全 文 ：　文章编号 :100028551 (2000) 0520257207
同步辐射 (软 X 射线)对冬小麦的
诱变效应及机理研究
Ⅱ1 幼苗叶片细胞超微结构的观察
曹雪芸1 　施巾帼1 　唐掌雄1 　江泽慧2 　费本华2
(11 中国农业科学院原子能利用研究所　北京　100094 ; 21 安徽农业大学　安徽 合肥　230036)
摘 　要 :利用透射电子显微镜观察了幼苗叶片细胞亚显微结构的变化 ,揭示了细胞结
构受损情况与性状变异的关系。结果表明 :同步辐射引起了细胞亚显微结构的变化 ,
出现了细胞质壁分离 ,细胞膜、核膜受损破裂 ,内含物外流 ,叶绿体、线粒体形态结构
变异 ,内质网数目减少。同步辐射对细胞亚显微结构的总体损伤效应小于γ2射线 ,
抑制了叶绿体的正常发育 ,致使细胞中叶绿体体积变小 ,数目减少 ,这可能是引起幼
苗叶片出现叶绿素条状缺失的内在原因。
关键词 :同步辐射 ;软 X射线 ;小麦 ;超微结构
收稿日期 :2000202225
基金项目 :国家自然基金项目 (19655001)和国家攻关项目 (962B12202201)
作者简介 :曹雪芸 (1972～) ,女 ,甘肃泾川人 ,硕士 ,现在北京照泉兴农业发展有限公司工作
我们在 M1 代诱变效应研究中已经发现 ,同步辐射与γ射线的辐射生物学效应存在差异。
例如 :同步辐射引起了幼苗第 1 叶片条状叶绿素缺失 ,此现象在γ射线的辐照中却未发现。为
了进一步阐明两种射线所产生的不同辐射生物学效应 ,我们选用幼苗叶片 ,利用透射电镜观察
法 ,试图从细胞亚显微结构的变化上去了解同步辐射对生物体诱发突变产生的微观内因及其
诱变机理 ,并将其与γ射线进行比较 ,为同步辐射进一步应用于作物诱变遗传育种提供一种科
学依据。
1 　材料和方法
111 　材料
选北京411和京冬 8 号两个冬小麦品种的干种子 ,用 200、350 Gy 的同步辐射和γ射线辐
照 ,以未辐照的种子作为对照。
112 　方法
将种子在25 ℃培养箱内萌发 ,待第 7 天分别剪取辐照和对照叶片的同位小区 ,切成 1mm2
的小块 ,抽气后固定于 2 %的戊二醛溶液中。
用 011M p H712 磷酸缓冲液冲洗 2h。倒掉清洗液 ,快速将 1 %锇酸倒至称量瓶的 1/ 2 处 ,
752　核 农 学 报　2000 ,14 (5) :257～263Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
置冰箱中固定 2h。然后用 30 %、50 %、70 %、80 %、90 %、95 %的系列乙醇溶液逐级进行脱水 ,每
级 15min ,在 0～4 ℃冰箱中进行 ;用纯酒精脱水两次 ,每次 20min ,第 1 次在冰箱进行 ,第 2 次在室
温下进行。无水乙醇脱水后 ,用无水丙酮置换 3 次 ,每次 15min ,室温进行。然后用包埋剂 :丙酮
以 2∶1 比例配制的混合浸透液在 35 ℃温箱中浸透 2h。用纯包埋液在 35 ℃温箱中浸透过夜。
样品经前处理后包埋、聚合及修组织块 ,并进行切片和染色 ,最后进行电镜观察和拍照。
2 　结果与分析
211 　同步辐射与γ射线对冬小麦幼苗叶片细胞超微结构的影响
从电镜照片可以看出 (图版 Ⅰ21) ,未辐照的冬小麦幼苗叶片细胞的细胞壁层次明显 ,膜与
壁结合紧密 ,胞质浓厚 ,细胞核形态正常、结构完整 (图版 Ⅰ22) 。细胞中的叶绿体紧贴细胞壁
排列 (图版 Ⅰ23) ,靠近细胞壁的一面较平直 ,面向中央液泡的一面凸起 ,它的外面有两层光滑
的被膜包围 ,内部基粒类囊体和基质类囊体的排列方向与叶绿体的长轴基本平行。类囊体片
层排列整齐。线粒体发育良好 ,线粒体内嵴多。上述结果表明 ,对照叶片细胞发育良好 ,结构
