高能混合粒子场处理小麦并储藏的辐照效应分析

蒋 云, 张 洁, 郭元林, 尹春蓉, 宣 朴

(1.四川省农业科学院生物技术核技术研究所，四川 成都 610066；2.四川省农业科学院农产品加工所，四川 成都 610066)



高能混合粒子场处理小麦并储藏的辐照效应分析

蒋 云1, 张 洁1, 郭元林1, 尹春蓉1, 宣 朴2*

(1.四川省农业科学院生物技术核技术研究所，四川 成都 610066；2.四川省农业科学院农产品加工所，四川 成都 610066)

为研究小麦经高能混合粒子场诱变后的辐照效应，本文研究了运用高能混合粒子场处理小麦，以半致矮剂量67 和83 Gy对普通小麦品种川辐6号和八倍体小黑麦ZSJ11的干种子进行诱变处理，并于-20 ℃储藏9个月；以 200 Gy60Co-γ射线辐照和未辐照的干种子为对照，调查各处理下主要农艺性状。结果表明，八倍体小黑麦和普通小麦经高能混合粒子场处理后，均表现出一定的辐照生物学效应，且八倍体小黑麦的辐照敏感性低于普通小麦。67 Gy的高能混合粒子场处理对八倍体小黑麦和普通小麦的生物学效应均大于200 Gy的60Co-γ 射线辐照处理。83 Gy 高能混合粒子场诱变已达到八倍体小黑麦和普通小麦的致死剂量，致死剂量与前人研究结果存在差异的原因可能是辐照之后的“储藏效应”影响了辐照的损伤程度。本文可为以小麦高能混合粒子场模拟空间诱变育种提供一定的参考。

高能混合粒子场；小麦；小黑麦；诱变育种；储藏

在传统诱变育种中，60Co-γ 射线被广泛应用于小麦、水稻、蔬菜菜等多种植物的品种改良且取得了举世瞩目的成就[1-3]。而不断拓展诱变源、提高诱发突变中有益突变频率成为国内外研究者关注的重点和难点。中国科学院高能物理研究所利用正负电子对撞机直线内加速器打碳靶从而产生高能混合粒子束(包括各种派介子、谬子、质子、高能光子和正、负电子等)可人工模拟宇宙空间中各种次级宇宙射线(cosmic ray, CR)，称为高能混合粒子辐射场(用CR表示)。通过高能混合粒子场能获得类似于空间诱变的某些辐射效应，可以作为研究空间诱变机理或选育作物特异突变体新品种的手段[4]，目前在小麦、牧草、玉米和花生等作物上得到了初步应用[5-9]。高能混合粒子场作为一种新兴的辐照诱变手段，与传统60Co-γ 射线造成的损伤效果有明显区别，尚晨等研究表明高能混合粒子场对紫花苜蓿的生物损伤较60Co-γ 射线小[7-8]，而郭会君、韩微波等以小麦为材料得到了与尚晨相反的结论[9-10]。有研究表明高能混合粒子场处理能使小麦总突变频率以及矮秆、早熟和穗型等有益突变频率明显高于γ射线处理[11-12]，高能混合粒子场诱变已经显现出其应用价值，还需要在育种实践中进一步探索其规律。

半致矮剂量是小麦辐照育种中剂量选择的一个重要参考依据[13]，本研究采用CR辐照小麦的半致矮剂量附近的67 和83 Gy(私下交流，结果未发表)对小麦和小黑麦干种子进行处理，由于处理时间非小麦播期，因此本实验在处理完成9个月后的小麦播种期开展，通过对发芽率、存活率、结实率、苗高及成株期主要农艺性状的调查，以了解高能混合粒子场对小麦和小黑麦的辐照效应。

1 材料与方法

1.1 研究材料

供试材料为普通小麦(TriticumaestivumL.)品种川辐6号(CF6)和八倍体小黑麦(Octoploid Triticale)ZSJ11的风干种子，含水量约为13 %。以诱变育种适宜剂量(200 Gy60Co-γ 射线)辐照[1]和不作辐照的种子做对照。

