全 文 ：此文于 1996 年 3 月 12 日收到。
修复抑制剂对不同辐射
敏感性作物生物学效应的影响
宋道军
(中国科学院等离子体物理研究所离子束生物工程中心　合肥　230031)
徐登益　万兆良　何首林
(西南农业大学中心室　重庆　630716)
本文研究了辐射损伤修复抑制剂咖啡因、ED TA 后处理对不同辐射敏感性作物
大豆和油菜生物学效应的影响。结果表明 ,辐射与咖啡因、ED TA 后处理对两种作物
幼苗的发芽率没有明显的影响 ;除低剂量 (大豆 < 100 Gy ,油菜 < 600 Gy) 辐照具有刺
激生长作用外 ,两种作物幼苗的根长、苗高、干物重和 IAA 含量均随辐照剂量的增大
而逐渐降低 ;咖啡因、ED TA 后处理进一步降低了幼苗的根长、苗高和干物重 ,但缓解
了 IAA 含量的下降水平。
咖啡因、ED TA 及其复合后处理对两种作物根长、苗高和干物重的影响程度表现
为 :咖啡因 + ED TA > 咖啡因 > ED TA。
关键词 :修复抑制剂 　辐照 　作物 　辐射敏感性 　生物学效应
前 　　　言
辐射损伤修复抑制剂咖啡因 (Caffeine) 、Na22ED TA ( ED TA) 能有效地抑制 DNA 损伤的修
复[1 ,3 ] ,加重辐射损伤 ,从而达到提高辐射诱变频率的目的。辐射能导致作物的幼苗发芽率、
根长、苗高和干物重等发生变化。本文就辐照及咖啡因、ED TA 后处理对不同辐射敏感性作物
大豆 (辐射敏感型)和油菜 (耐辐射型)的生物学效应进行了研究 ,以期了解咖啡因、ED TA 对不
同辐射敏感性作物的影响 ,为咖啡因、ED TA 应用于辐射诱变育种提供参考。
材 料 与 方 法
供试材料　选取风干饱满的豆科作物大豆 (品种西豆 3 号 ,含水量为 13 %) 和十字花科作
物油菜 (品种西油 B22 ,62I ,含水量为 11 %)种子作供试材料。
辐照与浸种处理 　用60 Coγ射线对精选的上述种子进行辐照处理 ,辐照剂量为 0～
1400 Gy ,剂量率 4191 Gy/ min ,辐照时温度 27 ℃,相对湿度 85 %。辐照后立即用下列溶液浸种
5h :H2O (作对照) ,5mmol/ L Caffeine , 1mmol/ L ED TA , 215mmol/ L Caffeine + 015 mmol/ L
ED TA (简写成 C + E ,以下同) 。
幼苗培养　浸种后立即用自来水冲洗干净 ,均匀播于有 3 层湿润草纸的培养皿上 ,每皿大
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豆 60 粒 ,油菜 200 粒 ,置于 28 ℃恒温培养箱中 ,每天定时加水使草纸始终处于湿润状态 ,种子
露白后开始光照 ,10h/ d ,光强 2000lx ,培养 7d ,各处理 3 次重复。
测试方法　幼苗培养第 3d 测试发芽率 ,第 4d 测根长 ,第 7d 测苗高和 IAA 含量。IAA 含
量的测定采用谈峰14等方法并略加改进 ,即剪取各处理地上部幼苗 ,用蒸馏水冲洗干净并揩干
表面水份 ,称样 5g ,加 67 %的丙酮 5～10ml ,研磨成匀浆 ,并连洗液一起转入 50ml 小烧杯中 ,
再用 67 %的丙酮定容至 30ml ,存入 4 ℃冰箱提取 10h ,过滤 ,残渣用 67 %的丙酮冲洗 3 次 ,滤液
于 40 ℃恒温水浴蒸干丙酮 ,再用 30ml 石油醚脱色 1 次 ,弃石油醚 ,用乙酸乙酯萃取 3 次 ,每次
10ml ,合并酯相 ,40 ℃恒温水浴蒸干 ,用甲醇溶解并定容至 5ml ,用高效液相色谱法上柱测试 ,
各处理 3 次重复。幼苗生长的第 9d ,参照华东师范大学实验指导[13 ]测定干物重。
结 果 与 分 析
(一)咖啡因、EDTA后处理对大豆和油菜种子发芽率的影响
辐照与咖啡因、ED TA 后处理对大豆和油菜种子的发芽率无显著影响 (表 1) 。即便是高
剂量下 ,其效果亦不明显 ,这与日本的山县弘忠等[2 ,4 ]关于种子萌发时胚芽的伸长主要是细胞
伸长 ,种子发芽不受射线影响的论述相吻合。咖啡因、ED TA 后处理对种子的萌发亦未见明显
的影响 ,这与李国全等[3 ,5 ]用咖啡因处理大豆未观察到药效作用的结果一致。但顾光炜等[12 ]