完整 ,具有正常的光合、呼吸等代谢功能。而经同步辐射和γ射线照射后的小麦 ,其幼苗叶片
细胞结构则出现多种多样的变化。
21111 　细胞壁与细胞质结构 　经辐照的叶片细胞出现了质壁分离 (图版 Ⅰ24) ,细胞内容物减
少 ,一些细胞的胞质破碎、浓缩 ,细胞器消失 ,只剩下 1 个空旷的细胞轮廓 (图版 Ⅰ25) 。细胞膜
膨胀、断裂或消失 (图版 Ⅱ21 ,2) 。胞间连丝基本正常 ,极少数出现分枝 (图版 Ⅱ23 ,4) 。胞间连
丝周围聚集着结构完整的线粒体 ,说明这种胞间物质转移是需要能量的主动过程。
21112 　细胞核结构 　细胞核受诱变因素影响较大。某些核膜多处局部外突或内陷 ,形成不规
则的核型变异体。核膜发生膨胀 ,宽窄不一致 ,部分模糊不清 ,一些地方发生断裂 ,核内物质流
失 ,甚至一些细胞中的细胞核完全消失 (图版 Ⅱ24 ,5) 。
21113 　叶绿体和线粒体结构 　受辐照的叶片细胞中叶绿体数目减少 ,尤其经同步辐射的叶片
细胞中叶绿体比正常的小 ,发育异常 ,有的叶绿体已离开细胞壁 (图版 Ⅱ26) 。辐射引起了叶绿
体结构的变化 ,由典型的凸透镜状转变为长形、圆形、亚铃形或不规则形 ,局部突起向外形成一
个芽 (图版 Ⅲ21 ,2 ,3) 。叶绿体的膜变得不完整或模糊不清 ,有些损伤严重的细胞中叶绿体膜
断裂 ,内含物散布在细胞质中 ,叶绿体内出现了小空泡 (图版 Ⅲ25 ,6 ,图版 Ⅳ21) 。基粒排列零
乱 ,出现破碎 ,基质类囊体变得模糊不清 (图版 Ⅳ22 ,3) 。辐射诱变后 ,线粒体的超微结构变化不
大 ,损伤较轻。Thebud[1 ] 、苗琛[5 ] 、李社荣等[4 ]也发现 ,在高温协迫下 ,或经空间诱变后玉米和
甘蔗的线粒体结构比叶绿体具有相对的稳定性。在辐照剂量较大时 ,极少数细胞中线粒体形
态发生改变 ,外膜膨大或破裂 ,内容物流出 ,线粒体呈空泡状。有些线粒体的嵴模糊不清或消
失。
21114 　内质网结构 　经过辐射处理的幼苗叶片大部分细胞中内质网数目大大减少或完全消
失 ,内质网比正常的小。
212 　同步辐射与γ射线处理对幼苗叶片细胞超微结构损伤的比较
在辐照剂量相同时 ,从总体水平来说 ,同步辐射引起细胞受损程度和各个细胞器结构变化
的程度均小于γ射线 (图版 Ⅱ21 ,2) 。但是比较对辐射较敏感的细胞器叶绿体时发现 ,同步辐
射引起了叶绿体不能正常发育 ,叶绿体的体积比对照的小 ,细胞中叶绿体的数目远远少于对照
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图版 Ⅰ
1 　对照幼苗叶片细胞 (京冬 8 号 , ×6000) ; 2 　正常细胞核双层膜 (北京 411 , ×10000) ; 3 　正常叶绿体 (京冬 8 号 , ×
15000) ; 4 　细胞质壁分离 (北京 411 , SR2200 Gy , ×10000) ; 5 　丢失大部分细胞器的细胞 (京冬 8 号 , SR2350 Gy , ×
5000) ; 6 　细胞膜膨胀、断裂 ,叶绿体突起 (京冬 8 号 ,SR2200 Gy , ×10000) 。
Plate Ⅰ
11Seedling leaf cell of control (Jingdong 8 , ×6000) ; 21Double layer membrane of normal cell nucleus (Beijing 411 , ×10000) ;
31Normal chloroplast (Jingdong 8 , ×5000) ; 41Cell wall2cytoplasmic separation (Beijing 411 ,SR2200 Gy , ×10000) ; 51Cell of
