全 文 ：重离子辐照小麦种子产生的自由基对
染色体畸变的影响
李文建 　卫增泉 　颉红梅 　韩光武 　李 　强 　党秉荣
(中国科学院近代物理研究所　兰州 730000)
杨汉民 　高清祥
(兰州大学生物系　兰州 730000)
此文于 1995 年 6 月 4 日收到。
国家自然科学基金资助课题。
　　用 ESR 波谱术 ,分别研究了室温下中能氮离子束注入和贯穿小麦种子产生的自
由基对小麦种子微核率和染色体 (总) 畸变率的影响。结果表明 ,小麦种子微核率和
染色体总畸变率均与自由基的浓度有关 ,而且随辐照方式即注入和贯穿而发生变化。
自由基浓度较小时 ,注入产生的微核率和染色体畸变率均比贯穿高 ;自由基浓度较大
时 ,贯穿产生的微核率和染色体畸变率均比注入高。对于微核率和染色体总畸变率
的极大值 ,注入和贯穿所对应的自由基浓度值分别是 26 和 61mm。
　　关键词 :重离子 　小麦 　自由基 　染色体畸变 　注入和贯穿
前 　　　言
近年来 ,重离子束作为一种新的诱变育种手段 ,已引起育种学家的普遍关注[1 - 8 ] 。研究
表明[4 ,5 ] ,重离子束诱发植物细胞的染色体畸变是由 DNA 即致命靶的损伤引起的 ,而受损伤
的 DNA 分子的最初阶段可归结为 DNA 分子中由于存在不配对电子而形成自由基的结果 ,这
种自由基的产生过程来源于离子本身的直接作用和水辐解产物 ( H·、OH·、e -aq 、H2 、H2O2 等) 的
间接作用 ,所以 ,这种自由基与染色体畸变之间存在一定的内在联系。Schaefer 等[4 ]用重离子
轰击胸腺嘧啶和腺嘌呤后 ,在 300 K 的温度下存放 2 天、20 天和 100 天都能测到明显的 ESR
谱峰 ,这说明受损伤 DNA 分子中存在长寿命的自由基。因此 ,本文旨在通过研究 DNA 中这
种长寿命的自由基对微核率和染色体畸变率的影响 ,为离子束辐射育种提供必要的基础数据。
材 料 与 方 法
离子束参数 　本实验采用中国科学院近代物理研究所的重离子加速器提供的14 N7 + 离子
束 ,能量取 48MeV/ u (贯穿)和 20MeV/ u (注入)两种 ,L ET 前者为 65keV/μm ,后者为 120keV/
μm ,束流强度取 012nA ,辐照剂量用空气电离室测定 ,对样品的辐照剂量分别为 5 ×106 、1 ×
107 、1 ×108 、1 ×10914N7 + / cm2 。
981　核 农 学 报　1996 ,10 (3) :189～192Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
样品准备 　实验前 ,挑选大小均匀 ,颗粒饱满和无损伤、无霉菌污染的风干小麦种子 (定西
24) ,将它们插入直径为 40mm 的聚四氟乙稀小盘中 ,种胚朝上 ,按同心圆排列 ,每盘 60 粒 ,每
10 个小盘固定于一个可旋转的大塑料盘上。
离子的辐照过程 　将每个装载好的大塑料盘安装在 HIRFL (兰州重离子研究装置) 辐照
终端 TL2 [6 ]上 ,置于常温常压大气环境中 ,由步进马达带动 ,依次接受辐照 ,剂量数据获取与
样品更换均由微机自动操作 ,另以未照种子作对照。
种子的 ESR波谱测定　在小麦种子被辐照后大约 1 个月 ,采用美国生产的 Varian E2115
型 EPR 谱仪测整粒小麦种子的自由基含量。操作于波段～915 GHz 和 100kHz 场调制 ,于室
温下记录 1 次微商 EPR 谱。以 Mn2 + / ZnS 中第 3～4 两条 EPR 谱线间距 (6181mT) 和 DPPH
(二苯基苦基肼基 ,g = 210036)为标准确定试样的 EPR 参量。
染色体畸变率的测定 　在萌发的幼苗中 ,待胚根长至 1～2cm 时 ,切取主根尖 ,用 Carnoy
氏液固定 24h 后 ,转入 70 %乙醇中冰箱保存。实验时取各组根尖在 60 ℃1mol/ L HCl 中水解
