全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 0520327205
高能混合粒子场诱变小麦的细胞学效应研究
刘录祥1 　韩微波1 ,2 　郭会君1 　赵林姝1 　赵世荣1
李家才3 　王　晶1 　郑企成1
(11 中国农业科学院作物科学研究所Π农业部农业核技术与航天育种重点开放实验室 ,北京　100081 ;
21 西北农林科技大学 , 陕西 , 杨凌　712100 ;31 中国科学院高能物理研究所 ,北京　100039)
摘 　要 :利用北京正负电子对撞机直线加速器 E2 束流打靶产生高能混合粒子场 ,以 0、109、
145、195、284 和 560Gy 的剂量处理两个冬小麦品种 ZY9 和 ZH7 ,并与相同剂量的60 Coγ射线相
比较 ,研究其细胞学效应。试验结果表明 ,混合粒子场辐照小麦种子可抑制根尖细胞有丝分
裂 ,诱发染色体出现单微核、双微核、多微核、环状染色体、落后染色体、游离染色体、染色体断
片等多种畸变类型。混合粒子场与γ射线诱发的微核畸变率和染色体畸变率均存在明显的剂
量效应 ,但混合粒子场的损伤效应明显高于γ射线。混合粒子场可诱发高频率的环状染色体
和染色体断片 ,显示出混合粒子场处理小麦具有比γ射线处理更高的相对生物学效应。
关键词 :混合粒子场 ;60 Coγ射线 ;有丝分裂 ;染色体畸变 ;小麦
CYTOLOGICAL EFFECTS OF MIXED PARTICLE FIELD IRRADIATION IN WHEAT
LIU Lu2xiang1 　HAN Wei2bo1 ,2 　GUO Hui2jun1 　ZHAO Lin2shu1
ZHAO Shi2rong1 　LI Jia2cai3 　WANGJing1 　ZHENG Qi2cheng1
(11 Institute of Crop Science , Chinese Academy of Agricultural SciencesΠ Key Lab of Agricultural Nuclear Technology &Aerospace Breeding ,
Ministry of Agriculture , Beijing , 100081 ;21 North2west Sci2tech University of Agriculture and Forestry ,
Yangling , Shaanxi , 712100 ; 31 Institute of High Energy Physics , Chinese Academy of Science , Beijing , 100093)
Abstract :Dry seeds of two genotypes of winter wheat ZY9 and ZH7 were irradiated by mixed high2energy particle
field with different doses of 0 , 109 , 145 , 195 , 284 and 560Gy , which was generated from E2 beam lines of LINAC
of Beijing Electron Positron Collider. The cytological effects on root tip cell of wheat seeds were studied with the
same dosage ofγ2rays irradiation as a control . The results showed that the irradiation of mixed high2energy particle
field inhibited mitoses and produced various chromosomal aberrations such as micronucleus , chromosome bridges ,
circular chromosomes and dissociative chromosomes in root tip cells of wheat with significant dose2effects. Higher
rate of cytological damages and percentage of chromosome circles and fragments were found in the mixed particle
field irradiation than inγ2rays irradiation , indicating in the relative higher biological effects of irradiation of mixed
high2energy particle field than those ofγ2rays in the M1 generation of wheat .
