全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19( 2) : 143～148
Journal of Wuhan Botanical Research
低能碳、氮离子对甜叶菊萌发率、
生长量及过氧化物酶的影响
王鸣刚　 罗茂春
　 张向红　 沈明山　 陈睦传
(厦门大学细胞生物学与肿瘤细胞工程教育部重点实验室, 厦门　361005)
摘　要: 以经过碳、氮 ( 75×1014 keV / cm2 )离子注入处理后的甜叶菊 ( S tevia rebaudiana
Ber toni)种子为材料, 研究低能离子注入对甜叶菊萌发率、生长量及过氧化物同工酶的影响。
结果表明: ( 1)萌发期处理组的萌发率低于对照, 萌发延迟,幼苗成活率不及对照组;萌发后期
处理组的相对生长量、过氧化物酶活性高于对照组。( 2)幼苗移至实验地种植后,处理组幼苗
长势明显优于未处理组, 处理组 60 d 蕾株比明显高于对照组。( 3)过氧化物酶同工酶谱分析
发现, 对照组具有完整 6 条基本带的植株数为 12, 具有完整 B1、B2 基本带的植株数为 20; C+
处理组分别为 5 和 11, N + 处理组分别为 5 和 6。统计发现低能离子的注入影响最大的是同工
酶谱 B1、B2 带。N +处理组生物学负效应大于 C+处理组。
关键词: 甜叶菊; 离子注入; 萌发率; 生长量; 过氧化物酶
　　中图分类号: Q691. 5　文献标识码: A　文章编号: 1000-470X ( 2001) 02-0143-06
Effects of Low Energy Carbon Ion and Nitrogen
Ion Implantation on Germinant Rate, Growth Weight
and Peroxidase of Stevia rebaudiana Bertoni
WANG Ming-Gang , LU O M ao-Chun, ZHANG Xiang-Hong ,
SHEN M ing-Shan, CHEN Mu-Chuan
( K ey Labor atory of the M inistry of E ducation Cel l B iology and T umor Cell
Eng ineer ing, X iam en Univ er si ty, Xiamen　361005, Ch ina)
Abstract: The paper reports the ef fects of low energ y Carbon and Nit ro gen ion
( 75×1014 keV / cm 2) implantat ion into S. rebaudiana seeds. on germinant r ate,
relative grow th w eight and perox idase of S . rebaudiana. T he results show ed:
( 1) The seed germinant rates w ere low er and seeding servival r ates and deve-
lopment speeds w ere slow er in the t reated g roups than those in the contr ol in
the init ial period of seed germ inat ing ; but in the late period o f seed germinating
the relat iv e g row th weight and perox idase activity w ere higher in t reated
groups than those in the contro l. ( 2) When seedings w ere t ransplanted into ex-


收稿日期: 2000-06-20,修回日期: 2001-02-17。
基金项目:国家基金委重大项目资助课题( 19890300)。
作者简介:王鸣刚( 1962- ) ,男,博士,主要从事植物细胞分子生物学研究。
福建省龙岩师专生物学系进修教师,福建省龙岩市 364000。
perimental f ield the g row th and development were speeded up in t reated groups
than that in the control. The rate of f low er bud plants were higher in t reated
groups than that in the contr ol. ( 3) The iso zymogram of perox idase by PAGE
show ed that there w ere 12 plants w hich had 1～6 basic bands and 20 plants
w hich had B1, B2 bands in the contr ol, but only there w ere 5 plants and 11
plants, respect ively, in C
+
tr eated groups, and there were 5 plants and 6
plants, respect iv ely , in N
+
t reated gr oups. T he r esult also show ed there w er e
mor e negat iv e effects by ion implantat ion into S. rebaud iana in N
+
t reated
groups than those in C
+
t reated groups in the periods of seed germ inat ing and
plant g row th.
