高能混合粒子場處理小麥并儲藏的輻照效應(yīng)分析

蔣 云, 張 潔, 郭元林, 尹春蓉, 宣 樸

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所，四川 成都 610066；2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所，四川 成都 610066)

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高能混合粒子場處理小麥并儲藏的輻照效應(yīng)分析

蔣 云1, 張 潔1, 郭元林1, 尹春蓉1, 宣 樸2*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所，四川 成都 610066；2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所，四川 成都 610066)

為研究小麥經(jīng)高能混合粒子場誘變后的輻照效應(yīng)，本文研究了運(yùn)用高能混合粒子場處理小麥，以半致矮劑量67 和83 Gy對普通小麥品種川輻6號和八倍體小黑麥ZSJ11的干種子進(jìn)行誘變處理，并于-20 ℃儲藏9個月；以 200 Gy60Co-γ射線輻照和未輻照的干種子為對照，調(diào)查各處理下主要農(nóng)藝性狀。結(jié)果表明，八倍體小黑麥和普通小麥經(jīng)高能混合粒子場處理后，均表現(xiàn)出一定的輻照生物學(xué)效應(yīng)，且八倍體小黑麥的輻照敏感性低于普通小麥。67 Gy的高能混合粒子場處理對八倍體小黑麥和普通小麥的生物學(xué)效應(yīng)均大于200 Gy的60Co-γ 射線輻照處理。83 Gy 高能混合粒子場誘變已達(dá)到八倍體小黑麥和普通小麥的致死劑量，致死劑量與前人研究結(jié)果存在差異的原因可能是輻照之后的“儲藏效應(yīng)”影響了輻照的損傷程度。本文可為以小麥高能混合粒子場模擬空間誘變育種提供一定的參考。

高能混合粒子場；小麥；小黑麥；誘變育種；儲藏

在傳統(tǒng)誘變育種中，60Co-γ 射線被廣泛應(yīng)用于小麥、水稻、蔬菜菜等多種植物的品種改良且取得了舉世矚目的成就[1-3]。而不斷拓展誘變源、提高誘發(fā)突變中有益突變頻率成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的重點和難點。中國科學(xué)院高能物理研究所利用正負(fù)電子對撞機(jī)直線內(nèi)加速器打碳靶從而產(chǎn)生高能混合粒子束(包括各種派介子、謬子、質(zhì)子、高能光子和正、負(fù)電子等)可人工模擬宇宙空間中各種次級宇宙射線(cosmic ray, CR)，稱為高能混合粒子輻射場(用CR表示)。通過高能混合粒子場能獲得類似于空間誘變的某些輻射效應(yīng)，可以作為研究空間誘變機(jī)理或選育作物特異突變體新品種的手段[4]，目前在小麥、牧草、玉米和花生等作物上得到了初步應(yīng)用[5-9]。高能混合粒子場作為一種新興的輻照誘變手段，與傳統(tǒng)60Co-γ 射線造成的損傷效果有明顯區(qū)別，尚晨等研究表明高能混合粒子場對紫花苜蓿的生物損傷較60Co-γ 射線小[7-8]，而郭會君、韓微波等以小麥為材料得到了與尚晨相反的結(jié)論[9-10]。有研究表明高能混合粒子場處理能使小麥總突變頻率以及矮稈、早熟和穗型等有益突變頻率明顯高于γ射線處理[11-12]，高能混合粒子場誘變已經(jīng)顯現(xiàn)出其應(yīng)用價值，還需要在育種實踐中進(jìn)一步探索其規(guī)律。

半致矮劑量是小麥輻照育種中劑量選擇的一個重要參考依據(jù)[13]，本研究采用CR輻照小麥的半致矮劑量附近的67 和83 Gy(私下交流，結(jié)果未發(fā)表)對小麥和小黑麥干種子進(jìn)行處理，由于處理時間非小麥播期，因此本實驗在處理完成9個月后的小麥播種期開展，通過對發(fā)芽率、存活率、結(jié)實率、苗高及成株期主要農(nóng)藝性狀的調(diào)查，以了解高能混合粒子場對小麥和小黑麥的輻照效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

供試材料為普通小麥(TriticumaestivumL.)品種川輻6號(CF6)和八倍體小黑麥(Octoploid Triticale)ZSJ11的風(fēng)干種子，含水量約為13 %。以誘變育種適宜劑量(200 Gy60Co-γ 射線)輻照[1]和不作輻照的種子做對照。

1.2 輻照處理

利用中國科學(xué)院高能物理研究所北京正負(fù)電子對撞機(jī)直線加速器E2束流打靶產(chǎn)生的高能混合粒子場(CR)輻照處理小麥種子，處理劑量為67 和83 Gy，位于CR輻照小麥的半致矮劑量附近(私下交流，結(jié)果未發(fā)表)，共處理各約100 粒種子，于-20 ℃ 儲藏9個月后開展本實驗。用作對照的60Co-γ 射線輻照處理在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所輻照中心進(jìn)行，處理劑量為200 Gy，劑量率約為1.2 Gy/min，處理完后立即開展本實驗。

