全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 022266204
空间环境对紫花苜蓿的生物学效应
张月学1 　刘杰淋1 　韩微波1 　唐凤兰1 　蒿若超1 　尚　晨1
杜优颖1 　李佶凯1 　王长山2
(11 黑龙江省农业科学院草业研究所 ,黑龙江 哈尔滨　150086 ;21 哈尔滨师范大学生物系 ,黑龙江 哈尔滨　150080)
摘 　要 :利用返回式卫星搭载 2 个不同基因型紫花苜蓿品种的干种子 ,观察其细胞有丝分裂数和微核数
与对照的差别。结果表明 ,空间环境促进了苜蓿种子根尖细胞的有丝分裂活动 ,并有一定数量的微核产
生 ;空间搭载还引起了紫花苜蓿发芽率和苗期致畸率的变化 ;同时在田间分枝数和鲜重产量指标上品种
间变化不同。在细胞学和苗期变异上 ,肇东苜蓿对辐射敏感性大于龙牧 803 ,在田间分枝数和鲜重产量
上肇东苜蓿的损伤程度高于对照 ,大于龙牧 803。
关键词 :苜蓿 ;空间诱变 ;微核 ;生物学效应
BIOLOGICAL EFFECT OF AEROSPACE ENVIRONMENT ON ALFALFA
ZHANG Yue2xue1 　LIU Jie2lin1 　HAN Wei2bo1 　TANG Feng2lan1 　HAO Ruo2chao1
SHANG Chen1 　DU You2ying1 　LI Ji2kai1 　WANG Chang2shan2
(11 Institute of Pratacultural Sciences , Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences , Harbin , Heilongjiang 　150086 ;
21Biology Department , Harbin Normal University , Harbin , Heilongjiang 　150080)
Abstract :The biological effect of aerospace environment on two varieties of Medicago sativa L. was studied. In M1 germination
results showed that aerospace environment increased cell division and the number of micronucleus , changed germination rate ,
caused seedling aberrations. Cytogenetical and seedling aberration of Zhaodong showed more sensitive than Longmu 8031
Branches and fresh weight of Zhaodong had shown more serious damage than control and Longmu 8031
Key words :alfalfa ; aerospace mutation ; micronucleus ; biological effect
收稿日期 :2008207227 　接受日期 :2008212218
基金项目 :公益性行业 (农业)科研专项 (nyhyzx072022) ,国家科技支撑计划 (2008BAD97B07) ,黑龙江省科技攻关 ( GB06B10923)
作者简介 :张月学 (19532) ,女 ,黑龙江巴彦人 ,研究员 ,主要从事牧草种质资源和育种研究。Tel :0451286695761 ; Email :zyxnky @1631com　　实践证明 ,诱变育种是一种改良作物的有效方法[1 ,2 ] 。利用高空气球和返回式卫星搭载植物种子 ,进行空间诱变处理的方法已日渐被人们接受并加以利用[3～5 ] 。研究表明 ,以高真空、微重力和强辐射为特征的太空环境 ,能增加染色体畸变频率[6～8 ] ,辐射损伤较轻 ,诱变效率较高 ,易引起同工酶酶谱变化及形态学性状变异[9 ] ,在分子水平上对 DNA 结构产生影响[10 ] 。紫花苜蓿是一种优良牧草 ,有“牧草之王”的美誉。本研究通过我国第 18 颗返回式卫星搭载 2 个紫花苜蓿品种的干种子 ,进行空间诱变处理 ,研究品种间、品种与 对照之间的细胞学和农艺学效应 ,探讨其间差异 ,以期为进一步开展空间诱变育种提供理论依据。1 　材料与方法111 　材料龙牧 803 紫花苜蓿和肇东苜蓿干种子。112 　方法11211 　空间处理 　每品种各取 5000 粒干种子 ,于2003 年 11 月 3 日搭载我国第 18 颗返回式卫星 ,近地
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点 200km、远地点 350km、周期 90min、轨道倾角 63°,空
间飞行 18d ,11 月 22 日返回。以未经搭载的种子作对
照 (CK) 。
11212 　细胞学观察　将种子置于 23 ℃±1 ℃恒温箱中
浸种 36h ,然后置于富含水分的铺滤纸的培养皿中 ,在
25 ℃恒温光照培养箱里培养。至根尖长度 110～115cm
时剪根 ,卡诺固定液固定 20h。取材料置于 1molΠL HCI
溶液中 ,60 ℃恒温水浴解离 10min ,醋酸洋红染色压
