全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 04200205
离子辐射育种研究进展
唐掌雄1 ,2 　刘志芳1 　邵俊明1 　龚胤昕2
(11 中国农业科学院作物科学研究所 ,北京　100081 ;21 中国农业科学院原子能利用研究所 ,北京　100094)
摘 　要 :本文重点介绍能量为 (MeVΠu)级离子辐射的生物效应和离子辐射育种研究的国内外现
状 ,以及作者在该领域中的初步研究结果 ,简述了低能离子束 (几十 keV) 在辐射育种研究中遇
到的一些问题。
关键词 :离子辐射 ;突变育种 ;布喇格峰效应
PROCESS IN IONS IRRADLATION MUTAGENETIC BREEDING
TANG Zhang2xiong1 ,2 　LIU Zhi2fang1 　SHAO Jun2ming1 　GONG Yin2xin2
(1. Institute of Crop Breeding and Culture , Chinese Academy of Agriculture Sciences , Beijing ,100081 ;
2. Institute of Atomic Energy Application , Chinese Academy of Agriculture Sciences , Beijing ,100094)
Abstract :Biological effects of ion irradiation at energy level of MeVΠu , international and national status of breeding
research , and the author’s research results on this area are introduced in this paper. The problems which existed in
breeding research of ion irradiation at low energy (keV level) are also listed.
Key words :ions radiation ; mutagenetic breeding ; Bragg peak effect
收稿日期 :2004211218
基金项目 :国家自然基金项目 (39870445 ,10275090)
作者简介 :唐掌雄 (1934 - ) ,男 ,上海市 ,研究员 ,长期从事核技术和核技术农业应用研究。联系电话 :01062895280。
近 40 年来 ,随着航天事业的发展 ,特别是载人宇宙飞船的升空 ,人们对空间辐射 (高能量的电子、质
子和高原子序数粒子)引起的辐射效应甚为关注 ,并进行空间生命科学的研究。与此同时 ,各种高能粒
子加速器的建立 (核物理学研究和辐射治癌医疗应用) ,对具有不同能量 ,带不同电荷的加速离子 (1 P
-
238U)的辐射生物效应研究也引起了各国学者的重视。离子辐射生物效应研究是以哺乳动物及其细胞
为材料为主 ,而对离子辐射植物的生物效应研究较少。本文综述了离子辐射的特点 ,以及离子辐射在植
物诱变育种方面的进展。
1 　离子辐射的特点
离子辐射 (1 P2238U)与 X、γ、e (低LET)辐射相比在辐射生物学方面有着独特的优势 : (1) 离子辐射的
电离密度大 ,是属于高传能线密度辐射 (高 LET) ,其产生的相对生物效应 (RBE) 也高 ,有关不同 LET 辐
射引起的相对生物效应的关系如图 1 所示。RBE与LET的关系从γ射线开始随 LET的增加而增加 ,当
LET在 100～200keVΠμm 时 RBE为最大 ,然后 RBE随LET增加反而减小。X射线 (能量大于 25keV) 和γ
射线 (60 Coγ射线的LET为 0127keVΠμm)的 RBE为 1 时 ,离子辐射的 RBE远大于 1 ,且离子辐射的 RBE与
离子所带电荷有关。(2)离子辐射的能量损失在小的区域内 ,故剂量集中度高 ,因而对生物体产生的总
体生理损伤较小。(3)离子辐射在物质中的射程末端产生布喇格 (Bragg) 峰效应 (高电离密度率) ;此时
的LET更大 (其相对剂量也更大) ,如图 2 所示。同时也在物体中产生质量的沉积和电荷交换作用。(4)
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低LET辐射 (χ、γ、e)与生物体作用产生较多易修复的 DNA 单链断裂 ;而高 LEF 辐射易产生较多的难以
