不同劑量中子輻射胡麻種子的M1和M2代生物學(xué)效應(yīng)研究

徐大鵬 姚澤恩 尹永智 馮虎元

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不同劑量中子輻射胡麻種子的M1和M2代生物學(xué)效應(yīng)研究

徐大鵬1,3姚澤恩1,3尹永智1,3馮虎元2

1（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）2（蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 蘭州 730000）3（蘭州大學(xué)教育部中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）

利用252Cf源發(fā)射的中子對(duì)胡麻(L.)干種子進(jìn)行輻射，研究了在不同中子吸收劑量情況下，胡麻M1和M2代生長(zhǎng)期性狀產(chǎn)生的輻射生物效應(yīng)。結(jié)果表明，輻射生物效應(yīng)與中子劑量之間存在著關(guān)聯(lián)，較低劑量（2.55 Gy和4.33 Gy）的中子輻射對(duì)M1代胡麻苗期株高的生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用；低劑量(0.24?4.33Gy)的中子輻射具有促使M1和M2代胡麻側(cè)芽發(fā)生的效應(yīng)，且存在最佳促進(jìn)劑量。胡麻M1和M2代所產(chǎn)生的輻射生物效應(yīng)之間存在著差異，較低劑量(1.12?4.33 Gy)的中子輻射可以促進(jìn)M1代胡麻出苗而抑制M2代胡麻出苗，M1、M2代胡麻的株高和分枝的發(fā)育均出現(xiàn)了相似的促進(jìn)效應(yīng)，但M2代比M1代有所減弱。

生物學(xué)效應(yīng)，胡麻，252Cf，中子吸收劑量

生物體受到射線輻射會(huì)產(chǎn)生輻射生物效應(yīng)進(jìn)而誘發(fā)突變，因此一直以來(lái)是科學(xué)家們探索的重要研究方向。自1927年Muller用X射線輻射果蠅開(kāi)始，科學(xué)家們歷經(jīng)數(shù)十年的研究歷程，已經(jīng)利用各種不同射線在輻射生物效應(yīng)及誘變育種等方面取得了大量的成就，并積累了豐富的研究資料[1?9]。我國(guó)開(kāi)展射線輻射植物研究始于20世紀(jì)50年代后期。目前，我國(guó)在射線輻射植物研究中采用的放射源還主要集中在γ射線源和X射線源上，除中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所這些年利用重離子開(kāi)展了較多的相關(guān)研 究[3,9]之外，利用其他放射源（電子、質(zhì)子等）的報(bào)道相對(duì)較少，雖然以往利用中子開(kāi)展植物輻射研究的不多，但近些年來(lái)有逐步增多的趨勢(shì)[10?12]。

中子是由Chadwich等[13]在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的，它是原子核結(jié)構(gòu)的重要組分，存在于除氫以外的所有原子核中。與γ射線相比，中子具有穿透能力強(qiáng)、變異譜較寬、變異率高、變異后代性狀相對(duì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此中子能夠產(chǎn)生更明顯且更高的輻射生物效應(yīng)，因而備受研究者關(guān)注。

胡麻(L.)又名亞麻，是亞麻科、亞麻屬，一年生草本植物。胡麻是世界十大油料作物之一，產(chǎn)量約居世界油料產(chǎn)量的第7位。我國(guó)的胡麻種植歷史已有千年之久，由于胡麻喜干旱濕潤(rùn)的氣候，因此在我國(guó)西北、華北等地均有廣泛種植，是當(dāng)?shù)刂饕土献魑镏?，統(tǒng)計(jì)資料顯示胡麻已居我國(guó)油料作物產(chǎn)量的第4位[14]。

1 材料和方法

1.1 中子源

本文所用中子源為252Cf同位素源，其中子發(fā)射率為2.314×1012n?s?1?g?1，半衰期為2.646 a，252Cf自發(fā)裂變中子譜接近于純裂變譜，中子的平均能量為2.158 MeV。

1.2 生物材料及其輻射劑量

胡麻品名為“隴亞8號(hào)”，是由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所選育的抗寒耐旱、抗倒伏品種。挑選顆粒飽滿、色澤鮮亮、發(fā)芽率在95%以上的胡麻干種子，分9組進(jìn)行不同劑量的中子輻射，輻射后9組胡麻種子樣品的中子吸收劑量如表1所示。