认为低剂量辐照具有刺激效应 ,能提高种子的发芽率和发芽势 ,本研究中没有观察到低剂量的
这种效应 ,这可能与未处理前种子的质量有密切关系 ,Батытин认为 ,当选用具有较高发芽率
的优质种子时 ,低剂量处理后的刺激作用就不明显 ,本研究支持这一结论。
表 1 　各处理对大豆和油菜种子发芽率的影响
Table 1 　The effect of t reatments on the germinating rate of
soybean and rape seeds 　( %)
剂　量
Dose ( Gy)
H2O
大豆
Soybean
油菜
Rape
Caf .
大豆
Soybean
油菜
Rape
EDTA
大豆
Soybean
油菜
Rape
C + E
大豆
Soybean
油菜
Rape
0 9215 ±213 8161 ±311 8713 ±219 8314 ±316 9113 ±118 8711 ±212 8715 ±216 8318 ±314
100 9511 ±111 8916 ±113 8614 ±217 8916 ±211
300 8813 ±119 8413 ±218 9014 ±212 9011 ±118 8918 ±117 8216 ±215 9014 ±213 8414 ±318
600 8914 ±214 8815 ±310 8816 ±115 8715 ±311 8312 ±319 8913 ±216 9213 ±119 8213 ±312
1000 9015 ±118 8217 ±219 8711 ±310 8812 ±211 8817 ±312 8018 ±219 8616 ±319 8516 ±211
1400 8716 ±214 8115 ±318 8316 ±315 8817 ±118
(二) 　咖啡因、EDTA后处理对大豆和油菜幼苗根系生长和苗高的影响
种子萌发的第 4d ,所测两种作物幼苗根系生长情况见图 1、图 2。试验结果表明 ,低剂量
辐照具有刺激幼苗根系生长的作用 (大豆剂量 < 100 Gy ,油菜 < 600 Gy) ;高剂量下 ,辐照对两种
作物幼苗根系生长有明显的抑制作用 ,且随辐照剂量的加大而加强 (大豆根长的降低幅度为
1019 %～8519 % ,油菜为 2312 %～4710 %) 。大于 300 Gy 辐照 ,大豆幼苗完全不能长出侧根 ;
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Caf 、ED TA 后处理与 H2O 处理 (对照) 相比 ,进一步增强了对根系生长的抑制 ,大豆根长下降
1819 %～8815 % ,油菜下降 2816 %～5617 % ,其抑制的强弱程度为 C + E > Caf > ED TA ;辐射
敏感的大豆与耐辐射的油菜相比 ,Caf 、ED TA 后处理对前者的影响更大 ,在 1000 Gy 剂量下 ,大
豆的根长最大下降为 8815 % ,而油菜为 3819 %。
图 1 　Caf、EDTA 后处理对大豆幼苗根长的影响
Fig. 1 The effect of caffeine and EDTA
post2treatment on the root
length of soybean seedling
图 2 　Caf、EDTA 后处理对油菜幼苗根长的影响
Fig. 2 The effect of caffeine and EDTA
post2treatment on the root
length of rape seedling
幼苗生长的第 7d ,测定两种作物幼苗高度 ,并以水处理为对照计算相对苗高 ,结果见图 3、
图 4。可得出如下结论 :第一 ,低剂量 (大豆 < 100 Gy ,油菜 < 600 Gy) 辐照对两种作物幼苗生长
表现为刺激效应 ,大于上述剂量则表现为抑制效应 ,且随辐照剂量增大而迅速降低 ,这与龙运
森[2 ]对大麦及李国全[5 ]等对大豆的试验结果相符。第二 ,咖啡因、ED TA 后处理与水处理相
比 ,不同程度地抑制了两种作物的生长 ,在 1000 Gy 辐照剂量下 ,大豆的相对高度下降 2517 %、
图 3 　咖啡因、EDTA 后处理对
大豆幼苗苗高的影响
Fig. 3 The effect of caffeine and