Key words: Germinant rate; Growth w eight ; Ion implantat ion; Perox idase;
Stevia rebaudiana
甜叶菊( Stevia r ebaudiana Bertoni)属甜菊科甜菊属, 原产南美洲, 为多年生草本植
物。其叶片含有甜度高、低热量、无毒的甜菊糖苷,可替代蔗糖和糖精应用于饮料、食品、医
药和日用化工等多种行业; 是糖尿病、高血压、高血脂患者的理想甜味剂;因而甜叶菊是一
种颇有前景的糖料植物。我国自1977年从日本引种成功以来,在全国广泛种植,已成为继
蔗糖、甜菜糖后的第三大天然糖原[ 1]。由于甜叶菊是自交不亲和的异花授粉植物, 极易杂
交而导致品质退化,因此选育甜叶菊优质新品种尤为重要。
自 1986年中科院等离子体物理研究所余增亮和安徽农科院合作,率先用50 keV N +
离子注入水稻干种子进行诱变效应研究,获得可喜结果以来, 离子束作为一种新的诱变源
已被广泛应用在小麦、玉米、大豆、棉花、甘薯、烟草、果树、蔬菜等多种作物 [ 2 4]。舒世珍
等[ 5]应用 N +离子注入技术选育出品质较好的 R-A糖苷组分含量高的甜叶菊新品种。罗
茂春等[ 6]发现 C+ ( 100×1015 keV/ cm2 )离子注入甜叶菊种子后出现萌发迟缓、生长速度变
慢、叶绿体发育减慢和叶绿体膜被破坏等现象。丁亮等 [ 7]应用RAPD技术分析N + 离子注
入后甜叶菊幼苗基因组变化,从 DNA 水平确定低能离子注入对甜叶菊的生物学效应。有
关离子注入甜叶菊后其效应的原初反应机理特别是分子生物学机理的研究报道很少。笔
者就碳、氮离子注入甜叶菊后,对其种子萌发、幼苗生长, 特别是对萌发期间及幼苗生长期
间的过氧化物酶( POD)活性及同工酶酶谱的变化进行了分析,为进一步探明离子注入甜
叶菊的生物学效应,培育甜叶菊新品种奠定理论基础。有关的研究内容还未见报道。
1　材料和方法
1. 1　材料
实验材料为甜叶菊( Stevia rebaudiana Bertoni)“云宾”品种干种子,由中国农科院品
种资源研究所舒世珍研究员提供; 于北京师范大学低能核物理研究所进行碳、氮
( 75×1014 keV/ cm2 )离子注入处理。
1. 2　种子的萌发
取经碳、氮离子注入处理的“云宾”甜叶菊种子 80粒,经消毒灭菌后,置于铺有吸水纸
的培养皿中, 人工光照培养箱( 25℃±1℃)中萌发、生长, 定期取样。统计萌发率、生长量,
测定过氧化物酶活性。待幼苗为10 d龄时移至实验地种植。设3次重复,取平均值进行统
计。统计学处理采用 t检验及 X 2检验。
144 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19卷　　
1. 3　过氧化物酶活性及同功酶的分析
在培养皿中及实验田内随机取经碳、氮( 75×1014 keV/ cm 2)离子注入处理后的甜叶
菊幼苗及成苗 36株,取其茎尖处叶 2片,进行 POD活性测定及同功酶的分析。以未经离
子注入处理后的甜叶菊为对照。酶液提取、活性测定、制胶、电泳及染色, 依据吴少伯[ 8]和
胡能书[ 9]的方法改进完成。
1. 4　过氧化物酶同工酶酶谱的统计与分析
由于甜叶菊为一高度异交的杂合群体, 每一单株具有自己的特异 POD同工酶酶谱。
但统计后发现其品种内存在基本酶谱, 即未处理的“云宾”甜叶菊品种群体中具有 6个基
本的POD 同工酶酶带。从试验的108株植株 POD酶谱看出,各个单株的酶谱均在 6个基
本带范围内。通过比较处理组和对照组试验的 36株植株的同工酶基本带缺失频率的变
化,能够较为准确地反映处理组间同工酶谱带多态性变化的特征。
2　结果与分析
2. 1　碳、氮离子注入后对甜叶菊种子萌发期间生物量的影响
碳、氮离子处理后,甜叶菊种子萌发率、萌发速率、幼苗成活率及后期生长等都受到一
定影响(图 1,表 1)。种子萌发 1～4 d,处理组相对生长量低于对照组, 但萌发至第 5 d后
其生长速率逐渐加快, 相对生长量高于对照组, 其中碳处理组高于氮处理组。
表 1　碳、氮离子注入对甜叶菊生长发育的影响
T able 1　Effect of Carbon and N itr og en ion im plantations into S . r ebaud iana
on g r ow th and development of S . r ebaudiana
处理
T reatment s
萌发率( % )
Germ inat ing
rat es
萌发速率
Germ inat ing
speeds
10 d龄 4叶
株数比(% )
Num. o f 10-d
plant with
4 leaves per
100 plants
30 d 株高( cm)
30-d plant
height
60 d株高( cm)
60-d plant
height
60 d株干重( g )
60-d plant
dry weight
60 d蕾株比( % )
Buds/ Plants
( per 100 plants)
C + 79. 1±2. 7 + 44. 4±1. 5 9. 7±2. 8 26. 9±2. 1 14. 5±0. 2* 70. 8±2. 8* *
N+ 84. 5±2. 1 + 43. 5±1. 8 8. 4±1. 8 24. 1±2. 3 14. 4±0. 5* 62. 0±2. 3*　
对照组( CK ) 90. 0±1. 6 + + + 78. 9±1. 8 7. 2±0. 6 22. 8±0. 9 12. 5±0. 3　 48. 2±2. 5　　
* 与未处理比较显著差异水平 P < 0. 05; * * 与未处理比较显著差异水平 P< 0. 01。
* Com pared w ith cont rol gr ou p prominent dif f erence level P < 0. 05; * * Com pared w ith cont rol gr ou p prominent dif-
ference level P< 0. 01.