15min ,席夫 (Schiff)试剂染色 15min ,在载玻片上加 45 %醋酸 1 滴 ,常规压片法制作临时切片。
在显微镜下每组至少观察 10 个根尖 ,共计 20000 个细胞 ,统计胚根细胞中染色体畸变类型和
频率。
结 果 与 讨 论
图 1 和图 2 为 20MeV/ u 14N7 + 注入小麦胚部产生的自由基与微核率和染色体总畸变率的
关系 ,左第 1 个数据为对照。从图 1 和图 2 可以看出 ,受到重离子辐照后的小麦 ,在其胚部存
在大量长寿命的自由基 ,而且自由基的浓度明显地影响微核率和染色体的总畸变率。在自由
基的相对浓度 (峰高)较小时 ,微核率和染色体的总畸变率均随自由基的浓度增加而增大 ,在自
由基的相对浓度达到 26mm 时 ,微核率和染色体的总畸变率分别是 34 %和 35 % ,均为极大 ;当
自由基的相对浓度继续增大时 ,微核率和总畸变率快速下降。
图 3 和图 4 为 48MeV/ u 14N7 + 贯穿小麦种子产生的自由基与微核率和染色体总畸变率的
关系 ,左第 1 个数据为对照。容易看出 ,重离子贯穿小麦种子也产生了大量长寿命的自由基 ,
而且与注入比较 ,贯穿产生的自由基浓度高 ;当自由基浓度增加时 ,微核率和染色体总畸变率
均增大 ,大约自由基浓度增加到 61mm 时 ,微核率和总畸变率分别是 33 %和 34 % ,出现了极大
值 ;之后 ,随着自由基浓度继续增加 ,微核率和总畸变率均减小。由此表明 ,与注入比较 ,贯穿
产生的自由基浓度同样明显地影响着染色体的畸变率。
图 1 　14N7 + 离子注入小麦种子产生的自由基
对微核率的影响
Fig. 1 　The effect of free radicals induced with 14
N7 + ion implantation on micro2nucleus fre2
quency of wheat seeds
091 核　农　学　报 10 卷
图 2 　14N7 + 离子注入小麦种子产生的自由基
对染色体畸变率的影响
Fig. 2 　The effect of free radicals induced with 14
N7 + ion implantation on chromosomal aber2
ration frequency of wheat seeds
图 3 　14N7 + 离子贯穿小麦种子产生的自由基
对微核率的影响
Fig. 3 　The effect of free radicals induced with 14
N7 + ion penetration of micro2nucleus fre2
quency of wheat seeds
图 4 　14N7 + 离子贯穿小麦种子产生的自由基
对染色体畸变率的影响
Fig. 4 　The effect of free radicals induced with 14
N7 + ion penetration on chromosomal aber2
ration freguency of wheat seeds
　　比较注入和贯穿小麦种子产生的自由基对微核率和染色体总畸变率的影响 ,容易得出 ,在
低自由基浓度区域 ,注入产生的染色体畸变率显著地高于对应的贯穿产生的染色体畸变率 ,这
表明 ,注入离子比贯穿离子在小麦种子中具有产生较低自由基浓度、较高畸变率的特性。在高
自由基浓度区域 ,注入产生的染色体畸变率显著低于对应的贯穿产生的染色体畸变率 ,这表
明 ,贯穿离子比注入离子在小麦种子中具有产生较高自由基浓度、较高畸变率的特性。
注入和贯穿产生的染色体畸变率均存在极值 ,而且极值所在的自由基浓度位置不同 ,前者
为 26mm 处 ,后者为 61mm 处 ;对于其极值 ,注入略高于贯穿。就每种辐照方式而言 ,出现极值
可能是由于自由基浓度的增加引起的 DNA 分子损伤位点增多 ,即损伤加重 ,因而 DNA 错误
