全 文 ：第28卷 第3期 作　物　学　报 V ol. 28, N o. 3
2002 年5月　 401～ 405页 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA pp. 401～ 405　M ay, 2002
离子束介导水稻转基因植株后代的维管束和光合速率的研究Ξ
郑乐娅　吴敬德　吴跃进　童继平
(安徽省农业科学院水稻研究所农业部水稻遗传育种重点开放实验室　安徽合肥, 230031)
摘　要　对来源于离子束介导的水稻转基因植株第7代的8个株系及原受体品种和两个对照水稻品种的穗颈节下第一节
间维管束数量和光合速率进行比较研究。结果表明转基因株系的维管束数量比原受体品种和一个对照品种较多, 且光
合效率也较高, 而且转基因株系维管束外围的薄壁细胞无论在数量上还是在形态上都比对照品种既多又大, 所有这些
都表明转基因株系不仅明显地区别于原受体品种而且优于原受体品种和对照品种, 同时也暗示 C4植物玉米的全套
DNA 转入C3植物水稻是切实可行的。
关键词　离子束介导; 水稻; 维管束; 光合作用; 变异
中图分类号: S511　　　文献标识码: A
Studies on the Va scular Bundles and the Photosyn thetic Eff ic iency of Progen ics of
Tran sgen ic R ice Obta ined through Ion Beam Implan ta tion
ZH EN G L e2Ya　WU J ing2D e　WU Yue2J in　TON G J i2P ing
(R ice R esearch Institu te, K ey L ab of R ice Genetics and B reed ing of M OA , A A A S , H ef ei A nhui 230031, China)
Abstract　T he num ber of vascular bundles of the first in ternode below the peduncle and the pho tosyn thetic
effciency of 8 F 7 transgen ic lines obtained th rough ion beam imp lan tation and the o riginal recep to r and o ther two
CK s w ere studied comparatively. T he results show ed that the num ber of the vascular bendles of the transgen ic
lines w as obviously larger than those of the o riginal recep to r and one of the CK s, and the pho tosyn thetic
efficiency h igher. M oreover, the parenchym a cells around the vascular bundle of the transgen ic linesw ere more
num erous in num ber and larger in size than those around those of the CK s. A ll these indicated that the
transgen ic lines w ere really differen t from and superio r than the recep to r and the CK s. T hey also snggested that
transferring DNA from C4 p lan t m aize in to C3 p lan t rice is feasible.
Key words　 Ion beam imp lan tation; R ice; V ascular bundle; Pho tosyn thetic efficiency; P rogeny variation
　　1993年以来, 安徽省农科院与中科院等离子体
物理研究所合作, 在利用离子束注入水稻诱变成功
育成一些品种 (如晚粳D 9055等) 的基础上, 利用低
能离子束介导法, 将高光效的 C4 植物紫玉米全
DNA 导入光合效率较低的 C3植物水稻早籼213种
胚细胞, 并获得成功 (1993, 吴跃进) [ 3 ]。经过4年7
代选择, 尽管大多数后代仍呈“疯狂”分离, 但仍获
得一批表型具有明显变异且能较稳定遗传的水稻株
系, 这些株系不仅根系发达, 而且在茎秆, 颖尖,
柱头等部分表现出DNA 供体玉米的紫色性状, 通
过用40个随机引物对其中综合农艺性状较好的8个
株系和供体紫玉米及受体早籼213的基因组DNA
进行 RA PD 检测及分析证实, 外源基因确已导入
(李红等, 1999) [ 18 ]。为了从解剖学上和生理学上探
讨外源DNA 导入水稻后引起受体形态结构及生理
特性变异的特点, 我们对8个水稻株系进行了穗颈
节下第一节间维管束的观察分析和叶片光合速率的
测定比较。
1　材料与方法
1. 1　供试材料
试验材料为经过7代选择, 部分基本稳定的转Ξ 基金项目: 本研究是国家自然科学基金项目部分内容, 批准号码: 19675001, 学科代码: A 050412。主持人: 吴跃进
作者简介: 郑乐娅, 女, 1962年出生, 硕士, 安徽省农科院副研究员。从事农业生物技术研究。
Received on (收稿日期) : 2001202223, A ccep ted on (接受日期) : 2001208205