EDTA post2treatment on
the relative height of soybean seedling
图 4 　咖啡因、EDTA 后处理对油菜
幼苗苗高的影响
Fig. 4 The effect of caffeine and
EDTA post2treatment on
the relative height of rape seedling
712　4 期 修复抑制剂对不同辐射敏感性作物生物学效应的影响
油菜下降 7113 % ,且各处理的抑制程度表现为 C + E > Caf > ED TA。第三 ,高剂量辐照及咖啡
因、ED TA 后处理 ,大豆苗高的降低程度大于油菜 ,且在各自的最大剂量下 ,大豆苗高的最大下
降率为 7413 % ,而油菜仅为 4812 %。可见 ,咖啡因、ED TA 后处理对辐射敏感的作物影响更
大。根长、苗高是受辐射及咖啡因、ED TA 影响较为显见的生理指标 ,本研究测得两种作物根
长和苗高受其影响变化一致 ,说明幼苗地上部分与地下部分变化的一致性。
(三)咖啡因、EDTA后处理对大豆和油菜幼苗干物重的影响
辐照及咖啡因、ED TA 后处理对两种不同辐射敏感性作物幼苗干物重的影响见图 5、图 6。
试验结果表明 ,低剂量辐照 (大豆 < 100 Gy ,油菜 < 600 Gy)使幼苗干物重的积累略有增加 ,高剂
量辐照 (大豆 > 100 Gy ,油菜 > 600 Gy) 下 ,随着辐照剂量的增加而逐渐降低 ,咖啡因、ED TA 后
处理进一步加重了这种降低作用 ,这一结果与我们所测辐照及修复抑制剂后处理对根长和苗
高的影响变化趋势基本一致。因此 ,除了辐照影响外 ,说明咖啡因、ED TA 也参与了细胞中某
些生理生化代谢活动 ,从而影响了幼苗各种生长物质的积累。
图 5 　咖啡因、EDTA 后处理对大豆幼苗
干物重的影响
Fig. 5 The effect of caffeine and
EDTA post2treatment on
the dry weight of soybean seedling
图 6 　咖啡因、EDTA 后处理对油菜
幼苗干物重的影响
Fig. 6 The effect of caffeine and
EDTA post2treatment on
the dry weight of rape seedling
(四) 咖啡因、EDTA后处理对大豆和油菜幼苗生长素( IAA)含量的影响
植物的生长发育与其体内生长素 IAA 的含量密切相关 ,本试验测得辐射及咖啡因、ED TA
后处理对 IAA 含量有如下影响 (见图 7、图 8) 。第一 ,除低剂量的辐照使两种作物幼苗 IAA 含
量略有增大外 (大豆 < 100 Gy ,油菜 < 300 Gy) ,随着辐照剂量的增大 ,两种作物 IAA 含量迅速
降低。低剂量所表现的这种刺激作用 ,是辐射激活了幼苗内束缚态 IAA ,还是辐射刺激了 IAA
的合成所致 ,还有待深入研究。第二 ,咖啡因、ED TA 后处理与水处理 (对照)相比 ,不同程度地
提高了两种作物幼苗 IAA 含量 ,但各处理反应不一。辐射与干旱、水渍等外因都是外界逆境
对作物生长的一种胁迫 (st ress) ,Hsiao[6 ]等证实 ,植物处于干旱状态下 , IAA 含量下降 ;刘友良
等[7 ]也报道 ,处于水渍中的植物 , IAA 氧化酶活性升高 , IAA 含量下降 ,这些结果与本研究相
符。韩碧文[8 ]报道 , IAA 含量的变化与植物体内 POD 酶活性变化有关 ,他认为 ,处于逆境中的
植物 , POD 酶活性的升高是通过植物体本身的反馈调控使 IAA 降解失活 ,导致 IAA 含量下
降 ,我们在一系列研究中亦测得这一结果[15 ] 。另外 , Hsiao 认为 ,干旱等逆境导致植物体内
ABA、乙烯含量升高 ,也是使植物体内 IAA 含量降低的原因之一。咖啡因、ED TA 后处理为何
812 核　农　学　报 11 卷
能使两种不同辐射敏感性作物 IAA 含量提高 ,尚待试验探明。
图 7 　咖啡因、EDTA 后处理对大豆
幼苗 IAA 含量的影响
Fig. 7 　The effect of caffeine and
EDTA post2treatment on
the IAA content of soybean seedling
