全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 012001204
离子注入后同源四倍体多胚苗突变
水稻的筛选及其遗传稳定性
代西梅　黄群策　胡秀明　秦广雍
(郑州大学离子束生物工程省重点实验室 ,河南 郑州　450052)
摘　要 :以低能氮离子束为诱变源 ,对同源四倍体水稻品系“IR3624X”进行离子注入 ,在其第 2 代群体内
筛选得到了 1 株具有多胚苗性状特征的突变株 ( IR362双) 。对该突变株后代的主要农艺性状、多胚苗形
态特征和遗传稳定性进行研究表明 ,突变株系与其原始亲本在主要农艺性状上存在明显差异 ,前者在株
高、穗长、千粒重和结实率等性状上比后者分别下降 35141 %、5108 %、15172 %和 12139 %。“IR362双”在
双胚苗性状的表现形态上有其特异性 ,在同一纯合株系的群体内双胚苗的苗位有非完全双苗和完全双
苗两种类型。在非完全双苗中又包括单胚轴单胚根双苗和单胚根异胚轴双苗 ;在完全双苗中可分为正
常双苗和异常双苗。在多胚苗材料中 ,单胚根单胚轴双苗所占的比例相对较大。经过多个世代观察表
明 ,“IR362双”的多胚苗特性表现出明显的可遗传性。
关键词 :离子注入 ;同源四倍体水稻 ;多胚苗突变体
DEVELOPMENT AND CHARACTER OBSERVATION OF AUTOTETRAPLOID POLYEMBRYONIC
MUTANT RICE INDUCED BY ION BEAM IMPLANTATIOON
DAI Xi2mei 　HUANG Qun2ce 　HU Xiu2ming 　QIN Guang2yong
( Henan Provincial Key Lab of Ion Beam Bio2Engineering , Zhengzhou University , Zhengzhou , Henan 　450052)
Abstract :Autotetraploid rice IR3624X was treated with ion implantation of low energy nitrogen ion beams and a polyembryonic
seedling mutant IR362Shuang was identified in M2 generation. The major agronomic characters , morphology and the genetic
stability of polyembryonic seedling of the mutant line were systematically investigated. The results are as follows. The
agronomic characters of IR362Shuang were obvious different with its parent IR3624X. The plant height , panicle length , 1000
grain weight and the setting rate of the IR362Shuang were lower than that of its parent by 35141 %、5108 %、15172 % and
12139 % , respectively. The morphology of polyembryonic rice IR362Shuang could be differentiated into 2 types : uncomplete
twin seedlings and complete twin seedlings. There were 2 types in uncomplete twin seedlings , i . e. twin seedlings with single
plumule axis and single radicle and twin seedlings with single radicle and twin plumule axis. The complete twin seedlings also
included 2 types , i . e. normal and abnormal twin seedlings. In IR362Shuang materials , the rate of twin seedlings with single
radicle and single plumule axis was higher than that in other types. The several generations observation showed that the
polyembryonic trait was inherited and stable.