Key words :mixed particle field ; 60 Coγ2rays ; mitotic index ; chromosomal aberration ; wheat
收稿日期 :2005206230
基金项目 :国家自然科学基金项目 (30270345) ,国家 863 课题 (2002AA241011) ,国际原子能机构地区合作项目 ( RAS5040) 与研究合同
项目 (RC12610)
作者简介 :刘录祥 (19652) ,男 ,陕西凤翔人 ,研究员 ,主要从事小麦诱发突变与生物技术育种的研究。Tel & Fax : 010 62122719 ; Email :
luxiang @2631net . cn研究与实践证明 ,空间环境的宇宙线辐射、微重力、高真空、弱地磁和超洁净等特殊因素对农作物种子或组织材料具有明显的诱变作用 ,并已成为农作物诱发突变育种的新技术和新途径[1 ] 。自 1987 年以
723　核 农 学 报　2005 ,19 (5) :327～331Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
来 ,我国科学家多次利用返回式卫星、高空气球等搭载植物种子 ,开展航天育种实验研究 ,育成了一批高
产、优质、多抗的作物新品种、新品系 ,并从中获得了一些罕见的突变新材料、新种质[2 ,3 ] 。
空间环境中的宇宙射线是由多种高能、高 LET 粒子组成的混合场 ,是空间诱变的主要因素之一。
由于空间实验技术要求高 ,实验机会有限 ,因此 ,探索地面模拟空间环境因素的试验研究对于有效利用
航天技术开展作物诱变改良具有重要意义[4 ,5 ] 。近年来 ,中国农业科学院航天育种中心等单位率先在国
内外利用北京正负电子对撞机模拟次级宇宙粒子 ,建立了包括派介子、谬子、正、负电子、光子和质子等
多种高能粒子组成的混合粒子场处理技术 ,并应用于小麦、蔬菜和牧草等作物改良上[2 ] 。本研究利用模
拟宇宙粒子组成的混合粒子场辐照小麦种子 ,通过观察根尖有丝分裂、染色体畸变、微核等指标的变化 ,
探讨混合粒子场辐照小麦根尖细胞的遗传学效应 ,为揭示空间高能粒子诱变小麦的作用机理和开拓作
物诱变育种新途径提供理论依据。
1 　材料与方法
111 　材料
试验选用中国农业科学院作物科学研究所育成的两个冬小麦品种 ZY9 和 ZH7 为材料。
112 　辐照处理
利用由北京正负电子对撞机直线加速器 E2 束流打靶产生的混合粒子场 (用 CR 表示) 处理小麦品
种 ZY9 和 ZH7 的干种子。辐照剂量分别为 0 、109、145、195、284 和 560Gy ,每一处理 400 粒种子。60 Coγ
射线处理在中国农业辐照中心进行 ,处理剂量和种子数量与高能混合粒子场处理相同 ,剂量率为 0178
～1136GyΠmin。
113 　细胞学观察
将对照和辐照处理过的小麦种子经 75 %酒精杀菌 ,在 21 ℃下萌发露白 ,低温 0～4 ℃处理 24h ,然后
在 25 ℃恒温箱中待根长至 1～2cm 时取下根尖 ,在α2溴萘饱和液中预处理 5h ,用卡诺固定液 (酒精∶醋酸
= 3∶1)固定 ,孚尔根法染色 ,卡宝品红液复染压片 ,高倍镜镜检 ,统计细胞有丝分裂、染色体畸变及核畸
变频率 ,计数器计数[6 ] 。每个处理观察 8～10 个根尖 ,每个根尖随机观察大约 600 个细胞。Olympus 光
学显微镜摄影。最后根据统计结果分别计算出细胞有丝分裂指数 (分裂细胞数占总观察细胞数的百分
数) 、染色体畸变率 (微核畸变细胞数占总观察细胞数的百分数) 和微核率 (染色体畸变细胞数占总观察
细胞数的百分数) 。
2 　结果与分析
211 　混合粒子场处理对小麦 M1 代种子根尖细胞有丝分裂的影响
混合粒子场辐照处理能影响小麦根尖细胞的有丝分裂 (表 1) 。经混合粒子场辐照处理的小麦 ZY9
和 ZH7 根尖细胞正常的有丝分裂活动受到影响 ,能够进行有丝分裂的细胞数目大幅减少 ,并且随着辐
照剂量的增加细胞有丝分裂指数下降。在剂量相同的情况下 ,混合粒子场处理后 M1 代的细胞有丝分
裂指数比γ射线低 ,对细胞分裂的抑制作用更强。
经混合粒子场辐照处理之后 ,在剂量相同的情况下 ,ZH7 M1 代种子的根尖细胞有丝分裂指数要低
于 ZY9。
212 　混合粒子场诱发小麦 M1 代种子根尖细胞微核畸变和畸变率
小麦种子在混合粒子场作用下能诱发根尖细胞染色体和核产生畸变 (表 1 和图 1) 。经混合粒子场
辐照处理之后 ,小麦 ZY9 和 ZH7 M1 代根尖细胞在有丝分裂间期出现了单微核和多微核等细胞畸变类
型 (图 122、123、124、125) ,其中单微核是主要的畸变类型。随着混合粒子场辐照剂量增大 ,M1 代根尖细
胞的微核总畸变率 (单微核畸变率 + 多微核畸变率) 也逐渐增大。微核是辐射引起的 M1 代染色体断片
823 核　农　学　报 19 卷
或落后染色体形成的 ,染色体断片或落后染色体都属于比较强烈的损伤后果 ,出现的频率和数目都比较
小。混合粒子场处理后 ,M1 代根尖细胞单微核畸变率和多微核畸变率等都高于γ射线 ,能诱发更多更
严重的畸变。
小麦品种 ZY9 和 ZH7 经混合粒子场辐照处理之后 ,在剂量相同的情况下 ,ZH7 M1 代根尖细胞单微
核畸变率和多微核畸变率的都高于 ZY9 ,ZH7 的辐照敏感性大于 ZY9。
表 1 　混合粒子场和γ射线辐照对小麦种子根尖细胞有丝分裂指数及核畸变的影响