基因水稻后代株系中综合农艺性状较好的8个株系,
分别为 X96244 (M R 1 )、X96245 (M R 2 )、X 96261 (M R 3 )、
X 96265 (M R 4 )、X 96268 (M R 5 )、X 96270 (M R 6 )、X96275
(M R 7)、X96281 (M R 8)。为方便起见, 称这些材料为
“玉米稻”。
以水稻早籼213 (E I213)、中粳63 (ZJ 63)、杂交
稻华安2号 (HA 2)、遗传工程稻3号 (GER 23)、明恢
63 (M H 63)分别作对照。
1. 2　方法
1. 2. 1　穗颈节下维管束观察方法　　对玉米稻8个
株系进行穗颈节下第一节间维管束的观察, 以水稻
原受体品种早籼213 (E I213)、中粳63 (ZJ 63)、杂交
稻华安2号 (HA 2) 分别为 CK1、CK2、CK3。在同等
肥力和灌溉条件下的试验田中取材, 每一株系或
CK 观察6株植株, 每天上午九点从田间已预定好的
株系内, 选穗子露出剑叶叶鞘约10～ 15 cm 的植株,
取其单茎1个置于500 mL 大三角烧瓶中浸水备用
(保湿)。采取徒手切片法, 用锋利刀片环切穗下第
一节茎秆基部, 切片在保证完整的情况下, 尽可能
地薄、平, 均匀一致。醋酸洋红染色后立即置于带
显微摄影装置的生物显微镜的低倍物镜下观察, 逐
一计数统计并拍照[ 12 ]。
1. 2. 2　玉米稻后代光合效率的测定　　为选育后
期光合能力仍较强, 功能叶不早衰的品系, 我们采
用红外线CO 2分析仪 (型号JHX305, 产地北京) , 于
水稻的乳熟期 (乳熟期矫正系数0. 67) , 对8个玉米
稻株系每个供试材料取5张叶片, 进行光合速率的
测定。以原受体品种早籼213 (E I213)、遗传工程稻
3号 (GER 23)和明恢63 (M H 63)为CK1、CK2和CK3。
1. 2. 3　光合速率的计算及统计分析方法见参考文
献[1 ] [2 ] [11 ]。
2　结果与分析
2. 1　玉米稻穗颈节下节间维管束的观察与分析
现将对穗颈节下节间维管束的观察结果列于表
1和图1。
　　表1表明: 1、同一品种 (株系) 中的不同个体间
穗颈节下第一节间的大、小维管束数目相近。
2、不同品种 (株系) 的穗颈节下第一节间的维
管束数目差异较大。从大、小维管束总数来说, 所
有玉米稻 (平均36. 5～ 51. 7) 都超过 CK1 (原受体品
种 E I213, 平均32. 2个) 和 CK2 (ZJ 63, 平均29. 7
个)。与CK3 (HA 2号, 平均39. 3个)相比, 玉米稻有
多 (M R 1、M R 2、M R 3、M R 6、M R 7) , 也有少 (M R 4、
M R 5、M R 8) , 但差异均不明显。从大维管束的数目
来看, 所有玉米稻穗颈节下第一节间大维管束数目
平均18. 0～ 24. 2个, 都多于CK1和CK2, 比CK1多8
～ 14. 2个, 增幅达80. 0%～ 141. 7% , 比 CK2多7～
13. 2个, 增幅达63. 6%～ 119. 7%。而大多数玉米
稻比CK3只稍多些, 其中有些株系相差甚少。从小
维管束的数目来看, 没有一定的规律, 有多有少,
其中最多的为M R 1平均27. 3个, 分别比 CK1、CK2
和 CK3多5. 2个、8. 7个和6. 3个, 最少的为M R 4平
均17. 8个, 分别比CK1、CK2和CK3少4. 4个、0. 8个
和3. 2个。同时可以看出, 所有观察材料中, 除
M R 4、M R 5与M R 7是大维管束略多于小维管束外,
其余都是小维管束数多于大维管束数。
　　3、玉米稻后代不同株系间维管束数目也有差
异, 大维管束数目最少的是M R 5、M R 8 为18个,
最多的是M R 1 为2 4个 , 小维管束数目最少的是
表1　转基因玉米稻和对照穗颈节下节间维管束数量的比较
Table 1　Compar ison of the number of vascular bundles of the f irst in ternode below the peduncle between
transgen ic r ice plants and the receptor or CK′s
维管束数 No. of
vascular bundle
材料M aterial
M R 1 M R 2 M R 3 M R 4 M R 5 M R 6 M R 7 M R 8
CK1
E I213
CK2
ZJ63
CK3
HA 2
X大 24. 4 23. 0 20. 0 19. 8 18. 2 18. 8 20. 8 18. 0 10. 0 11. 0 18. 3
X小 27. 3 24. 0 21. 0 17. 8 18. 3 24. 7 20. 7 20. 8 22. 2 18. 7 21. 0
X总 51. 5 47. 0 41. 0 37. 7 36. 5 43. 5 41. 5 38. 8 32. 2 29. 7 39. 3
　注: X大: 每个品种 (株系) 6个重复大维管束数的平均数; X小: 每个品种 (株系) 6个重复小维管束数的平均数; X总: 每个品种 (株系) 6个重复
大、小维管束总数的平均数。
　Notes: Xb: The average of big vascular bundles from 6 rep lications; X s: The average of sm all vascular bundles from 6 rep lications; X t: The
average of big and sm all vascular bundle from 6 rep lications.