片[11 ] 。每个处理显微观察 50 个左右根尖 ,每个根尖
随机观察 100～150 个左右细胞 ,统计有丝分裂指数和
微核数。
11213 　盆栽试验 　将各处理的种子取 20 粒 ,分别种
在 2 个花盆中 ,每盆 10 粒 ,在温室里观察其发芽出苗
和幼苗畸变情况。
11214 　田间试验 　田间试验选择在黑龙江省农业科
学院草业研究所的试验地进行。该试验地地处哈尔滨
市东南 ,土壤为黑钙土 ,属于黑龙江省第一积温带 (全
年≥2700 ℃) 。单株种植 ,行长 510m ,行距 017m ,株距
015m ,重复 3 次。出苗期调查出苗数 ,现蕾期调查株
高、分枝数 ,秋季 1 次测产。
2 　结果与分析
211 　空间环境对根尖细胞学的影响
由表 1 可以看出 ,经细胞学观察 (图 1) ,卫星搭载
后龙牧 803 和肇东苜蓿的根尖细胞有丝分裂指数分别
为 1411 %和 1515 % ,比对照分别提高 8 %和 21 % ,说明
卫星搭载明显促进了苜蓿种子根尖细胞的有丝分裂 ,
增加了苜蓿的细胞活性 ;搭载后的龙牧 803 和肇东苜
蓿种子根尖细胞微核率分别为 612 %和 617 % ,而对照
的微核率为 0 ,说明卫星搭载促进苜蓿有丝分裂的同
时 ,还产生了一定数量的微核畸变。无论是分裂指数
还是微核率肇东苜蓿均比龙牧 803 要高 ,表明肇东苜
蓿对空间环境的敏感性高于龙牧 803。
表 1 　空间搭载苜蓿的根尖细胞有丝分裂和微核畸变
Table 1 　Micronucleus and mitosis aberration of root cell of Medicago sativa L. induced by aerospace environment
品种
variety
处理
treatment
观察细胞数
No. of
observed cell
有丝分裂细胞数
No. of cells
in mitosis
细胞分裂指数
rate of cells
in mitosis( %)
含有微核细胞数
No. of cells
with micronucleus
微核细胞率
rate of cells with
micronucleus( %)
龙牧 803 Longmu 803 CK 6230 816 1311 0 0
SP 6040 846 1411 37211 612
肇东 Zhaodong CK 6678 855 1218 0 0
SP 6429 996 1515 43011 617
注 :SP 为空间搭载材料。下表均同。
Note : SP means carried to aerospace environment . The same as following tables.
212 　空间搭载对苜蓿盆栽发芽及苗期的影响
由表 2 可以看出 ,经空间诱变后 ,龙牧 803 和肇东
苜蓿的出苗率分别为 90 %和 80 % ,与对照相比 ,龙牧
803 的出苗率没有变化 ,肇东苜蓿的出苗率则高出
7 % ;空间搭载后龙牧 803 和肇东苜蓿的苗期变异率分
别为 11 %和 25 % ,表明肇东苜蓿对空间环境的敏感性
高于龙牧 803 ,这与细胞学观察结果是一致的 (图 2) 。
表 2 　空间搭载对苜蓿盆栽发芽及苗期的影响
Table 2 　The effect of aerospace environment on
germination and seedling aberration
of Medicago sativa L. in pot
品种
variety
处理
treatment
播种数
No. of
planted seeds
出苗株数
No. of
seedling
出苗率
germination
rate ( %)
变异苗数
No. of
aberrant plant
龙牧 803 CK 20 18 90 0
Longmu 803 SP 20 18 90 2
肇东 CK 20 15 75 0
Zhaodong SP 20 16 80 4
213 　空间搭载对田间苜蓿性状的影响
表 3 　空间搭载对苜蓿田间出苗及农艺性状的影响
Table 3 　The effect of aerospace environment on
seedling rate and agronomical
characters of Medicago sativa L. in field
品种
variety
处理
treatment
出苗率
seedling
rate ( %)
单株株高
plant
height (cm)
单株
分枝数
branch
number
单株鲜重
fresh
weight (g)
龙牧 803 CK 70100 113185 7141 294185
Longmu 803 SP 8010033 117187 3 10138 3 42613333
比较 % 14129 4100 40100 45100
肇东 CK 72150 96129 13158 341100
Zhaodong SP 8010033 100198 3 10132 3 259120 3
比较 % 10134 5100 - 24100 - 24100
注 : 3 α= 0105 显著水平 ; 3 3 α= 0101 显著水平
Note: 3 and 3 3 indicated significant difference at 5 % and 1 % level ,
respectively.