Table 1 　Effects on the mitotic index and nuclear aberrations of tip cells in
the wheat seeds irradiated by mixed particle field (CR) and gamma rays
品种
varieties
诱变源
mutagens
剂量
doses( Gy)
观察细胞数
No. of cells
observed
有丝分裂
细胞数
No. of mitotic
cells
细胞分裂指数
mitotic
index ( %)
单微核细胞数
single
micronucleus
多微核细胞数
mutil2micronucleus 微核总畸变率total rate ofaberrations ( %)
ZY9 CK 0100 4320 470 10188 0100 0100 0100
CR 109 3840 344 8196 4194 3149 8143
145 3736 330 8183 6197 5145 12142
195 3846 306 7196 9148 7119 16167
284 4216 285 6176 10188 8177 19165
560 4189 231 5151 12199 10183 23181
γ2rays 109 4307 387 8199 3110 2158 5168
145 3798 338 9100 5192 5103 10195
195 2880 249 8165 8103 6183 14186
284 4311 322 7147 9163 9101 18164
560 3823 246 6143 10198 9176 20173
ZH7 CK 0100 4221 441 10145 0100 0100 0100
CR 109 3856 340 8182 5159 3183 9141
145 4302 358 8132 7154 5187 13141
195 4230 321 7159 10128 8173 19100
284 4311 287 6166 13124 11185 25109
560 4323 229 5130 14185 12123 27107
γ2rays 109 3769 335 8189 3188 3158 7146
145 3836 325 8147 6177 6115 12192
195 4335 343 7191 8116 8175 16191
284 3786 275 7126 11164 10155 22118
560 3849 232 6103 12193 11164 24157
213 　混合粒子场诱发 M1 代种子根尖细胞染色体畸变类型及频率
如表 2 所示 ,经混合粒子场辐照处理之后 ,小麦 ZY9 和 ZH7 M1 代根尖细胞在分裂中期出现了环状
染色体、染色体断片等畸变类型 (见图 1214、1217) ,细胞分裂后末期出现了染色体单桥和多桥、落后染色
体、粘连染色体、游离染色体等畸变类型 (见图 129、1210、1211、1215、1216) 。随着辐射剂量的加大 ,一个细
胞中会同时出现多种染色体畸变。混合粒子场辐照根尖细胞染色体畸变率与辐照剂量紧密相关 ,ZY9
和 ZH7 M1 代根尖细胞染色体畸变率与剂量的相关系数分别为 0197 和 0196 ,均达到极显著。混合粒子
场和γ射线处理的M1 代根尖细胞的染色体畸变率随剂量的增大也逐渐增大 ,混合粒子场明显高于γ射
线 ;ZH7 大于 ZY9。
混合粒子场处理后 ,M1 代根尖细胞在分裂中期出现了较多的环状染色体和染色体断片类型。例如
剂量为 195Gy 时 ,混合粒子场处理 ZY9 的环状染色体和染色体断片畸变率均为 1163 % , 而γ射线处理
的环状染色体和染色体断片畸变率分别仅为 0180 %和 1120 %。混合粒子场辐照后 ,细胞分裂后末期出
现的单桥、多桥、落后染色体的比例也大于γ射线。桥、落后染色体的出现是中期的双着丝点染色体断
片形成的 ,表明辐射诱发的染色体畸变不只表现为染色体的直接损伤 ,还表现为这种损伤随后导致的染
色体一系列间接损伤。
在本试验中 ,ZY9 和 ZH7 M1 代的单微核畸变率与染色体总畸变率成正相关关系 ,相关系数分别为
923　5 期 高能混合粒子场诱变小麦的细胞学效应研究
0197 和 0197 ,达到极显著水平。这说明在一定的剂量范围内 ,单微核畸变率对混合粒子场有丝分裂中
染色体的损伤研究有指示作用。
表 2 　混合粒子场和γ射线诱发的小麦种子根尖细胞染色体畸变
Table 2 　The chromosome aberrations of root tip cells in wheat seeds irradiated by
mixed particle field (CR) and gamma rays
品种
varieties
诱变源
mutagens
剂量
doses
( Gy)
单桥
single
bridge
多桥
mutil2bridge 染色体断片fragments 落后染色体lagging bridge 环状染色体circularchromosome 其它畸变otheraberrations 总畸变率total rate ofaberration ( %)
ZY9 CK 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100
CR 109 1145 1116 0187 0158 1116 0158 5181
