2 代诱变效果显著 ,突变谱宽 ,有
益突变频率明显高于γ射线 ,较易诱发早抽穗性状变异 ;明确诱变小麦的适宜能量为
4MeV ,适宜剂量为 114 ×1010～317 ×1010 PΠcm2 。
关键词 :质子 ;小麦 ;诱变效应
收稿日期 :2001211230
基金项目 :本研究由国家自然基金项目 (39870445)资助
作者简介 :施巾帼 (1941～) ,女 ,江苏启东人 ,中国农业科学院原子能利用研究所研究员 ,从事小麦诱变遗传育种研究
近年来 ,人们引入各种物理技术于植物育种 ,如激光、电子束、离子束等在育种中应用 ,并
取得了一定成效[1 ,2 ] 。质子属于高传能线密度 (LET) 辐射 ,能引起较大的相对生物学效应
(RBE) ,比低LET 辐射的γ射线能诱导更多的染色体畸变和非重接性 DNA 双链断裂[3 ,4 ] 。
Tarasenko[5 ]曾用高能质子处理马铃薯块茎的芽 ,得到了根尖细胞染色体异常较γ射线高数倍、
诱变效率较γ射线高 10～17 倍的结果。唐掌雄等用中能质子处理高粱、甜瓜种子 ,获得了抗
高粱花叶病和早熟甜瓜突变体。王彩莲等[6 ]近期在水稻上的研究得到了早抽穗、矮秆、千粒重
提高等有益突变明显提高的结果。虽然国内外研究质子在农作物上的辐射诱变甚少 ,但这些
结果已经表明了质子用于诱变育种的潜力。因此 ,系统深入的研究和优化质子的各种技术参
数及其作用机制 ,对开发新的高效诱变源 ,提高诱变育种效率和水平有重要意义。
1 　材料和方法
111 　供试材料
冬麦纯系品种原冬 6 号、原冬 977、北京 411、京冬 8 号、中优 9507 风干种子。
112 　辐照处理
质子辐照处理在北京大学重离子物理研究所的 EN 型 12MeV 串列加速器上进行 ,能量为
2、3、4、5、6、8、9MeV ,通量为 5、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120、160C(1C = 416 ×108 PΠcm2 ) 。
56　核 农 学 报　2002 ,16 (2) :65～69Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
γ射线辐照在本所钴室进行 ,辐照剂量为 300Gy ,剂量率为 111GyΠmin。
113 　M2 田间调查
M1 成熟时 ,以处理为单位随机混收种子 ,种成 M2 代 ,观察抽穗期、株高、芒性等形态变异 ,
抽穗期突变按 3 倍标准差法统计。
2 　结果与分析
211 　M1 生物学效应
用不同能量 (2、3、4、5、6、8、9MeV)不同剂量 (5、10、20、40、60、80、120、160C)的质子辐照小麦
种子 ,其 M1 代苗高受到不同程度的抑制 ,叶绿素受到不同程度的损伤。苗高的抑制程度在相
表 1 　质子辐照对 M1 代幼苗生长的影响
Table 1 　Effect of proton irradiation on seedling growth in M1
能量
energy
(MeV)
剂量
dose
(C)
原冬 6 号 北京 411
苗高
seedling height
(cm)
叶绿素损伤率
chlorophyll
damage rate
苗高
seedling height
(cm)
叶绿素损伤率
chlorophyll
damage rate
CK 9135 A 0 7189 A 0
10 9105 A 0 7189 A 0
20 9172 A 0 8104 A 510
2 40 9127 A 0 6196 B 15179
60 9174 A 0 7139 A 1010
80 8194 A 11176 7128 A 510
平均 (mean) 9136 A 2135 7145 A 6116
10 6189 B 92131 5143 C 8715
20 6111 B 84162 4161 D 94112
4 40 5127 C 100 4152 D 94144
60 5139 C 93175 4169 D 94112
80 5131 C 100 5182 C 55156
平均 (mean) 5173 B 94114 4192 B 85115
10 3157 D 0 1141 E 0
20 2131 E 0 1135 E 0
6 40 2153 E 7114 1168 E 7169
60 2116 E 510 2110 E 28157
80 1169 E 0 1159 E 0
平均 (mean) 2145 C 2143 1161 C 7125
10 6145 B 0 6159 B 1010
20 6127 B 5156 5190 C 9109
8 40 5107 C 0 4107 D 36136
60 4183 C 5100 3166 D 0
80 3152 D 5156 3141 D 0
平均 (mean) 5115 B 3122 4156 B 11109
注 :数字右侧的大写英文字母 ,凡相同者系 Duncan 多重比较法统计在 0101 水平上显著差异。
Note :1. Within a column followed by the same letter means signifiantly different at level 0. 01 according to Duncan′s multiple range test . 2.