losing most of organelle (Jingdong 8 , SR2350 Gy , ×5000) ; 61Cell membrane expanse and breakage , chloroplast sticking out
(Jingdong 8 ,SR2200 Gy , ×10000
和γ射线辐照 (图版 Ⅱ26) 。这可能是同步辐射造成叶绿素合成受阻 ,引起小麦幼苗第 1 叶片
沿中央叶脉出现条状叶绿素缺失的主要原因。而同步辐射对成熟叶绿体的结构损伤程度却小
于γ射线 ,γ射线使叶绿体形态发生较大的变化 ,双层膜受损断裂 ,基粒散布在细胞质中 (图版
Ⅲ26 ,图版 Ⅳ21) 。
实验中还发现 ,同步辐射的叶片细胞中 ,能看到极少数正常或不正常的内质网 ,而γ射线
引起了细胞内内质网的完全消失 (图版 Ⅱ25) 。
总之 ,同步辐射对细胞的超微结构影响较小 ,损伤较轻 ,幼苗在生长过程中可逐渐对这种
轻度损伤进行修复。当修复存在差错时就会引起性状变异 ,存活的植株就可能将这种突变性
状保存下来。而相同剂量的γ射线辐照对细胞的损伤程度较大 ,尤其高剂量照射引起了一些
细胞内含物及细胞器的完全消失 ,细胞呈空洞状 ,最终造成幼苗死亡。这样由辐射引起的一些
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图版 Ⅱ
1 　细胞膜断裂、模糊不清 ,叶绿体形态改变 (京冬 8 号 ,γ射线2200 Gy , ×15000) ; 2 　叶绿体形态改变 ,细胞连丝正常 (北
京 411 ,SR2200 Gy , ×10000) ; 3 　细胞膜膨胀、断裂 ,核膜外突内凹、断裂 ,胞间连丝分枝 (北京 411 ,γ射线2200 Gy , ×
15000) ; 4 　损伤较轻的核膜、内质网、线粒体 (京冬 8 号 ,SR2200 Gy , ×15000) ; 5 　核膜断裂 ,叶绿体发育不正常 (北京
411 ,SR2200 Gy , ×15000) ; 6 　叶绿体形态改变 ,细胞质壁分离 (京冬 8 号 ,γ射线2200 Gy , ×6000) 。
Plate Ⅱ
11Breakage and dim cell membrane , chloroplast shape changed , normal intercellular silk (Jingdong 8 ,γ ray2200 Gy , ×15000) ;
21Chloroplast shape changed , normal intercellular silk (Beijing 411 ,SR2200 Gy , ×10000) ; 31Cell membrane expanse and break2
age , cell nucleus membrane sunken and sticking out and breakage , intercellular silk branch (Beijing 411 ,γ ray2200 Gy , ×
15000) ; 41Not serious damaged cell nucleus membrane , endoplasm reticulum , mitochondria. (Jingdong 8 , SR2200 Gy , ×
15000) ; 51Cell nucleus memebrane breakage , not normal chloroplast developed ( Beijing 411 , SR2200 Gy , ×15000 ) ;
61Chloroplast shape changed , cell wall2cytoplasmic separation (Jingdong 8 ,γ ray2200 Gy , ×6000) .
