全 文 ：核 农 学 报 ,
岁 “介赵川 动
氮离子注入棉花种子的诱变效应
程备久 李 展 王公 明 林
’
毅
安徽农业大学 合肥
余增亮 何建军
中国科学院等离子体物理研究所 合肥 。。
用 的氮离子注入稀花干种 子 , 并以‘。 。下 射线辐照作参照 , 研 究 了 , 代
损伤 、 代 变异频率和变异谱 , 以及剂童效应 曲线及其相互关系 。 结果表 明 , 氮离子
能诱发稀花染 色体崎变 , 特别是落后染 色体的频率较 高 。 在 变异 中 , 数 量性状 , 以
及多个性状 同时 变异 的频率较 高 , 尤 以 又 诱发的铃重
、 铃数 、 早 熟和 优
质等有益性状的变异最多 , 其荆童效应 曲 线可 用 来描述 。
关键词 氮 离子 。下射线 棉花 诱变 染 色体
前 言
近年来 , 低能离子束作为一种新的诱变源 , 首先在我国用于作物诱变育种中 , 取得了令人
鼓舞的结果 , 并从理论和实践上对离子束的作用 、特点进行了有益的探索 一 ’〕
。 本文用 ℃。 射
线辐照作参照 , 研究氮离子束注入棉花干种子后 , 其 代幼苗和染色体损伤及 代性状的
变异 , 以期为离子束诱变育种提供科学依据 。
材 料 与 方 法
选用 自交多代的中棉所 号风干种子 , 经硫酸脱绒后晒干 、精选 , 一部分种子用
的 注入 , 注入方式为间断脉冲 , 剂量分别为 。、 , ‘ 十 , 、 , ‘ , 和 , “
十 , 将种子胚芽部正对离子束方向辐照 。 每种剂量 粒种子 , 其中 粒以胚根部正对
离子束辐照 , 次重复 。 另一部分种子用 ‘ ℃。下射线辐照作参照 , 剂量率 。 , 剂量分别
为 、 、 、 和 。 每种剂量也为 粒种子 。 处理后 , 每种剂量分别取 粒种子
包括离子束辐照胚根的种子 进行发芽试验和细胞学分析
、
, 次重复 。 待根长 左右 , 切取
根尖 , 用卡诺 氏固定液固定 , 检查 根根尖细胞的染色体畸变 。 其余种子进行营养钵
育苗 , 调查 , 代 夭成苗率 、苗高 , 第 真叶叶面积和畸形率 。 蕾期于早晨 一 点取幼蕾 ,
此文于 年 月 日收到 。
国家自然基金资助项 目 。
核 农 学 报 卷
用卡诺固定液固定 , 醋酸洋红染色镜检花粉母细胞的染色体变异 。 按株行法随机种植 , 除质
量性状外 , 均按〔〕方法检测变异体 , 以估计变异频率 。
结 果 与 分 析
一 , 代损伤效应
对成苗率和幼苗形态的影响 经氮离子注入后 , 对成苗率和幼苗形态均有不同程度的影
响 表 , 而影响最大的是成苗率 , 其次为第 真叶叶面积和苗高 损伤率均随离子注入剂量
的增加而递增 。 经离子束处理后 , 在相对成苗率为 时 , 苗高损伤率 、第 真叶叶面积损伤
率及畸形率分别约为 、 和 。 而经 , 射线辐照后 , 其损伤率分别约为 、“
和 写 。 损伤程度比氮离子束约大 倍二
农 幼苗形态和生理摄伤
,
处 理 抓离子束 “ 射线
, , 扭 补 ” 了
‘
成苗率 、 , 沉
。 。 ,
报伤率 可 沁 一
。 、 一
苗 商 记 , 卜
。 。 。
损伤率 写 一 一
。 ’
第 真叶叶面积 公 加
。
,
损伤率 斗 、 一
,
一
第 真叶崎形率 , 刊 一 一
。 一
对 , 根尖细胞染色体的影响 氮离子束正对胚根部辐照的种子 , 其根尖细胞的染色体
发生了变异 , 出现多种畸变类型 , 包括染色体桥 落后染色体 、断片 、染色体粘连和微核等 , 尤其
是落后染色体的比率较高 , 还出现同时具有几种变异类型的细胞 图版 。而且所有处理的染
色体畸变率均显著高于对照 , 在 ‘ , 剂量下 , 畴变率为对照的 倍 随离子注入
剂量的增加 , 染色体畸变率呈线性上升 。 与‘。 丫射线相 比 , 在幼苗损伤率相同条件下 , 氮离子
束诱发的染色体畸变率低 。 同时两者诱发的畸变类型也有差异 , 氮离子束能诱发较高频率的落