1.3 性狀考察

每個處理及對照均設(shè)設(shè)3次重復(fù)。發(fā)芽試驗在鋪了2 層濕潤濾紙的10 cm 培養(yǎng)皿中進(jìn)行，22 和15 ℃ 各進(jìn)行12 h，以胚芽伸出長度和種子等長為發(fā)芽，7 d 后測試發(fā)芽率。

苗高在發(fā)芽12 d 后測量，測量種子和胚軸交界處到葉尖的距離。

存活率=抽穗植株數(shù)/種子數(shù)×100 %

結(jié)實率=單株籽粒數(shù)/單株小穗數(shù)×3×100 %

株高、有效穗、主穗長、穗粒數(shù)、百粒重的測量方法按照常規(guī)考種進(jìn)行。

1.4 統(tǒng)計分析

用Excel和DPS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，用Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。并計算各處理內(nèi)的變異系數(shù)。

變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100 %

2 結(jié)果與分析

2.1 高能混合粒子場(CR)處理對發(fā)芽率、存活率和結(jié)實率的影響

由表1可知，CR和60Co-γ 輻照處理對八倍體小黑麥ZSJ11的發(fā)芽率均具有促進(jìn)作用且達(dá)顯著水平，3種輻照處理之間無顯著性差異。CR處理(67 Gy)對普通小麥CF6的發(fā)芽率有促進(jìn)作用但不顯著，而CR處理(83 Gy)比雙對照均呈極顯著降低。存活率方面，CR處理(83 Gy)造成ZSJ11和CF6全部死亡。CR處理(67 Gy)對ZSJ11存活率影響不顯著；對于CF6，CR處理(67 Gy)使其存活率降低至12.5 %，與常規(guī)輻照和空白對照均呈極顯著差異。結(jié)實率方面，ZSJ11經(jīng)CR處理(67 Gy)與常規(guī)輻照處理無顯著差異，但二者均和空白對照呈顯著差異。

表1 參試材料發(fā)芽率、存活率和結(jié)實率統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表2 參試材料主要農(nóng)藝性狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)

CF6的結(jié)實率由高到低為空白對照>常規(guī)輻照>CR處理(67 Gy)，且兩兩之間均達(dá)極顯著差異。

2.2 高能混合粒子場(CR)處理對小麥主要農(nóng)藝性狀的影響

苗高方面，常規(guī)輻照對ZSJ11表現(xiàn)為促進(jìn)作用，CR處理表現(xiàn)為抑制作用，其中CR處理(83 Gy)苗高僅1.3 cm，與雙對照差異均達(dá)極顯著水平，CR處理(67 Gy)與空白對照差異不顯著，但與常規(guī)輻照差異顯著；對于CF6，苗高從高到低為空白對照>常規(guī)輻照>CR處理(67 Gy)>CR處理(83 Gy)，每個處理之間均達(dá)極顯著差異(圖1)。株高方面，常規(guī)輻照對ZSJ11表現(xiàn)為促進(jìn)作用，CR處理(67 Gy)表現(xiàn)為抑制作用，其株高比雙對照均表現(xiàn)為極顯著降低；對于CF6，常規(guī)輻照和CR處理(67 Gy)均表現(xiàn)為抑制作用，其中CR處理(67 Gy)輻照后株高僅20.8 cm，比雙對照均呈極顯著降低。有效穗和主穗長結(jié)果相似，常規(guī)輻照對ZSJ11表現(xiàn)為促進(jìn)作用，CR處理(67 Gy)表現(xiàn)為抑制作用，CR處理(67 Gy)與空白對照差異不顯著，與常規(guī)輻照呈極顯著差異；而CF6的有效穗數(shù)量和主穗長依次為空白對照>常規(guī)輻照>CR處理(67 Gy)，CR處理(67 Gy)全部單株有效穗數(shù)目均為1且主穗長僅3cm左右，與雙對照均達(dá)極顯著差異。穗粒數(shù)和百粒重結(jié)果相似，CR處理(67 Gy)使得ZSJ11比空白對照呈極顯著降低，而與常規(guī)輻照處理無顯著性差異；對于CF6，CR處理(67 Gy)的穗粒數(shù)比雙對照均呈極顯著降低，由于穗粒數(shù)過低，導(dǎo)致無法測量百粒重(表2)。

a：從左至右依次為川輻6號(CF6)空白對照、200 Gy-γ射線輻照、67 Gy CR處理和83 Gy CR處理;b：從左至右依次為小黑麥(ZSJ11)空白對照、200Gy-γ射線輻照、67 Gy CR處理和83Gy CR處理圖1 高能混合粒子場處理對苗高的影響Fig.1 Effects of CR treatments on seedling height

