全 文 ：　文章编号 :100028551 (2000) 0620347206
空间诱变和γ射线辐照与离体培养相结合
对水稻生物学效应的研究
吴关庭　金　卫　陈锦清　郎春秀　王贤裕
(浙江省农业科学院原子能利用研究所　浙江 杭州　310021)
摘要 :利用返回式人造卫星搭载早籼品种中优早 3 号干种子 ,研究比较其用不同剂量
γ射线辐照对水稻的生物学效应。结果表明 ,空间诱变对 M1 代成苗率、苗高和结实
率的生理损伤明显比γ射线辐照轻 ,M2 代诱发的叶绿素缺失、株高及抽穗期突变的
频率不及 300 Gyγ射线处理。对空间诱变种子进行离体培养 ,叶绿素缺失和株高突
变的频率有较大提高。空间诱变种子的愈伤组织经辐照处理后 ,绿点分化率和绿苗
分化率下降 ,M2 的叶绿素缺失、株高及抽穗期突变频率超过空间诱变与离体诱变单
独处理之和 ,也不同程度高于 300 Gyγ射线辐照。
关键词 :空间诱变 ;γ射线辐照 ;离体培养 ;生物学效应
基金项目 :九五国家攻关项目 :961312202201
收稿日期 :1998212221
作者简介 :吴关庭 (1963 —) ,男 ,浙江萧山人 ,浙江省农业科学院原子能利用研究所副研究员 ,硕士学位 ,现在职博士 ,
1987 年参加菲律宾国际水稻所“遗传评价与利用”培训 ,现从事水稻辐射遗传育种工作。
长期以来 ,人们一直努力于新型高效诱变源的发掘与利用。随着空间技术的发展 ,利用高
空气球和返回式人造卫星搭载植物种子的研究日趋增多 ,空间诱变现已成为植物诱变育种领
域中的热点。一些研究结果表明 ,以高真空、微重力和强辐射为基本特点的高空环境对多种农
作物种子具有明显的诱变作用 ,其变异幅度大 ,有益变异频率高[1～5 ] ,由此选育的一些农作物
新品种 (系)也已问世[5 ,6 ] ,因而引起了植物育种工作者的兴趣和关注。然而 ,由于研究时间不
长 ,机会有限 ,迄今对空间环境的诱变作用尚缺少深入研究 ,有关空间诱变与γ射线辐照效果
比较的报道也较少。
近年来 ,植物离体培养技术不断完善 ,业已证明 ,在离体培养过程中 ,往往会产生一些无性
系变异。将离体培养与辐照处理相结合形成的离体诱变技术是诱发植物遗传变异的一种行之
有效的方法 ,利用这种方法业已育成一些新品种和新品系[7～9 ] 。因此 ,如果将空间诱变与离
体辐照结合起来 ,可能会进一步提高突变频率 ,扩大突变谱 ,诱发产生新类型、新变异 ,为育种
提供更加丰富的基础材料。基于这一设想 ,本研究对空间诱变与γ射线辐照处理进行比较 ,同
时开展了空间诱变与离体辐照相结合的诱变效果研究 ,以便为正确评价空间诱变技术的应用
前景和充分发挥其作用提供科学依据。
1 　材料与方法
111 　供试材料
743　核 农 学 报　2000 ,14 (6) :347～352Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
早籼品种中优早 3 号的风干种子。
112 　空间诱变和γ射线辐照
1000 粒上述水稻种子搭载 1996 年 10 月中国发射升空的返回式科学实验卫星作空间诱
变处理。另取同批种子用 100、200 和 300 Gy 的137 Csγ射线辐照 ,剂量率为 1 Gy/ min ,以地面
的未辐照种子作为对照 ,共 5 个处理。播种前每处理取 300 粒种子 ,先在 25 ℃的培养室内浸
种 48h ,再催芽 40h 后检查发芽粒数 ,随后播于大田 ,移栽时 (播后 34d)逐株测量苗高并统计成
苗率。所有秧苗全部移栽大田 ,单本插 ,密度 1617cm ×1313cm ,成熟时各处理随机取 10 株考
查结实率 ,然后视群体大小每处理抽取 200～350 穗用于调查 M2 突变频率 ,剩余种子分别混
收备用。
113 　离体培养与辐照处理
取一部分空间诱变种子和对照种子去壳及表面消毒后 ,接种在诱导培养基上。诱导培养
基为基本培养基 (记为 Ⅳ,由 N6 大量无机元素和 MS 的铁盐、微量无机元素及有机成分组成)
+ 2 ,42D 2mg/ L + BA 015mg/ L 的固体培养基。接种后 15d ,调查记录出愈率并转至 Ⅳ+ 2 ,42
D 2mg/ L 的固体继代培养基上培养。继代产生的愈伤组织一部分转至 Ⅳ+ BA 1mg/ L 的分化
培养基上直接分化 ,而另一部分用 40 Gy 的137 Csγ射线辐照 ,剂量率为 1 Gy/ min。照射后的愈
伤组织先在继代培养基上继代一次 ,然后转至分化培养基上进行分化。观察记录绿点分化率
和绿苗分化率。在分化培养基上转继后 ,绿苗在 1/ 2 Ⅳ的固体培养基上生根。生根绿苗先插
种在室内带土铝盆内 ,待扎根成活后再移栽于大田 ,单本插。成熟后按处理分别抽取 200～
250 穗并混收余下种子。
114 　M2 突变频率调查
将上年收获的种子播于大田 ,三叶一心时调查各种类型的叶绿素缺失突变。32d 秧龄时