修复的 DNA 双链断裂 ,故其诱导的染色体畸变的有效性较低LET辐射高数倍。
图 1 　传能线密度与相对生物效应曲线
图 2 　不同辐射的能损所产生的相对
剂量关系和布喇格峰
　　离子辐射物质所接受的吸收剂量 D 可用下列公式来估算[9 ] :
D( Gy) = 116 ×10 - 9 ×LET(keVΠμm) ×F(粒子Πcm2 ) ×1Πρ(密度)
表 1 　不同能量的 3 种离子辐射在水中的射程和 LET
能量
(MeVΠμm) 1P射程 (μm) LET(keVΠμm) 12C射程 (μm) LET(keVΠμm) 16O射程 (μm) LET(keVΠμm)
1 20 2710 615 1000 510 1800
2 70 1612 2911 591 2118 1050
3 140 1210 5510 410 4110 6710
4 230 915 8315 330 6217 607
6 470 619 165 247 134 439
8 790 515 271 197 203 350
10 1180 416 400 164 301 291
16 2800 311 905 112 694 199
20 4180 216 1381 93 1036 165
50 21800 112 6800 44 4500 78
75 45000 110 10500 32 9000 55
2 　离子辐射育种研究进展
211 　国外研究概况
有关离子辐射植物的生物效应的研究 ,Smith[1 ]在 1967 年报导有用不同的电离辐射 (X2250keV、不同
能量中子 0143～1417MeV、μ介子27GeV、π介子28GeV 和1 P228GeV) 辐照玉米种子 ,研究其对玉米 4 和 5
叶片上产生的黄绿扇形体 (yg2 )的变异的细胞遗传效应 ,发现不同电离辐射引起的相对生物效应差异较
大。
Hirono 等[2 ]用拟南芥种子为试材 ,应用多种辐射能量的加速重离子 (4 He、7Li、12 C、16 O、20 Ne、40 Ar ,其
LET值为 74～1890keVΠμm) ,并经调整大布喇格 (Bragg)峰刚好落在种子内最敏感的茎分生组织区内 ,以
达到最强的辐照效果 ,并分析辐射引起的植物生长抑制 ,瘤状物形成以及体细胞突变 (植株上有黄绿斑
点)等所需的辐射剂量 ,辐射引起的这些现象与相对生物效应有关。
Slater 和 Tobias[3 ]用高空气球搭载玉米种子 ;Peterson 观察经“阿波罗”飞船搭载的玉米种子发育成的
植株 ,发现其生长发育均出现不正常 ,并在叶片上出现黄色条斑变异[4 ] 。
此后 ,Yang 等[5 ]和 Mai 等[6 ]用同一玉米品种种子 (具有标记基因的杂合体 LW1Π1W1 ) 进行了一系列
重离子辐射 (4 He2225MeVΠu、12 C2400MeVΠu、16O2200MeVΠu、20 Ne2400MeVΠu、40 Ar2500MeVΠu) 和高空飞行搭载
试验 ,研究其辐射生物效应 ,二者的实验结果相似。
Tarasenk[7 ]曾用高能质子处理马铃薯块茎的芽 ,根尖细胞染色体异常诱变效率较γ射线高 10～17
倍。
313　4 期 离子辐射育种研究进展
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近年来 ,日本学者采用 220MeV(1813MeVΠu) 的12 C 离子辐照处理植物种子、植株以及花粉均获得良
好效果。Watanabe[8 ]报导用 150Gy 的12 C离子辐照拟南芥种子 ,在植株生长期间再加紫外线辐照 ,结果选
育出多个具有抗紫外辐射基因的拟南芥新品系。Nagatom[9 ]用 5～15Gy12 C 离子辐照试管菊花苗 ,选育出
一批花色变异不同于γ辐射变异的新品系 , Inone[10 ] 用 100Gy12 C 离子辐照野生烟草花粉 (具有抗病性) ,
再与栽培用的烟草杂交 ,克服了远缘杂交不亲和的问题 ,其杂交株成活率比γ辐射提高 30 倍。
212 　国内研究概况
21211 　低能( keV)离子辐射诱变育种　从 20 世纪 80 年代始 ,我国余增亮等[12 ] 和其他学者对7N (30keV)
低能离子辐射处理植物种子进行了大量研究 ,所用的注量范围为 1016～1017粒子Πcm2 ,选育出一批新品
种 ,并已推广应用。但不能确定其机理是低能7N 离子直接进入种胚内起作用 ,还是由其产生的次级射
线 (辐射与种皮相互作)引起的辐射生物学效应。
通过不同方法的实验和理论推算 ,卫增泉等确认其为次级辐射效应的结果[13 ] 。得出此结果的理由