(%)

2.3 高能混合粒子場(CR)誘變和常規(guī)輻照誘變的變異系數(shù)

由表3可知，對絕大多數(shù)性狀(例如：ZSJ11和CF6的發(fā)芽率、存活率、結(jié)實率、苗高、株高、穗粒數(shù)、百粒重和CF6的主穗長)變異系數(shù)均為CR誘變大于常規(guī)輻照誘變。ZSJ11的有效穗變異系數(shù)為空白對照最大，CR誘變次之，常規(guī)輻照誘變最小。而CF6經(jīng)CR誘變后分蘗被完全抑制，有效穗全部為1，因此有效穗變異系數(shù)為0。ZSJ11的主穗長變異系數(shù)為常規(guī)輻照大于CR輻照。

3 討 論

高能混合粒子場通過模擬空間誘變的部分誘變因素，可提高有益突變頻率，近年來成為誘變育種的一個新的研究方向[4]。本研究中，高能混合粒子場處理的小黑麥和普通小麥在株高，苗高，結(jié)實率等性狀出現(xiàn)了變異幅度非常大的單株。統(tǒng)計表明，高能混合粒子場處理導(dǎo)致絕大部分性狀的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)較60Co-γ 射線大，說明高能混合粒子場處理可能導(dǎo)致更寬的輻照損傷范圍，與傳統(tǒng)的60Co-γ 射線輻照相比有其特異性和優(yōu)勢，這與尚晨、郭會君的結(jié)論一致[7-9]。

有研究表明，若輻射劑量較低則輻照處理與空白對照相比表現(xiàn)為刺激作用，若加大劑量超過某個臨界值則表現(xiàn)為抑制(損傷)作用[15-16]。從本研究各性狀來看，200 Gy60Co-γ 射線輻照對小黑麥大部分性狀起刺激作用，而CR處理(67 Gy)則起抑制作用；同時，與200 Gy60Co-γ 射線處理相比，CR處理(67 Gy)導(dǎo)致普通小麥產(chǎn)生了更大的生物損傷，說明高能混合粒子場處理(67 Gy)對小黑麥和普通小麥的生物學(xué)效應(yīng)均大于200 Gy的60Co-γ射線輻照處理。此外，常規(guī)輻照和CR輻照處理后的八倍體小黑麥各項指標(biāo)的損傷都低于普通小麥川輻6號，表明川輻6號的輻照敏感性較八倍體小黑麥ZSJ11高。植物輻射敏感性差異的原因十分復(fù)雜，研究表明，細(xì)胞核體積、染色體體積、DNA含量的差異是植物品種間輻射敏感性差異的內(nèi)在成因。本研究中小黑麥ZSJ11為八倍體，DNA含量較六倍體普通小麥CF6高，可能是其輻射敏感性較低的原因[19]。

劉錄祥分析認(rèn)為普通小麥的高能混合粒子場處理適宜劑量是185 Gy[14]，郭會君[9]、韓微波[11]通過5個劑量的高能混合粒子場處理分析認(rèn)為適宜劑量應(yīng)該介于200～300 Gy。在本研究中，83 Gy的CR處理即導(dǎo)致八倍體小黑麥和普通小麥川輻6號全部致死，達(dá)到致死劑量，與前人研究結(jié)果差異較大。有研究表明，種子在被輻照后不立即播種，而是儲藏一定時間，會改變輻射的損傷程度。Konzak et al.[17]和Conger et al.[18]以水稻和大麥為材料對這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)為儲藏會加大輻射所帶來的損傷。本研究得到的適宜輻照劑量和前人有較大差異，推測原因可能是CR誘變處理后的儲藏導(dǎo)致產(chǎn)生了“儲藏效應(yīng)”，使得輻照損傷程度增大。高能混合粒子場輻照處理耗時較長，且一次處理可能會涉及幾種不同播期的作物，因此在播種前常常需要儲藏一定時間，本文對高能粒子混合場在誘變育種上的利用提供了一定的參考依據(jù)。

致 謝：感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所劉錄祥課題組在高能混合粒子場輻照處理方面提供的幫助；感謝國家“863”計劃對本項目的資助。

[1]徐冠仁. 植物誘變育種學(xué)[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 1996.

[2]劉錄祥, 郭會君, 趙林姝, 等. 植物誘發(fā)突變技術(shù)育種研究現(xiàn)狀與展望[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2009, 23:1001-1007.

[3]鄭家團(tuán), 謝華安, 王烏齊,等. 水稻航天誘變育種研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J]. 分子植物育種, 2003(1):367-371.

[4]劉錄祥, 王 晶, 趙林姝,等. 作物空間誘變效應(yīng)及其地面模擬研究進(jìn)展[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2004, 18:247-251.

