全 文 ：第 16 卷 第 2 期
Vol. 16 No . 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2008 年 3 月
Mar . 2008
高能混合粒子场和 射线对紫花苜蓿的诱变效应
尚 晨1 , 张月学1* , 唐凤兰1 , 刘杰淋1, 韩微波1 , 蒿若超1 , 李集临2 , 徐香玲2 , 刘录祥3*
( 1.黑龙江省农科院草业研究所 , 哈尔滨 150086; 2.哈尔滨师范大学生物系 , 哈尔滨 150025;
3.中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081)
摘要: 分别利用5 个不同剂量( 109、145、195、284 和 560Gy)的高能混合粒子场和60Co射线处理龙牧 803 紫花苜蓿
( Medicago sativ a L . Melilotoides ruthenicus ( L . ) Sojak cv. Longmu 803)干种子,比较同一剂量不同处理方法
间和同一处理方法不同剂量间的生物学效应。结果表明, 高能混合粒子场处理的种子发芽势和发芽率明显高于
射线处理,发芽势高于对照, 发芽率低于对照;微核率略低于射线处理,两者均显著高于对照;射线处理的株高
和产量随着处理剂量的增高而降低,除 109Gy外, 均低于对照和高能混合粒子场处理, 高能混合粒子场处理对植
株的损伤效应较小。
关键词: 紫花苜蓿; 高能混合粒子场; 射线; 诱变; 生物学效应
中图分类号: S812 文献类别: A 文章编号: 1007-0435( 2008) 02-0125-04
Bioeffect Comparison of Mutation Induction by Mixed High Energy Particle
Field and -rays Irradiation in Alfalfa Longmu 803
SH ANG Chen
1
, ZHANG Yue-xue
1*
, T ANG Feng- lan
1
, L IU Jie- lin
1
, HAN We-i bo
1
,
HAO Ruo-chao
1
, L I J-i lin
2
, XU Xiang- ling
2
, L IU Lu-x iang
3*
( 1. Inst itute of Pratacultural S ciences, H eilongjiang Academy of Agricul tu ral S cien ces , H arb in, H eilongjiang Province 150086, Ch ina;
2. Department of Biology, H arb in Norm al Un iversity, Harbin , H eilongjian g Province 150025, China;
3. In st itu te of Crop S cience, Chin ese Academy of Agricul tu ral S cien ces , Bei jing 100081, China)
Abstract: One group of dry seeds o f M edicag o sativa Meli lotoides ruthenicus ( L. ) Sojak cv. Longmu
803 w as irradiated by m ixed high energ y part icle field w ith fiv e do sages, i. e. 109Gy, 145Gy , 195Gy,
284Gy, and 560Gy, w hich w as gener ated f rom E2 beam lines o f LINAC of Beijing Elect ron Positr on Co ll-i
der ; the other equal g roup w as irradiated w ith the same f ive do sages by the 60 Co -rays. T he different
bioef fects w ere mutually studied betw een the different processing methods for a given dosage and among
the different dosages for a g iv en processing method. The results show the seeds in mixed high-energ y par-
t icle f ield irradiated group had significant ly higher germinat ion energy and germinat ion r ate than those in -
rays irradiated g roup, and their g erminat ion energy w as higher but germinat ion rate low er than tho se of
CK; the order of m icronucleus r ate w as -rays irradiate gr oup> mixed high-energ y part icle f ield irradiated
group> CK; the plant height and w eight in 60 Co -rays group w ere decreased along w ith the incr eased dos-
ages and low er than tho se in mixed high-energ y particle field ir radiated group and CK w ith except ion at
dosage of 109Gy. T he m ixed high- ener gy part icle field irradiat ion had lighter damage ef fects than -rays ir-
r adiat ion on plants.