204　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作　　物 　　学　　报　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　28卷

图1　玉米稻与早籼213、中粳63、华安2号穗颈节下
第一节间维管束差异
F ig. 1　The difference of vascular bundles of the first internode
below the peduncle betw een m aize2rice and rice variety2E I213,
ZJ63 and HA 2 a: m aize2rice　b: E I213　c: ZJ63　d: HA 2
M R 4为18个, 最多的仍是M R 1达27个。
4、将8个玉米稻株系M R 1～M R 8的 X大、X小、
X总 分别与CK1 (原受体品种 E I213)的X大、X小、X总
作差异显著性测验, 采用L SD 法, 均达 Α0. 01水平的
显著差异; 与CK2 (ZJ63) 的 X大、X小、X总 作差异显
著性测定, X大 与 X总 的差异达 Α0. 01水平显著差异,
X小 相比时除M R 5外, 其余达 Α0. 01显著差异; 与CK3
(HA 2号) 作差异显著性测定时, M R 5、M R 6、M R 8
的 X大 与 CK3的 X大 差异不显著, 其余达 Α0. 01显著
差异, M R 3、M R 7、M R 8的 X小 与 CK3差异不显著,
其余达 Α0. 01显著差异, M R 1～M R 8的 X总 与 CK3的
X总 均达 Α0. 01显著差异。
从显微摄影的图片 (图1) 来看, 玉米稻后代株
系中维管束不仅在数量上与原品种早籼213相差很
多, 而且在形态上也有不同, 玉米稻株系的维管束
发达, 维管束外围的薄壁细胞生长旺盛, 薄壁细胞
多而且大, 茎壁厚, 中空小, 因此, 玉米稻外观上
茎杆粗壮, 高大, 叶色浓绿, 根系发达, 与普通水
稻品种CK1 (原受体品种E I213) , CK2 (ZJ 63)和CK3
(HA 2)有明显差异。
表2　供试材料的光合速率
Table 2　Photosynthetic rate of tested mater ia ls
材料M aterial M R 1 M R 2 M R 3 M R 4 M R 5 M R 6 M R 7 M R 8 CK1(E I213)
CK2
(Ger23号) CK3(M H 63)
H (cm ) 26. 8 26. 5 18. 0 23. 2 22. 4 33. 4 21. 9 31. 0 17. 0 26. 6 22. 5
B (cm ) 1. 9 1. 9 2. 1 1. 9 2. 2 1. 9 2. 2 2. 2 1. 7 2. 0 1. 9
P (Λmolõm - 2õs- 1) 15. 63 14. 69 12. 77 8. 71 12. 20 12. 13 13. 55 9. 53 6. 74 8. 71 7. 43
　注: H: 叶片长度; B: 叶片最大宽度; P: 光合速率。
　Notes: H: L ength of leaf; B: The largest w idth of leaf; P: Photosynthetic rate
2. 2　玉米稻后代光合速率测定的结果与分析
现将乳熟期测得的供试材料的光合速率列于表
2。
　　由上表可知, 8个玉米稻的光合速率变化幅度
为8. 71～ 15. 63 Λmolõm - 2õs- 1, 其中, 最高的M R 1
达15. 63 Λmolõm - 2õs- 1, 最低的M R 4只有8. 71 Λmolõm - 2õs- 1, 其间差异甚大。8个株系平均值为12. 40Λmolõm - 2õs- 1, 都高于3个对照, 与原受体品种早
籼213 (CK1) 相比, 提高29. 2%～ 131. 8% , 高的超
出一倍多, 平均提高84. 0% ; 与明恢63 (CK3) 相比,
提高为17. 2%～ 110. 3% , 平均提高66. 9% ; 与遗