移栽 ,每处理种植 1500 株左右 ,对照减半 ,单本插。见穗时观察抽穗期突变 ,凡抽穗早或迟于
对照群体齐穗期 10d 以上的 ,分别定为早熟或迟熟突变株。成熟后调查株高突变 ,随机测量
500 个对照单株的株高 ,求出平均数和标准差 ,然后确定突变界限 ŠX ±3S ,将高度在该范围以
外的植株定为株高突变株。
2 　结果与分析
211 　M1 生理损伤效应
21111 　对种子发芽、幼苗生长及植株育性的影响 　表 1 表明 ,水稻种子经 100、200 和 300 Gy
γ射线辐照处理 ,成苗率、苗高和结实率均随剂量的提高而下降 ,而搭载人造卫星上天作空间
飞行后 ,发芽率、成苗率和苗高与对照接近 ,基本上没有受到影响 ,结实率与对照的差异也不
大 ,说明空间诱变所产生的 M1 代生理损伤很小 ,与γ射线辐照相比要轻得多 ,这在成苗率与
结实率两个指标上表现得尤为明显。
21112 　对愈伤组织诱导和分化的影响 　高真空、微重力和强辐射的高空环境对水稻种子成熟
胚愈伤组织的诱导没有抑制效应 ,其出愈率高达 9615 % ,比对照高出 118 个百分点 ,但对诱导
产生的愈伤组织的分化则有明显的抑制作用 ,无论是绿点分化率还是绿苗分化率 ,空间诱变处
理的均比对照下降 20 多个百分点 (表 2) 。对照种子愈伤组织经辐照处理后 ,褐化死亡数增
加 ,绿点分化率和绿苗分化率大幅度降低 ,并与空间诱变处理的较为接近。当对来自空间诱变
843 核　农　学　报 14 卷
种子的愈伤组织进行离体辐照时 ,绿点分化率和绿苗分化率均低于未辐照的空间诱变处理和
单独的离体辐照处理 ,说明空间诱变与离体诱变相结合加重了对愈伤组织的生理损伤。
表 1 　空间诱变和γ射线辐照对水稻种子发芽、幼苗生长及植株育性的影响
Table 1 　Effect of space flight andγ2ray irradiation on seed germination ,seedling growth and
spikelet fertility of rice in M1 generation
处理
treatment
对照
CK
空间诱变
space flight
γ射线辐照　γ2ray irradiation ( Gy)
100 200 300
发芽率
germination percentage ( %) 8618 8512 8610 8917 8111
成苗率
seedling survival rate ( %) 7312 7219 6915 6319 3416
苗高
seedling height (cm) 2116 2114 2117 2017 1913
结实率
seed setting rate ( %) 8214 7716 6210 4019 2712
表 2 　空间诱变及其与离体辐照相结合对水稻种子出愈和愈伤组织分化的影响
Table 2 　Effect of space fight and its combination with i n vit ro irradiation on induction
and differentiation of calli f rom mature embryos of rice seeds
处理
treatment
出愈　callus formation
接种种子数
No. of seeds
inoculated
出愈率
percentage of seeds
with calli ( %)
分化　callus differentiation
接种愈伤组织块数
No. of calli
transferred
绿点分化率
percentage of calli
with green spots
( %)
绿苗分化率
percentage of calli
with green
plantlets( %)
离体培养
i n vit ro culture
75 9417 50 8410 6010
空间诱变 + 离体培养
space flight + i n vit ro
culture
174 9615 165 6112 3313
离体诱变
i n vit ro mutagenesis
- - 110 5713 3515
空间诱变 + 离体诱变
space fight + i n vit ro
mutagenesis
- - 154 3717 1812
　　注 :离体培养系指对照种子的成熟胚培养 ;空间诱变 + 离体培养是指空间诱变种子的成熟胚培养。
Note : In vit ro culture and space flight + i n vit ro culture mean mature embryo culture of CK seeds and the seeds exposed to
space environments , respectively.