突变就不能传递下去 ,在后代中由辐射引起的性状突变频率就会下降。
213 　幼苗叶片超微结构的变化与辐照剂量的关系
辐射引起幼苗叶片细胞超微结构的非同步变化。当辐照剂量较小时 (200 Gy) ,细胞只出
现轻微的质壁分离 (图版 Ⅲ21) ,大部分细胞的细胞壁和细胞膜完整 ,细胞质破碎程度轻。细胞
核结构较完整 ,只有少数形态发生变化的叶绿体离开细胞壁。叶绿体的双层膜基本完整 ,基粒
发生轻微的紊乱 (图版 Ⅱ22 ,图版 Ⅳ24) 。线粒体的形态结构较正常。当辐照剂量较大时
(350 Gy) ,幼苗叶片细胞形态结构改变较大。细胞膜膨胀破裂 ,细胞质流失 ,细胞变为空泡状
062 核　农　学　报 14 卷
图版 Ⅲ
1 　叶绿体膜外突内凹、形状不规则 (京冬 8 号 ,γ2200 Gy , ×6000) ; 2 　叶绿体膜外突形成一个芽 (京冬 8 号 ,γ射线2
350 Gy , ×10000) ; 3 　叶绿体膜完整 ,基粒排列零乱 (京冬 8 号 ,SR2200 Gy , ×15000) ; 4 　叶绿体膜消失 ,内含物散布在细
胞质中 (京冬 8 号 ,SR2350 Gy , ×15000) ; 5 　叶绿体膜模糊不清 ,基粒排列零乱 (北京 411 ,SR2350 Gy , ×15000) ; 6 　叶绿
体膜消失 ,基粒类囊体模糊不清、破碎 (北京 411 ,γ射线2350 Gy , ×15000) 。
Plate Ⅲ
11Chloroplast membrane sunken and sticking out irregular shape (Jingdong 8 ,γ ray2200 Gy , ×6000) ; 21Chloroplast membrane
sticking out forming a bud(Jingdong 8 ,γ ray2350 Gy , ×10000) ; 31Intact chloroplast membrane , basal granule arranged disor2
derly (jingdong 8 ,SR2350 Gy , ×15000) ; 41Chloroplast membrane disappearing , inclusion dispersing in cytoplasm (jingdong 8 ,
SR2350 Gy , ×15000) ; 51Dim chloroplast membrane , basal granule arranged disorderly (Beijing 411 , SR2350 Gy , ×15000) ;
61Chloroplast membrane disappearing , dim and broken basal granule cystidia (Beijing 411 ,γ ray2350 Gy , ×15000) .
(图版 Ⅰ25) ;细胞发生质壁分离。核膜局部断裂 ,核内容物散布在细胞质中 ,甚至细胞的细胞
核、内质网等细胞器完全消失。叶绿体的被膜模糊不清、破裂 (图版 Ⅲ25) ,形态发生了多种改
变 ,基粒数目减少、排列零乱 (图版 Ⅳ22) 。线粒体的损伤程度加大 ,被膜凹陷 ,个别地方破裂 ,
内容物流出 ,嵴变的模糊或基本上见不到 (图版 Ⅳ25 ,6) 。在辐照剂量较大时 ,叶片细胞的超微
结构损伤较严重 ,因此阻碍了幼苗的正常生长发育 ,外部形态上表现出弱小、畸形或死亡。
214 　不同品种幼苗叶片细胞超微结构的变化
经过辐照的种子萌发长成的幼苗 ,从外部形态上看 ,当辐照剂量相同时 ,较敏感的北京
411 品种 ,其幼苗叶片生长弱小 ,发生扭曲或畸形。同步辐射引起第 1 叶片条状叶绿素缺失比
162　5 期 同步辐射 (软 X射线)对冬小麦的诱变效应及机理研究　Ⅱ1 幼苗叶片细胞超微结构的观察
图版 Ⅳ
1 　叶绿体形状变圆 ,基粒数目减少 ,排列零乱 (北京 411 ,γ射线2350 Gy , ×15000) ; 2 　叶绿体基质和基粒类囊体模糊不
清 (北京 411 ,SR2350 Gy , ×8000) ; 3 　形态改变的线粒体 (京冬 8 号 ,γ射线2350 Gy , ×12000) ; 4 　线粒体形状改变、膜局
部破裂 ,内含物流出 (京冬 8 号 ,γ射线2200 Gy , ×12000) ; 5 　线粒体膜断裂 ,内含物外流 ,线粒体内出现空泡 (京冬 8 号 ,γ
射线2350 Gy , ×15000) ; 6 　线粒体峭变模糊、消失 (北京 411 ,γ ray2350 Gy , ×15000) 。
Plate Ⅳ
11Chloroplast shape changed circular , number of basal granule reducing , arranged disorderly (Beijing 411 ,γ ray2350 Gy , ×
15000) ; 21Chloroplast and basal granule cystidia dimming (Beijing 411 ,SR2350 Gy , ×8000) ; 31Mitochondria shape changed
(Jingdong 8 ,γ ray2350 Gy , ×12000) ; 41Mitochondria shape changed , membrane broken , inclusion flowed out , (Jingdong 8 ,γ
ray2200 Gy , ×12000) ; 51Mitochondria membrane broken , inclusion flowed out , appearance void alveolus in mitochondria (Jing2
dong 8 ,γ ray2350 Gy , ×15000) ; 61Mitochondria ridge disorderly , disappearing(Beijing 411 ,γ ray2350 Gy , ×15000) .