有 3 点 : (1)用宽松的理论估标7N(30keV)离子的射程远小于 1μm ,而小麦的种皮大于 40μm(其他种子的
种皮大于 50μm) ,二者相差甚远 ; (2)采用离子辐射的注量为 1016～1017粒子Πcm2 ,如果是离子直接进入种
胚内起作用 ,则其吸收剂量太大 ;后面介绍的高能离子 (1 P、12 C、16 O 等) 辐射能引起植物材料突变用的离
子注量只为 107～1011粒子Πcm2 ,二者相差甚远 ; (3)在用 1016～1017粒子Πcm2 注量辐照时会使种子升温太
高 ,被辐照种子时有糊焦状出现 ,而高温热效应也能引起染色体畸变。
21212 　高能离子辐射生物效应研究　目前将粒子能量大于 1MeVΠu 以上的粒子称作高能离子辐射。刘
振声等[14 ]用加速重离子 (56 Fe2600MeVΠu ,40 Ar2570MeVΠu) 辐照水稻获得良好的诱变效果 ;邓红等[15 ] 采用40
Ar2400MeVΠu ,剂量为 100Gy 辐照水稻 ,在第 5 代获得了遗传性状稳定的增产 14 %以上的变异新品种。
丘运兰等[16 ]用高能离子 (20 Ne245 MeVΠu、40 Ar2400MeVΠu、56 Fe2600MeVΠu) 辐射玉米研究其诱变效应 ,
发现其相对生物效应远大于γ辐射。
颉红梅等[17 ]用16O 离子 (75MeVΠu) ,注量为 1 ×107～5 ×108Πcm2 辐照春小麦种子 ,在第 5 代获得几个
增产达 36 %的优良新品系。
卫增泉等[18 ]和其他单位合作 ,采用重离子12 C(45～75MeVΠu)辐照春麦、马铃薯等农作物种子以及其
他植物 (新疆白皮瓜、荷兰豆、草籽、中药材、花籽等)和微生物等 ,均取得了良好的效果。
刘录祥等[19 ]用高能7Li 离子 (4213MeV)辐照春麦和冬麦获得了多个新品系 ;此外还模拟宇宙线的混
合高能粒子场 (μ、π、e + 、e - 、1 P、γ)对小麦、蕃茄和花卉等进行辐照生物效应的研究 ,也获得了与γ射线
处理相比可显著提高其相对生物效应的实验结果。
213 　作者的研究工作
自 20 世纪 80 年代始我国的航天诱变育种研究取得了许多成果 ,但缺少基础性研究[20 ] 。到目前为
止 ,大家公认的航天诱变育种的物理基础是由宇宙辐射 (高能量的质子、电子和高原子序数粒子
如 :4 He、12 C、16O、56 Fe 等) 、微重力、弱磁场、振动和瞬间高温等多因素综合协同作用 ,而宇宙辐射是起主
导作用的因素。为了配合航天育种的基础研究 ,我们从 1995 年始在地面上用加速高能离子 (1 P、12 C、16
O)模拟空间环境辐照种子 ,取得了初步的预期结果。
21311 　质子辐照种子的生物效应研究　宇宙辐射中 80 %以上的成份是高能质子 ,因此进行质子辐照的
生物效应研究是很有必要的。我们试验中所用质子能量为 2～9MeV ,注量为 2 ×109～7 ×1010Πcm2 ;辐照
的农作物种子有冬麦和大麦[21 ] 、高梁[22 ] 、玉米、水稻、甜瓜和西瓜。结果显示质子辐照所引起的有益突
变显著高于γ射线 ,同时还取得其他一些初步结果 : ①获得了第 5 代稳定的突变新品系原冬 219 冬小
麦[23 ] ,其产量比原品种增产 10 %以上 ,且株高降低 10cm 以上 ; ②在甜高梁的实验中获得了早熟 15d 和
具有抗高梁花叶病的新品系等多个种质材料 ; ③与中国农科院作物研究所合作 ,用质子辐照的粳稻实验
中第 3 代获得了 3 个新品系 ,其产量增加 10 %～19 % ,且品质有所提高 ; ④与河北省唐山地区农科所[24 ]
合作用质子辐照西瓜种子 ,在第 6 代获得了优质新品种 ,2003 年在该地区推广上千亩 ; ⑤我们还协助浙
江农科院原子能利用研究所王彩莲等[25 ]用质子辐照水稻 ,获得了具有早抽穗、矮杆、千粒重增加等有益
突变的新材料。
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在质子辐照农作物种子试验中 ,当代幼苗生长情况出现了 3 个很有意义的结果 ;在后面所述的重离
子辐照种子中也有类似的结果 ,概述如下 :
2131111 　注入能量、贯穿能量和布喇格 (Bragg)峰效应 　在同一辐射注量下 ,能量为 2～6MeV 质子辐照
小麦时 ,辐射损伤随能量的增加而加大 ,以 6MeV 的辐射损伤最大 ;当质子能量大于 8MeV 时其辐射损伤
反而变小 ,此时质子似已穿透小麦种胚 ,在胚内不产生 Bragg 峰效应 ,则种胚内的总吸收剂量变小 ,因而
辐射损伤反而变小 ,如图 3 所示。因此我们可把 2～6MeV 的质子能量称作小麦的注入能量 ,即此时的