1c = 416 ×108 protonsΠcm2
66 核　农　学　报 16 卷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
同能量下 ,有随剂量的提高而加重的趋势 ;在小于 6MeV 的相同剂量下 ,有随能量提高而增加
的趋势 ,至 8MeV 抑制程度有所减轻 ,8MeV 的生物损伤与 4MeV 的差异不显著 (见表 1) 。值得
注意的是质子辐照的幼苗第 1 叶较易出现叶绿素条状缺失损伤 ,这在γ辐照中罕见。用多个
品种试验 ,均在 4MeV 的能量下叶绿素条状缺失损伤频率最高 (见表 1) 。
图版 Ⅰ　质子诱发的突变品系原冬 219
Plate 1 　Mutation variety induced
with proton
212 　M2 代诱变效应
21211 　质子处理小麦的诱变效果 　3 年中共用 8
个品种次、6 个不同能量、10 个不同剂量观察质子
的诱变效应 (见表 2、表 3 和表 4) 。结果表明 ,质
子能诱发抽穗期、株高、穗型、芒性、穗蜡、育性等
10 多种变异类型。品种间的变异频率有差异 ,不
同能量、剂量间的变异频率亦有区别 ,适宜组配的
能量2剂量处理 ,突变频率可高达 6179 %。试验发
现 ,3 年的平均突变频率均是 4MeV 的最高 ,分别
为 3139 %、2153 %和 2131 %。4MeV 的能量下 ,30C
(114 ×1010 PΠcm2 ) (见表 2) 、50C (213 ×1010 PΠcm2 )
(见表 3)和 80C (317 ×1010 PΠcm2 ) (见表 4) 的剂量
处理 ,平均突变频率最高 ,均在 315 %以上。能量
小于 4MeV 时增加剂量 (如 3MeV2100C) ,能量大于
4MeV 时减小剂量 (如 6MeV225C) ,亦可达到较好
的诱变效果。通过研究 ,我们已经获得 1 个植株
降低 10cm 左右、穗型变大、穗粒数增多的稳定突
变品系原冬 219 (图版 1) 。
表 2 　质子处理小麦的 M2 突变频率( 1999 年)
Table 2 　M2 mutation frequency induced by proton in wheat (1999)
品种
varieties
2MeV 3MeV 4MeV
50C 100C account 30C 60C account 5C 15C 30C account
原冬 6 号
Yuandong6 0119 0162 0130 1135 0180 1100 3146 3135 5137 4102
京冬 8 号
Jingdong8
3180 3115 3149 6144 2155 4141 2132 2106 6126 3137
北京 411
Beijing411 2136 0195 1145 1106 1103 1105 3105 2168 2112 2115
总计
total
1198 1147 1171 2188 1150 2120 2195 2170 4198 3139
1C = 416 ×108 protonsΠcm2
21212 　质子与γ射线的诱变效应比较 　质子与γ射线在诱发性状变异的类型上基本相似 ,但
质子较易诱发早抽穗性状的变异 ,适宜剂量 (5MeV280C) 的质子辐照 ,早抽穗突变频率 (418 %)
是γ射线 (1189 %)的 215 倍。这在作物遗传改进中有实际意义。质子诱发性状变异的总突变
频率低于γ射线 ,但适宜能量2剂量组配的有益突变频率高于γ射线 ,如 4MeV280C 诱发原东
76　2 期 质子对小麦的诱变效应及作用机理研究
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
977 的有益突变频率为 3106 % ,明显高于γ射线的 1170 %。5MeV280C 诱发中优 9507 的变异 ,
也有相似结果 (见表 4) 。
表 3 　质子处理小麦的 M2 突变频率( 2000 年)
Table 3 　M2 mutation frequency induced by proton in wheat (2000)
品种
varietes
3MeV 4MeV 6MeV 8MeV
25C 50C 100C account 25C 50C 100C account 25C 50C 100C account 25C 50C 100C account
原冬 6 号
Yuandong6 1113 2158 2133 1193 2102 4122 1174 2170 4119 1197 2164 2190 4122 1120 1109 1199
京冬 8 号
Jingdong8 1140 1117 4110 2113 0192 2160 2174 1197 1159 0177 1127 1141 0144 3103 1195 1171
原冬 977
Yuandong977 - - - - - 3130 6179 4181 - - - - - - - -
总计
total
1126 1178 3112 2102 1146 3150 2180 2153 2185 1140 2100 2108 2102 2106 1151 1185
1C = 416 ×108 protonsΠcm2
表 4 　质子与γ射线处理小麦的 M2 突变频率比较( 2001 年)
Table 4 　Comparison of M2 mutation frequencies induced by proton andγ2rays(2001)
品种
varieties
4MeV 5MeV
20C 40C 80C account 20C 40C 80C account
γ射线
γ rays
中优 9507
Zhongyou 9507
原冬 977
Yuandong 977
总计
total
总突变
total mutation
0187 2165 2183 2120 0186 0112 5140 2110 7118
有益突变
useful mutation
0172 2154 2144 1199 0122 0 4180 1164 4135
总突变
total mutation
2114 1187 3135 2146 1122 1174 2141 1183 4116
有益突变
useful mutation
2114 1187 3106 2136 0195 0194 1115 1107 1170
总突变
total mutation
1153 2130 3107 2131 1102 0190 3187 1197 5156
有益突变
useful mutation
1146 2124 2173 2115 0154 0145 2193 1134 3102