Key words: Alfalfa; Mixed high-energy part icle field; 60Co -rays; Induced mutat ion; Biolo gical ef fect
收稿日期: 2007-10-16; 修回日期: 2008-03-04
基金项目: 国家自然科学基金项目( 30270345 ) ; 国际原子能机构合同项目 ( RC12610和 RC14195 ) ; 中国国家航天育种工程项目 ( FG-
GJ2003-138)
作者简介: 尚晨( 1982-) ,在读硕士生,黑龙江哈尔滨人,研究方向为紫花苜蓿辐射诱变育种研究; * 通讯作者 Au th or for correspondence,
张月学, E-m ail : zyxn ky@ 163. com,刘录祥, E-mail: luxiang@ 263. net . cn
草 地 学 报 第 16卷
多年的育种实践证明, 辐射诱变能有效提高作
物变异率、缩短育种年限, 达到增加生物产量、改善
品质和提高抗性等效果[ 1]。辐射是空间诱变的因素
之一,为了地面模拟空间诱变,中国农业科学院航天
育种中心等单位率先利用北京正负电子对撞机模拟
次级宇宙粒子, 发明了包括派介子、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,目前主要应用于小麦( T r it icum aest i vum
L. )、蔬菜等作物改良上, 并已在部分冬小麦品种中
得到了比 射线处理更高的相对生物学和细胞学效
应[ 2~ 4] , 是一种较新的辐射技术。目前在苜蓿上的
应用未见报道。本试验采用相同剂量的高能混合粒
子场和 射线处理龙牧 803紫花苜蓿, 比较评价两
种诱变因素的诱变效应, 旨在为紫花苜蓿诱变育种
的理论和应用提供基础数据。
1 材料与方法
1. 1 供试材料
以 2004年收获的龙牧 803紫花苜蓿 ( Medica-
go sat iva L. Meli lotoides ruthenicus ( L . ) Sojak
cv. Longmu N o. 803)干种子为材料,由黑龙江省草
业研究所提供。
1. 2 辐射处理
2004年,将 15g龙牧 803紫花苜蓿干种子等量
分为两份,分别用高能混合粒子场和60 Co射线(吸
收剂量率为0. 25Gy / min,源活度4000Ci)以相同剂
量处理,剂量分别为 0、109、145、195、284和 560Gy。
1. 3 发芽试验
2005年,每处理种子各取 100粒。放入培养皿
中,在 28~ 30 恒温条件下做室内发芽实验。测定
其 58 h后的发芽势和 120 h后的发芽率[ 5] 。
发芽率(发芽势)= 发芽种子/种子总数100%
1. 4 微核畸变率观察
每处理各随机取 50粒种子在恒温箱内进行发
芽,根尖长到 1 cm 长时, 截取 0. 5 cm 幼嫩根尖,冲
洗后,用卡诺氏( Carnoy)固定液固定 12 h, 醋酸洋
红染色 72 h,压片法制片, 镜检、计数。每剂量随机
抽取 10个染色体制片进行细胞学统计, 在 40倍显
微镜下, 每张染色体制片统计大约 200个细胞。统
计细胞总数、微核数。
核畸变率( 0. 1%) = (微核畸变数/观察细胞总
数) 100
1. 5 田间观测
每处理随机取种子,于 2005年早春进行育苗, 5
月 20日移栽大田,株距 40 cm ,行距 70 cm。每处理
约种植 30株。在现蕾期用木尺在田间生长状态下
测量株高,单株刈割后测量鲜重。
1. 6 数据处理
利用 Excel进行统计、计算。使用方差分析法
进行差异显著性测定。
2 结果与分析
2. 1 诱变处理对紫花苜蓿发芽势和发芽率的影响
高能混合粒子场处理组的发芽势高于 射线处
理组(表 1) ,其中 109和 560Gy处理显著高于对照,
145、195和 284Gy 高能混合粒子场处理极显著高于
对照。射线处理组的发芽势低于高能混合粒子场
处理,高于对照, 其中 109、195 和 284Gy 处理显著
高于对照, 145和 560Gy 处理与对照相同; 高能混合
粒子场处理组的发芽率高于 射线处理组 (见表
1) ,低于对照, 其中 109、145和 560Gy 处理显著低
于对照, 195 和 284Gy 与对照差异不显著。射线
处理组的发芽率低于高能混合粒子场处理,也显著
低于对照。结果表明高能混合粒子场处理使苜蓿种
子活力明显增强, 两种处理都有辐射损伤产生。
表 1 利用高能混合粒子场和 射线处理龙牧 803紫花苜蓿的发芽势和发芽率
Table 1 Germination energ y and germination rate of Longmu No. 803 irr adiat ed r espectively
by the mixed high-ener gy particle field and 60Co - rays
剂量( Gy) Dose 对照 CK 射线 -rays
高能混合粒子场
Mix ed high energy part icle field
0 109 145 195 284 560 109 145 195 284 560