212 　M2 诱变效应
21211 　叶绿素缺失突变 　与γ射线处理相似 ,空间诱变所诱发的叶绿素缺失突变类型主要有
白化、黄化、条纹、浅绿等几种。由表 3 可知 ,γ射线辐射诱发的以穗计和以苗计叶绿素缺失突
变频率均随剂量的增加而提高 ,空间诱变处理的突变频率除了以穗计时稍高于 100 Gy 照射处
理的以外 ,其余均低于γ射线辐照 ,表明空间环境诱发水稻叶绿素缺失突变的能力不及γ射
线。由于离体培养本身会产生一定数量的叶绿素缺失变异 ,所以空间诱变种子经离体培养后 ,
叶绿素缺失突变大量增加 ,表现明显的正协同作用 ,其频率不但比空间诱变和离体培养单独处
943　6 期 空间诱变和γ射线辐照与离体培养相结合对水稻生物学效应的研究
理之和高 ,而且也高于 300 Gyγ射线处理的。将空间诱变与离体诱变相结合 ,即对空间诱变种
子的愈伤组织施以辐照处理 ,同样表现出协同作用。其突变频率更高 ,分别达 1812 % (以穗
计)和 1196 %(以苗计) 。
表 3 　不同处理诱发的叶绿素缺失突变频率
Table 3 　Frequency of chlorophyll2deficient mutations induced by different
t reatments in M2 generation
处理
treatment
以穗计　mutation frequency of spike
调查穗数
No. of spikes
planted
突变穗数
No. of mutation
spikes
突变频率
mutation
frequency
( %)
以苗计　mutation frequency of seedling
调查苗数
No. of seedlings
observed
突变苗数
No. of mutants
突变频率
mutation
frequency
( %)
对照　CK 296 0 0 17476 0 0
空间诱变
space flight
334 17 511 18701 60 0132
100 Gyγ射线辐照
100 Gyγ2ray irradiation 315 15 418 16067 58 0136
200 Gyγ射线辐照
200 Gyγ2ray irradiation 253 25 919 11886 74 0162
300 Gyγ射线辐照
300 Gyγ2ray irradiation 208 26 1215 8113 95 1117
离体培养
i n vit ro culture
252 16 613 13342 68 0151
空间诱变 + 离体培养
space flight + i n vit ro culture
217 34 1517 10714 177 1165
离体诱变
i n vit ro mutagenesis
231 25 1018 10573 94 0189
空间诱变 + 离体诱变
space flight + i n vit ro
mutagenesis
203 37 1812 8641 169 1196
21212 　株高与抽穗期突变 　从表 4 可以看出 ,空间飞行诱发产生的株高突变比 100 Gyγ射线
辐照的多 ,但比 200 和 300 Gy 处理的少 ,其共同点在于 ,株高突变均以矮秆类型占多数。虽然
离体培养诱导的株高突变频率仅为 0107 % ,但将其应用于空间诱变种子后 ,也产生明显的协
同效应 ,使矮秆突变频率和总的株高突变频率有较大的提高。在此基础上再结合离体辐照 ,则
协同作用更大 ,株高突变频率及其中的矮秆突变频率分别达到 1152 %和 1104 % ,超过 300 Gy
γ射线处理的 1119 %和 0184 %。
空间诱变的抽穗期突变频率为 0161 % ,高于 100 和 200 Gyγ射线辐照而低于 300 Gy 处
理 ,且其中迟熟突变株多于早熟突变株 ,这与γ射线照射时早熟突变多于迟熟突变的情况有所
不同。空间诱变与离体培养相结合后 ,早熟突变频率提高 ,迟熟突变频率下降 ,因而总的抽穗
期突变频率与单独的空间诱变处理相仿。离体诱变产生的抽穗期突变频率为 0127 % ,不及空
间诱变 ,两者复合处理后 ,突变频率协同提高到 1117 % ,稍高于 300 Gyγ射线辐照。
053 核　农　学　报 14 卷
表 4 　不同处理诱发的株高与抽穗期突变频率
Table 4 　Mutation frequency of plant height and heading data induced by different
t reatments in M2 generation
处理
treatment
株高突变频率
mutation frequency of plant height ( %)
矮秆
dwarf
高秆
tall
合计
total
抽穗期突变频率
mutation frequency of heading data ( %)
早熟
early
迟熟
late
合计
total
对照　CK 0 0 0 0 0 0
空间诱变
space flight
0140 0120 0160 0127 0134 0161
100 Gyγ射线辐照
100 Gyγ2ray irradiation 0113 0 0113 0134 0107 0141
200 Gyγ射线辐照
200 Gyγ2ray irradiation 0156 0114 0170 0156 0 0156
300 Gyγ射线辐照
300 Gyγ2ray irradiation 0184 0135 1119 0177 0135 1112
离体培养
i n vit ro culture
0107 0 0107 0 0107 0107
空间诱变 + 离体培养
space flight + i n vit ro culture
0176 0128 1104 0141 0121 0162
离体诱变
i n vit ro mutagenesis
0133 0107 0140 0127 0 0127
空间诱变 + 离体诱变
space flight + i n vit ro
mutagenesis
1104 0148 1152 0155 0162 1117
