高能混合粒子場處理小麥并儲藏的輻照效應分析

蔣 云, 張 潔, 郭元林, 尹春蓉, 宣 樸

(1.四川省農業科學院生物技術核技術研究所，四川 成都 610066；2.四川省農業科學院農產品加工所，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分析

蔣 云1, 張 潔1, 郭元林1, 尹春蓉1, 宣 樸2*

(1.四川省農業科學院生物技術核技術研究所，四川 成都 610066；2.四川省農業科學院農產品加工所，四川 成都 610066)

為研究小麥經高能混合粒子場誘變后的輻照效應，本文研究了運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，調查各處理下主要農藝性狀。結果表明，八倍體小黑麥和普通小麥經高能混合粒子場處理后，均表現出一定的輻照生物學效應，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效應均大于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果存在差異的原因可能是輻照之后的“儲藏效應”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

在傳統誘變育種中，60Co-γ 射線被廣泛應用于小麥、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、提高誘發突變中有益突變頻率成為國內外研究者關注的重點和難點。中國科學院高能物理研究所利用正負電子對撞機直線內加速器打碳靶從而產生高能混合粒子束(包括各種派介子、謬子、質子、高能光子和正、負電子等)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，可以作為研究空間誘變機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60Co-γ 射線造成的損傷效果有明顯區別，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顯現出其應用價值，還需要在育種實踐中進一步探索其規律。

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[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，結果未發表)對小麥和小黑麥干種子進行處理，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，通過對發芽率、存活率、結實率、苗高及成株期主要農藝性狀的調查，以了解高能混合粒子場對小麥和小黑麥的輻照效應。

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

利用中國科學院高能物理研究所北京正負電子對撞機直線加速器E2束流打靶產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，結果未發表)，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業科學院生物技術核技術研究所輻照中心進行，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設3次重復。發芽試驗在鋪了2 層濕潤濾紙的10 cm 培養皿中進行，22 和15 ℃ 各進行12 h，以胚芽伸出長度和種子等長為發芽，7 d 后測試發芽率。

苗高在發芽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/種子數×100 %

結實率=單株籽粒數/單株小穗數×3×100 %

株高、有效穗、主穗長、穗粒數、百粒重的測量方法按照常規考種進行。

1.4 統計分析

用Excel和DPS軟件對數據進行統計分析，用Duncans新復極差法進行多重比較。并計算各處理內的變異系數。

變異系數=標準差/平均值×100 %

2 結果與分析

2.1 高能混合粒子場(CR)處理對發芽率、存活率和結實率的影響

由表1可知，CR和60Co-γ 輻照處理對八倍體小黑麥ZSJ11的發芽率均具有促進作用且達顯著水平，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的發芽率有促進作用但不顯著，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 %，與常規輻照和空白對照均呈極顯著差異。結實率方面，ZSJ11經CR處理(67 Gy)與常規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 參試材料發芽率、存活率和結實率統計數據

表2 參試材料主要農藝性狀統計數據

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

2.2 高能混合粒子場(CR)處理對小麥主要農藝性狀的影響

苗高方面，常規輻照對ZSJ11表現為促進作用，CR處理表現為抑制作用，其中CR處理(83 Gy)苗高僅1.3 cm，與雙對照差異均達極顯著水平，CR處理(67 Gy)與空白對照差異不顯著，但與常規輻照差異顯著；對于CF6，苗高從高到低為空白對照>常規輻照>CR處理(67 Gy)>CR處理(83 Gy)，每個處理之間均達極顯著差異(圖1)。株高方面，常規輻照對ZSJ11表現為促進作用，CR處理(67 Gy)表現為抑制作用，其株高比雙對照均表現為極顯著降低；對于CF6，常規輻照和CR處理(67 Gy)均表現為抑制作用，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。有效穗和主穗長結果相似，常規輻照對ZSJ11表現為促進作用，CR處理(67 Gy)表現為抑制作用，CR處理(67 Gy)與空白對照差異不顯著，與常規輻照呈極顯著差異；而CF6的有效穗數量和主穗長依次為空白對照>常規輻照>CR處理(67 Gy)，CR處理(67 Gy)全部單株有效穗數目均為1且主穗長僅3cm左右，與雙對照均達極顯著差異。穗粒數和百粒重結果相似，CR處理(67 Gy)使得ZSJ11比空白對照呈極顯著降低，而與常規輻照處理無顯著性差異；對于CF6，CR處理(67 Gy)的穗粒數比雙對照均呈極顯著降低，由于穗粒數過低，導致無法測量百粒重(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)誘變和常規輻照誘變的變異系數

由表3可知，對絕大多數性狀(例如：ZSJ11和CF6的發芽率、存活率、結實率、苗高、株高、穗粒數、百粒重和CF6的主穗長)變異系數均為CR誘變大于常規輻照誘變。ZSJ11的有效穗變異系數為空白對照最大，CR誘變次之，常規輻照誘變最小。而CF6經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為0。ZSJ11的主穗長變異系數為常規輻照大于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，結實率等性狀出現了變異幅度非常大的單株。統計表明，高能混合粒子場處理導致絕大部分性狀的標準差和變異系數較60Co-γ 射線大，說明高能混合粒子場處理可能導致更寬的輻照損傷范圍，與傳統的60Co-γ 射線輻照相比有其特異性和優勢，這與尚晨、郭會君的結論一致[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為刺激作用，若加大劑量超過某個臨界值則表現為抑制(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)導致普通小麥產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效應均大于200 Gy的60Co-γ射線輻照處理。此外，常規輻照和CR輻照處理后的八倍體小黑麥各項指標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雜，研究表明，細胞核體積、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為適宜劑量應該介于200～300 Gy。在本研究中，83 Gy的CR處理即導致八倍體小黑麥和普通小麥川輻6號全部致死，達到致死劑量，與前人研究結果差異較大。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象進行了研究，認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致產生了“儲藏效應”，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。

致 謝：感謝中國農業科學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。

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(責任編輯 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

國家重點研發計劃“主要農作物誘變育種”項目“小麥誘變育種技術創新與品種創制”(2016YFD0102101)；四川省財政創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

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