Key words :ion beam implantation ; autotetraploid rice ; polyembryonic seedling mutant
收稿日期 :2006204230
基金项目 :国家“863”项目 (SZ201201203) ;国家“十五”科技攻关项目 (2001BA302B)
作者简介 :代西梅 (19742) ,女 ,河南郑州人 ,讲师 ,博士 ,主要研究方向为植物遗传育种 ,E2mail : daiximei88 @1261com
通讯作者 :黄群策 (19582) ,男 ,广西全州人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事离子束生物技术和水稻生殖生物学研究 ,E2mail :quncehuang @zzu. edu. cn　　目前 ,我国水稻育种面临着两大难题 ,即怎样通过有效的方法和途径在现有的水平上更有效地挖掘和固 定水稻的杂种优势效应。固定杂种优势的途径可能有多种 ,其中以培育无融合生殖系最有前途 ,而通过筛选
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多胚苗来寻找无融合生殖材料是一种较为有效的途
径。20 世纪 80 年代中期发展起来的离子束生物技术
具有独特的技术原理和简单的操作程序 ,在作物育种
中的实用性已经被越来越多的研究结果所证实[2 ] 。离
子束作为新的诱变源具有质量、能量、电荷三位一体的
功效 ,在损伤比较轻的诱变状态中 ,可以获得比较高的
诱变率和比较宽的诱变谱[3 ] 。前人的研究表明 ,同源
四倍体水稻比二倍体水稻对低能氮离子束注入处理更
敏感[4 ,5 ] 。本文利用低能氮离子束注入同源四倍体水
稻 ,在其M2 代植株中发现 1 株具有多胚苗特性的突变
株 ,其后代采用单株筛选方法对其进行筛选、观察 ,待
株系的主要性状趋于整齐时对其主要农艺性状、多胚
苗形态特征和遗传稳定性进行了鉴定和研究。
1 　材料与方法
利用种芽诱导法对二倍体水稻品种 IR36 (即 IR362
2X) 进行处理 ,使其染色体组成加倍 ,获得主要农艺性
状稳定的同源四倍体水稻材料 IR3624X。2001 年在中
国科学院等离子体物理研究所进行离子注入。将去壳
的水稻种子胚朝上置于铺有花泥的培养皿中 ,采用间
隔为 50s 的脉冲注入 ,能量 25keV ,注入剂量范围 210 ×
1016～1010 ×1016 ionsΠcm2 ,每处理组间隔 210 ×1016 ionsΠ
cm
2 。对照组同样放置 ,但不经离子注入。离子注入和
对照的种子及其后代在温箱中催芽后 ,单株播种于合
肥中国科学院等离子体物理研究所水稻实验田内。对
试验材料采用单株筛选方法进行多个世代的筛选。待
株系内各个单株的主要农艺性状趋于稳定时对其特征
特性进行考察鉴定。
2004 - 2005 年将试验材料种植于河南新乡市农业
科学研究院水稻研究所实验田内 ,采用常规田间管理 ,
在成熟期对其株高、穗长、结实率和千粒重等主要农艺
性状进行鉴定 ,采用根尖细胞染色体鉴定方法观察材
料的倍性水平。将材料置于铺有湿润滤纸的培养皿
内 ,放在 25 ℃温箱中 ,待根长到 2cm 左右时 ,在上午 9
点切下根尖 ,用 95 %乙醇∶浓盐酸 ( 1∶1) 酸解 5～
10min ,蒸馏水冲洗后用卡宝品红溶液染色 25min 左
右 ,压片后镜检。选取分裂相好的切片在激光扫描共
聚焦显微镜透射光模式下扫描获得图像 ,由此确定试
验材料的染色体组倍性。
在多个世代对多胚苗突变株及其后代的多胚苗频
率的变异动态进行了测定。鉴定方法主要通过种子发
芽试验完成 ,即从多胚苗植株上收取的种子中取一定
数量 ,在 25 ℃恒温箱中用清水浸泡 1d 后 ,放入铺有湿
润滤纸的培养皿中 ,10d 后分别测定其双胚苗、三胚
苗、四胚苗以及总的多胚苗频率。所采用的统计公式
如下 :
双胚苗频率 ( %) = 出现双胚苗数的种子数Π发芽
的种子数 ×100 %
三胚苗频率 ( %) = 出现三胚苗的种子数Π发芽的
种子数 ×100 %