发芽势( % ) Germ inat ion en ergy 0 19* 0 17* 36* 0 18* 61** 54** 45** 20*
发芽率( % ) Germ inat ion rate 91 63* 71* 56* 55* 68* 72* 70* 88 81 70*
注:表中* 表示与对照有显著差异, ** 表示与对照有极显著差异
Note: * and ** indicates significant diff erence at 0. 05 level and ext reme- significant dif ference at 0. 01 level in comparison to CK, respectively
126
第 2期 尚晨等:高能混合粒子场和射线对紫花苜蓿的诱变效应
2. 2 诱变处理对紫花苜蓿微核率的影响
射线 109Gy 处理与对照在微核率上存在显著
差异,其余剂量均存在极显著差异;高能混合粒子场
处理除 109Gy 处理与对照无显著差异, 其余剂量均
存在极显著差异(表 2)。表明两种辐射方法都能造
成一定数量的微核畸变, 射线处理普遍高于高能
粒子处理,微核数都是随着剂量的增加而增加。
2. 3 诱变处理对紫花苜蓿田间性状的影响
两种处理的平均株高表现为低剂量下射线处
理高于高能混合粒子场处理, 高剂量下 射线处理
低于高能混合粒子场处理;其中 射线 109Gy 处理
显著高于对照, 560Gy处理显著低于对照; 高能混合
粒子场各处理与对照没有显著差异(表 3)。射线
处理变异系数大于高能混合粒子场处理;射线和
高能混合粒子场处理的最大变异系数分别为 36. 47
和 26. 59, 分别出现在 284和 195Gy ,从株高出现的
极端数值看, 最大值 ( 109Gy 的 88 cm )和最小值
( 284Gy 的 21 cm )都出现在 射线处理组。表明
射线引起的株高变化范围大于高能混合粒子场。
射线处理组的株高是随着处理剂量的增高而降低,
趋势明显,除 109Gy 高于对照外,其余均低于对照;
高能混合粒子场处理组除 145Gy 低于高能混合粒
子场产生的抑制影响小于 射线。
表 2 利用高能混合粒子场和射线处理龙牧 803 紫花苜蓿根尖细胞微核统计表
Table 2 Micronucleus rate o f Longmu No . 803 ir radiated r espectiv ely by the mixed high-energ y particle field and 60Co - ray s
剂量( Gy) Dose 对照 CK 射线 -rays
高能混合粒子场
Mix ed high energy part icle field
0 109 145 195 284 560 109 145 195 284 560
微核数 Number of micron ucleus 110 206 266 324 273 389 171 247 256 258 295
观察细胞数 Observed cel l number 1991 1964 1966 1978 2042 1972 1946 1875 1920 2041 1731
微核率( % ) Rate of micronucleus 5. 52 10. 49* 13. 53** 16. 38** 13. 37** 19. 73** 8. 79 13. 17** 13. 33** 12. 64** 17. 04**
注:表中* 表示与对照具有显著差异。** 表示与对照具有极显著差异
Note: * and ** indicates significant diff erence at 0. 05 level and ext reme- significant dif ference at 0. 01 level in comparison to CK, respectively
表 3 利用高能混合粒子场和射线处理紫花苜蓿(龙牧 803)的株高
T able 3 P lant height o f Longmu No. 803 ir radiated respectiv ely by the mixed high-energ y part icle field and 60 Co - rays
剂量( Gy) Dose 对照 CK 射线-rays
高能混合粒子场
Mix ed high energy part icle field
0 109 145 195 284 560 109 145 195 284 560
变异系数( % ) Coef f icien t of variat ion 8. 29 30. 82 29. 30 26. 40 36. 47 20. 00 17. 13 12. 69 26. 59 24. 40 22. 55
平均株高( cm) Averag e plan t height 53. 50 56. 80* 47. 57 46. 33 46. 53 42. 42* 51. 54 45. 44 50. 06 53. 27 52. 30
最小值( cm) M in 49 30 25 22 21 24 40 35 29 40 28
最大值( cm) M ax 59 88 87 69 87 55 70 55 75 80 70
