全 文 ：玉米空间诱变效应及其应用的研究
Ⅰ1 空间条件对玉米叶片超微结构的影响
李社荣　刘雅楠　刘　敏　汪永祥　薛　淮　曾孟潜 3
(中国科学院遗传研究所　北京　100101)
郝连元　薛二宝
(中国空间技术研究院　北京　100080)
本文报道了经返回式卫星搭载后玉米叶片细胞超微结构的变化 ,主要包括 :细胞
质壁分离 ,液泡增大 ,细胞壁加厚、扭曲 ,胞间连丝增多 ,叶绿体及细胞核变形 ,核膜缺
刻 ,线粒体数目增多 ,嵴模糊不清 ,内质网数量增多、体积增大 ,以及细胞内膜系统和
其它超微结构的变化。
关键词 :空间诱变 　玉米 　超微结构
　此文于 1998 年 4 月 6 日收到。3 论文联系人。
前 言
近年来 ,植物空间诱变的研究十分活跃。大量实验结果表明 ,空间诱变具有变异范围广 ,
能产生某些自然界和地面人工诱变未曾出现的变异类型 ,且有有益突变频率高和变异易稳定
等优点 ,因而是产生新基因源和创建育种新种质的重要途径之一[1 ] 。目前 ,国内外研究多集
中于诱变的形态学、生理生化变化及突变体筛选等领域 ,对空间诱变田间观察结合细胞超微结
构变化研究较少 ,在玉米上更为少见。本文报道玉米干种子经返回式卫星搭载后 ,玉米在田间
生长发育的表现和叶片超微结构的变化 ,并初步探讨空间诱变的细胞生物学和细胞遗传基础。
材 料 与 方 法
试材与卫星搭载处理及播种 　玉米自交系 311 ,遗 012421 ,遗甜 183 大粒、遗甜 185、遗紫
24、遗 8112 等干种子 ,均分为两部分 :一部分用作对照 ,另一部分搭载 1996 年 10 月 20 日发射
的返回式科学实验卫星 ,经 15d 飞行后返回地面。卫星飞行高度 :近地点为 175 ±5km ,远地点
为 253 ±5km。绕地球 1 周历时 90min。再入舱温度为 10～20 ℃,真空度为 10 - 3～10 - 6pa ,微
重力为 10 - 3～10 - 5g ,辐射剂量 (15d 累计) 为 192m Gy (飞行参数由中国航天工业总公司第五
研究院提供) 。搭载后种子种植于田间 ,按常规方法观察记载。
472　 核 农 学 报　1998 ,12 (5) :274～280Acta A gricult urae N ucleatae Si nica
电镜样品制备　将种子在室内培养皿中萌发。萌芽后第 4d ,分别剪取诱变和对照叶片的
同位小区 ,切成 1mm2 小块 ,置于用 011mol/ L 磷酸缓冲液 (p H714)配制的 215 %戊二醛中前固
定 ,再用 1 %锇酸后固定。经洗涤、脱水、100 %环氧丙烷过渡后 ,包埋于环氧树脂 Epon812 中。
在 L KB2V 型超薄切片机上切片。用柠檬酸铅和醋酸双氧铀双染 ,在 J EM100 型电镜下观察与
照相。
结 果 与 分 析
空间条件处理的玉米干种子 ,田间播种后幼苗群体出现显著的变化。多数自交系的幼苗
高度、叶长、叶宽有正 (增加)的效果 ,少数自交系有负的效果 (图版 Ⅰ、Ⅱ) ;处理的 7 个自交系
都有叶片变黄的现象发生 ;空间条件处理的 7 个自交系的个别植株果穗及其籽粒都发生了质
的变化 ,即突变 ;311 spl 籽粒由不透明变为透明 ;遗紫 24 和遗 012421 sp l 籽粒由透明变为不透
明 ;遗 8112 spl 籽粒由硬粒变为马齿型 ;遗甜 185 大粒 sp l 由标准甜型转变为甜质硬粒非皱褶
型等。上述果穗、籽粒变异的遗传分析 ,将在下篇论文中予以报道。
图版 Ⅰ　遗 012421 处理与对照的田间幼株
(示空间处理有正效果)
Plate Ⅰ　Field young plant for Yi 012421 spl and CK
(Showing positive effect)
图版 Ⅱ　遗紫 24 处理与对照的田间幼株
(示空间处理有负效果)
Plate Ⅱ　Field young plant for Yi Zi 24 spl and CK
(Showing negative effect)
　　为分析空间处理干种子在播种后幼苗期群体出现的显著变化 ,在预备试验的基础上 ,选取
有正效果的遗 012421 sp l 及其对照和有负效果的遗紫 24 sp l 及其对照作为材料 ,观察它们的幼
苗叶片细胞超微结构的变化。
玉米对照叶片的细胞结构正常 (图版 Ⅲ21) ,而空间诱变后的玉米 ,叶片细胞结构则出现多
种多样的变化 ,主要有以下几种。
11 细胞壁与细胞质结构 :空间诱变后 ,出现细胞质壁分离及细胞液泡化现象。一些细胞
的中央大液泡占据细胞的绝大部分 ,将少量的细胞质和细胞器挤至边缘靠壁部位 ,有的细胞核
也移至边缘。细胞内容物减少 ,个别细胞在细胞边缘的大部分区域仅存质膜与液泡膜之间一
层很薄的细胞质 (图版 Ⅲ22) 。
572　5 期 玉米空间诱变效应及其应用的研究