　　由表 3 可以看出 ,空间搭载后紫花苜蓿的田间
762　2 期 空间环境对紫花苜蓿的生物学效应
　　　　
图 1 　空间环境诱发的苜蓿细胞染色体畸变
Fig. 1 　Different chromosome aberrations of Medicago sative L. irradiated by aerospace environment
1、2、3 :单微核 ;4 :多小核 ;5 ,6 :落后染色体 ;7 :染色体落后和粘联 ;8 :单桥 ;9 :多桥
1 ,2 ,3 : single micronucleus ; 4 : mutil2micronucleus ; 5 ,6 : lagging chromosome ; 7 : lagging
chromosome and chromosome conglutination ; 8 :single bridge ; 9 : mutil2bridge
图 2 　空间环境诱发苜蓿幼苗畸变
Fig. 2 　The aberrant seedling of Medicago sative L. irradiated by aerospace environment
1、2 和 5、6 号盆分别为龙牧 803 和肇东对照 ,3、4 和 7、8 号盆分别为龙牧 803 和肇东空间搭载材料。3、4 号盆箭头所指均为
出现 3 片子叶的变异株 ;7 号盆 A、B 箭头所指为没有生长点的变异株 ,C箭头所指变异株为子叶缺痕 ;8 号盆箭头所指为生长矮小的变异株
1 ,2 : CKof Longmu 803 ; 3 ,4 : SP of Longmu 803 , arrow point is three cotyledons ; 5 ,6 : CKof Zhaodong ; 7 : SP of Zhaodong , A ,B
arrow point is seedling without apical meristem , C arrow point is cotyledon damage ; 8 : SP of Zhaodong , arrow point is stunted seedling
862 核　农　学　报 23 卷
出苗率、株高和鲜重都发生了变化。龙牧 803 和肇东
的田间出苗率分别比对照高出 14129 %和 10134 % ,达
极显著水平 ;株高平均数分别为 117187 和 100198cm ,
分别比对照高出 4 %和 5 % ,达显著水平 ;单株分枝平
均数分别为 10138 和 10132 ,龙牧 803 比对照高 40 % ,
肇东比对照低 24 % ,分别达到显著水平 ;单株鲜重平
均数分别为 426133 和 25912g , 龙牧 803 比对照高
45 % ,达极显著水平 ,肇东比对照低 24 % ,达显著水
平。两个品种相比 ,肇东苜蓿的辐射损伤大于龙牧
803 ,这与前两项结果相近。
3 　讨论
宇宙空间有各种形态的物质以及引力场、电磁和
各种波长的电磁辐射 ,太空中的电磁辐射包括多种高
能带电粒子 ,如电子、质子、氦核及更重的离子 ( HZE)
等 ,其中质子的比例最大[12 ] ,空间飞行中重要影响因
素是高能重粒子 (HZE)辐射成分。近地空间还存在着
微重力、超真空和超洁净 ,缺少地球上的昼夜节律。这
些特殊的空间条件是严重影响生物新陈代谢和生长发
育的外部条件 ,但一些试验证明 ,短时间真空对植物种
子无大影响 ,植物种子经太空处理后所产生的诱变作
用是高真空、超洁净、微重力和强辐射 ,尤其是高能重
粒子辐射的空间环境综合作用的结果[13 ,14 ] 。
空间环境可诱发植物的染色体变异 ,一般认为细
胞微核来源于染色体损伤后形成的染色体断片或纺锤
体器受损伤后丢失的整条染色体。Evans 等于上世纪
70 年代初提出 ,微核是衡量辐射对染色体损伤的可靠
指标[15 ,16 ] ,国内外已有诸多关于诱发微核的报道。本
试验空间环境诱发的龙牧 803 和肇东苜蓿各种染色体
畸变类型都以微核为主进行统计分析 ,本研究显示经
卫星搭载后 ,龙牧 803 和肇东苜蓿的根尖细胞有丝分
裂指数比对照分别提高 8 %和 21 % ,微核畸变率分别
比对照高出 612 %和 617 % ;分裂指数和微核畸变率肇
东苜蓿均高于龙牧 803 ,表明肇东苜蓿对空间环境的