注:表中* 表示与对照具有显著差异; Note: * indicates sign ificant diff erence at 0. 05 level in com paris on to CK
表 4 利用 射线和高能混合粒子场处理紫花苜蓿(龙牧 803)的产量
Table 4 Plant w eight o f Longmu No. 803 ir radiated respectiv ely by the m ixed high-energ y part icle field and 60 Co - rays
剂量( Gy) Dose 对照 CK 射线-rays
高能混合粒子场
Mix ed high en ergy part icle field
0 109 145 195 284 560 109 145 195 284 560
变异系数 ( % ) C oef ficient of variat ion 52. 80 65. 08 55. 16 51. 51 67. 52 53. 05 63. 22 60. 89 69. 24 63. 28 52. 13
平均产量( g) Aaverage plant w eight 197. 50 259. 00* 171. 48 172. 29 162. 11 142. 42* 245. 77* 188. 89 215. 00 241. 36* 206. 50
最小值( g) M in 75 65 15 30 5 15 70 55 30 60 45
最大值( g) Max 400 735 350 395 435 345 545 395 550 620 325
注:表中* 表示与对照具有显著差异; Note: * indicates sign ificant diff erence at 0. 05 level in com paris on to CK
高能混合粒子场处理的平均产量明显高于射
线处理(除 射线 109Gy 外) ,其中 射线 109Gy 处
理显著高于对照, 560Gy处理显著低于对照; 高能混
合粒子场 109和 284Gy 处理显著高于对照,其余处
理与对照差异不明显。从变异系数看两种处理以及
剂量之间差异没有株高明显。从产量出现的极端数
值看,最大值( 109Gy 的 735 g )和最小值( 284Gy 的
5 g)都出现在 射线处理组(表 4)。射线处理组
的产量是随着处理剂量的增高而降低,趋势明显;高
能混合粒子场处理组除 145Gy 剂量处理略低于对
照外,其它处理均高于对照。表明高能混合粒子场处
理提高紫花苜蓿产量效应明显。
127
草 地 学 报 第 16卷
3 讨 论
3.1 射线是一种电磁辐射, 它以电场和磁场交变
振荡的方式穿过物质和空间传递能量。混合粒子场
是利用北京正负电子对撞机模拟次级宇宙粒子产生
的,是一类粒子辐射,它们是一些组成物质的基本粒
子,或者是由这些基本粒子构成的原子核。粒子辐射
是一些高速运动的粒子,通过损失自己的动能把能量
传递给其他物质。两种辐射的作用有所不同,电磁辐
射仅有能量;粒子辐射既有能量, 又有静止质量[ 6] ,可
以在电场、磁场的作用下被加速或减速以获得不同的
能量,也可被聚焦成微细束,对其入射深度和部位进
行高精度的控制[ 7]。
3.2 航天育种利用空间环境进行诱变是一种有效的
作物改良方法[ 8~ 11]。但是,航天育种存在着技术高、
费用大、机会少等制约因素,因此有必要进行地面模
拟航天环境的试验[ 12] 。目前, 利用零磁空间装置模
拟空间弱地磁效应处理植物种子已经取得了可喜的
进展[ 13~ 15] 。利用加速器模拟太空中的单个粒子也有
了很多的研究[ 16~ 18] ,由于太空辐射是由多种高能、高
传能线密度( LET)粒子组成的混合场,单粒子效应难
以真实反映宇宙射线辐射效应。1999 年以来, 中国
农业科学院航天育种中心等单位发明混合粒子场,更
接近宇宙射线辐射效应 ,并成功用于处理小麦种子。
研究结果发现:高能混合粒子场处理小麦种子根尖细
胞有丝分裂指数明显降低,染色体畸变明显增加。利
用射线诱变紫花苜蓿已有相关研究[ 19,20] ,利用高能
混合粒子场诱变紫花苜蓿未见报道。本试验首次利
用高能混合粒子场与 射线两种诱变源分别处理龙
牧803紫花苜蓿干种子,并进行了辐射效应比较研
究,结果表明高能混合粒子场作为新的诱变源用于紫
花苜蓿诱变育种是可行的。
3.3 本试验的发芽势是放入培养皿后 58 h计数的
(因多数处理都出现露白) ,对照、射线 145和 560Gy
处理的发芽势出现 0。分析原因可能与初次计数时
间过早有关。
4 结 论
4.1 高能混合粒子场处理组的发芽势和发芽率均大
于射线处理组,微核畸变率小于 射线,对株高产
生的抑制影响小于射线,引起的产量变异优于 射
线变异;
4.2 在109~ 560Gy 剂量范围内,利用传统诱变源的
射线处理紫花苜蓿变异系数大, 其极端数值超过高
能混合粒子场;
4. 3 利用新的诱变源高能混合粒子场处理紫花苜
蓿辐射损伤小,发芽势、发芽率和平均产量都高于
射线。
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(责任编辑 张蕴薇)
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