表1 樣品中的中子吸收劑量

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 田間實(shí)驗(yàn)

將9組經(jīng)過(guò)不同中子吸收劑量輻射處理的輻照組胡麻干種子和未經(jīng)輻射處理的對(duì)照組胡麻干種子播種于田間，進(jìn)行M1和M2代的田間種植試驗(yàn)。種植方式采用點(diǎn)播，小區(qū)田間管理采用均一原則，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄方式為所有植株全記錄。

選取準(zhǔn)確度為mm的刻度尺，對(duì)成長(zhǎng)中所有胡麻的株高進(jìn)行測(cè)量。采用富士Finepix S5800數(shù)碼照相機(jī)對(duì)試驗(yàn)田中出苗的胡麻進(jìn)行詳細(xì)拍照，對(duì)比輻射組和對(duì)照組的形態(tài)差異，尋找變異性狀的植株，對(duì)具有形態(tài)差異和明顯變異性狀的植株跟蹤記錄。

1.3.2 出苗率和分枝率的測(cè)算

以子葉出土作為胡麻出苗的標(biāo)志，從觀察到第一顆胡麻出苗開(kāi)始記錄，準(zhǔn)確記錄當(dāng)天出苗胡麻的編號(hào)，每天記錄一次，記錄9 d，然后統(tǒng)計(jì)第9 d各組胡麻的出苗數(shù)，計(jì)算相應(yīng)各組的出苗率，如圖1所示。

圖1 M1 (a)和M2 (b)代胡麻各樣品組的出苗率不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(p<0.05)，n≥3

胡麻有分枝特性，成苗后的胡麻可以發(fā)生側(cè)芽，開(kāi)始分枝生長(zhǎng)，本研究選擇兩個(gè)不同的時(shí)間（開(kāi)始發(fā)現(xiàn)有出苗植株的第18 d和第23 d）對(duì)所有胡麻的側(cè)芽進(jìn)行記錄，以式(1)計(jì)算胡麻的分枝率：

式中：1為各組胡麻出現(xiàn)側(cè)芽的植株數(shù)；為各組胡麻的成苗總數(shù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析方法

田間實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的M1和M2代胡麻性狀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)開(kāi)展One-way ANOVA方差分析及LSD (Least significant difference)多重比較（SPSS軟件），計(jì)算相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 中子輻射對(duì)M1代胡麻出苗的影響

不同劑量中子輻射胡麻種子，對(duì)M1代胡麻的出苗率產(chǎn)生了不同的影響。受較高劑量輻射的樣品1?4組的出苗率分別為75.0%、70.0%、72.0%和68.0%，與對(duì)照組相比分別提高了9.0%、4.0%、6.0%和3.0%，比較分析后（圖1(a)）發(fā)現(xiàn)，第1組差異明顯(<0.05)；而受較低劑量輻射的樣品5?9組的出苗率相比于對(duì)照組略低，除第8組外（第8組初步分析的原因是田間環(huán)境異常造成的），其他4組與對(duì)照之間無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，在目前的輻射劑量范圍內(nèi)，胡麻的出苗率沒(méi)有隨劑量變化的線性規(guī)律，但具有一定范圍低劑量的中子輻射可以促進(jìn)M1代胡麻出苗的輻射生物效應(yīng)。

2.2 中子輻射對(duì)M2代胡麻出苗的影響

在對(duì)胡麻M2代出苗率的分析后，發(fā)現(xiàn)中子輻射的影響持續(xù)到了胡麻的M2代。受較高劑量輻射的樣品1?4組的出苗率分別比對(duì)照組降低了10.0%、8.0%、9.0%和6.0%，比較分析后（圖1(b)）發(fā)現(xiàn)，第1組差異還是較為明顯(<0.05)；圖1(b)還顯示，受較低劑量輻射的樣品5?9組的出苗率相比于對(duì)照組無(wú)明顯差異。因此，中子輻射胡麻種子對(duì)出苗率的輻射效應(yīng)可以持續(xù)到M2代，但與M1代輻射效應(yīng)不同的是，樣品1?4組胡麻M2代的出苗卻出現(xiàn)了抑制效應(yīng)，分析其原因應(yīng)是中子輻射胡麻M1代的刺激效應(yīng)使胡麻發(fā)生了一定物理和生化的損傷，所以才會(huì)在M2代表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。