1.2 辐照处理

利用中国科学院高能物理研究所北京正负电子对撞机直线加速器E2束流打靶产生的高能混合粒子场(CR)辐照处理小麦种子，处理剂量为67 和83 Gy，位于CR辐照小麦的半致矮剂量附近(私下交流，结果未发表)，共处理各约100 粒种子，于-20 ℃ 储藏9个月后开展本实验。用作对照的60Co-γ 射线辐照处理在四川省农业科学院生物技术核技术研究所辐照中心进行，处理剂量为200 Gy，剂量率约为1.2 Gy/min，处理完后立即开展本实验。

1.3 性状考察

每个处理及对照均设设3次重复。发芽试验在铺了2 层湿润滤纸的10 cm 培养皿中进行，22 和15 ℃ 各进行12 h，以胚芽伸出长度和种子等长为发芽，7 d 后测试发芽率。

苗高在发芽12 d 后测量，测量种子和胚轴交界处到叶尖的距离。

存活率=抽穗植株数/种子数×100 %

结实率=单株籽粒数/单株小穗数×3×100 %

株高、有效穗、主穗长、穗粒数、百粒重的测量方法按照常规考种进行。

1.4 统计分析

用Excel和DPS软件对数据进行统计分析，用Duncans新复极差法进行多重比较。并计算各处理内的变异系数。

变异系数=标准差/平均值×100 %

2 结果与分析

2.1 高能混合粒子场(CR)处理对发芽率、存活率和结实率的影响

由表1可知，CR和60Co-γ 辐照处理对八倍体小黑麦ZSJ11的发芽率均具有促进作用且达显著水平，3种辐照处理之间无显著性差异。CR处理(67 Gy)对普通小麦CF6的发芽率有促进作用但不显著，而CR处理(83 Gy)比双对照均呈极显著降低。存活率方面，CR处理(83 Gy)造成ZSJ11和CF6全部死亡。CR处理(67 Gy)对ZSJ11存活率影响不显著；对于CF6，CR处理(67 Gy)使其存活率降低至12.5 %，与常规辐照和空白对照均呈极显著差异。结实率方面，ZSJ11经CR处理(67 Gy)与常规辐照处理无显著差异，但二者均和空白对照呈显著差异。

表1 参试材料发芽率、存活率和结实率统计数据

表2 参试材料主要农艺性状统计数据

CF6的结实率由高到低为空白对照>常规辐照>CR处理(67 Gy)，且两两之间均达极显著差异。

2.2 高能混合粒子场(CR)处理对小麦主要农艺性状的影响

苗高方面，常规辐照对ZSJ11表现为促进作用，CR处理表现为抑制作用，其中CR处理(83 Gy)苗高仅1.3 cm，与双对照差异均达极显著水平，CR处理(67 Gy)与空白对照差异不显著，但与常规辐照差异显著；对于CF6，苗高从高到低为空白对照>常规辐照>CR处理(67 Gy)>CR处理(83 Gy)，每个处理之间均达极显著差异(图1)。株高方面，常规辐照对ZSJ11表现为促进作用，CR处理(67 Gy)表现为抑制作用，其株高比双对照均表现为极显著降低；对于CF6，常规辐照和CR处理(67 Gy)均表现为抑制作用，其中CR处理(67 Gy)辐照后株高仅20.8 cm，比双对照均呈极显著降低。有效穗和主穗长结果相似，常规辐照对ZSJ11表现为促进作用，CR处理(67 Gy)表现为抑制作用，CR处理(67 Gy)与空白对照差异不显著，与常规辐照呈极显著差异；而CF6的有效穗数量和主穗长依次为空白对照>常规辐照>CR处理(67 Gy)，CR处理(67 Gy)全部单株有效穗数目均为1且主穗长仅3cm左右，与双对照均达极显著差异。穗粒数和百粒重结果相似，CR处理(67 Gy)使得ZSJ11比空白对照呈极显著降低，而与常规辐照处理无显著性差异；对于CF6，CR处理(67 Gy)的穗粒数比双对照均呈极显著降低，由于穗粒数过低，导致无法测量百粒重(表2)。

a：从左至右依次为川辐6号(CF6)空白对照、200 Gy-γ射线辐照、67 Gy CR处理和83 Gy CR处理;b：从左至右依次为小黑麦(ZSJ11)空白对照、200Gy-γ射线辐照、67 Gy CR处理和83Gy CR处理图1 高能混合粒子场处理对苗高的影响Fig.1 Effects of CR treatments on seedling height