修复或不完全修复几率增大 ,导致高的畸变率 (～对应 LD50 [7 ]) ;随着自由基浓度继续增加 ,即
对 DNA 分子的损伤继续加重 ,使得细胞失活率增大 ,引起部分细胞失去突变能力 ,因而染色
体畸变明显减小。按自由基浓度增加的顺序 ,注入造成染色体畸变极值超前于贯穿的原因是 ,
在相同剂量时 ,注入在小麦种子内产生的自由基浓度比贯穿小[8 ] ;而且注入的 LD50 (314 ×107
　14N7 + / cm2)小于贯穿的 LD50 (210 ×108 　14N7 + / cm2) [7 ] 。
191　3 期 重离子辐照小麦种子产生的自由基对染色体畸变的影响
结 　　　语
采用大型重离子加速器得到的具能重离子注入 (Bragg 峰在麦胚内) 和贯穿 (Bragg 峰穿出
麦粒)小麦种子产生的自由基对微核率和染色体畸变率影响的研究 ,在国内还不多见 ,仍属探
索性研究。尽管我们研究发现重离子 (40Ar) 辐照小麦种子后 ,在其内部存在大量长寿命的自
由基[9 ] ,但辐照后小麦种子内部产生的自由基类型及其每种类型的寿命仍然还不十分清楚。
毫无疑问 ,受损伤的核酸分子内存在长寿命自由基的事实已被证实[4 ] ,而受损伤的氨基酸等
生物大分子是否也存在大量长寿命的自由基 ,以及这类自由基对测到的核酸分子的自由基的
影响如何 ,这仍是有待进一步研究的问题。
参 　考 　文 　献
1 　余增亮等 1 离子注入生物效应及育种研究进展 1 安徽农学院学报 ,1991 ,18 (4) :251～257
2 　吴跃进等 1 离子束辐照在水稻广亲和系选育中应用的研究 1 水稻研讨论文集 ,1990 ,43～48
3 　张金莲等 1 低能重离子注入春小麦干种子生物效应的初步研究 1 甘肃农业科技 ,1995 , (2) ;2～4
4 　Schaefer A et al. Free redical from polycrystalline pyrimidines and pruines upon heavy ion bombardment at low temperatures : an
electron spin resonance study. IN T J Radiat Biol , 1993 ,63 (2) :139～149
5 　刘　及编著 1 放射损伤学 1 北京 :原子能出版社 ,1981 ,28～30
6 　卫增泉等 1 研究重离子生物效应的辐照装置 1 核技术 ,1991 ,14 (6) :341～346
7 　颉红梅等 1 重离子注入与贯穿对作物种子萌发力的影响 1 辐射防护通讯 ,1994 ,14 (4) :71～73
8 　李文建等 1 中等氮离子束辐照小麦种子的自由基研究 1 核技术 ,1995 ,18 (7) :415～418
9 　李文建等 1 中能氩离子束辐照麦胚自由基的 ESR 研究 1 辐射研究与辐射工艺学报 ,1994 ,12 (4) :228～231
THE EFFECTS OF FREE RADICALS IND UCED WITH HEAVY ION IRRADIATION
ON CHROMOSOMAL ABERRATION OF WHEAT SEEDS
Li Wenjian 　Wei Zengquan 　Xie Hongmei
Han Guangwu 　Li 　Qiang 　Dang 　Bingrong
( Instit ute of Modern Physics , Academia Sinica , L anz hou 730000)
Yang Hanmin 　Gao Qingxiang
( Depart ment of Biology , L anz hou U niversity , L anz hou 730000)
291 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1996 ,10 (3) :189～192