图 1　碳、氮离子注入对甜叶菊幼苗生长的影响
Fig. 1　Effect s of C+ an d N+ ion im plantat ions
on the grow th of S . rebaud iana seedl ing
图 2　碳、氮离子注入对甜叶菊萌发期过氧化物酶活性的影响
Fig. 2　Ef fects of C+ and N+ ion implantat ion s on peroxi-
dase act ivi ties of S . rebaud iana during it s seed germinat ing
145　第 2期　　　　王鸣刚等:低能碳、氮离子对甜叶菊萌发率、生长量及过氧化物酶的影响
2. 2　种子萌发期间过氧化物酶活性变化
经碳、氮离子注入后,处理组在种子萌发的 1～4 d 内, 其 POD活性均低于对照组
(图 2)。但随萌发天数的增加其 POD活性迅速提高, 其中碳处理组酶活性又高于氮处理
组。这与图 1 的结果相吻合,可能是损伤修复后致使生长速度加快的结果。
2. 3　碳、氮离子注入对甜叶菊幼苗期及成熟期的生长量及显蕾期的影响
经碳、氮离子注入后的甜菊种子萌发率、萌发速度低于对照组,萌发延迟(表 1)。幼苗
成活率不及对照组。将萌发 10 d 幼苗移至大田种植后发现, 10 d龄 4叶株百分比明显减
少。但由于离子注入的效应,处理组存活植株生长至 30 d时其平均株高、干重和 60 d蕾株
百分比明显高于对照组,其中碳处理组的植株长势优于氮处理组。说明低能离子注入可缩
短甜叶菊植株生育周期,促使甜叶菊提早开花结果。这对开花结果的植物来说,是非常有
意义的。
2. 4　过氧化物酶同工酶酶谱变化
表 2及图 3、4、5表明:离子注入后可引起 POD同工酶酶谱发生多态性变化, 其中变
化最明显的是 B1、B2及 B6酶带, 而 B3、B4和 B5基本没有受离子注入的影响,但其活性
在处理组中增加。对照组中具有B1, B2酶带的植株数为 20株,而碳处理组为 11株,氮处
理组为 6株。B6酶带似乎由于氮离子的注入而频率降低(对照组为 22株,碳处理组为 20
表 2　碳、氮处理组和对照组过氧化物酶同工酶酶谱变化的多态性*
Table 2　Changes of pero x idase isozymogram by Carbon and N itr og en ion
implantation into t he S . r ebaudia
POD同工酶带
Peroxid as e
对照　 Cont rol
显带株数
Plants of
appeared
ban d
缺带株数
Plants of
disappeared
b and
C+ 处理　C ion t reatment
显带株数
Plants of
appeared
band
缺带株数
Plan ts of
di sap peared
band
N+ 处理　N ion t reament
显带株数
Plants of
ap peared
band
缺带株数
Plants of
disappeared
band
总计缺失带
T otal
disappeared
b ands
B1 bands 21 - 15 12 - 24 8 - 28 - 67
B2 bands 26 - 10 18 - 18 17 - 19 - 47
B3 bands 28 - 8 26 - 10 29 - 7 - 25
B4 bands 31 - 5 30 - 6 32 - 4 - 15
B5 bands 28 - 8 32 - 4 33 - 3 - 15
B6 bands 22 - 14 20 - 16 16 - 20 - 50
总计
Total numbers
156 - 60 138 - 78 135 - 81 - 219
　　* 表中数据以每处理组 36株基本株数表示。
* T he dates in table 2 w ere POD bands in 36 plants each group.