四胚苗频率 ( %) = 出现四胚苗数Π发芽的种子数
×100 %
多胚苗频率 ( %) = (双胚苗种子数 + 三胚苗种子
数 + 四胚苗种子数)Π用于发芽的种子数 ×100 %
2 　结果与分析
211 　多胚苗突变株的筛选及其株系的建立
IR3624X经不同剂量的低能 N + 注入后 ,成苗率除
在剂量为 210 ×1016 ionsΠcm2 时稍有增加外 ,其他剂量
的 N + 注入成苗率均比对照有所下降 ,其中以剂量为
1010 ×1016 ionsΠcm2 的成苗率最低 ,仅有 20 %左右。在
当代没有发现明显的变异现象。收取所有的 M1 代种
子 ,并于第 2 年 (2002 年)种植 M2 代。
图 1 　“IR362双”染色体
Fig. 1 　The chromosomes of IR362Shuang
图 2 　IR3622X染色体
Fig. 2 　The chromosomes of IR3622X
各剂量处理的 M2 代植株中 ,出现了各种变异现
象。在剂量为 410 ×1016 ionsΠcm2 的低能 N + 注入处理
IR3624X的 M2 代植株中 ,发现了一株双胚苗突变株
(命名为“IR362双”) ,即在一粒水稻种子中萌发出了两
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棵稻苗。该突变株形成的两棵苗在长势上大小相当 ,
没有强弱之分 ,为均势双苗。经根尖染色体鉴定 ,该突
变株两个单苗染色体数目均为 48 条 (图 1) ,比二倍体
水稻 IR3622X的染色体数目 (图 2) 增加了 1 倍。保持
了其原始亲本 (对照) IR3624X 的染色体数目 ,应为同
源四倍体双胚苗水稻。而在对照 IR3624X中没有发现
任何双胚苗或多胚苗植株。说明筛选到的“IR362双”
双胚苗植株是经低能氮离子束处理后的突变植株。
当年成熟后单株收获该双胚苗突变株 ,共收取
576 粒种子。于第 3 年 (2003 年) 种成 M3 代株系。并
对该突变株系的苗位、主要农艺性状和多胚苗遗传稳
定性进行了跟踪调查。
212 　“IR362双”的双苗苗位
邓鸿德等[5 ]根据对多胚水稻胚位与苗位的观察研
究 ,将多胚水稻双苗分为非完全双苗和完全双苗两类。
非完全双苗又可进一步分为单胚轴单胚根双苗和单胚
根异胚轴双苗 ;完全双苗又可分为正常双苗和异常双
苗 (大小苗) 。根据我们对“IR362双”双苗苗位的观察 ,
发现其双苗苗位也有非完全双苗和完全双苗两种情
况。非完全双苗中主要有单胚轴单胚根双苗 (图 321)
和单胚根异胚轴双苗 (图 322 ,3 ,4)两种 ;完全双苗中有
正常双苗 (图 325) 和异常双苗 (大小苗) (图 326) 。在
“IR362双”双苗中 ,单胚根单胚轴双苗所占比例相对较
大。
“IR362双”的株高、穗长、千粒重及结实率较对照
IR3624X 均有所下降 , 2004 年分别下降了 35127 %、
4116 %、12158 % 和 12154 % ; 2005 年 分 别 下 降 了
35141 %、5108 %、15172 %和 12139 % ,其中以株高下降
最为明显 ,经 t 检验其差异达到了极显著水平 ,结实率
和千粒重也达到了显著水平。但根据 2004 - 2005 年
连续两年的观察 ,“IR362双”主要农艺性状表现较为稳
定 ,田间整齐度较一致。
图 3 　“IR362双”的双苗苗位
Fig. 3 　The location of seedling in“IR362Shuang”
1 :单胚轴单胚根双苗 ; 2～4 :单胚根异胚轴双苗 ; 5 :正常双苗 ; 6 :异常双苗.
1 :Twin seedlings with single plumule axis and single radicle ; 2～4 :Twin seedlings with single radicle and twin plumule axis ;
5 :Normal twin seedlings ; 6 :Abnormal twin seedlings.