质子都停留在小麦种胚内 ,不同能量的辐射离子停留在不同深处并产生 Bragg 峰效应。
大于 8MeV 质子的能量可称作小麦的贯穿能量。对不同作物种子和不同离子辐射 ,所对应的最大
注入能量和最小贯穿能量是不同的。例如 ,12 C 离子辐照玉米种子 ,其注入能量约为 4～16MeVΠu ,而用
45MeVΠu 时已为贯穿能量。
2131112 　高比率的条状叶绿素缺失变异　
图 3 　质子辐射对小麦种子
苗期生长的影响
用 2～6MeV 质子辐照小麦、大麦、玉米和高梁种子时 ,在当代幼苗的
第 1 叶片上 ,沿中央叶脉处均出现条状叶绿素缺失变异 ,其变异率与
能量有关 ,其中以 4MeV 的质子辐照所出现的缺失率最高达 90 %～
100 % ,如图 3 所示。这种现象与同步辐射 (软 X 和超软 X) 辐照小
麦、大麦和高梁种子时相似[26 ] 。这种现象在γ辐射中未见报道。
2131113 　最低注入能量　用能量小于 2MeV 质子辐照大麦 (表 2) ,当
处理带有稃壳的种子时其幼苗苗高要高于对照 ,显示无辐射损伤作
用 ,此时没有条状叶绿素变异 ;而当处理剥离稃壳的种子时其苗高要
远低于对照 ,此时出现条状叶绿素缺失变异 ,显示出辐射损伤。这就
说明 ,当用低于 2MeV 质子辐照有稃壳的大麦时 ,质子不能直接进入
种胚内起作用。同样在用小于 115MeV 质子和小于 312MeVΠu12 C 离
子辐照小麦时都不能直接进入小麦种胚内起作用。上述能量可称作最低注入能量。
21312 　重离子辐照农作物种子的研究
表 2 　质子辐照对大麦的幼苗生长的影响
质子 稃壳 相对苗高 ( %) 条状叶绿素缺失率 ( %)
2MeV , 有 10410 0
2 ×109Πcm2 无 8115 752131211 　12 C、16O 离子辐射冬麦的生物效应 　　实验中采用4 个能量即 312、8、16、75 (MeVΠu) 和 4 个注量即 2、4、8、12 ( ×108 粒子Πcm2 ) 。实验结果显示 ,用 312MeVΠu 能量辐照后 ,当代幼苗未见辐射损伤 ,且个别剂量反而出现刺激效应 ,表明在
此情况下离子未能进入小麦种胚内。在上述注量下 ,能量为
16MeVΠu 处理种子能发芽 ,但全都死亡。而采用 75MeVΠu 高能量时 ,其相对苗高要高于对照 ,表现为贯
穿能量。在能量为 8MeVΠu 处理幼苗出现有条状叶绿素缺失变异。用 8MeVΠu 和 75MeVΠu 的12 C和16O 离
子辐照冬麦 ,在 M2 代均出现有益变异 ,其变异效率明显高于γ辐射。
2131212 　12 C和16O 离子辐射甜高粱的生物效应　　在 M1 代幼苗表现与辐射小麦相似 ,而在 M2 代获得
了含糖量均比原品种提高 1 倍的 3 个新品系。
2131213 　12 C离子辐照自交系玉米的生物效应　　采用 5 个能量 ,即 4、8、12、16、45 (MeVΠu)和 4 个注量 ,
即 5、10、12、40 ( ×107 粒子Πcm2 )进行辐照玉米的实验 ,观察当代幼苗生长状况。当12 C能量为 4～16MeVΠ
u 时其辐射损伤随能量的增加而加大 ,呈现为注入式能量 ,其中 16MeVΠu 的辐射损伤最大 ;而当能量为
45MeVΠu 时辐射损伤反而减小 ,表现为贯穿能量。在 M2 代出现早熟、矮杆、多穗等有益变异 ,雄花和雌
穗的也有明显变化。初步观察认为高能12 C离子辐照玉米引起的变异率远高于γ辐射。
此外 ,特别要提出 ,我们在 2003 年用返回式卫星搭载的 100 粒玉米种子的飞行实验中 ,发现有 1 株
幼苗的第 1 叶片上也出现条状叶绿素缺失变异。
513　4 期 离子辐射育种研究进展
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3 　展望
高能加速器造价高昂 ,一定程度上限制了离子辐照植物生物学效应的研究 ,但在科研人员的不断努
力下该领域的研究还是取得了一系列可喜的进展 ,其中一些结果显示 :离子辐射植物产生的诱变频率和
突变谱均远高于γ辐射 ;且离子辐射可做到能量的微调 ,可控制离子注入种胚内的特定部位起作用 ,这
为探索定位辐射诱变提供了可能。还要提出一点 ,近年来在转基因技术方面应用重离子辐射处理受体
材料 ,使外源 DNA 更易进入受体细胞 ,从而提高基因导入率和转化效率 ,此技术应用已受到广泛重视。
离子辐射植物生物学效应的研究 ,将提供一种较好的辐射诱变新手段 ,从而促进辐射育种的研究和应
用。
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