图 8 　咖啡因、EDTA 后处理对
油菜幼苗 IAA 含量的影响
Fig. 8 　The effect of caffeine and
EDTA post2treatment on
the IAA content of rape seedling
讨 　　　论
前人研究表明 ,咖啡因、ED TA 后处理能提高植物叶绿体缺失率、矮秆的突变率和染色体
畸变率[9～11 ]等一系列生物学效应 ,本研究进一步证明了咖啡因、ED TA 后处理使作物在生理
上产生负效应 ,这一结果对作物本身是不利的 ,但对提高辐射诱变育种的频率确是有益的。
咖啡因、ED TA 后处理对大豆和油菜幼苗产生的进一步损伤 ,实质上是咖啡因、ED TA 有
效地抑制了遗传物质 DNA 损伤修复的本质体现。顾光炜[12 ]等认为 ,咖啡因属暗修复抑制剂 ,
它能优先堵塞无误的切补修复 ,而 ED TA 则可抑制 DNA 损伤的修复合成 ,因而都起到加重辐
射损伤 ,提高突变率的效应。本研究中 ,咖啡因、ED TA 对大豆和油菜两种不同辐射敏感性作
物的作用 ,尤其是 C + E 复合处理的作用 ,对幼苗根长、苗高和干物重产生了极显著的降低作
用 ,因而在辐射育种的生产实践中 ,可考虑用咖啡因、ED TA 及复合处理作为辐射敏化剂。
辐射与咖啡因、ED TA 后处理对作物内源激素影响的系统研究尚未见报道 ,本研究发现咖
啡因、ED TA 后处理对 IAA 含量的影响与对两种作物幼苗根长、苗高和干物重的影响有相似
的变化规律 ,这反映了内源激素与作物生长变化的关系。咖啡因、ED TA 后处理与水处理的对
照相比 ,在相应辐照剂量下 ,增加了 IAA 含量 ,虽然在生化步骤和分子水平上的作用机理尚不
清楚 ,但其有着重要生物学意义。一方面 , IAA 含量增大 ,使细胞的解毒能力增强 ,具有保护组
织的作用[16 ] ;另一方面 ,它能在转录和翻译水平上促进 mRNA 和蛋白质的合成 ,使新合成的
mRNA 在细胞质中加强蛋白质的翻译 ,促进细胞的生长[17 ] ;其三 , IAA 含量的增加 ,可进一步
促进细胞的分裂与分化 ,从而为产生更多有益突变创造了良好条件。
参 　考 　文 　献
1 　Yamaguchi H. The use of inhibitor of unscheduled DNA synthesis to increase the rate of induced mutation ofγ2irradiated barley
seeds. Proceedings of the Sixth International Congress of Radiation Research , IAEA ,Vienna , 1979 ,575～581
912　4 期 修复抑制剂对不同辐射敏感性作物生物学效应的影响
2 　龙运森等 1 咖啡因、EDTA 对大麦辐射效应的影响 1 西南农业大学学报 ,1993 ,15 (2) :170～174
3 　高明尉等 1 液氮、辐照和咖啡因处理水稻种子的当代效应. 浙江农业大学学报 ,1982 ,8 (2) :143～149
4 　山县弘忠 1 人为突然变异の利用に关すゐ育种学研究. 日本育种学杂志 ,1959 ,10 :153～162
5 　李国全等 1 咖啡因对受γ辐射大豆损伤及遗传效应的影响. 吉林农业大学学报 ,1986 ,8 (1) :31～36
6 　Hsiao T C , Bradford K J . In Limitation to Effiecient Water Use in Crop Production. American Soc Agron Inc , 1983 , 217～
265
7 　刘友良. 植物水分逆境生理. 北京 :农业出版社 ,1992 ,70～77
8 　韩碧文. 植物生长物质. 北京 :科学出版社 ,1987 ,42～68
9 　施逸民 1NaN3 与γ2ray 对水稻诱变效应影响的研究 1 福建农学院学报 ,1983 ,12 (2) :115～122
10 　赵孔南等 1EDTA 对γ射线诱发水稻突变的修饰效应 1 浙江农业大学学报 ,1985 ,11 (3) :271～279
