全 文 ：文章编号 :100028551 (2004) 042276204
高空气球搭载水稻种子后代变异的研究
余红兵　周　峰　姚　涓　易继财　庄楚雄　骆　艺　梅曼彤3
(华南农业大学生命科学学院遗传工程室 ,广东 广州　510642)
摘 　要 :以籼稻品种惠阳珍珠早干种子为材料 ,经高空气球 30km 搭载飞行 8h 后返地种植 ,从第
1 代发现较多变异单株 ,从第 1、2 代选出的株高变矮、育性降低、穗长增长 3 个株系的变异性状
在其后代种植过程中稳定遗传 ,与原种比较达到极显著差异水平 ,通过连续 6 代种植、田间观
察、考种和差异显著性的统计学分析表明 ,高空气球搭载水稻种子能诱导其遗传变异。
关键词 :水稻 ;高空气球 ;诱变
MUTAGENIC EFFECTS OF HIGH ALTITUDE BALLOON FLIGHT
ON RICE ( Oryza sativa) SEEDS
YU Hong2bing 　ZHOU Feng 　YI Ji2cai 　YAO Juan 　LUO Yi 　ZHUANG Chu2xiong 　MEI Man2tong3
( Genetic Engineering Laboratory , College of Life Science , South China Agricultural University , Guangzhou , Guangdong , 510642)
Abstract :The dry seeds of Huiyangzhenzhuzao , an indica rice variety were carried by balloons at 20～30 km high
altitude for 8 hours to study the potential effects of space environmental factors. The plants mutation in agronomic
traits developed from these seeds , as well as their progenies , has been investigated in field test for six generations.
Dozens of plants with changes in morphological traits , such as reduced plant height , lowered fertility etc. , were
observed in the first generation , however , most of the changes restored in the following generations , and only a few
of them retained in their progenies. 3 mutants , shorter height (B1 - 41 ) , lower fertility (B2 - 42 ) and larger spike
(B1 - 29 ) , were selected from M1 or M2 generation and the observation in the following generations indicated that the
mutated specific traits were inheritable and statistically significant when compared with the original variety.
Key words :rice ( Oryza sativa L. ) ; high2altitude balloon ; induced mutation
收稿日期 :2004203216
基金项目 :国家高技术航天领域 (862222721021) ;国家自然科学基金项目 (30170534)
作者简介 :余红兵 (1978～) ,男 ,安徽宣城人 ,硕士 ,教师 ,现工作单位 :广东省韶关学院英东生物工程系。3 通讯作者 电话 :020285280200 ; E2mail :mtmei @scau. edu. cn1986 年以来 ,我国科学家开展了空间环境对植物种子诱变效应的探索[1 ] 。国内外空间生物学的长期研究表明 :经历低地球轨道飞行的生物样本会受到异于地球表面多个空间环境因素的影响 ,从而导致生理损伤或遗传物质的变化。近年来的一些报道表明 ,利用不存在重力、磁场等环境因素明显变化的高空气球搭载种子可诱发后代遗传性状的变化 ,并育出了一些品种、品系[2 ,3 ] 。为了解高空气球搭载的诱变规律 ,本研究利用高空气球搭载遗传性状稳定的水稻农家品种干种子 ,回收后种植、对当代及后代进行田间观察、选择、株系选育和考种分析。1 　材料和方法所用水稻品种为遗传性状稳定的籼稻品种惠阳珍珠早 ,来自广东省农科院水稻品种资源库 ,经 2 代种植纯化后备用。
672　 核 农 学 报　2004 ,18 (4) :276～279Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
