全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 022085205
辐射敏化剂对离子注入小麦生物学效应的影响
韩　榕1 ,2 　杨汉民3
(11 西北大学生命科学学院 ,陕西 西安　710069 ; 21 山西师范大学生命科学学院 ,山西 临汾　041004 ;
31 兰州大学生命科学学院 ,甘肃 兰州　730000)
摘　要 :采用中国科学院兰州近代物理研究所 200kV 离子注入机产生的不同剂量
Fe1 + ,对春小麦新品系 81529 种子进行注入并用辐射敏化剂后处理 ,研究其注入效
应。结果表明 : ①离子注入随注入剂量的增加染色体畸变率呈上升趋势 ; ②不同辐射
敏化剂后处理对萌发力、染色体畸变率影响程度不同 ; ③不同辐射敏化剂对同一剂量
Fe1 + 离子注入小麦的染色体畸变率影响的总趋势 : EDTA > 秋水仙素 > 咖啡因。
关键词 :小麦 ;离子注入 ;染色体畸变率 ;萌发力 ;辐射敏化剂
收稿日期 :2001206211
基金项目 :山西省自然科学青年基金资助项目 (971037)
作者简介 :韩榕 (1962～) ,山西师范大学教授 ,西北大学在读博士 ,从事环境植物学研究
离子注入作物改良能够获得损伤轻、突变率高、突变谱广的结果[1 ] 。注入的作物已由最初
的水稻[1 ,2 ]扩展到小麦、玉米、大豆、萝卜等农作物上[3 ,4 ,6 ] ,并发展成为离子束生物工程学这一
新兴的交叉学科 (低能重离子生物学) [6 ] 。离子束注入小麦种子后 ,影响其生物学效应 ,随剂量
的增加其染色体畸变率增加而萌发力降低[7 ] 。对注入诱变机理的研究也由形态结构逐渐深入
到对 DNA 分子损伤、修复[8 ]及碱基、氨基酸、细胞骨架的影响方面[9～11 ] 。
如何产生更大的突变谱 ,是育种工作中的一个重要环节。辐射敏化剂能增加由 X 射线、γ
射线等电离辐射引起的突变谱 ,在多种作物上得到了研究和应用[12 ,13 ] ,但对离子注入诱变效应
的影响还少有报道。本文采用不同辐射敏化剂后处理 Fe1 + 离子注入的小麦种子 ,研究了其对
萌发力、染色体畸变率的影响 ,为复合诱变处理提供理论依据。
1 　材料和方法
春小麦 81529 风干种子 ,由甘肃省农科院提供。选用大小均匀、籽粒饱满、无破损、无霉菌
污染的种子 ,剥去胚部表皮 (果皮和种皮 ,简称剥皮种子) 。采用中科院兰州近代物理所 200kV
离子注入机 ,注入能量为 110kV 的 Fe1 + 离子 ,注入剂量分别是 1 ×1012 、1013 、1014 PΠcm2 。取一部
分 Fe1 + 离子注入后的小麦种子分别用咖啡因 (5mM) 、EDTA (1mM) 、秋水仙素 (011 %) 处理 10、
10、2h ,流水冲洗 2h ,干燥 4h ,均在室温 (22 ℃) 下进行。将处理后的种子与对照组分别盛于有
湿纱布的培养皿中 ,在 25 ℃条件下萌发 ,每日换清水 1 次 ,观察记录发芽情况。当对照组种子
发芽达半数时 ,统计各处理组发芽数 ,以百分比表示其发芽势。发芽结束时 ,以各处理组的总
58　核 农 学 报　2003 ,17 (2) :85～89Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
发芽数与对照组总发芽数之比表示其相对发芽率 ,并同时测定幼苗胚芽鞘高度 ,以平均值表示
其生长势。
在萌发幼苗中 ,待胚根长至 1～2cm 时 ,切取主、侧根尖和茎尖 ,用卡诺氏固定液 (无水乙醇
∶冰醋酸 = 3∶1)固定 2h 后 ,转入 70 %乙醇于冰箱保存。实验时取各组根尖、茎尖在 60 ℃1N 的
HCl 中水解 14min ,Schiff 试剂染色 015～2h ,在载玻片上加 45 %醋酸 1 滴 ,常规压片法制作临时
切片 ,在显微镜下观察 ,每组至少观察 10 个根尖 ,1000 个细胞 ,统计细胞中染色体畸变率。
2 　结果及分析
211 　Fe1 + 离子注入对小麦种子萌发力的影响
从图 1 可看出 : (1)离子注入影响了小麦的发芽率 ,且随剂量加大发芽率降低 ,但与对照相
比影响不很大 ; (2)从发芽势来看虽随注入剂量的增加而降低 ,但与对照组相比均高于对照组 ;
(3)对生长势的影响亦随剂量的增加而降低 ,且均低于对照组。
从以上 3 个方面的影响可得出 : (1)离子注入对小麦种子初期萌发起到一定促进作用 ,只
有到了萌发期后才对小麦起一定抑制作用 ,这一点可从发芽势高于对照 ,而生长势与发芽率相
比均比对照组低这一结果得出 ; (2) 3 种不同剂量 Fe1 + 离子注入对其萌发力的影响顺序为 :1 ×
1014 > 1 ×1013 > 1 ×1012 。
212 　辐射敏化剂后处理对小麦种子萌发力的影响