11 　Biswas S , Matsuo T. Protective and recovery effects of chemicals on plant growth , chromosome aberration and mutation in ir2
radiated seed of crop plant . Radiation Botany , 1955 ,6 :575～587
12 　顾光炜等 1 农业应用核技术 1 北京 :原子能出版社 ,1992 ,164～165
13 　华东师范大学生物系植物生理教研组编 1 植物生理学实验指导 1 上海 :人民教育出版社 ,1981 ,1～3
14 　谈　峰等 1 内源激素的测试方法 1 色谱 ,1992 ,8 (6) :64～65
15 　宋道军等 1 咖啡因、EDTA 后处理对大豆和油菜幼苗 SOD、CAT 和 POD 酶活性的影响 1 核农学报 ,1997 ,11 (2) :93～96
16 　潘瑞炽等 1 植物生理学 1 北京 :高等教育出版社 ,1986 ,7～9
17 　江苏农学院 1 植物生理学 1 北京 :农业出版社 ,1989 ,171～181
THE INFL UENCE‘OF CAFFEINE AND EDTA POST2TREATMENT
ON BIOLOGICAL EFFECT OF SOYBEAN AND RAPE SEEDL ING
Song Daojun
( Cent re of Biology Engineering , Instit ute of Plasma Physics , Academia Sinica , Hef ei 230031)
Xu Dengyi 　Wan Zhaoliang 　He Shoulin
( Cent ral L aboratory , Southwest A gricult ural U niversity , Chongqing 630716)
ABSTRACT
　　The biological effect of Caffeine and EDTA post2treatment on soybean and rape seedl ing
was studied. The results showed that the seed germinating rates of the t wo crops were obviously
affected by radiation , caffeine and EDTA post treatment. The seedl ing growth of the t wo crops
were promoted by lower radiation dose ( soybean < 100 Gy , rape < 600 Gy) . The root length ,
seedl ing height , dry weight and IAA content of the t wo crops signif icantly decreased with the in2
crease of radiation dose ; with caffeine and EDTA post2treatment , the root length , seedl ing
height and dry weight were lower , but IAA content were higher than that with H2O2treatment.
The accumulative effects on the seedl ing root length , seedl ing height and dry weight of the t wo
plants were observed with the post2treatment with combining of caffeine and EDTA.
　　Key words :Repair inhibitor , radiation , crop , radiosensitivity , biological effect
022 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1997 ,11 (4) :215～220