145 2112 1182 1121 0161 1121 0161 7156
195 4125 1196 1163 0165 1163 0165 10178
284 5126 3116 1175 1175 2146 1175 16114
560 6193 4176 2160 3146 3190 2116 23181
γ2rays 109 1129 0178 0178 0152 0178 0152 4165
145 1178 1148 0189 0159 1118 0159 6151
195 3161 1161 0180 0180 1120 1120 9124
284 4166 2180 1155 1155 2117 1155 14129
560 5128 4107 2144 2185 2185 1163 19111
ZH7 CK 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100
CR 109 3124 1147 0188 1118 0188 0159 8124
145 5103 1196 1112 1112 0184 0184 10190
195 7179 2149 1156 1187 1156 0193 16120
284 8171 3148 2109 2109 2144 2109 20191
560 9161 5124 3193 3149 4180 3149 30157
γ2rays 109 1119 0190 0190 0190 0190 0160 5137
145 2146 1154 0192 0192 0192 1123 8100
195 4166 2104 1146 1117 1175 1146 12154
284 6155 3127 1182 1145 2118 2118 17145
560 8162 4131 3145 2116 3145 2159 24157
3 　结论与讨论
小麦休眠种子辐照后经过物理、物理 - 化学、化学等一系列的反应 ,细胞中的遗传物质会受到损伤。
染色体是遗传信息的载体 ,染色体变异必然导致遗传变异的发生 ,是生物遗传变异的重要来源 ,以染色
体畸变率作为检测诱变源的生物效应和遗传效应的指标是比较直接的。混合粒子场诱发染色体畸变具
有明显的剂量效应 ;相同剂量的混合粒子场处理所引起的染色体辐射损伤明显大于γ射线。这可能是
由加速器产生的混合粒子场包括派介子、光子、质子、谬子和正负电子等多种高能粒子 ,诱发生物的损伤
和突变时不仅有单个粒子处理的特异性 ,还有各种单个粒子混合处理时产生的协同作用 ,生物损伤严
重 ,产生的辐射效应大。
本研究结果表明 ,混合粒子场辐照诱发 M1 代种子的根尖细胞有丝分裂指数下降 ,根尖细胞在有丝
分裂间期出现了核畸变 ,细胞分裂中期出现了染色体断片和环状染色体等畸变类型 ,细胞分裂后末期出
现了染色体单桥、双桥、多桥、落后染色体、游离染色体等畸变类型。随着辐照剂量的增加 ,有丝分裂指
数下降 ,一个细胞中同时出现了多种染色体畸变 ,微核畸变率和染色体畸变率明显上升。微核被认为是
衡量辐射对染色体损伤的可靠指标 ,本实验中混合粒子场辐照诱导两个小麦品种产生微核 ,其微核率与
剂量呈正相关 ,这与前人的结果是一致的[7～10 ] 。
本试验选用的两个小麦品种表现出了不同的辐射敏感性 ,ZH7 的微核率和染色体畸变率都比 ZY9
大 ,这说明 ZH7 对射线辐照有较强的敏感性。这可能是由于不同试验材料遗传物质的差异造成了辐照
敏感性的不同。在利用混合粒子场辐照处理小麦中有必要根据品种的敏感性差异选择最适宜的辐射剂
033 核　农　学　报 19 卷
图 1 　混合粒子场辐射诱发的小麦细胞染色体畸变
Fig. 1 　Pictures of different types of chromosome aberrations of wheat irradiated by mixed particle field
11正常核 ;21 单微核 ;31 双微核 ;41 多微核 ;51 小核 ;61 核缢裂 ;71 核出芽 ;81 正常的有丝分裂后期 ;91 单桥 ;101 多桥 ;111 落后染色
体 ;121 双桥 ;131 正常染色体 ;141 环状染色体 ;151 粘连染色体 ;161 染色体断片 ;171 游离染色体
11normal nuclear ; 21single micronucleus ; 31double micronucleus ;41mutil2micronucleus ;51little nucleus ;61nuclear constriction ; 71nucleus budding ;
81normal anaphase ; 91single bridge ; 101mutil2bridge ; 111lagging bridge ; 121double bridges ; 131normal chromosome ; 141circular chromosome ;
151chromosome conglutination ;161chromosome fragments ;171dissociative chromosomes
量。有关混合粒子场辐照处理小麦的分子生物学机理及 M2 代农艺性状变异的研究将另作报道。
参考文献 :
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