从图 2、3、4 可以看出 : (1)秋水仙素后处理对小麦种子发芽率无影响 ,EDTA 和咖啡因后处
理均影响发芽率 ,且随剂量加大而降低 ,其中以咖啡因作用最明显 ; (2)秋水仙素后处理对小麦
种子的发芽势起促进作用 , EDTA 后处理对 1 ×1012 PΠcm2 组起促进作用 ,但随着剂量的增加 ,
EDTA 和咖啡因的抑制作用明显增强 ,且以咖啡因的抑制作用最强 ; (3) 从生长势来看 ,不同敏
化剂后处理随注入剂量加大而下降 ,但没有发芽势下降幅度大。
图 1 　Fe1 + 离子注入对小麦种子萌发力的影响
Fig. 1 　The influence of Fe1 + heavy ions
implantation on the germination power
of the wheat
图 2 　敏化剂对 Fe1 + 离子注入小麦种子的
发芽率的影响
Fig. 2 　The influence of sensitizing agent
treatment on the germination power of the
wheat by Fe1 + heavy ions implantation
68 核　农　学　报 17 卷
图 3 　敏化剂对 Fe1 + 离子注入小麦种子的
生长势的影响
Fig. 3 　The influence of sensitizing agent
treatment on the growth potential of the
wheat by Fe1 + heavy ions implantation
图 4 　敏化剂对 Fe1 + 离子注入小麦种子的
发芽势的影响
Fig. 4 　The influence of sensitizing agent
treatment on the germination vigor of the
wheat by Fe1 + heavy ions implantation
　　从以上结果可得出 : (1)敏化剂后处理对离子注入的生物学效应有一定的加强作用 ; (2) 低
剂量处理时表现为促进作用 ,高剂量处理时有抑制作用 ; (3) 后处理对萌发初期影响比萌发后
期大 ; (4) 3 种敏化剂的影响能力分别为 :咖啡因 > EDTA > 秋水仙素。
213 　离子注入对小麦染色体畸变率的影响
从图 5 可看出 ,Fe1 + 离子注入随剂量的增加染色体畸变率呈上升趋势。
图 5 　Fe1 + 离子注入对小麦染色体畸变率的影响
Fig. 5 　The influence of Fe1 + heavy ions
implantation on the chromosome aberrant
rate of the wheat
图 6　敏化剂对 Fe1 + 离子注入小麦染色体畸变率的影响
Fig. 6 　The influence of sensitizing agent
treatment on the chromosome aberrant rate of
the wheat by Fe1 + heavy ions implantation
78　2 期 辐射敏化剂对离子注入小麦生物学效应的影响
214 　辐射敏化剂后处理对小麦染色体畸变率的影响
从图 6 可看出 : (1)不同辐射敏化剂 Fe1 + 离子注入后处理对小麦染色体畸变率的影响 ,剂
量为 1 ×1012 PΠcm2 时 ,EDTA > 咖啡因 > 秋水仙素 ;剂量为 1 ×1013 PΠcm2 时 ,EDTA > 秋水仙素 >
咖啡因 ;剂量为 1 ×1014 PΠcm2 时 ,EDTA > 秋水仙素 > 咖啡因 ; (2) 3 种后处理中 EDTA 对染色体
畸变率影响较大 ,其次为秋水仙素 ; (3)敏化剂的后处理对离子注入染色体畸变率效应具有一
定的促进和增强作用。
3 　讨 　论
低能离子 (能量为 35～180KeV)注入作物干种子引起的生物效应已为科学工作者所肯定 ,
并在诱变育种上取得令人鼓舞的进展 ,但作用机理目前尚未弄清。离子注入用于作物育种的
机理是 :将适当的荷能离子注入到作物种子或器官的某一组成部分上 ,引起基因突变 ,以达到
选育新品种的目的[6 ] 。为了进一步弄清其作用机理我们测定了被离子注入后种子萌发力和染
色体畸变率等指标 ,同时进行了辐射敏化剂后处理对离子注入的萌发力和染色体畸变率的统
计。
311 　辐射敏化剂在重离子注入上的初步应用
辐射敏化剂处理 Fe1 + 离子注入后小麦种子的萌发力、染色体畸变率随 Fe1 + 离子剂量的不
同而影响各异。从结果 213 我们知道随离子注入剂量的增加染色体畸变率呈上升趋势。使用
辐射敏化剂处理可能不同程度地增加或修复染色体畸变 ,而导致 Fe1 + 离子剂量不同的影响结
果。辐射敏化剂前处理作用在于提高辐射的敏感程度 ,后处理相当于一种诱变因素 ,一种化学