敏感性大于龙牧 803。从发芽率看 ,龙牧 803 和肇东苜
蓿的发芽率分别为 90 %和 80 % ,其中龙牧 803 的发芽
率相比对照没有变化 ,肇东苜蓿的发芽率比对照高
7 % ;龙牧 803 和肇东苜蓿的幼苗变异率分别比对照高
11 %和 25 % ;两者相比 ,肇东苜蓿的幼苗变异率要大
于龙牧 803 ,这与细胞学观察的结果一致。从田间出
苗率、株高和鲜重的变化看 ,搭载后龙牧 803 和肇东的
田间出苗率均为 80 % ,分别比对照高出 14129 %和
10134 % ,株高分别比对照高出 4 %和 5 % ,两品种之间
差异不大 ;单株分枝数龙牧 803 比对照高 40 % ,肇东比
对照低 24 % ;单株鲜重龙牧 803 比对照高出 45 % ,肇
东比对照低 24 % ,说明肇东苜蓿的辐射损伤大于龙牧
803。
参考文献 :
[ 1 ] 　王琳清 ,陈秀兰 ,柳学余. 小麦突变育种学[M] . 北京 ,中国农业科
学技术出版社 ,2004
[ 2 ] 　徐冠仁. 辐射的生物学效应. 植物诱变育种[M] . 北京 ,中国农业
出版社 ,1992
[ 3 ] 　韩微波 ,刘录祥 ,郭会君 ,赵林姝 ,王成社. 小麦诱变育种新技术
研究进展[J ] . 麦类作物学报 ,2005 ,25 (6) :125～130
[ 4 ] 　刘录祥 ,王　晶 ,赵林姝 ,杨俊诚 ,郭会君 ,赵世荣 ,郑企成. 作物
空间诱变效应及其地面模拟研究进展 [J ] . 核农学报 ,2004 ,18
(4) :247～251
[ 5 ] 　Liu Luxiang. Crop germplasm enhancement through aerospace mutation
techniqueΠΠIn : Proceedings of International Conference on Engineering
and Technological Sciences 2000 ( Eds by Song Jian and Wang Maohua)
[J ] . New Wold Press , 2000 , 356～357
[ 6 ] 　张月学 ,李成权 , 申忠宝 ,韩微波 ,唐凤兰 ,蒿若超 ,刘杰淋 ,王长
山. 太空环境诱变苦荬菜的细胞学效应研究[J ] . 草业科学 ,2007 ,
24 (9) :38～41
[ 7 ] 　王彩莲 ,慎 　玫 ,陈秋方. 空间环境对水稻的细胞学效应研究
[J ] . 核农学报 ,1998 ,12 (5) :269～273
[ 8 ] 　李金国 ,王培生 ,张 　健 ,王小琴 ,蒋兴村. 空间飞行诱导绿菜花
的花粉母细胞染色体畸变研究[J ] . 航天医学与医学工程 ,1999 ,8
(4) :245～248
[ 9 ] 　李金国 ,蒋兴村 ,王长城. 空间条件对几种粮食作物的同工酶和
细胞学特性的影响[J ] . 遗传学报 ,1996 ,23 (1) :48～55
[10 ] 　周　峰 ,易继财 ,张群宇 ,王 　慧 ,梅曼彤. 水稻空间诱变后代的
微卫星多态性分析[J ] . 华南农业大学学报 ,2001 ,22 (4) :55～57
[11 ] 　李懋学 ,张赞平. 作物染色体及其研究技术 [ M] . 北京 :中国农业
出版社 ,1996 :31～32
[12 ] 　杨垂绪[美 ] ,梅曼彤. 太空放射生物学 [ M] . 广州 :中山大学出版
社 ,1995 ,65～66 ,206
[13 ] 　王欣敏 ,任清荣. 模拟微重力生物效应回转器的研制与应用[J ] .
生物物理学报 ,1997 ,13 (4) :691～694
[14 ] 　郑景生. 微重力下的植物生物学效应与空间诱变育种研究[J ] . 江
西农业大学学报 ,2003 ,25 (5) :671～675
[15 ] 　伊虎英 , 彭富荣. 微波与60Coγ射线复合处理对小麦根尖细胞遗
传学效应的影响[J ] . 核农学通报 , 1993 ,14 (1) :18～21
[16 ] 　郭宝江 ,阮继红. 5MeV 电子对染色体诱变效应的研究[J ] . 植物学
报 ,1986 ,28 (3) :235～240
962Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2009 ,23 (2) :266～269