例大于京冬 8 号品种。从叶片细胞超微结构变化的结果看出 ,北京 411 品种的幼苗叶片细胞
受损程度大于京冬 8 号品种。北京 411 品种的叶片中完整的细胞比例比京冬 8 号品种的少 ;
细胞壁、细胞膜受损 ,细胞质破碎严重 ,细胞核、内质网消失比例高 ;叶绿体和线粒体结构破坏
严重。这些影响细胞的正常功能 ,植株的呼吸、光合等代谢功能受阻或完全丧失 (图版 Ⅰ24 ,图
版 Ⅱ21 ;图版 Ⅱ25 ,图版Ⅱ26) 。
3 　小 　结
实验结果表明 ,同步辐射引起了幼苗叶片细胞亚显微结构的变化 ,各个细胞的细胞器结
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构、形态变化是不同步的 ,大部分细胞出现了细胞质壁分离 ,细胞膜、核膜局部断裂 ,胞质外流。
叶绿体、线粒体对射线较敏感 ,形态结构变化较大 ,高剂量辐照引起了细胞器膜的消失 ,内含物
散布在细胞质中。
同步辐射抑制了叶绿体的正常发育 ,致使细胞中叶绿体体积变小 ,数目减少 ,这可能是引
起幼苗叶片出现叶绿素条状缺失的内在原因。但同步辐射对成熟叶绿体结构形态的影响程度
小于γ射线。
同一品种、同一辐照剂量相比 ,同步辐射对细胞结构的总体损伤程度小于γ射线。
参考文献 :
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MUTAGENIC EFFECTS AND MECHANISM OF SYNCHRONOUS
RADIATION( SOFT X2RAY) ON WINTER WHEAT
Ⅱ1THE OBSERVATION ON ULTRASTRUCTURE OF SEEDLING LEAF CELLS
CAO Xue2yun1 　SHI Jin2guo1 　TAN G Zhang2xiong1
J IAN G Ze2hui2 　FEI Ben2hua2
(11 Instit ute of A tomic Energy A pplication , Chinese Academy of A gricult ural Sciences , Beiji ng 　100094 ;
21 A nhui A gricult ural U niversity , Hef ei A nhui prov . 　230036)
ABSTRACT: Ultrastructure change of seedl ings leave was observed by means of Transmission
Electron Microscope( TEM) , and the relationship bet ween the damage degree of cell’s structure
and the variation of plant’s character was studied. It was found that Synchronous Radiation
( SR) led to ultrastructure changes , including plasmolysis , breakage of cell and nuclear mem2
branes , variation of chloroplast and chondriosome’s structure , reduction of the number of endo2
plasm and variations of other ultrastructure. SR restrained the chloroplast normal development
and resulted in a decl ine in number of chloroplast and decrease of chloroplast volume. However ,
the total injuries of ultrastructure by SR were smaller than that byγ2ray.
Key words :synchronous radiation ; soft X2ray ; wheat ; ult rast ructure
362Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
2000 ,14 (5) :257～263