处理 ,在离子注入的基础上增加或修复染色体畸变的数量。对于离子注入其机理究竟是注入
离子的直接作用 ,还是次级粒子产生的间接作用或者只是一种能量传递作用 ,这些问题有待进
一步弄清。1991 年德国生理学家内尔和扎克曼以发现细胞膜和细胞间的各种离子通道和功
能而获得诺贝尔医学生理奖。对植物来说 ,研究种子的离子通道和“气孔”或许应成为研究离
子注入生物效应机理的重要途径之一。
辐射敏化剂提高了染色体畸变率 ,这有可能导致种子对不良条件的抵抗力下降 ,同时种子
离子通道一部分被打开 ,再进行 EDTA、秋水仙素、咖啡因的化学处理时就会造成细胞生化代
谢及结构的改变。有的经后处理畸变率降低或许是这种化学处理可能修复一部分畸变的结
果。从我们做的实验看 ,EDTA 和秋水仙素影响作用较大。
312 　剥去麸皮提高了离子注入的效应
从实验结果看 ,对剥去胚部麦皮要比带有胚部麦皮在萌发能力上染色体畸变率上具有更
大的影响。结合能谱分析的结果 ,初步看到麸皮对离子注入的阻挡作用 ,剥去胚部麦皮可提高
离子注入效应。小麦籽粒属颖果 ,有果皮和种皮。果皮、种皮、糊粉层这 3 层结构排列紧密 ,细
胞壁厚而稍带角质化 ,因此不去掉麸皮低能离子可能很难进入胚中。但剥皮无疑是对小麦种
胚的一种机械刺激 ,这种作用也应考虑。剥皮是研究离子注入机理的一种很好的方法 ,但用于
实践不太现实 ,而辐射敏化剂的应用则更具实际意义。
88 核　农　学　报 17 卷
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THE INFLUENCES OF IRRADIATION SENSITIVE AGENT ON THE BIOLOGICAL EFFECTS
OF THE WHEAT IMPLANTED BY THE HEAVY IONS
HAN Rong1 ,2 　YANG Han2min3
(11 Northwest University , Xi′an , Shanxi prov. 　710069 ; 21Shanxi Normal University , Shanxi prov. Linfen 　041004 ;
31Lanzhou University ,Lanzhou , Gansu prov. 　730001)
ABSTRACT :The influence of heavy ions( Fe1 + at various doses) implantation on the biological ef2
fects of the wheat were studied. The spring wheat seeds of new species 81529 were implanted by
Fe1 + heavy ions produced by 200kV implantation ion installation at Institute of Modern Physics
Lanzhou ,and then irradiation sensitizing agent were added. The results of effects of the implanta2
tion on the wheat were as follows. ( 1) Chromosomal aberrant frequency was improved with in2
creasing dose of Fe1 + heavy ions. ( 2) There are different influence on germination ability and chro2
mosomal aberrant frequency with different irradiation sensitive agent treatements. ( 3) The trend of
chromosomal aberrant frequency influenced showed as EDTA > Colchicine > Caffeine , but the in2
fluence on germination ability are different with various dose of Fe1 + heavy ions implanted to the
wheat seed.
Key words :wheat ; heavy ion implantation ; germination ability; chromosomal aberrant frequency; irradi2
ation sensitive agent
98Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2003 ,17 (2) :85～89