选 1000 粒惠阳珍珠早种子 ,于 1999 年 9 月搭载中国科学院的科学探测气球 ,飞行高度为 20～
30km ,飞行时间为 8h ,回收后于 2000 年 3 月种植于华南农业大学农学院农场 ,当代单株收获 ,根据田间
生长及考种结果 ,选择可能的变异单株 ,从第 2 代起种成株系 ,并持续继代观察。对其余植株采用每单
株收取顶端两粒种子混播的形式 ,种成第 2 代群体 ,作为变异选择群体。继续选择、株系选育到第 6 代。
同时种植等量的原种惠阳珍珠早植株 ,并每代考种 ,作为地面对照。突变株系及对照株系性状数据 ,均
来自 30 株考种的结果。
对单株收获的水稻材料进行田间主要农艺性状的考种分析 ,调查的内容包括单株株高、有效穗数、
穗长、结实率、百粒重等。每一代都综合田间观察、考种分析数据 ,选择出性状变异较明显的单株。对株
高、穗长、育性等各性状参数有明显变异的株系追踪多代 ,并作单因素显著性 t 测验 ,对这些突变株系的
突变性状与原种各性状进行对比分析。
2 　结果与分析
211 　高空气球搭载水稻种子后代变异株系的筛选
高空气球搭载种子的当代植株与原种惠阳珍珠早的田间对比观察 ,发现绝大部分植株生长正常 ,但
也有一些株高变矮、分蘖减少、育性降低。结合考种数据和田间观察共发现了 69 株性状变异较大的单
株 ,其中以株高的负向变异 (矮化)最多 ,约占 218 %。也有少量的正向变异 (株高增加) ,约占 012 %。次
之为育性负向变异 ,约占 213 %。分蘖数变异也较明显 ,正向变异率为 111 % ,负向变异率为 014 %。早
熟变异率为 011 %。
辐射诱变育种及其它物理诱变育种的实践证明 ,处理后当代植株常表现出明显的生理损伤 ,包括植
株变矮、育性降低等[4 ] 。第 1 代的变异株是否真正的遗传变异还需将其种成株系 ,通过后代表现鉴定。
在第 2、3 代的种植中 ,我们发现选出的绝大部分变异株均恢复原来性状 ,只有矮化变异株 B1 - 41 (株高降
低 10 %左右) ,早熟变异株 B1 - 24 (抽穗期提前 1 周) 等的变异性状能稳定遗传。也有变异单株经种成株
系后出现新的变异性状 ,如B1 - 29原为株高偏矮单株 ,种植到第 3 代 ,发现其穗长增加 12 %以上 (见表 3) ,
且该性状能稳定遗传 ,已用作变异机理分析的材料。
传统的低电离密度辐射诱变多诱发隐性突变 ,且在第 2 代表现 ,故第 2 代是突变株选择的关键世
代。为了观察高空气球搭载致突变的特点和规律 ,从第 1 代单株中混收了 2000 粒种子单本种植 ,从此
混播群体中又发现了多种性状变异的单株 , 但仅育性降低突变株系 B2 - 42的变异性状可以稳定遗传。
212 　3 个突变株突变性状的遗传稳定性及变异显著性
对选出的 3 个突变株系 (B1 - 41 , B2 - 42 , B1 - 29 )种植了 3 代 ,对其 5～6 代中相应性状的变异进行了跟
踪观察及显著性统计学分析。半矮化株系 B1 - 41是在第 1 代选出的 ,在第 2 代株高发生分离 ,从中选出
的变矮单株在第 3 世代以后就基本稳定下来 ,在第 3 代以后株高比原种降低基本稳定在 10 %左右 (表
1) 。可见从高空气球诱变当代是可以筛选到突变株的。
表 1 　半矮化株系 B1 - 41与原种株高的比较
Table 1 　Comparison of plant heights between B1 - 41 and the original variety (cm)
世代
generations
M1 M2 M3 M4 M5 M6
F 值
F value
F 临界值
Fcrit
原种
original variety
121. 9 ±4. 4 130. 1 ±4. 7 114. 9 ±5. 5 137. 0 ±8. 8 144. 5 ±6. 4 124. 9 ±5. 4
B1 - 41 104. 0 136. 2 ±5. 0 106. 1 ±4. 2 120. 6 ±6. 6 130. 5 ±5. 5 111. 7 ±5. 4 36. 934 4. 160
B1 - 41比原种降低百分
percentage reduced
- 14. 7 % - 4. 7 % - 7. 7 % - 12 % - 9. 7 % - 10. 6 %
注 :除半矮化株系 (B1 - 41) M1 代为单株数据外 ,其余均为 30 株考种数据的平均值 ;F 值为 M6 代与原种间差异显著性分析的结果 ,下表同。
Note :The average values were calculated from the data collecting from 30 individual plants for all the generations , except for B 1 - 41 in M1 generation , which
was from a single plant ; and the F value was for the comparison of M6 generation and original variety , the same as the following tables.