后染色体 , 而 下射线较易诱发桥和断片 表 。 此外 , 离子束正对胚芽注入的种子胚根 , 经镜
检 , 其染色体畸变率在 , 已 , 剂量下只有 。 , 与对照无明显差异 , 可见离子束的
损伤具有局部性 。
对花粉母细胞染色体的影响 由表 和图版 可见 , 种子经氮离子注入后到花粉母细胞
分裂时 , 染色体仍存在不同程度和类型的变异 。 其变异频率均显著高于对照 , 且随离子注入剂
量的增加而呈线性递增 。 而的 时 射线诱发的染色体变异 , 在类型上仍具有较多的单桥和断
片 , 在总变异频率上 已与氮离子束相近 , 与根尖细胞的崎变相比 , 其孩率下降的幅度远大于氮
离子束 , 这一结果显示 下射线诱发的染色体变异 , 在植株生长发育过程中较氮离子束易被修
复或丢失 。 此外 , 氮离子束诱发较高频率的落后染色体 , 有可能被作为棉花单体诱发的一条途
径 。
期 氮离子注入棉花种子的诱变效应
表 根尖细胞染色体崎变
处 理 氮离子束 。 射线
, “ ‘ 下一
中后末期细胞数
,
卜
染色体桥 单桥
双桥
多桥
一
落后染色体
断片
染色体粘连
微核
总崎变 总数
。
染色体畸变的剂量效应方程 一
·
二 、 ’
表 氮离子束对 、 花粉母细胞染色体的影响
、
处 理 氮离子束 “ 射线
, ‘ 一
中后末期细胞数
,
染色体桥 单桥
双桥 肠
多桥
落后染色体
断片
染色体粘连
非四极分裂 一 一
不同步分裂
一
微核
总畸变 总数
】
染色体畸变的剂量效应方程 十
, 一 二
孩 双 宇 报 苍
图版 氮离子束处理棉花种子诱发有丝分裂染色体畸变类型
, , 落后染色体
, , 记
, 染色体桥 染色体桥 断片 染色体桥 落后染色体 ,
,
落后染色体 微核 。
· ·
二 性状变异谱和变异频率
由表 可见 , 氮离子束诱发 性状变异的频率较高 , 在试验剂量中 , 以 ,‘ ,
总诱变频率最高 , 其次为 , , 和 又 , , , 义 “ , 诱变频率最低 。其
剂量效应 曲线可用 来描述 。 而铃重 、铃数 、早熟和优质有益变异 , 则 以
, 最多 , 随剂量进一步增加 , 有益变异频率下降 变异谱涉及到铃 、株型 、熟期和纤维
品质等多种性状 , 但以 ,‘ , 和 “ 变异谱最广 , 又 “ , 只涉及
个性状 。 因此 , 不同剂量处理可获得不同的变异频率和变异类型 。
此外 , 离子束诱发的 变异中 , 数量性状 如铃数 、铃重 、 纤维长度和细度 以及同时出现
两个以上性状变异的频率较高 , 在选取的 株变异体 中 , 同时具有两个性状的变异株占
。相反 , ’。 射线诱发 变异频率较低 , 变异谱相对较窄 , 尤其是有益变异频率低 。但
在诱发早熟和株高变异上与离子束相当 。‘。 。下射线诱发的多为单个性状和寡基因控制的性
状 , 在选择的突变体中 , 两个性状同时变异的频率只有 , 总变异的剂量效应曲线用线性
方程 十 拟配 。
戴离子注入棉花种子的诱变效应
图版 氮离子束处理棉花种子诱发减数分裂染色体畸变类型
单价体 , 落后染色体 染色体桥十徽核 ,
体桥 , 五极分裂 五分子 。
子 , ‘ ·
幻
染色体粘连 微核 不同步分裂 染色
哪 一
三 , 损伤与 变异的关系
按损伤率 一 对照值一 处理值 对照值 只 , 将 代花粉母细胞染色体畸变率和
成苗率换算成染色体损伤率和成苗损伤率 , 两者与 总变异频率的关系见图
。 可见氮离子
束与‘” 。下射线表现出不同的曲线类型 。 ‘” 射线辐照的 , 随着成苗率降低或染色体畸变率
增加 , 其 变异频率呈线性上升 。 而与氮离子束的关系则表现为幕函数 二 “ 或二次函数
型 一 , , 在较低的损伤下可获得较高的变异频率 。 当损伤达到一定程度后 , 变异
频率不再增加 , 甚至下降 , 表现出类似化学诱变的一些特点 〔‘习