图版 Ⅲ
672 核　农　学　报 12 卷
1 :地面对照玉米叶片细胞的电镜照片 ( ×10000) 。2～7 :空间飞行后玉米叶片细胞的电镜照片。2 :示质壁分离、细胞壁变形
和中央大液泡 ( ×9900) 。3 :示细胞壁加厚及细胞内 3 个未明物体 ( ×26000) 。4 :示细胞间较多的胞间连丝、胞间连丝周围
聚集线粒体及一端膨大的胞间连丝 (剪头 , ×30000) 。5 :示一端分叉的胞间连丝 ( ×30000) 。6 :示细胞核形状的变化及同心
膜体 ( ×30000) 。7 :核膜缺剥与核仁液泡 ( ×12450) 。
Plate Ⅲ
11The electron micrograph of corn leaf cells from ground control ( ×10000) . 2～71The electron micrograph of corn leaf cells after
space flight . 21Showing plasmolysis ,cell walls out of shape and big centrie vacuoles( ×9900) . 31Showing thicken cell walls and 3
uncertain objects in a cell ( ×26000) . 41Showing rich plasmodesmi between cells ,some mitochondrions around the plasmodesmi and
plasmodesmi swollen in one end(arrow) ( ×30000) . 51Showing plasmodesmi branched in one end( ×30000) . 61Showing changes
of nucleus shape and concentric membrane bodys ( ×30000) . 71Showing breach of nuclear membrane and nucleolus vacuoles ( ×
12450) .
空间飞行后 ,细胞另一个显著变化是细胞壁加厚及细胞壁扭曲 (图版 Ⅲ22 ,3) 。细胞间区
域分布的胞间连丝较为丰富 ,有的胞间连丝很粗大 ,说明细胞间进行着旺盛的物质交流和信息
交流。还能观察到一端膨大或分枝的胞间连丝。胞间连丝附近常聚集结构完整的线粒体 ,说
明这种胞间物质转移是需要能量的主动过程 (图版 Ⅲ24 ,5) 。
21 细胞核结构 :细胞核受空间诱变因素影响也较大。空间诱变后 ,某些核膜多处局部外
突或内陷 ,形成马鞍形、不规则变形虫形等多种形态的核型变异体 (图版 Ⅲ26 ,7) 。部分核膜结
构模糊不清或出现缺刻。核内富含电子密度很高的主要由颗粒成分组成的异染色质。有的核
仁中有核仁泡出现 (图版 Ⅲ27) 。某些变形核周围排列有较多的线粒体 ,可能是由于核膜外突
或内陷增加了核质间物质交换的界面 ,因而需要较多用于物质交换的能量。
31 叶绿体和线粒体结构 :空间诱变后 ,一些叶绿体形状由典型的凸透镜状转变为长形、圆
形、不规则变形虫型等类型。内部结构也有变异。为了完整地阐明叶绿体超微结构及光合色
素的变化 ,拟另文报道。
空间诱变后 ,线粒体的超微结构变化不大 ,但处于增殖状态的线粒体数明显增加 ,并偶见
内嵴模糊不清的变异类型 (图版 Ⅳ21～3) 。Thebud、苗琛等也发现 ,在高温协迫下 ,玉米和甘蔗
的线粒体结构比叶绿体具有相对的稳定性[2 ,3 ] ,可能是前者对不良环境与诱变因素有一种较
强的自身抵御能力。
41 内质网结构 :空间诱变后 ,细胞质中内质网数量增多 ,一些内质网体积增大 (比较图版
Ⅲ21 和 Ⅳ25 中内质网的体积) ,或折叠起来形成单层或多层同心圆结构 (图版 Ⅲ26 , Ⅳ24 ,5) 。
变异细胞不仅内质网数量增多 ,体积增大 ,且多为粗糙型内质网 ,说明该细胞正在进行着旺盛
的蛋白质合成。有的内质网周围分布有许多小囊泡 (图版 Ⅳ25) ,推测 ,内质网膜库直接膨大或
内质网的“出芽”方式可能是形成这些小囊泡的原因之一[4～5 ] 。
51 其它细胞超微结构 :空间诱变后 ,细胞中还常出现一些环状膜细胞和多层膜同心围绕
的同心膜体 (图版 Ⅳ26) 。其中一些环状结构上附着有丰富的核糖体 ,它们可能是由内质网转
化而来的 ,另一些则可能来自其它细胞内膜。壁旁体的结构也偶有所见 (图版 Ⅳ27) 。另外 ,在
1 个膜包被的结构里 ,出现罕见的 3 个体积较大、形状规则、染色很深的物体 ,此物体是微体或
其它细胞结构的变异 ,还是矿物质晶体 ,尚待证实 (图版 Ⅲ23) 。
772　5 期 玉米空间诱变效应及其应用的研究
图版 Ⅳ