772　4 期 高空气球搭载水稻种子后代变异的研究
育性降低变异株系B2 - 42是从第 2 代混播群体中筛选得到的 ,第 3 代性状就基本稳定下来 ,第 3 代以
后结实率基本稳定在 40 %左右。但是其育性有轻微的恢复 ,可能是水稻的自我修复。这说明从高空气
球诱变第 2 代也可以筛选到突变株 (表 2) 。
表 2 　育性降低株系 B2 - 42与原种结实率的比较
Table 2 　Comparison of setting rates between B2 - 42 and the original variety ( %)
世代
generations
M2 M3 M4 M5 M6
F 值
F value
F 临界值
Fcrit
原种
original variety
69 ±5 74 ±7 78 ±9 58 ±16 76 ±10
B2 - 42 36 41 ±11 44 ±7 34 ±15 48 ±8 119. 649 4. 023
B2 - 42比原种降低百分
percentage reduced
47. 8 43. 8 44. 9 41. 4 36. 8
　　长穗型变异株系 B1 - 29是从当代筛选到的 ,但是直到第 3 代其穗长变异才表现出来 ,从表 3 可见 ,自
第 4 代后 ,变异性状与原种差异越来越显著 ,到第 6 代比原种增长 3213 % , 说明系统选育有利于变异的
积累。
表 3 　长穗型株系( B1 - 29 )与原种穗长的比较
Table 3 　Comparison of spike length between B1 - 29 and the original variety (cm)
世代
generations
M1 M2 M3 M4 M5 M6
F 值
F value
F 临界值
Fcrit
原种
original variety
23 ±1. 3 20. 7 ±1. 0 20. 7 ±1. 5 21. 7 ±1. 3 21. 6 ±1. 3 19. 8 ±1. 3
B1 - 29 22. 7 20. 4 ±1. 2 23. 0 ±2. 0 25. 5 ±2. 1 27. 3 ±2. 5 26. 2 ±2. 2 166. 060 4. 023
B1 - 29比原种增长百分
percentage increased
- - + 13 % + 12. 0 % + 26. 4 % + 32. 3 %
用单因素显著性分析方法对上述 3 个突变株系第 6 代的突变性状与原种 (见表 1、表 2、表 3)进行了
显著性测验 ,结果表明突变株系与原种差异达到极显著差异水平。
3 　讨论与结论
本研究所用水稻品种惠阳珍珠早 ,株高达 120～130cm ,叶长而软 ,与普通现行生产品种明显不同。
对经高空气球搭载的 1000 粒种子的当代及部分后代植株进行了系统的追踪、观察和选择 ,经 6 代的观
察、选择 ,证明高空气球搭载种子的确能够诱导其后代发生可稳定遗传的性状变异 ,为新品种及种质资
源的创新提供了物质基础。
20 世纪 90 年代 ,我国有多篇关于高空气球搭载植物种子回收后获得遗传性状稳定变异的后代 ,并
进而从中选育出优良品种、品系的报道[2 ,3 ,5 ] 。浙江省农科院通过高空气球搭载诱变育成糯稻品种航育
1 号[2 ] ,是我国第 1 个通过地方品种鉴定的经搭载诱变育成品种 ;广西大学农学院则把粳稻品种中作 59
号种子搭载高空气球 ,从第 2 代植株中获得了多个突变株系 ,并从其后代中选育出数个与籼稻杂交可育
性高 ,并对细胞质雄性不育具恢复能力的变异株系 ,用于杂交水稻新组合的选配中[5 ] 。
为弄清高空气球搭载能否引致所搭载的材料发生明显的遗传性状变异 ,本研究特意选用了 1 个数
十年来从未在生产应用、生长形态与生产品种明显不同的广东农家籼稻品种惠阳珍珠早为材料 ,以排除
品种混杂等因素的影响。搭载后经 6 代的种植、选择 ,从中获得了数个分别具早熟、株高降低、育性降
低、穗长增长性状的稳定突变株系 ,并对其性状遗传的稳定性、性状变异的显著性作了初步分析 ,对突变
株系的分子标记分析还证明其 DNA 确实发生了碱基代换等变化 (另文发表) 。研究的结果从一个角度
证明了高空气球搭载确实对种子有诱变效应 ,为高空气球搭载在植物育种中的应用提供了依据。
872 核　农　学　报 18 卷