2.3 中子輻射對(duì)M1代胡麻株高的影響

因農(nóng)作物苗期株高與出苗時(shí)間存在密切關(guān)聯(lián)，因此苗期的株高不能簡(jiǎn)單地對(duì)各組平均株高進(jìn)行比較，而是應(yīng)該對(duì)各組間出苗時(shí)間相同胡麻的株高進(jìn)行比較。表2為就兩種不同出苗時(shí)間對(duì)M1代胡麻苗期株高進(jìn)行處理的結(jié)果。由表2可以看出，樣品1?4組的株高均明顯高于對(duì)照組，樣品5?9組的株高與對(duì)照組之間無(wú)明顯規(guī)律性變化，也無(wú)差異顯著性出現(xiàn)，其中出苗12 d中子吸收劑量為2.55 Gy和4.33 Gy的M1代胡麻的株高與對(duì)照組差異顯著，而出苗16 d中子吸收劑量為2.55 Gy和4.33 Gy的M1代胡麻的株高與對(duì)照組無(wú)差異顯著性。以上結(jié)果表明，一定范圍低劑量的中子輻射對(duì)M1代胡麻苗期株高的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但隨著胡麻的生長(zhǎng)，其株高的中子輻射促進(jìn)效應(yīng)出現(xiàn)了逐步減弱的現(xiàn)象。

表2 中子輻射對(duì)M1代胡麻株高的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示差異極顯著(<0.01)；≥3

Note: The different small letters represent significant difference (<0.05), different capital letters show very significant difference (<0.01);≥3.

2.4 中子輻射對(duì)M2代胡麻株高的影響

表3為就兩種不同出苗時(shí)間對(duì)M2代胡麻苗期株高進(jìn)行處理的結(jié)果，由表3可以看出，出苗12 d中子吸收劑量為2.55 Gy和4.33 Gy的M2代胡麻的株高還明顯高于對(duì)照組，但已無(wú)差異顯著性，而出苗16 d中子吸收劑量為2.55 Gy和4.33 Gy的M2代胡麻的株高與對(duì)照組的差別更不明顯。這表明一定范圍低劑量的中子輻射對(duì)M2代胡麻苗期株高的生長(zhǎng)保持了促進(jìn)效應(yīng)，但該效應(yīng)相比M1代胡麻已經(jīng)減弱。

表3 中子輻射對(duì)M2代胡麻株高的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

2.5 中子輻射對(duì)M1代胡麻分枝的影響

不同劑量中子輻射胡麻種子對(duì)其M1代的分枝率產(chǎn)生了普遍影響。如圖2(a)所示，出苗第18 d的M1代胡麻的分枝率除第5組樣品與對(duì)照組的分枝率均為13.6%外，其他各輻照組的分枝率均明顯高于對(duì)照組，而出苗第23 d的M1代胡麻的所有輻照組的分枝率均明顯高于對(duì)照組。LSD多重比較結(jié)果顯示，第18 d和第23 d中子吸收劑量為2.55 Gy和4.33 Gy（1、2樣品組）的M1代胡麻的分枝率與對(duì)照組之間一直保持顯著差異，其中中子吸收劑量為2.55 Gy的樣品2組一直保持著最高的分枝率。這說(shuō)明一定低劑量的中子輻射胡麻種子，具有促使其M1代側(cè)芽發(fā)生的效應(yīng)，且存在最佳促進(jìn)劑量。

2.6 中子輻射對(duì)M2代胡麻分枝的影響

中子輻射胡麻種子對(duì)其M2代的分枝率還保持著一定程度的影響。如圖2(b)所示，出苗第18 d的M2代胡麻的分枝率除第6組樣品與對(duì)照組的分枝率均為15.0%外，其他各輻照組的分枝率均高于對(duì)照組；出苗第23 d的M2代胡麻的分枝率除第9組樣品比對(duì)照組略低0.8%外，其他各輻照組的分枝率均高于對(duì)照組，但M2代的促進(jìn)效應(yīng)不如M1代明顯。這也表明了較低劑量的中子輻射對(duì)M2代胡麻苗期側(cè)芽的發(fā)生還保持著一定的促進(jìn)效應(yīng)。