1C = 416 ×108 protonsΠcm2
3 　讨 　论
311 　质子是带电荷的氢离子 ,已有研究表明 ,高能离子能穿透种子 ,而低能离子 ( KeV 级) 的射
程有限[7 ,8 ] ,较难达到小麦种子胚部中央。不同能量的质子LET不同 ,作用效果亦不同 ,4MeV、
6MeV、8MeV 的 LET分别为 9154KeVΠμm、6193KeVΠμm 和 5150KeVΠμm[9 ] 。本试验采用注入中能
(2～12MeV)质子 ,调节产生不同的LET ,有可能使离子停留在种胚内一定的深度 ,产生更高的
Bragg 峰效应 ,从而增加相对生物学效应 (RBE) 。从本试验 M1 生物损伤效应看 ,随着能量的提
高 ,生物损伤加重 ,至 6MeV 时损伤最重 ,以后随能量提高损伤又有所减轻。有可能 6MeV 的质
86 核　农　学　报 16 卷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
子注入产生的 Bragg 峰正落在胚部 ,而更高的能量 ,质子可能贯穿胚部。
312 　要达到理想诱变效果 ,确定适宜的能量和剂量是关键。本研究综合 M1 的生物损伤和 M2
的诱变效应 ,确定质子处理小麦的适宜能量为 4MeV ,适宜剂量为 30C(114 ×1010 PΠcm2 ) ～80C
(317 ×1010 PΠcm2 ) 。在适宜的能量、剂量组配下 ,有益突变频率要明显高于γ射线 ,尤其较易诱
发早抽穗性状变异 ,这可能是质子的诱变特点。这一结果与王彩莲[6 ] 在水稻上的研究结果一
致。由此可见 ,质子作为新诱变源应用于作物遗传改良有极大的发展潜力和应用前景。
参考文献 :
[1 ] 　陈芳远 ,胡能书 ,等. 中国激光遗传育种与激光生物学. 长沙 :湖南师范大学出版社 ,1992
[2 ] 　余增亮. 离子注入生物学述评. 安徽农业大学学报 ,1994 ,21 (31) :221～225
[ 3 ] 　Burns F J . et al . The dose response curve for tumor induction with single and splite dose of 10 MeV protons. Radiation Research ,1975 ,
62 :598
[4 ] 　Clapp N K, et al . Relative effects of wholebody sublethal doses of 60 MeV protons and 300 kVp X rays on disease incidences in RF
mice. Radiation Research ,1974 ,57 :158
[5 ] 　Tarasenko N O. Comparative mutagenic effectiveness of physical factors on plants. From Referativnyi Zhurnal ,1985 ,3 :55～65
[6 ] 　王彩莲 ,陈秋方 ,等. 几种新的诱变因素对水稻的诱变效应. 核农学报 ,2000 ,14 (5) :268～273
[7 ] 　杨汉民 ,韩榕 ,等. 扫描电镜2X射线能谱分析法测定重离子束注入小麦种子的深度. 核农学报 ,1993 ,11 (2) :198～202
[8 ] 　卫增泉 ,刘玉岩 ,等. 低能重离子注入小麦种胚内的作用范围. 辐射研究与辐射工艺学报 ,1993 ,11 (2) :89～94
[9 ] 　杨垂绪 ,梅曼彤. 太空放射生物学. 广州 :中山大学出版社 ,1995 ,65～66
STUDIES ON MUTAGENIC EFFECTS AND MECHANISM OF WINTER WHEAT
IRRADIATED BY PROTON
Ⅰ. MUTAGENIC EFFECTS OF PROTON IRRADIATION ON WHEAT
SHI Jin2guo1 　SUN Guo2qing1 　LI Gui2ying1 　HU Ping1
TANG Zhang2xiong1 　GONGLing2hua2 　WANGJian2yong2
(11 The Institute for Application of Atomic Energy , Chinese Academy of Agricultural Science , Beijing 　100094 ;
21 Institute of Heavy Ion Physics , Beijing University , Beijing 　100087)
ABSTRACT :Dry seeds of 5 wheat varieties were irradiated by 2～9 MeV protons with various
doses. The mutagenic effects in M1 and M2 were studied. The results showed that the biological
damage become higher with the increasing of the dose. The biological damage increased with the
increasing of the energy when the energy was lower than 6 MeV and decreased when the energy
was higher than 6 MeV. There were chlorophyll stripped deficiency in M1 generation , which were
seldom found inγ2ray treatment. Wider mutational spectrum and higher useful mutation frequen2
cies were observed in M2 generation by proton than byγ2ray treatment. Also the earlier earing
mutation type appeared more frequently. The appropriate energy of proton treatment was 4 MeV
and the range of appropriate doses were 114 ×1010～317 ×1010 PΠcm2 .
Key words :proton ; wheat ; mutagenic effect
96Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2002 ,16 (2) :65～69