传工程稻 (CK2) 相比, 也提高0. 1%～ 79. 5% , 平均
提高42. 5%。这说明玉米DNA 导入水稻, 确能改
变受体后代的生理机能, 使光合速率明显提高。
将M R 1～M R 88个株系的平均光合速率分别与
3个对照的平均光合速率作差异显著性测定可知, 8
个株系的平均光合速率显著高于 CK1 (原受体品种
E I213 ) 和 CK3 (M H 63) 达 Α0. 01 显著差异, 与 CK2
(Ger23号) 相比, 除M R 4之外, 其余7个株系均显著
高于CK2达 Α0. 01显著差异。
一般来说C3植物可在10℃～ 40℃ (C4植物可达
50℃～ 60℃) 下正常进行光合作用, 在40℃以上时
随温度升高, 光合作用下降直至停止[ 1, 2, 8 ]。本试验
(中午前后停止测试以避过植物光合作用的午休现
象)在中等光强, 相对湿度50. 8% , 气温28. 4℃, 叶
面温度31℃～ 36℃条件下进行, 所获结果是可靠
3043期　　　　　　　　　郑乐娅等: 离子束介导水稻转基因植株后代的维管束和光合速率的研究　　　　　　　　　　　

的。
现将上述表1和表2中玉米稻及原品种早籼213
(E I213)的维管束数和光合速率高低作成相关性图,
并计算相关系数, 如图2:
图2　供试材料维管束数目与光合速率的相关性
F ig. 2　The relationsh ip betw een the num ber of vascular
bundle and photosynthetic rate of tested m aterial
　　由图2可知, 玉米稻光合速率的高低与穗颈节
下第一节间的大维管束数目的相关系数达
0. 8606% , 呈较明显的正相关, 与小维管束数的相
关系数为0. 5192, 无明显相关性; 与总维管束数目
的相关系数达0. 8738, 呈较为明显的正相关。
3　讨论
对玉米稻与对照穗颈节下第一节间解剖观察,
玉米稻的茎秆维管束的数目, 特别是大维管束数,
不仅比原受体品种早籼213 (E I213) 多得多, 也比一
般常规品种 (如CK2中粳63) 多得多; 同时, 维管束
发达, 薄壁细胞多而大, 茎壁厚而坚韧。这些玉米
稻, 似乎与 C4植物—玉米的维管束发达, 维管束
大、茎壁厚而坚韧有着相似性, 这种茎秆结构的变
化, 可能是由于玉米全DNA 导入后, 引起基因重
组的结果。同时表现在穗部的变化是玉米稻一次枝
粳的增多, 据测定玉米稻一次枝粳多达13～ 15个,
而原品种早籼213 (E I213) 仅6～ 9个。据以往研究,
稻穗一次枝粳的多少, 与穗颈节下节间大维管束多
少成正相关[ 5 ] , 所以从穗部一次枝粳的观测, 也与
我们直接解剖穗颈节下节间维管束数目观测的结果
相符。而较多的一次枝粳, 穗大粒多, 使得植株光
合产物的“库”容量增加, 造成玉米稻的大穗优势,
几乎与杂交稻相差无几, 但却省去杂交稻制种的繁
锁工作。同时, 从光合速率测定的结果可知, 在乳
熟期玉米稻后代8个株系的光合效率均高于对照, 8
个株系的平均光合速率为12. 40 Λmolõm - 2õs- 1, 比
原品种早籼213 (CK1)提高84. 0% , 比光效较高的遗
传工程稻3号 (CK2)提高42. 5% , 比常规中籼明恢63
(CK3) 提高66. 9% , 可见, 即使在乳熟期, 玉米稻
株系仍保持较强的光合速率, 为后期的籽粒充实提
供充足的养分。另外, 从我们的实验结果来看, 水
稻穗颈节下第一节间的大维管束数似乎与其光合速
率呈较明显的正相关。实验证明, 采用合适的基因
工程技术, 应用外源C4植物全DNA 导入C3植物水
稻之中, 可打破物种界限, 避免远缘杂交的不亲合
性, 以改善 C3植物水稻的光合“源”与“库”的关系,
使其单叶光合速率得到较大提高, 有可能选育优良
品种或育种中间材料, 提高育种成效[ 13～ 17 ] , 这是水
稻高光效育种中值得探讨的途径。
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