圖2 M1 (a)和M2 (b)代胡麻各樣品組的分枝率

2.7 中子輻射引起M1和M2代胡麻植株形變分析

關(guān)于M1代胡麻形態(tài)變化的田間研究發(fā)現(xiàn)，有輻照組胡麻出現(xiàn)葉片及株型發(fā)生疑似變異的現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)生疑似變異現(xiàn)象的M1代植株占1?9組輻射樣品植株總數(shù)的5%，具體可分為：1) 第一對(duì)真葉有突變小葉出現(xiàn)（圖3）；2) 真葉局簇不展（圖4），莖的顏色也有變化；3) 雙頭和三頭株型（圖5），出苗后直接生長(zhǎng)兩個(gè)頭或三個(gè)頭。在M2代輻照組胡麻中也發(fā)現(xiàn)了一些形態(tài)疑似變異植株，而主要發(fā)現(xiàn)的是雙頭和三頭株型。這些疑似變異現(xiàn)象在比照組中均未出現(xiàn)，以上研究發(fā)現(xiàn)表明，在本研究的中子劑量范圍內(nèi)，可以誘發(fā)M1和M2代胡麻產(chǎn)生一定程度的變異。

圖3 突變小葉變異株（左）與對(duì)照株（右）的比較

圖4 真葉局簇變異株（左）與對(duì)照株（右）的比較

圖5 三頭變異株（左）、雙頭變異株（中）與對(duì)照株（右）的比較

3 討論

從本研究可以看出，低劑量的中子輻射胡麻種子能夠引起其M1和M2代產(chǎn)生輻射生物效應(yīng)。且輻射生物效應(yīng)與中子劑量之間存在著關(guān)聯(lián)：較低劑量(1.12?4.33 Gy)的中子輻射可以促進(jìn)M1代胡麻出苗、抑制M2代胡麻出苗、對(duì)M1代胡麻苗期株高的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，其中2.55 Gy和4.33 Gy中子輻射的促進(jìn)作用具有顯著性并在M2代胡麻中還表現(xiàn)明顯的促進(jìn)作用；低劑量(0.24?4.33 Gy)的中子輻射胡麻種子具有促使其M1和M2代側(cè)芽發(fā)生效應(yīng)，并且存在最佳促進(jìn)劑量。

本研究還發(fā)現(xiàn)，低劑量的中子輻射胡麻種子，胡麻M1和M2代產(chǎn)生的輻射生物效應(yīng)存在差異：一種是截然相反的效應(yīng)，關(guān)于胡麻出苗的結(jié)果分析反應(yīng)了這一點(diǎn)，M1代是促進(jìn)作用而M2代是抑制作用，可見(jiàn)中子輻射胡麻種子對(duì)M1代胡麻的出苗產(chǎn)生了刺激作用，這種刺激可能對(duì)M1代胡麻的某些發(fā)育有一定的損傷，因此M2代胡麻的出苗發(fā)生了抑制效應(yīng)；另一種是相似的效應(yīng)，如M1、M2代胡麻的株高和分枝的發(fā)育均出現(xiàn)了促進(jìn)效應(yīng)，但M1代的效應(yīng)比M2代表現(xiàn)的更為明顯，由此可知中子輻射胡麻種子對(duì)M1代胡麻株高的生長(zhǎng)和側(cè)芽的發(fā)生產(chǎn)生了刺激作用，這種刺激是有益的，可以持續(xù)到M2代，在傳代的過(guò)程中隨著胡麻生理的調(diào)整，刺激作用被減弱。