[5]于新玲, 劉錄祥, 喬利仙,等. 高能混合粒子場輻照對花生胚小葉組織培養(yǎng)及植株再生的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2012, 26.

[6]趙金濤, 郭新梅, 裴玉賀,等. 高能混合粒子場對玉米幼苗生長及抗氧化系統(tǒng)的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2014, 28(12):2133-2138.

[7]尚 晨, 張月學(xué), 唐鳳蘭,等. 高能混合粒子場和γ射線對紫花苜蓿的誘變效應(yīng)[J]. 草地學(xué)報, 2008, 16:125-128.

[8]尚 晨, 韓貴清, 張月學(xué),等. 高能混合粒子場與60Co-γ射線輻照龍牧803紫花苜蓿產(chǎn)量性狀遺傳效應(yīng)研究[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011(1):99-102.

[9]郭會君, 劉錄祥, 韓微波, 等. 高能混合粒子場輻照小麥的突變效應(yīng)分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 41:654-660.

[10]韓微波, 劉錄祥, 郭會君,等. 高能混合粒子場輻照小麥M1代變異的SSR分析[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2006, 20:165-168.

[11]韓微波. 混合粒子場誘變小麥的生物效應(yīng)與機(jī)理研究[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2005.

[12]劉錄祥, 韓微波, 郭會君,等. 高能混合粒子場誘變小麥的細(xì)胞學(xué)效應(yīng)研究[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2005, 19:327-331.

[13]韓 冰, 古佳玉, 趙林姝,等. 不同小麥基因型對γ射線輻照敏感性的分子解析[J]. 植物遺傳資源學(xué)報, 2014.

[14]劉錄祥, 趙林姝, 郭會君,等. 高能混合粒子場輻照冬小麥生物效應(yīng)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2005(5):1642-1645.

[15]章 鐵, 劉秀清, 張金良,等. 不同劑量率60Co-γ射線低劑量輻射對小麥農(nóng)藝性狀的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2008, 24:220-223.

[16]W.Hoppe. Biophysies[M]. 2nd Ed,1983:289-300.

[17]Konzak C F, Nilan R A, Harle J R, et al. Control of factors affecting the response of plants to mutagens[J]. Brookhaven Symposia in Biology, 1961, 14:128-57.

[18]Conger B V, Konzak C F. Radiobiological damage: a new class identified in barley seeds stored after irradiation[J]. Science, 1968, 162(3858).

[19]Soriano J D. The response of several rice varieties to fast neutrons[J]. Radiation Botany, 1971,11:341-346.

(責(zé)任編輯 陳 虹)

Mutagenic Effects of High Energy Mixed Particles Irradiation on Wheat and Its Storage

JIANG Yun1, ZHANG Jie1, GUO Yuan-lin1, YIN Chun-rong1, XUAN Pu2*

(1.Sichuan Academy of Agricultural Sciences Biotechnology and Nuclear Technology Research Institute, Sichuan Chengdu 610066, China; 2.Sichuan Academy of Agricultural Sciences Institute of Agro-products Processing Science and Technology, Sichuan Chengdu 610066, China)

In order to study the mutagenic effects of high energy mixed particles field irradiation on wheat, the dry seeds of common wheat CF6 and Octoploid Triticale ZSJ11 were irradiated by high energy mixed particles field with the HD50dosages of 67 and 83 Gy and then stored under -20 ℃ for 9 months. The seeds untreated and treated by 200 Gy γ-ray were used as control, and then their major agronomic traits were investigated.The result showed that all groups with treatment of high energy mixed particles field had mutations, and ZSJ11 had a lower sensitivity to irradiation than CF6. The biological effects of 67 Gy high energy mixed particles field irradiation on ZSJ11 and CF6 were greater than that of 200 Gy γ ray irradiation. The lethal dose of high energy mixed particles field irradiation for ZSJ11 and CF6 was 83 Gy. The causes of the difference with pre study might be that 'storage effect' affected the irradiation damage degree after irradiation.The study could provide a certain reference for high energy particles mixed field mutation breeding in wheat.

High energy particles mixed field; Wheat; Triticale; Mutation breeding; Storage

1001-4829(2016)08-1771-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.003

2015-09-20

國家重點研發(fā)計劃“主要農(nóng)作物誘變育種”項目“小麥誘變育種技術(shù)創(chuàng)新與品種創(chuàng)制”(2016YFD0102101)；四川省財政創(chuàng)新能力提升工程項目(2016ZYPZ-004)；四川省財政青年基金項目(2014CXSF-003)；“十三五”四川省公益性育種研究專項項目“突破性麥類育種材料與方法創(chuàng)新”

蔣 云(1982-)，男，四川三臺人，助理研究員，從事小麥遺傳育種研究，*為通訊作者。

S512.1

A