213 　“IR362双”的主要农艺性状
对“IR362双”与对照 IR3624X的主要农艺性状进行
了比较鉴定 (表 1) 。结果表明 ,离子注入后所筛选到
的双胚苗水稻品系与其亲本在 4 个农艺性状上存在明
显差异 ,前者的各性状值均比后者有所降低。
214 　“IR362双”的遗传稳定性
自 2002 年“IR362双”突变株被筛选出来后 ,我们对 其多胚苗的遗传特性和遗传稳定性又进行了连续 3 年的观察鉴定 (表 2) 。发现在其 M3 代和 M4 代 ,除双胚苗之外 ,群体内还出现了一定频率的三胚苗单株和四胚苗单株 ,其多胚苗频率均超过了 12 %。然而 ,在 M5代没有发现三胚苗和四胚苗现象 ,其多胚苗频率 (主要为双胚苗)有所下降 ,但也达到了 9110 %。由此可见 ,在“ IR362双”的后代群体内 , 三胚苗性状和四胚
3　1 期 离子注入后同源四倍体多胚苗突变水稻的筛选及其遗传稳定性
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　　　　 表 1 　2004 - 2005 年“IR362双”及其对照主要农艺性状
Table 1 　The major agronomic characters of the IR362Shuang and its control during 2004～2005
2004 2005
株高
plant height
(cm)
穗长
panicle length
(cm)
结实率
setting rate
( %)
千粒重
1000grain weight
(g)
株高
plant height
(cm)
穗长
panicle length
(cm)
结实率
setting rate
( %)
千粒重
1000grain weight
(g)
IR3624X 137191 25101 40123 42118 138150 25147 38191 43197
IR362双 IR36-Shuang 8912733 23197 35117 3 36189 3 8914633 24118 34109 3 37106 3
注 :33和 3 表示 t 检验 0101 和 0105 水平差异显著。
Note :33 and 3 mean T test at 0101 and 0105 level significant difference , respectively.
表 2 　“IR362双”M3～M5 代多胚苗频率调查
Table 2 　The rates of polyembryonic seedlings of the IR362Shuang in M3～M5 generations
世代
gereration
发芽数
No. of germi2
nating seeds
双胚苗数
No. of
double2embryonic seedlings 三胚苗数No. ofthree2embryonic seedlings 四胚苗数No. offour2embryonic seedlings 多胚苗总数No. ofpolyembryonic seedlings 多胚苗频率rate of polyem2bryonic seedlings( %)
M3 576 59 7 6 72 12150
M4 2340 246 31 20 297 12169
M5 3000 273 0 0 273 9110
苗性状不太稳定 ,在传代过程中容易丢失 ,而其双胚苗
频率在各个世代的表现却比较稳定 ,说明其双胚苗的
突变性状具有一定的遗传稳定性。
3 　讨论
离子束生物工程是 20 世纪 80 年代在我国兴起
的 ,其原理是利用低能离子束注入生物体 ,质量沉积、
能量沉积和电荷交换导致生物材料产生一定的生物学
效应。离子束生物技术发展起来后 ,在农作物育种和
遗传改良上得以广泛应用。关于利用低能离子束生物
技术对二倍体水稻及四倍体水稻进行遗传改良的研究
已有一些报道[6～11 ] 。本研究利用低能 N + 对同源四倍
体水稻 IR3624X进行注入处理 ,在其 M2 代筛选出了 1
株多胚苗突变株“IR362双”。通过对“IR362双”连续几
年的调查研究 ,发现其双胚苗突变具有一定的遗传稳
定性 ,其多胚苗遗传频率约为 10 %左右。表明低能离
子束诱导的这种变异可能属于 DNA 或基因水平上的
突变。大量研究证明 ,离子注入生物体可以引起染色
体的破坏和基因的突变[12～14 ] ,从而导致一系列遗传变
异现象的发生。本研究所筛选出来的双胚苗突变体性
状的产生很可能是由离子束注入后所引起的多基因突
变的结果。因此 ,利用低能离子束注入技术对同源四
倍体水稻进行遗传改良的效果将为进一步探索和挖掘
同源多倍体水稻的潜在利用价值寻找到一个新的突破
口 ,也为在同源四倍体水平利用水稻的杂种优势效应
寻找到新的研究方法。
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