γ輻射具有低劑量輻射的興奮效應(yīng)[15]，且表現(xiàn)為對(duì)種子出苗的促進(jìn)作用[16]。我們?cè)谥凶虞椛渫愣狗N子的研究中發(fā)現(xiàn)[17]，低劑量的中子輻射可以促進(jìn)M1代豌豆出苗，說(shuō)明低劑量的中子輻射有與γ輻射類(lèi)似的可以促進(jìn)作物M1代出苗的特性，比較后還發(fā)現(xiàn)不同作物所產(chǎn)生促進(jìn)作用的劑量范圍不同，M1代胡麻產(chǎn)生促進(jìn)作用的劑量高于豌豆。前期研究發(fā)現(xiàn)[12]，較低劑量的中子輻射對(duì)M1代豌豆苗期株高的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，較高劑量的中子輻射對(duì)M1代豌豆苗期株高的生長(zhǎng)有抑制作用。而M1代胡麻只表現(xiàn)出了低劑量中子輻射對(duì)苗期株高生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，且產(chǎn)生促進(jìn)作用的劑量高于豌豆。分析原因是由于中子輻射劑量偏低未達(dá)到胡麻產(chǎn)生抑制作用的劑量，因此胡麻未出現(xiàn)抑制作用。此外，與低劑量的中子輻射能夠明顯促使M1代豌豆發(fā)生分枝的效應(yīng)[17]一樣，低劑量的中子輻射也能促進(jìn)胡麻M1代側(cè)芽的發(fā)生從而產(chǎn)生分枝并且都存在最佳的促進(jìn)劑量。這說(shuō)明中子輻射促進(jìn)作物側(cè)芽發(fā)生的生物學(xué)效應(yīng)具有普適性，在作物成長(zhǎng)初期一般不會(huì)被明顯修復(fù)。另外，分析發(fā)現(xiàn)胡麻的最佳促進(jìn)劑量也較豌 豆高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究證明中子吸收劑量在0.24?4.33Gy之間，可以引起M1和M2代胡麻產(chǎn)生不同的輻射生物效應(yīng)，且M1和M2代輻射生物效應(yīng)之間存在著密切的關(guān)系；輻射生物效應(yīng)與劑量之間存在著一定的關(guān)聯(lián)，中子吸收劑量在1.12?4.33 Gy之間，胡麻產(chǎn)生的輻射生物效應(yīng)更多更明顯。另外，在本研究的劑量范圍內(nèi)還可以誘發(fā)M1和M2代胡麻發(fā)生形態(tài)變異。這些對(duì)中子輻射植物的進(jìn)一步研究和中子輻射育種都具有重要意義。

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Study on M1and M2generation effect of different dosages of neutron radiation on flax seed

XU Dapeng1,3YAO Zeen1,3YIN Yongzhi1,3FENG Huyuan2

1(School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)2(School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China) 3(Engineering Research Center for Neutron Application Technology, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Background: The doses and biological effects of irradiated plants have been studied and reported widely. In the research, gamma-ray source and X-ray source was more often used than the neutron source. Although there were few studies on the plant of neutron radiation, but the research had increased in the past few years. Because neutron source is promising in such irradiation studies, it has many advantages such as strong biological effect, high mutation rate, wide variation spectrum and stable mutant.Purpose: This paperaims to explore neutron radiation biological effects of flax seed. The biological effects of different doses of neutron radiation are investigated.Methods: The dry seeds ofLwere irradiated by252Cf fission neutrons. According to different neutron absorption doses, the biological effects of M1and M2generation on the morphological characters were studied during the growth period.Results: The results showed that, there were some correlations between the radiation biological effect and the neutron dose: the neutron radiation (0.24?4.33 Gy) had promotion on lateral bud growth of M1and M2generations of flax, and had the best promotion dose, moreover, the lower neutron dose (2.55 Gy and 4.33 Gy) had significant promotion on the plant height of M1generation of flax. There were some differences between M1and M2generations of flax on the radiation biological effects: in 0.24?4.33 Gy neutron irradiation, the seedling emergence of M1generation of flax can be promoted, however, the seedling emergence of M2generation of flax can be inhibited during the growth stag. The plant height and the branching growth showed a similar promotion effect on M1and M2generations of flax, but the biological effect of M2generation was less than that of M1generation.Conclusion: After being irradiated by low neutron doses (0.24?4.33 Gy), M1and M2generations of flax show obvious biological effects. There are some certain correlations between the radiation biological effect and the neutron dose, for example the neutron absorbed dose being between 1.12 Gy and 4.33 Gy, flax appear obvious radiation biological effects during the seedling stage. The research results have positive significance for the agricultural production and breeding.

Biological effects,L.,252Cf, Neutronabsorption dose

XU Dapeng, male, born in 1979, graduated from Lanzhou University with a master’s degree in 2011, focusing on correlations study on neutron radiation dose and biological effects

2016-10-08, accepted date: 2016-12-10

TL99，Q691.6，O571.56，S124+.1

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.020203

徐大鵬，男，1979年出生，2011年于蘭州大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事中子輻射劑量與生物學(xué)效應(yīng)研究

2016-10-08，

2016-12-10

Supported by National Basic Research Program of China (No.2012CB026105), National Natural Science Foundation of China (No.11675069) and Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.lzujbky-2016-bt08, No.lzujbky-2015-bt07)

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(No.2012CB026105)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11675069)、蘭州大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(No.lzujbky-2016-bt08、No.lzujbky-2015-bt07)資助