(%)

2.3 高能混合粒子场(CR)诱变和常规辐照诱变的变异系数

由表3可知，对绝大多数性状(例如：ZSJ11和CF6的发芽率、存活率、结实率、苗高、株高、穗粒数、百粒重和CF6的主穗长)变异系数均为CR诱变大于常规辐照诱变。ZSJ11的有效穗变异系数为空白对照最大，CR诱变次之，常规辐照诱变最小。而CF6经CR诱变后分蘖被完全抑制，有效穗全部为1，因此有效穗变异系数为0。ZSJ11的主穗长变异系数为常规辐照大于CR辐照。

3 讨 论

高能混合粒子场通过模拟空间诱变的部分诱变因素，可提高有益突变频率，近年来成为诱变育种的一个新的研究方向[4]。本研究中，高能混合粒子场处理的小黑麦和普通小麦在株高，苗高，结实率等性状出现了变异幅度非常大的单株。统计表明，高能混合粒子场处理导致绝大部分性状的标准差和变异系数较60Co-γ 射线大，说明高能混合粒子场处理可能导致更宽的辐照损伤范围，与传统的60Co-γ 射线辐照相比有其特异性和优势，这与尚晨、郭会君的结论一致[7-9]。

有研究表明，若辐射剂量较低则辐照处理与空白对照相比表现为刺激作用，若加大剂量超过某个临界值则表现为抑制(损伤)作用[15-16]。从本研究各性状来看，200 Gy60Co-γ 射线辐照对小黑麦大部分性状起刺激作用，而CR处理(67 Gy)则起抑制作用；同时，与200 Gy60Co-γ 射线处理相比，CR处理(67 Gy)导致普通小麦产生了更大的生物损伤，说明高能混合粒子场处理(67 Gy)对小黑麦和普通小麦的生物学效应均大于200 Gy的60Co-γ射线辐照处理。此外，常规辐照和CR辐照处理后的八倍体小黑麦各项指标的损伤都低于普通小麦川辐6号，表明川辐6号的辐照敏感性较八倍体小黑麦ZSJ11高。植物辐射敏感性差异的原因十分复杂，研究表明，细胞核体积、染色体体积、DNA含量的差异是植物品种间辐射敏感性差异的内在成因。本研究中小黑麦ZSJ11为八倍体，DNA含量较六倍体普通小麦CF6高，可能是其辐射敏感性较低的原因[19]。

刘录祥分析认为普通小麦的高能混合粒子场处理适宜剂量是185 Gy[14]，郭会君[9]、韩微波[11]通过5个剂量的高能混合粒子场处理分析认为适宜剂量应该介于200～300 Gy。在本研究中，83 Gy的CR处理即导致八倍体小黑麦和普通小麦川辐6号全部致死，达到致死剂量，与前人研究结果差异较大。有研究表明，种子在被辐照后不立即播种，而是储藏一定时间，会改变辐射的损伤程度。Konzak et al.[17]和Conger et al.[18]以水稻和大麦为材料对这一现象进行了研究，认为储藏会加大辐射所带来的损伤。本研究得到的适宜辐照剂量和前人有较大差异，推测原因可能是CR诱变处理后的储藏导致产生了“储藏效应”，使得辐照损伤程度增大。高能混合粒子场辐照处理耗时较长，且一次处理可能会涉及几种不同播期的作物，因此在播种前常常需要储藏一定时间，本文对高能粒子混合场在诱变育种上的利用提供了一定的参考依据。

致 谢：感谢中国农业科学院作物所刘录祥课题组在高能混合粒子场辐照处理方面提供的帮助；感谢国家“863”计划对本项目的资助。

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(责任编辑 陈 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

国家重点研发计划“主要农作物诱变育种”项目“小麦诱变育种技术创新与品种创制”(2016YFD0102101)；四川省财政创新能力提升工程项目(2016ZYPZ-004)；四川省财政青年基金项目(2014CXSF-003)；“十三五”四川省公益性育种研究专项项目“突破性麦类育种材料与方法创新”

蒋 云(1982-)，男，四川三台人，助理研究员，从事小麦遗传育种研究，*为通讯作者。

S512.1

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