1 :示地面对照的线粒体 ( ×49500) 。2～7 :空间飞行后玉米叶片细胞的电镜照片。2 :示线粒体内嵴模糊不清 ( ×49500) 。3 :
示膨大的内质网与分裂中的线粒体 ( ×30000) 。4 :示细胞内膜卷曲及同心膜体 ( ×12450) 。5 :示膨大内质网、环状内质网及
内质网周围的小液泡 ( ×15000) 。6 :示同心膜体 ( ×39000) 。7 :示壁旁体 ( ×39000) 。
872 核　农　学　报 12 卷
Plate Ⅳ
1. Mitochondrion from ground control cells( ×49500) . 2～7. The electron micrograph of corn leaf cells after space flight . 2. Show2
ing obscure cristae of mitochondrion ( ×49500) . 3. Showing swollen endoplasm reticulums and dividing mitochondrions( ×30000) .
4. Showing curly endomebrane and concentric membrane body( ×12450) . 5. Showing swollen and circle endoplasm reticulums. note
some vesicles nearby( ×15000) . 6. Showing concentric membrane body( ×39000) . 7. Showing paramutal body( ×39000) .
ch :叶绿体　cmb :同心膜体　cw :细胞壁　er :内质网 　m :线粒体 　n :细胞核 　nm :核膜 　nu :核仁 　pl :胞间连丝 　
plm :质膜　pmb :壁旁体　r :核糖体　v :液泡　ve :小泡。
图例说明
ch :chlorplast 　cmb :concentric membrane body 　cw :ell wall 　er :endoplasm reticulum 　m :mitochondrion 　n :nucleus 　nm :
nucleus membrane 　nu :necleolus 　pl :plasmodesma 　plm :plasmalemma 　pmb :paramural body 　r : ribosome 　sw : swollen thy2
lakoid 　v :vacuole 　ve :vesicle.
讨 论
利用返回式卫星搭载 ,植物材料处于近地空间的微重力作用下 ,并受到宇宙中各种质子、
电子、α粒子、HZE 等高能粒子 ,X 射线、γ射线等宇宙射线及高真空、近地磁场等诱变因素的
综合作用 ,植物细胞及细胞器结构与功能会发生相应的变异。已有关于生长势、染色体和叶绿
体发生变化、某些细胞器异常及代谢途径改变的报道[6～7 ] 。
Kirk 和 Tilney2Bassett (1978)指出过 ,绿色植物具有 3 个遗传系统 ,即核2质系统、线粒体系
统、叶绿体系统。这 3 个遗传系统在植物的生长发育过程中各自发挥重要的作用。
细胞核是细胞遗传、代谢、生长、发育、繁殖的控制中心。叶绿体是光合作用的场所 ,线粒
体则是呼吸作用的场所 ,叶绿体、线粒体是进行物质代谢和能量代谢的重要细胞器。内质网对
蛋白质等物质的合成与运输起着重要作用。液泡除调节细胞膨压、维持细胞紧张度、缓冲细胞
质对外界环境变化带来的影响外 ,还是细胞代谢活动产物 (蛋白质、脂类、无机盐、花菁色素、植
物碱、糖苷等物质)的贮藏场所。液泡内还含有许多水解酶 ,具有溶酶体的一系列功能 ,在细胞
自溶中有一定作用[8 ,9 ] 。
本实验发现 ,经空间条件处理的玉米种子 ,地面种植后 ,玉米幼苗群体发生促进 (刺激) 和
抑制两种变化 ,随品种而异。然而 ,无论那一种情况 ,空间处理的玉米幼苗叶片超微结构都发
生一系列的类似变化 ,细胞质壁分离 ,细胞壁加厚、扭曲 ,液泡增大 ,胞间连丝增多 ,内质网数量
增多 ,体积变大 ,还出现环状膜结构 ,同心膜体和壁旁体。线粒体数目增加 ,嵴模糊不清 ,叶绿
体形状由凸透镜状转变为长形、圆形、不规则变形虫型等类型。细胞核也变形 ,部分核膜模糊
不清或出现缺刻等等。这些变化表明空间诱变常常会对植物有机体有一定的损伤。但在多细
胞机体中 ,空间诱变产生的损伤具有随机的性质 ,有的细胞可能受严重损伤而死亡 ,有的受损
伤轻微 ,也有的没有什么损伤 ,有机体在受空间条件作用后有修复、恢复的能力 ,甚至在细胞群
间 ,未受损的细胞对受损细胞 ,以及一个细胞内未受损的部分对受损部分 ,也有“接管”的代谢
过程 ,并使其恢复到正常水平的能力[10 ] 。从此次空间处理的各种参数看 ,空间条件处理剂量