图 3a　碳离子处理组不同植株 POD 同工酶酶谱变化
Fig. 3a　C han ges of p eroxidase is ozymogram in
different plants t reated by Carb on ion
　
图 3b　氮离子处理组不同植株 POD同工酶酶谱变化
Fig. 3b　Changes of per ox idas e isozym ogr am in
dif ferent plants t reated by Nit rogen ion
　
146 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19卷　　
CK. 13～24株(左) ; C+ . 13～24株(右)
C K.No. 13～24 ( left ) ; C+ + . 13～24 ( righ t )
图 4a　碳离子处理组不同植株 POD 同工酶酶谱变化
Fig. 4a　C han ges of p eroxidase is ozymogram in
different plants t reated by Carb on ion
CK. 13～24株(左) ; N+ . 13～24株(右)
CK. No. 13～24( lef t ) ; N+ . No. 13～24( righ t)
图 4b　氮离子处理组不同植株 POD同工酶酶谱变化
Fig. 4b　Changes of per ox idas e isozym ogr am in
dif ferent plants t reated by Nit rogen ion
CK. 25～36株(左) ; C+ . 25～36株(右)
CK. No. 25～36 ( lef t ) ; C + . 25～36 ( right )
图 5a　碳离子处理组不同植株 POD 同工酶酶谱变化
Fig. 5a　C han ges of p eroxidase is ozymogram in
different plants t reated by Carb on ion
CK. 25～36株(左) ; N+ . 25～36株(右)
C K. No. 25～36( lef t ) ; N+ . No. 25～36( r ight )
图 5b　氮离子处理组不同植株 POD同工酶酶谱变化
Fig. 5b　Changes of per ox idas e isozym ogr am in
dif ferent plants t reated by Nit rogen ion
株,氮处理组为 16株)。离子的注入也影响到具有完整基本酶带的株数,其中对照组具有
1～6谱带植株数为 12株,碳处理组为 5株,氮处理组为 5株, 处理组明显低于对照组。结
果还显示氮 N + 离子的注入对甜菊的效应大于碳离子的注入。
3　讨论
离子注入生物体后与体内物质作用的过程,表现出能量和质量的沉积,而且辐射损伤
区域只是局部的;又因为离子束是带电荷的粒子, 穿透力小,所以离子注入生物体内表现
出对生物体损伤小的特点[ 2, 3]。本实验结果表明:经低能碳、氮离子注入处理后,甜叶菊种
子萌发率、萌发速率、幼苗成活率及后期生长等都受到一定影响。特别是在种子萌发前期,
离子注入对甜叶菊的效应极为明显,处理组种子萌发率降低, 萌发速率低,相对生长量低
于对照组。但由于离子注入表现为对生物损伤轻、突变率高、突变谱广等特点,所以随萌发
时间的延长,致死效应的消除及 DNA 损伤修复的结果[ 3, 8] ,处理组生长速度逐渐加快,相
对生长量增加, 体内过氧化物酶活性迅速提高, 株高及干重迅速增加,并出现提前显蕾开
花现象,群体中出现突变频率增高、突变谱广等特征。说明离子的注入不仅对甜叶菊种子
萌发产生影响,而且其效应可延续到整个生长发育周期, 此结果与丁亮等[ 7]的研究结果相
同,即低能离子的注入处理不仅对甜叶菊产生表型的生物学效应, 而且影响整个基因组变
147　第 2期　　　　王鸣刚等:低能碳、氮离子对甜叶菊萌发率、生长量及过氧化物酶的影响
化。
酶是基因产物,是基因表达的结果。因此, 同工酶在结构上的差异体现出基因表达异
同,是认识基因活动即基因表达的生化指标 [ 9]。POD同工酶属于单基因决定的同工酶 [ 10]。
本实验结果还表明,离子注入后可引起 POD的同工酶酶谱发生多态性变化,其中变异最
明显的是 B1、B2酶带的减少, 具有完整 1～6谱酶带植株数减少, B3、B4、B5酶带活性增
加。这些现象的出现, 推测可能与低能离子注入有关,另一方面与过氧化物酶在植物体内
具有的对有毒害的自由基和过氧化物起分解作用及加速植物木质化作用的功能有关, 是
植物受到外界逆境胁迫条件下自我保护机制启动的表现 [ 10, 11]。这同样说明低能离子的注
入不仅使得植物表型发生巨大变化, 也能引起遗传物质的结构与功能的变化 [ 7, 12, 13]。
同时,过氧化物酶活性增加,植物木质化作用的加速,可提高植物生长速度,缩短植物
开花结果时间 [ 9]。本实验甜叶菊显蕾开花期的提前结果与前人一致,预示低能离子注入可
缩短植物的生育周期, 提早开花结果。对于以开花结果为主的植物来说,将具有非常重要
的意义。将幼苗移至实验地种植后发现,碳处理组的幼苗生长势明显优于氮处理组。
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