3 　讨 　论
本试验结果表明 ,空间诱变处理早籼品种中优早 3 号干种子对 M1 (即 SP1) 的生理损伤很
小 ,M2 (即 SP2)诱发的叶绿素缺失、株高及抽穗期突变的频率不高 ,其诱变能力不及育种剂量
(300 Gy)的γ射线辐照 ,这与前人的研究结果不尽一致。蒋兴村等[1 ]将晚稻品种包选 2 号种
子搭载于“8885”返地卫星 ,SP2 代获得的矮秆和早熟突变率分别高达 5156 %和 8 % ,同时还诱
发产生了强分蘖、大穗、大粒及感光特性方面的突变。陈芳远等[2 ]利用高空气球搭载粳稻品
种中作 59 和海香原种种子后 ,SP2 代群体所调查的 11 个农艺性状均出现比其它诱变因素更
为广幅的分离 ,并获得具有广亲和基因的突变株 ,其对多个籼、粳型不育系均有恢复能力。徐
建龙等[5 ]研究了高空气球和返回式卫星搭载晚糯品系 ZR9 干种子的诱变效果 ,结果发现 ,高
空气球搭载的 SP1 代出现矮秆、早熟和矮秆早熟突变株 ,总突变频率为 2186 % ,SP2 代两种处
理的株高、生育期、穗长等主要农艺性状的突变频率分别为 4131 %和 4110 %。产生以上不一
致结果的原因可能有 3 条 :一是供试品种类型 (籼、粳、糯)不同 ,品种的遗传背景和遗传稳定性
以及辐射敏感性存在差异 ;二是界定突变范围的标准不一致 ;三是空间诱变处理的参数如飞行
高度和倾角、飞行时间、飞行器内部的环境条件等等不尽相同 ,这也许是造成试验结果有较大
差异的最主要原因。因此 ,在对空间诱变的应用前景作出正确评估之前 ,还有许多研究工作要
153　6 期 空间诱变和γ射线辐照与离体培养相结合对水稻生物学效应的研究
做。
许多研究证实 ,两种诱变因素复合处理会使 M1 代生理损伤加重 ,M2 代突变频率提高 ,突
变谱扩大[10 ,11 ] 。本试验对空间诱变种子进行离体培养 ,并进而对愈伤组织实施辐照处理 ,结
果表明 ,空间诱变与离体培养相结合 ,M2 叶绿素缺失突变和株高突变的频率有较大的提高 ,特
别是与离体诱变复合后 ,诱变效果更好 ,叶绿素缺失、株高及抽穗期突变的频率均超过两者单
独处理之和 ,也不同程度高于 300 Gyγ射线辐照。所以 ,本试验中单独空间诱变处理的诱变效
果虽不尽人意 ,但其与离体诱变相结合的方式却是育种实践中值得推荐应用的。
参考文献 :
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BIOLOGICAL EFFECTS OF SPACE FL IGHT,γ2RAY IRRADIATION AND
THEIR COMBINATIONS WITH IN VI TRO CULTURE ON RICE
WU Guan2ting 　J IN Wei 　CHEN Jin2qing 　LAN G Chun2xiu 　WAN G Xian2yu
( Instit ute f or A pplication of A tomic Energy , Zhejiang Academy of A gricult ural Sciences , Hangz hou Zhejiang prov . 　310021)
ABSTRACT :Biological effects of space fl ight on rice were studied by placing the dry seeds of in2
dica variety Zhongyouzao 3 in a returnable satell ite and compared with those treated by different
doses ofγ2ray irradiation. The results showed that space fl ight produced evidently l ighter physio2
logical damages to seedl ing growth and spikelet fertil ity thanγ2ray irradiation in M1 generation ,
and induced lower mutation frequency of chlorophyll def iciency , plant height and heading date
than 300 Gy ofγ2ray treatment in M2 generation. Mature embryo culture of the seeds exposed to
space environments resulted in considerable increase in mutation frequency of chlorophyll def i2
ciency and plant height. After irradiatioin of call i from the space2mutagenized seeds , percentage
of call i with green spots and green plantlets decreased ,and mutation frequency of chlorophyll
def iciency,plant height and heading date not only exceeded the sum of that induced by single
treatment of space fl ight and in vit ro mutagenesis ,but also was higher than that of 300 Gy ofγ2
ray irradiation.
Key words :Space flight ;γ2ray irradiation ; i n vit ro culture ; biological effects ; rice
253 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
2000 ,14 (6) :347～352