不算大 ,处理后损伤也不大 ,加上植物有机体的整体性、协调性、性状间的关联、多因 (基因) 一
效等等原因 ,此次空间处理 ,对玉米植株群体的作用不那么深刻 ,植株群体变化不那么大。本
实验室在 1991 年前曾作过两次玉米干种子空间诱变试验 ,返回式卫星空间飞行仅 7～8d ,经
过两代观察 ,没有发现任何生长势与细胞结构的变异。不过 ,需要特别指出的是 ,由于玉米自
交系内植株间对空间条件处理的敏感性的不同 ,此次处理剂量较以往大的条件下 ,有个别植株
果穗和籽粒发生了突变。这部分的实验结构 ,将另文报道。
972　5 期 玉米空间诱变效应及其应用的研究
参 考 文 献
1 　蒋兴村. 86322 空间诱变育种进展及前景. 空间科学学报. 1996 ,16 (增刊) :77～82
2 　Thebud R. et al. Effects of high2temperature stress on various biomembranes of leaf cell in sita and in vitro . Plant Physiology.
1982 ,70 :200～205
3 　苗　琛等. 甘蔗热胁迫叶片细胞的超微结构研究. 植物学报. 1994 ,36 (9) :730～732
4 　Martile P H. et al. ,Vacuolation :Origin and development of the lysosomal apparatus in root2tip cells. Planta ,1968 ,80 :159～
175
5 　张大鹏等. 葡萄果实发育过程中果肉细胞超微结构的观察. 植物学报. 1997 ,39 (5) :389～396
6 　Vaulina E. N. et al. ,Radiosensibility of higher plant seeds after space flight . Space Res. 1984 ,4 (10) :103～107
7 　Yang T. C et al ,Cytogenetic effects of space radiation in lymphocytes of MIR218 crews , In :Abstracts of the 31 Sclentifie As2
sembly of COSPAR ,1996 ,336
8 　敖光明等. 细胞生物学. 北京 :北京农业大学出版社 ,1984
9 　曾孟潜. 植物的杂种优势 ,见蔡旭主编《植物遗传育种学》,北京 :中国科学出版社 ,1989 ,470～480
10 　王琳清等. 诱变育种 ,见蔡旭主编《植物遗传育种学》,北京 :中国科学出版社 ,1989 ,536～550
EFFECTS OF SPACE CONDITIONS ON ULTRASTRUCTURE
OF L EAVE IN MAIZE ( Zea mays L. )
Li Sherong 　Liu Yanan 　Liu Min 　Wang Yongxiang 　Xue Huai 　Zeng Mengqian
( Instit ute of Genetic , the Chi nese Academy of Sciences , Beiji ng 　100101)
Hao Lianyuan 　Xue Erbao
( Chi nese Reseach Academy of S pace Technology , Beiji ng 　100081)
ABSTRACT
Dried seeds of maize were carried by recoverable satell ite under space conditions of 175 km
to 253 km from sea level . Various ultrastructure changes of maize leave were observed , including
plasmolysis, expansion of vacuoles and cell walls , prol iferation of plasmodesmi , variations of
grana disc and stroma thylakoids , breath of nuclear membranes , inscrease in number and en2
largement of endoplasm reticulums and variations of other endomembranes.
Key words :Space condition , maize , ult rast ructure
082 Acta A gricult urae N ucleatae Si nica
1998 ,12 (5) :274～280