。 我们按 和 提出的
诱变效率二 突变频率 生物学损伤的公式 , 计算了氮离子束和 ℃。 射线的诱变效率 , 结果列于
表 。 可以看出 , 氮离子束的诱变效率高于 。了射线 。 以成苗率 、苗高 、第 真叶叶面积和畸形
率 , 以及花粉母细胞染色体为损伤指标 , 其氮离子束的诱变效率分别比 了射线高出 ,
, , 一 和 一 倍 。 尤其是氮离子束为 火 “ 时 , 其诱变效率最高
。
核 农 学 报 卷
农 变异类型及颐率
处 理 盆离子束 ‘ 射线
, ‘ 劝 一
总 株 数
铃变异频率 铃形 ,
铃孟
。
铃数
株型变异频率 株高
果枝类型
‘ 。 。
写
茎粗
熟期变异频率 早熟
晚熟
比
纤维变异频率 纤维长度
纤维细度
茎色
。 。 。
变异频率 。
变异株数
总变异频率
。 。
。
叶绿素变异率
总变异频率 的剂量 效应方程 一 名 十
” 二
具有 个或多个性状变异的株数 。
”
讨 论
氮离子束同 ” 射线一样 , 不仅能诱发棉花染色体畴变 , 而且能诱发较高频率的 性
状变异 。 与 下射线 比较 , 可在较轻的损伤下 , 获得较高的变异频率和较广的变异谱 。
‘
氮离子束诱发棉花数量性状变异及多性状同时变异的频率高于低 的‘“ 叮 射线 , 这
是因为高 的氮离子束具有较高的电离密度 , 电离径迹 中心半径大 , 当一个荷能 击中
染色体上 分子时 , 可导致较大范围的基因受损 , 而低 的 下射线电离密度低 , 电离径
迹 半径小 , 径迹 间的距离又较大 , 击中染色体时对基因的影响范围可能较小 。 另一方面 , 荷能
期 氮离子注人棉花种子的诱变效应
图 、 报伤率与 性状变异频率的关系
成苗报伤率 “ 丫射线
花粉母细胞染色体损伤率 ‘ 射线
成苗损伤率 氮离子束
’
花粉母细胞染色体损伤率 氮离子束
八次甘芝
飞
扭伤率 一 , 撰
‘ 一
‘ 一
玉
火
卜
三‘一扫﹄仍﹄‘尸。‘书卜吕口巴肠
研握眯俐务塑”芝
表 氮离子束的诱变效率
·
处 理 氮离子束 。 射线
一
, “ 市
总变异率
。
成苗率 损伤率
效率
苗高 损伤率
卜 效率
第 真叶叶面积 损伤率
】 效率
】
第 真叶畸形率 损伤率
。 。
效率
,
】
花粉母细胞染色体 损伤率
效率
十 可能引起生物大分子发生构型改变 , 使得慢化的 十 在沉积过程中不断与生物分子发生作
用 , 形成各种各样稳定态和半稳定态化合物 , 从而影响 分子结构及其复制的正确性 ,
引起多种生物大分子的点突变 , 可见离子束具有能量和质量的双重效应 。 而 ℃。下射线效应较
小 , 这可能正是两者在诱变效应上表现出差异的原因 。 因此 , 利用离子束可望在提高突变频率
的同时 , 使几个不 良性状或数量性状获得改良 。
离子束的能量损伤存在峰值 , 因而损伤主要集中在 峰处 。 作者等用 的氮离
众 众 哪耘 幼
,
子束对准玉米 、棉花胚芽部辐照 , 其胚根部染色体畸变率极低 , 并且 信号只在正对离子束
表面 拜 厚的薄层中检测到 , 可见其损伤是局部的 。 而 射线穿透力强 , 是一种整体损
伤 。值得注意的是 , 低能离子束的穿透能力有限 , 要使 峰出现在诱变区 胚芽 , 对棉花这
种带硬壳且胚芽被较厚子叶包埋的种子 , 必须采取一些措施 , 以免降低或失去诱变作用 。
参 考 文 献
余增亮等
·
离子注入生物效应及育种研究进展 安徽农学院学报 , ,
程备久等 过氧化物醉同功醉变异与离子注人量及农艺性状的损伤关系 安徽农学院学报 , ,
程备久等 离子注入其种子含水量与自由基含量及损伤率的关系 安徽农学院学报 , ,
周松茂 诱变育种中突变频率的计算 。 原子能农业应用 , ,
, , , ,
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