我国高空气球升空高度仅为 20～30km ,仍在地球大气层之内 ,升空时间常常仅为几个小时 ,在这种
搭载条件与升空高度下 ,高空气球搭载的材料并不处于微重力、高真空等太空特有的环境中 ,而其接受
的辐射为银河宇宙射线进入地球大气层产生的次级宇宙射线。高能银河宇宙射线进入大气层时 ,和大
气中的原子核发生碰撞 ,引起核的分裂 ,产生一系列其它粒子 ,通过这些粒子与周围物质的相互作用及
自身转变 ,形成宇宙线的次级成分 ,包括π介子 ,电子 ,光子 ,以及大气中子和质子等。有报道显示 ,在磁
纬 41°N 处 , 用火箭测量 15～25km 高度处次级宇宙射线强度可高达 40 计数Π秒[6 ] 。这些次级成份构成了
大气中的宇宙辐射 ,其能量分布 ,可能产生的生物学效应随着高度、在地磁中的位置、时间、太阳活性的
影响而有所不同[7 ] 。国外早有高空气球宇宙射线对所搭载生物影响的报道 ,Miro 等[8 ] 在 1970 年就报道
沿着重离子的径迹 ,可观察到所搭载黑毛小鼠体表成簇白毛的出现。质子、电子、光子等通过物质时均
能产生电离作用 ,从而已被证明为有效的植物诱变因素 ,故可以推断它们很有可能是高空气球搭载诱变
的主要原因。近年国内对种子在返地式卫星搭载后出现变异的原因有多种猜测 ,辐射、微重力、真空度、
磁场的变化均被作为考察的对象。根据国际上空间放射生物学多年的研究结果 ,梅曼彤[9 ,10 ] 提出了空
间辐射为诱变主因的观点 ,并正在进行空间辐射原位探测与种子变异效应相关关系的研究。本研究中
处于高空气球的种子 ,并不受到重力、真空度、磁场等其他太空特有环境的影响 ,而其所受的各种类型辐
射确能诱导产生遗传性状变异 ,也从一个侧面证明了空间辐射及其衍生物在突变诱导上的高有效性。
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 ] 　Xu Jianglong , Jiang Xingcun , Li Jingguo , et al . Mutation of rice after exposure to high altitude environment . Space Medicine & Medical
Engineering ,1995 , 8 (3) : 206～211
[ 3 ] 　李金国 ,王小琴. 我国高空气球诱变育种的研究进展. 核农学报 ,2002 ,16 (5) :328～330
[ 4 ] 　毛炎麟. 辐射的生物学效应. 见 :徐冠仁主编 植物诱变育种学. 北京 :中国农业出版社 ,1996 ,91～97
[ 5 ] 　陈芳远 ,卢升安 ,易小平 ,等. 空间环境诱发粳稻品种对胞质雄性不育保恢突变和亲籼突变研究. 空间科学学报 ,1996 ,16 (增刊) :
83～87
[ 6 ] 　叶宗海. 空间粒子辐射探测技术. 北京 :科学出版社 ,1986 , 121～135
[ 7 ] 　Clem J M , Angelis G D , Goldhagh P ,et al . Preliminary validation of computational procedures for a new atmospheric ionizing radiation (Air)
model . Advance Space Research ,2003 , 32 (1) : 27～33
[ 8 ] 　Miro L , Deltour G, Pfister A , et al . Current status of French research on the biological effects of heavy ions in cosmic radiation as observed in high
altitude balloons. Life Science Space Research ,1970 ,8 : 39～44
[ 9 ] 　梅曼彤. 空间诱变研究的进展. 空间科学学报 , 1996 ,16 (增刊) :148～152
[10 ] 　梅曼彤. 空间辐射环境对生物系统的效应. 见 :姜景山. 空间科学与应用. 北京 :科学出版社 ,2001 ,551～565
972Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2004 ,18 (4) :276～279